Teorema de Pitágoras

O teorema de Pitágoras é uma relação matemática entre os três lados de qualquer triângulo retângulo. Na geometria euclidiana, o teorema afirma que:

“

Em qualquer triângulo retângulo, o quadrado do comprimento da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos comprimentos dos catetos.

”

Por definição, a hipotenusa é o lado oposto ao ângulo reto, e os catetos são os dois lados que o formam. O enunciado anterior relaciona comprimentos, mas o teorema também pode ser enunciado como uma relação entre áreas:

“

Em qualquer triângulo retângulo, a área do quadrado cujo lado é a hipotenusa é igual à soma das áreas dos quadrados cujos lados são os catetos.

”

Para ambos os enunciados, pode-se equacionar

$c^2 = b^2 + a^2,$

onde c representa o comprimento da hipotenusa, e a e b representam os comprimentos dos outros dois lados.

O teorema de Pitágoras leva o nome do matemático grego Pitágoras (570 a.C. – 495 a.C.), que tradicionalmente é creditado pela sua descoberta e demonstração,^[1]^[2] embora seja frequentemente argumentado que o conhecimento do teorema seja anterior a ele (há muitas evidências de que matemáticos babilônicos conheciam algoritmos para calcular os lados em casos específicos, mas não se sabe se conheciam um algoritmo tão geral quanto o teorema de Pitágoras).^[3] ^[4] ^[5]

O teorema de Pitágoras é um caso

particular da lei dos cossenos, do matemático persa Ghiyath al-Kashi (1380 – 1429), que permite o cálculo do comprimento do terceiro lado de qualquer triângulo, dados os comprimentos de dois lados e a medida de algum dos três ângulos.

O teorema de Pitágoras: a soma das áreas dos quadrados construídos sobre os catetos (a e b) equivale à área do quadrado construído sobre a hipotenusa (c).

Fórmula e corolários

Sendo c o comprimento da hipotenusa e a e b os comprimentos dos catetos, o teorema pode ser expresso por meio da seguinte equação:

$c^2 = b^2 + a^2.$

Manipulando algebricamente essa equação, chega-se a que se os comprimentos de quaisquer dois lados do triângulo retângulo são conhecidos, o comprimento do terceiro lado pode ser encontrado:

$c=\sqrt{b^2+a^2},$ $b=\sqrt{c^2-a^2}$ e $a=\sqrt{c^2-b^2} .$

Outro corolário do teorema é que:

“

Em qualquer triângulo retângulo, a hipotenusa é maior que qualquer um dos catetos, mas menor que a soma deles. ^[6]

”

maior que qualquer um dos catetos pois todos os comprimentos são necessariamente números positivos, e c² > b², logo c > b, e c² > a², logo c > a. E a hipotenusa é menor que a soma dos catetos pois c² = b² + a², e (b+a)² = b² + 2ba + a², logo c² < (b+a)², logo c < b + a.

Um triângulo retângulo, de catetos a e b, e de hipotenusa c.

Demonstrações

O teorema de Pitágoras já teve muitas demonstrações publicadas. O livro The Pythagorean Proposition, de Elisha Scott Loomis, por exemplo, contém 370 demonstrações diferentes.^[7] Há uma demonstração no livro Os Elementos, de Euclides.^[8] E também ofereceram demonstrações, o matemático indiano Bhaskara Akaria, o polímata italiano Leonardo da Vinci, e o vigésimo presidente dos Estados Unidos, James A. Garfield.^[9]^[10]^[11] O teorema de Pitágoras é tanto uma afirmação a respeito de áreas quanto a respeito de comprimentos, algumas provas do teorema são baseadas em uma dessas interpretações, e outras provas são baseadas na outra interpretação.

Por comparação de áreas

Não se sabe ao certo qual seria a demonstração utilizada por Pitágoras, entretanto, muitos autores concordam que ela teria sido feita através da comparação de áreas, conforme se segue:

Desenha-se um quadrado de lado $b + a;$
Traçam-se dois segmentos paralelos aos lados do quadrado;
Divide-se cada um destes dois retângulos em dois triângulos retos, traçando as diagonais. Chama-se c o comprimento de cada diagonal;
A área da região formada ao retirar os quatro triângulos retos é igual a $b^2 + a^2;$
Desenha-se agora o mesmo quadrado de lado $b + a,$ mas colocamos os quatro triângulos retos noutra posição.
A área da região formada quando se retiram os quatro triângulos retos é igual a $c^2.$

Como $b^2 + a^2$ representa a área do quadrado maior subtraída da soma das áreas dos triângulos retângulos, e $c^2$ representa a mesma área, então $b^2 + a^2 = c^2$ . Ou seja: num triângulo retângulo o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos. O segmento de medida c foi chamado de hipotenusa e os de medida b e a foram chamados de catetos.

