Taller de Talento Matemático (Zaragoza curso 04/05) 
Ángulos en la circunferencia
Sesión preparada y desarrollada por D. José Luis García Rodrigo
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1. La circunferencia.

 1.1. Elementos de una circunferencia 

Definición 1.  Se llama circunferencia al lugar geométrico formado por los puntos que equidistan de otro llamado centro.

  • Se llama cuerda al segmento que une dos puntos cualquiera de la circunferencia.

  • Se llama diámetro a la cuerda que pasa por el centro de la circunferencia.

  • Se llama radio al segmento que une el centro con un punto cualquiera de la circunferencia.

  • Se llama arco a cada una de las partes en las que una cuerda divide a la circunferencia.

  • Se llama semicircunferencia a cada una de las partes en las que un diámetro divide a la circunferencia.

  • Se llama ángulo central al ángulo cuyo vértice coincide con el centro de la circunferencia.
Teorema 1. La  recta diametral perpendicular a una cuerda es mediatriz de la misma, bisectriz del ángulo central correspondiente, y divide al arco en dos iguales. Teorema 2. Dos cuerdas iguales, equidistan del centro. Teorema 3. Por tres puntos no alineados pasa una circunferencia y sólo una.
 1.2. Posiciones relativas. 
 
Definición 2.  Sea C una circunferencia de centro O y radio r, y sea P un punto del plano. Diremos que:
·         P es exterior a la circunferencia si d(P,O) > r
·         P está en la circunferencia si d(P,O) = r
·         P es interior a la circunferencia si d(P,O) < r
  
Definición 3.  Diremos que una recta es:
·         secante a una circunferencia si se cortan en dos puntos.
·         tangente a una circunferencia si se cortan en un punto.
·         exterior a una circunferencia si no se cortan.
  
Teorema 4. El radio de contacto es perpendicular a la tangente.
Teorema 5. Si por un punto exterior a una circunferencia se trazan dos tangentes, los segmentos comprendidos entre dicho punto y los de contacto son iguales. La semirrecta que contiene al segmento punto-centro es bisectriz del ángulo que forman las dos tangentes.
Teorema 6. En todo cuadrilátero circunscriptible las sumas de los lados opuestos son iguales.
Definición 4.  Sean:
                    C una circunferencia de centro O y radio R.
                    C ‘ una circunferencia de centro O’ y radio r.
                               D la distancia entre los centros O y O’
Diremos que las circunferencias son:
·         Exteriores, si no tienen ningún punto en común y D > R + r.
·         Interiores, si no tienen ningún punto en común y D < R - r.
·         Tangentes Exteriores, si tienen un punto en común y D = R + r.
·         Tangentes Interiores, si tienen un punto en común y D = R - r.
·         Secantes si tienen dos puntos en común.
Dos circunferencias interiores que tienen el mismo centro se llaman Concéntricas.

2. Ángulos en la Circunferencia.

 2.1. Ángulos 

Definición 5.  Llamaremos ángulo inscrito en una circunferencia a todo aquél cuyo vértice está en ella y los lados son secantes.
 
La intersección del ángulo con la circunferencia nos da además del vértice, un arco que diremos está comprendido o abarcado por dicho ángulo.

Teorema 7.  Todo ángulo inscrito en una circunferencia es igual a la mitad del central que comprende el mismo arco.

Caso 1º:
Caso 2º
Caso 3º
Definición 6. Llamaremos ángulo semiinscrito en una circunferencia a todo aquél cuyo vértice está en ella y cuyos lados son uno tangente y otro secante.
 
La intersección del ángulo con la circunferencia nos da un arco que diremos está comprendido o abarcado por dicho ángulo.
 
Teorema 8.  Todo ángulo semiinscrito en una circunferencia es igual a la mitad del central que abarca el mismo arco.
 
Dem:

Definición 7. Llamaremos ángulo interior de una circunferencia a todo aquél cuyo vértice es un punto interior de la misma.

Teorema 9.  Todo ángulo interior es igual a la semisuma de los centrales correspondientes a los arcos abarcados por dicho ángulo y por su opuesto por el vértice.

