Resolução de triângulos quaisquer
Resolver um triângulo qualquer significa calcular os seus elementos principais: $a$, $b$, $c$, $\hat{A}$, $\hat{B}$ e $\hat{C}$. Para isso é necessário que sejam dadas três informações sobre o triângulo, sendo pelo menos uma delas a medida de um segmento ligado a ele (lado, altura, mediana etc.).
A história
O primeiro tratado europeu dedicado inteiramente a resolver triângulos, planos e esféricos, foi o De triangulis omnimodis (“Sobre triângulos de todos os tipos”), escrito por volta de 1464 pelo astrônomo alemão Regiomontanus e publicado só em 1533. Ele organizou os casos de resolução de modo muito parecido com o que faremos aqui, e o livro foi a porta de entrada da trigonometria na Europa do Renascimento.
- Nasce Johannes Müller, que latinizará o nome da cidade (“monte do rei”) em Regiomontanus.
- Entra na universidade aos 11 anos.
- Aluno e colaborador de Georg Peurbach. Com a morte do mestre, assume a tarefa de resumir o Almagesto.
- Na casa do cardeal Bessarion, lê manuscritos gregos e escreve o De triangulis omnimodis (c. 1464).
- Trabalha na corte do rei Matias Corvino, da Hungria, e calcula tábuas trigonométricas.
- Monta uma gráfica para livros científicos e imprime as Efemérides, que Colombo levaria nas suas viagens.
- Chamado pelo papa para ajudar na reforma do calendário, morre na cidade, aos 40 anos.
Fontes: Regiomontanus (MacTutor).
No dia a dia
- O outro lado do rio. Um topógrafo mede uma base de 100 m numa margem e os ângulos até uma árvore na outra margem; com um lado e dois ângulos, resolve o triângulo e acha a largura do rio.
- Vento e aviões. A velocidade de um avião em relação ao solo é o terceiro lado de um triângulo formado pela velocidade no ar e pela do vento; a lei dos cossenos dá o valor e a lei dos senos, o desvio da rota.
- Dados que não bastam. O caso ambíguo explica por que, em perícias de acidentes e em navegação, dois lados e um ângulo não compreendido podem corresponder a duas situações diferentes, e é preciso mais uma informação.
Teoria
Há quatro problemas clássicos de resolução de triângulos quaisquer.
Exemplo1º problema — dados um lado (a) e dois ângulos (B e C)
$$\hat{A} = 180^\circ - (\hat{B} + \hat{C})$$$$b = \frac{a\operatorname{sen}\hat{B}}{\operatorname{sen}\hat{A}}$$$$c = \frac{a\operatorname{sen}\hat{C}}{\operatorname{sen}\hat{A}}$$Há solução se, e somente se, $\hat{B} + \hat{C} < 180^\circ$.
Exemplo2º problema — dados dois lados (b e c) e o ângulo entre eles (A)
$$a = \sqrt{b^2 + c^2 - 2bc\cos\hat{A}}$$$$\cos\hat{B} = \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2ac}$$$$\cos\hat{C} = \frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab}$$A solução existe sempre e é única.
Exemplo3º problema — dados os três lados (a, b, c)
$$\cos\hat{A} = \frac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc}$$$$\cos\hat{B} = \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2ac}$$$$\cos\hat{C} = \frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab}$$O problema só tem solução se esses cossenos ficarem no intervalo $]-1, 1[$, isto é, se valer a desigualdade triangular: $a < b + c$, $b < a + c$ e $c < a + b$.
Exemplo4º problema — dados dois lados (a e b) e o ângulo oposto a um deles (A)
$$\operatorname{sen}\hat{B} = \frac{b\operatorname{sen}\hat{A}}{a}$$$$\hat{C} = 180^\circ - (\hat{A} + \hat{B})$$$$c = \frac{a\operatorname{sen}\hat{C}}{\operatorname{sen}\hat{A}}$$É o caso ambíguo: pode haver nenhuma, uma ou duas soluções. A discussão vem a seguir.
Discussão do 4º problema
1º caso: $b\operatorname{sen}\hat{A} > a$. Então $\operatorname{sen}\hat{B} = \frac{b\operatorname{sen}\hat{A}}{a} > 1$: não há solução (a circunferência de raio $a$ não alcança a reta).
2º caso: $b\operatorname{sen}\hat{A} = a$. Então $\operatorname{sen}\hat{B} = 1$ e $\hat{B} = 90^\circ$. Há solução (única, um triângulo retângulo) somente se $\hat{A} < 90^\circ$; caso contrário, $\hat{A} + \hat{B} \ge 180^\circ$.
3º caso: $b\operatorname{sen}\hat{A} < a$. Então $\operatorname{sen}\hat{B} < 1$ e existem dois ângulos suplementares que satisfazem a relação: $\hat{B}_1$, com $0^\circ < \hat{B}_1 < 90^\circ$, e $\hat{B}_2 = 180^\circ - \hat{B}_1$, com $90^\circ < \hat{B}_2 < 180^\circ$. Qual deles serve depende de $\hat{A}$:
- $\hat{A} = 90^\circ$: só $\hat{B}_1$ é solução, pois $\hat{A} + \hat{B}_2 > 180^\circ$ (e é preciso $a > b$).
- $\hat{A} < 90^\circ$: $\hat{B}_1$ é sempre solução, mas $\hat{B}_2$ só é solução se $a < b$, uma vez que $\hat{B}_2 > \hat{A} \iff b > a$ (ao maior ângulo opõe-se o maior lado). Assim, se $b\operatorname{sen}\hat{A} < a < b$, há dois triângulos; se $a \ge b$, um só.
- $\hat{A} > 90^\circ$: $\hat{B}_2$ não é solução, pois $\hat{A} + \hat{B}_2 > 180^\circ$; quanto a $\hat{B}_1$, só é solução se $a > b$, uma vez que $\hat{B}_1 < \hat{A} \iff b < a$.
ResumoQuadro-resumo do caso ambíguo
| $a < b\operatorname{sen}\hat{A}$ | $a = b\operatorname{sen}\hat{A}$ | $b\operatorname{sen}\hat{A} < a < b$ | $a \ge b$ | |
|---|---|---|---|---|
| $\hat{A}$ agudo | nenhuma | uma (retângulo) | duas | uma |
| $\hat{A}$ reto ou obtuso | nenhuma | nenhuma | nenhuma | uma (se $a > b$) |
ExemploDuas soluções
Dados $a = 1$, $b = \sqrt{3} + 1$ e $\hat{A} = 15^\circ$ (exercício 378): $b\operatorname{sen}\hat{A} = (\sqrt{3} + 1)\frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} < 1 = a < b$. Há dois triângulos: $\hat{B} = 45^\circ$, $\hat{C} = 120^\circ$, ou $\hat{B} = 135^\circ$, $\hat{C} = 30^\circ$.
Os exercícios desta seção são os de números 411 a 419 da lista do capítulo.