Provável forma usada por Pitágoras para demonstrar o teorema que leva seu nome.

Por semelhança de triângulos

Esta demonstração se baseia na proporcionalidade dos lados de dois triângulos semelhantes, isto é, que a razão entre quaisquer dois lados correspondentes de triângulos semelhantes é a mesma, independentemente do tamanho dos triângulos.

Sendo ABC um triângulo retângulo, com o ângulo reto localizado em C, como mostrado na figura. Desenha-se a altura com origem no ponto C, e chama-se H sua intersecção com o lado AB. O ponto H divide o comprimento da hipotenusa, c, nas partes d e e. O novo triângulo, ACH, é semelhante ao triângulo ABC, pois ambos tem um ângulo reto, e eles compartilham o ângulo em A, significando que o terceiro ângulo é o mesmo em ambos os triângulos também,^[12] marcado como θ na figura. Seguindo-se um raciocínio parecido, percebe-se que o triângulo CBH também é semelhante à ABC. A semelhança dos triângulos leva à igualdade das razões dos lados correspondentes:

$\frac{a}{c}=\frac{e}{a} \mbox{ e } \frac{b}{c}=\frac{d}{b}.$

O primeiro resultado é igual ao cosseno de cada ângulo θ e o segundo resultado é igual ao seno.

Estas relações podem ser escritas como:

$a^2=c\times e \mbox{ e }b^2=c\times d.$

Somando estas duas igualdades, obtém-se

$a^2+b^2=c\times e+c\times d=c\times(d+e)=c^2 ,$

que, rearranjada, é o teorema de Pitágoras:

$a^2+b^2=c^2 \ .$

Demonstração que utiliza o conceito de semelhança: os triângulos ABC, ACH e CBH têm a mesma forma, diferindo apenas pelas suas posições e tamanhos.

Demonstração algébrica

A análise da figura da direita permite computar a área do quadrado construído sobre a hipotenusa de um triângulo retângulo: ela é quatro vezes a área desse triângulo mais a área do quadrado restante, de lado (b−a). Equacionando-se, segue que:

$c^2 = \frac{4ab}{2}\ + (b-a)^2.$

Logo:

$c^2 = 2ab + b^2 -2ba + a^2$ (o termo (b-a)² é um produto notável)

$c^2 = b^2 + a^2 \ .$ (por comutatividade da multiplicação: 2ab = 2ba)

Demonstração algébrica.

Por cálculo diferencial

Pode-se chegar ao teorema de Pitágoras pelo estudo de como mudanças em um lado produzem mudanças na hipotenusa e usando um pouco de cálculo. É uma demonstração baseada na interpretação métrica do teorema, visto que usa comprimentos, não áreas.

Como resultado da mudança da no lado a,

$\frac {da}{dc} = \frac {c}{a}$

por semelhança de triângulos e para mudanças diferenciais. Então,

$c\, dc = a\,da$

por separação de variáveis.

que resulta da adição de um segundo termo para as mudanças no lado b.

Pela integração, segue:

$c^2 = a^2 + \mathrm{constante}.$

Quando a = 0 então c = b, então a "constante" é b². Logo,

$c^2 = a^2 + b^2.$

Demonstração que usa equações diferenciais.

Demonstração pelo rearranjo de quatro triângulos retângulos idênticos.

Pelo rearranjo das partes

Uma demonstração por rearranjo é dada pela animação à esquerda. Como a área total e as áreas dos triângulos são constantes, a área preta total é constante também. E a área preta pode ser dividida em quadrados delineados pelos lados a, b, c do triângulo, demonstrando que a² + b² = c².

Na animação à direita, um grande quadrado inicial é formado da área c ² tornando adjacentes quatro triângulos retângulos idênticos, deixando um pequeno quadrado no centro do grande quadrado, de modo a acomodar a diferença de comprimentos dos lados dos triângulos. Dois retângulos são formados, de lados a e b, movendo-se os triângulos. Incorporando o pequeno quadrado central com um destes retângulos, os dois retângulos são feitos em dois quadrados de áreas a ² e b ², mostrando que c ² = a ² + b ².

Num espaço com um produto interno

Pode-se estender o Teorema de Pitágoras a espaços com produto interno e com uma norma induzida por este. Nessa situação:

$\|x\| ^2 = \langle x, x \rangle.$

Dois vetores x e y são ditos perpendiculares se:

$\langle x, y \rangle = \langle y, x \rangle = 0.$

Segue então:

$\|x+y\|^2= \langle x, x\rangle + \langle x, y\rangle +\langle y, x\rangle +\langle y, y\rangle =\|x\|^2+\|y\|^2,$

que é o Teorema de Pitágoras.