Dem:

Definición 8. Llamaremos ángulo exterior de una circunferencia a todo aquél cuyo vértice es un punto exterior de la misma.

Teorema 10.  Todo ángulo exterior cuyos lados cortan o son tangentes a la circunferencia es igual a la semidiferencia de los ángulos centrales correspondientes a los arcos abarcados por sus lados.

Dem:

Ejercicio 1.  Un cuadrilátero se dice inscrito en una circunferencia si todos sus vértices están sobre ella. ¿Qué propiedad deben cumplir los ángulos de un cuadrilátero para que sea inscriptible?.
  Ejercicio 2. Si dos circunferencias se cortan en los puntos A y B, y por cada uno de estos puntos se traza una secante a las dos, las rectas que unen sus extremos en cada circunferencia son paralelas.
  Ejercicio 3. Por el punto de tangencia de dos circunferencias se traza una secante común. Demostrar:
1. Que los radios trazados en los extremos de la secante son paralelos.
2. Que las tangentes trazadas en esos mismos extremos serán también paralelas.
3. Que los arcos tienen igual valor.
Ejercicio 4. Se llama ángulo exinscrito al ángulo que tiene su vértice sobre la circunferencia, un lado es secante y el otro exterior a la circunferencia. Demostrar que su medida es la semisuma de los ángulos centrales correspondientes a los arcos comprendidos entre los lados del ángulo y entre los lados del opuesto por el vértice. 
 Ejercicio 5. Dada la circunferencia de centro O, desde el punto A se traza la secante ABC, de modo que sea AB = R, y se traza AOD que pasa por el centro. Demostrar que el ángulo COD es tres veces el ángulo CAD .
 2.2 Arco Capaz 

Sea un segmento AB  y un ángulo a.

Definición 9. Llamaremos arco capaz del ángulo a  sobre el segmento AB al lugar geométrico formado por los vértices de los ángulos iguales a a y cuyos lados pasan por los puntos A y B. 

En realidad, son dos arcos de circunferencia simétricos respecto del segmento AB. Desde cualquiera de esos puntos se “ve” el segmento AB bajo un mismo ángulo a.

 Ejercicio 6. Construir el arco capaz de un ángulo a sobre un segmento AB. Ejercicio 7. Construir un triángulo  dados a, ha y A. Ejercicio 8. Construir un triángulo  dados a, ma y A.
Problema 9. Desde un navío X se divisan tres puntos notables de la costa A, B y C, y se miden los ángulos AXB y BXC  que forman entre sí las visuales. Con estos sencillos datos fijar el punto X en el mapa.
Problema 10.  (Olimpiada Matemática en Zaragoza Curso 90/91)
Una sala de espectáculos tiene una pantalla de 5 m. de ancho.
a) Dibujar una zona en la que los espectadores vean la pantalla bajo un ángulo comprendido entre 45º y 90º; después otra zona desde la que se vea la pantalla bajo un ángulo comprendido entre 30º y 45º.
b) ¿Cuáles son las dimensiones mínimas de la sala para que contenga las dos zonas anteriores?
3.Relaciones métricas en la Circunferencia.

3.1. Un diámetro y un punto de una circunferencia.
Teorema 11. Toda cuerda que tenga uno de sus extremos en un diámetro, es media proporcional entre éste y la proyección de la cuerda sobre él.
Dem: El arco correspondiente al ángulo D es una semicircunferencia, luego el ángulo D es recto y el triángulo C1C2D es rectángulo. Los triángulos DD’C2, C1D’D y C1DC2 son semejantes por tanto:

Teorema 12.  La suma de los cuadrados de dos cuerdas que tienen uno de sus extremos en los de un diámetro, y el otro en un mismo punto de la circunferencia, es igual al cuadrado del diámetro.

Dem: c12 + c22 = d . p1 + d . p2 = d(p1 + p2) = d2
Teorema 13. Toda semicuerda perpendicular a un diámetro es media proporcional entre los segmentos en que lo divide.
Dem:  Los triángulos DD’C2 y C1D’D son semejantes por tanto: 
Teorema  14. Los cuadrados de dos cuerdas c1 y c2 trazadas por un mismo extremo de un diámetro, son proporcionales a sus respectivas proyecciones p1 y p2 sobre el diámetro.
Dem: Por teorema 11:

 3.2. Potencia de un punto.

Teorema 15. Si desde un punto del plano de una circunferencia se trazan secantes a la misma, el producto de distancias de dicho punto a los de intersección de cada secante es una constante.