Animação mostrando outra demonstração por rearranjo.^[13]

Recíproca

A recíproca do teorema de Pitágoras também é verdadeira^[14]:

"Para qualquer triângulo com lados l, m, e r, se l² + m² = r², então o ângulo entre l e m mede 90°".

ou, usando apenas palavras,

“

Se num triângulo o quadrado em um dos lados for igual à soma dos quadrados construídos sobre os dois lados restantes do triângulo, o ângulo formado pelos dois lados restantes do triângulo é um ângulo reto.

”

Ela pode ser provada usando-se a lei dos cossenos.

Consequências e usos

Talvez nenhuma outra relação geométrica seja tão utilizada em matemática como o teorema de Pitágoras. Ao longo dos séculos foram sendo registrados muitos problemas curiosos, cujas resoluções têm como base este famoso teorema. É possível utilizar o teorema de Pitágoras em todos os polígonos, pois eles podem ser divididos em triângulos e esses em triângulos retângulos. E por extensão, a todos os poliedros.

A diagonal do quadrado

A diagonal do quadrado divide-o em dois triângulos retângulos congruentes. Sendo $l$ o lado e $d$ a diagonal, segue que:

$d^2=l^2+l^2=2\,l^2.$

Finalmente, o comprimento da diagonal é encontrado como:

$d =\sqrt{2\,l^2}=l \sqrt{2}.$

A altura do triângulo equilátero

A altura do triângulo equilátero divide-o em dois triângulos retângulos congruentes. Sendo $l$ o lado e $h$ a altura, segue que:

$l^2=h^2+\left(\frac{l}{2}\right)^2=h^2+\frac{l^2}{4}$

$h^2=\frac{3\,l^2}{4}.$

Finalmente, a altura do triângulo equilátero é encontrado como:

$h= \sqrt{\frac{3\,l^2}{4}}= \frac{l\sqrt3}{2}.$

A diagonal do cubo

Seja a a medida de sua aresta (medida de um lado de uma face quadrada)

$AC^2=a^2+a^2.$ (I)

Também pelo teorema de Pitágoras tem-se que:

$AC'^2=a^2+AC^2.$ (II)

De I e II:

$AC'^2=a^2+a^2+a^2.$

Então:

$AC'=\sqrt {3a^2}=\sqrt {3}a.$

AC' (em azul) é uma diagonal do cubo, enquanto AC (em vermelho) é uma diagonal de uma de suas faces.

Identidade trigonométrica fundamental

Ver artigo principal: Identidade trigonométrica fundamental

$\mathrm{sen}\, \theta = \frac{b}{c}, \quad \cos \theta = \frac{a}{c}.$

Disso, segue que:

${\cos}^2 \theta + {\mathrm{sen}\,}^2 \theta = \frac{a^2 + b^2}{c^2} = 1,$

Ternos pitagóricos

Ver artigo principal: Terno pitagórico

Um terno pitagórico (trio pitagórico) consiste em três números inteiros positivos a, b, e c, tais que a ² + b ² = c ². Em outras palavras, um terno pitagórico representa os comprimentos dos lados de um triângulo retângulo, onde todos os três lados têm comprimentos inteiros. Essa tripla é geralmente escrita como (a, b, c ). Alguns exemplos bem conhecidos são (3, 4, 5) e (5, 12, 13).

Um terno pitagórico primitivo é aquele em que a, b e c são coprimos (o máximo divisor comum de a, b e c é 1).

Lista de ternos pitagóricos primitivos até 100:

(3, 4, 5), (5, 12, 13), (7, 24, 25), (8, 15, 17), (9, 40, 41), (11, 60, 61), (12, 35, 37), (13, 84, 85), (16, 63, 65), (20, 21, 29), (28, 45, 53), (33, 56, 65), (36, 77, 85), (39, 80, 89), (48, 55, 73), (65, 72, 97)

Números irracionais como comprimento

Uma das consequências do teorema de Pitágoras é que comprimentos incomensuráveis (ou seja, cuja razão é um número irracional, tal como a raiz quadrada de 2), podem ser construídos, com instrumentos como régua e compasso. Um triângulo retângulo com ambos os catetos iguais a uma unidade tem uma hipotenusa de comprimento igual a raiz quadrada de 2. A figura da direita mostra como construir segmentos de reta com comprimentos iguais a raiz quadrada de qualquer número inteiro positivo.