Dem: 

1) Si el punto no pertenece a la circunferencia:
Los triángulos PAB’ y PBA’ son semejantes por tener los ángulos iguales, por tanto
2) Si el punto pertenece a la circunferencia:
Definición 10.  Sean una circunferencia C y un punto P, y sea una recta r que pasa por P y corta a C en dos puntos A yA’. Llamaremos potencia de P respecto de la circunferencia C a:
La definición responde a la consideración de segmentos orientados. El producto de distancias será positivo si P no separa los puntos A y A’ y negativo cuando los separa.
Teorema 16. Dos pares de puntos AA’ y BB’ situados en dos rectas secantes en P verifican la igualdad ,si  y sólo si los cuatro puntos son concíclicos, es decir, pertenecen a una circunferencia.
Teorema 17. Si P es un punto exterior a una circunferencia, la potencia es también el cuadrado del segmento PT, donde T es el punto de contacto de una tangente a la circunferencia trazada desde P.

Dem: Los triángulos PTA y PA’T son semejantes, luego

Teorema 18. La potencia de un punto respecto de una circunferencia es igual al cuadrado de la distancia punto-centro menos el cuadrado del radio.
Dem: P exterior 
P interior

Teorema 19. El lugar geométrico de los puntos del plano que tienen igual potencia respecto de dos circunferencias es una recta perpendicular a la que une los centros. Se llama “eje radical”  de las dos circunferencias.

Teorema 20. Si los centros de tres circunferencias no están alineados, los ejes radicales de las mismas tomadas dos a dos, se cortan en un punto, único del plano que tiene igual potencia respecto de las tres circunferencias y se llama “centro radical” de las mismas.
 Ejercicio 11. ABCD es un trapecio rectángulo. Se trazan dos circunferencias que tienen a los lados AB y CD como diámetros. Estas circunferencias se cortan en los puntos P y Q. La recta que pasa por P y Q corta al lado BC en M. Probar que M es el punto medio de BC.

 Ejercicio 12. Realiza dos construcciones sencillas para hallar la media geométrica de dos segmentos dados a  y  b.

 Ejercicio 13. Hallar dos segmentos a y b, conocido su producto y su suma.

 Ejercicio 14. Hallar dos segmentos a y b, conocido su producto y su diferencia.

 Ejercicio 15. Trazar una circunferencia que sea tangente a una recta dada r  y que pase por dos puntos dados A y B, situados en una secante a r.

 Ejercicio 16. Trazar una circunferencia que sea tangente a otra dada y que pase por dos puntos dados A y B.
Ejercicio 17. Se dice que un punto X divide a un segmento AB en media y extrema razón cuando se verifica .
 La parte mayor x recibe el nombre de segmento áureo del segmento total AB.
Aplicar la noción de potencia para construir un segmento del que se conoce su segmento áureo.

Ejercicio 18. Dividimos un segmento a en dos partes x e y. Si la parte mayor x es segmento áureo de a, entonces la parte menor y es segmento áureo de x.
( Efectivamente: )
Hallar el segmento áureo de  un segmento dado AB.
 
BIBLIOGRAFÍA:
·  Curso de Geometría Métrica. Tomo I. 
Autor: Pedro Puig Adam. Editorial: Biblioteca Matemática. Madrid 1973.
·  Circulando por el Círculo.
Autores: Fco. Padilla Díaz y otros. Editorial Síntesis. S.A. Madrid 1991.
·  Introducción a la Geometría.
Autor: Eugenio Roanes Macías. Ediciones Anaya. S. A. Madrid 1980.
·  Ángulos en la Circunferencia. Prof. José Martínez Hernández.
Dto Matemática Aplicada. Universidad Politécnica de Cartagena
http://www.dmae.upct.es/~pepemar/