Espiral de Teodoro

Distância entre dois pontos

Ver artigo principal: Geometria analítica

Seja $A=(x_1,y_1)$ e $B=(x_2,y_2).$ Para auxiliar, seja $C=(x_2,y_1).$

Como A e C possuem mesma ordenada, $d(A,C)=\left|x_1-x_2 \right|.$

Como B e C possuem mesma abcissa, $d(B,C)=\left| y_1-y_2 \right|$

Então $d(A,B)=\sqrt[]{d(A,C)^2+d(B,C)^2}=\sqrt[]{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}.$

Generalizações

Lei dos cossenos

Ver artigo principal: Lei dos cossenos

O teorema de Pitágoras permite calcular um lado de um triângulo retângulo conhecendo os outros dois. A lei dos cossenos permite calculá-lo em qualquer triângulo. Assim, o teorema de Pitágoras é um caso especial do teorema mais geral que relaciona o comprimento dos lados de qualquer triângulo, a lei dos cossenos é a seguinte:

$c^2=a^2+b^2-2ab\cos{\theta},$

onde θ é o ângulo entre os lados a e b. Quando θ é 90 graus, cos(θ) = 0, assim, a fórmula reduz-se ao teorema de Pitágoras.

Teorema de Gua

Ver artigo principal: Teorema de Gua

O teorema de Pitágoras pode ser generalizado para um n-simplex retângulo: o quadrado do (n-1)-volume da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos (n-1)-volumes dos catetos. Em particular, num tetraedro retângulo (isto é, que tem 3 faces perpendiculares entre si - os catetos), o quadrado da área da hipotenusa (a face que não é perpendicular às restantes) é igual à soma dos quadrados das áreas dos catetos.

Figuras semelhantes nos três lados

O teorema de Pitágoras foi generalizado por Euclides em seu livro Os Elementos para estender-se além das áreas dos quadrados nos três lados, para figuras semelhantes:^[15]

“	Erguendo-se figuras semelhantes nos lados de um triângulo retângulo, então a soma das áreas das duas menores é igual à área da maior.

Na geometria esférica e hiperbólica

O teorema de Pitágoras é derivado dos axiomas da geometria euclidiana, e de fato, a versão euclidiana não é válida nas geometrias não euclidianas. (Foi mostrado que o teorema de Pitágoras é equivalente ao postulado das paralelas) Em outras palavras, numa geometria não euclidiana, a relação entre os lados de um triângulo deve necessariamente tomar outra forma. Por exemplo, na geometria esférica, a² + b² ≠ c².

Seja c a hipotenusa de um triângulo rectângulo numa geometria não euclidiana e a e b os catetos. O teorema de Pitágoras toma uma das seguintes formas:

Na geometria esférica, tem-se
$\cos(c)=\cos(a)\cos(b).$
Na geometria hiperbólica tem-se
$\cosh(c)=\cosh(a)\cosh(b).$

Um triângulo esférico

Um triângulo hiperbólico

História

A história do teorema pode ser dividida em quatro partes: o conhecimento de trios pitagóricos, conhecimento da relação entre os lados de um triângulo retângulo, conhecimento das relações entre ângulos adjacentes, e demonstrações do teorema dentro de sistemas dedutivos.

Há provas que os antigos babilônios já conheciam o teorema muito antes de Pitágoras. Tabletes de barro do período de 1800 a 1600 a.C. foram encontrados e estudados, estando hoje em vários museus. Um deles, Plimpton 322, mostra uma tabela de 15 linhas e 3 colunas, ilustrando trios pitagóricos.

Na China, o teorema também já era conhecido cerca de 600 anos antes do período Pitagórico. O problema "Gou Gu", do famoso livro chinês Zhoubi Saunjing é um exemplo da exitência do Teorema. ^[16]

A tabuleta Plimpton 322 registra ternos pitagóricos.

O "triângulo egípcio", de medidas 3, 4, 5, os egípcios usavam uma corda com treze nós equidistantes para construírem ângulos retos.

Ilustração do livro Chou Pei Suan Ching, que sugere uma demonstração do teorema para um triângulo específico (de lados 3, 4 e 5).

Referências

↑ George Johnston Allman. Greek Geometry from Thales to Euclid. Reprinted by Kessinger Publishing LLC 2005 ed. [S.l.]: Hodges, Figgis, & Co, 1889. p. 26. ISBN 143260662X
↑ Heath, Vol I, p. 144.
↑ Otto Neugebauer. The exact sciences in antiquity. Republication of 1957 Brown University Press 2nd ed. [S.l.]: Courier Dover Publications, 1969. p. 36. ISBN 0486223329
↑ Mario Livio. The golden ratio: the story of phi, the world's most astonishing number. [S.l.]: Random House, Inc, 2003. p. 25. ISBN 0767908163
↑ Pythagoras's theorem in Babylonian mathematics
↑ Uma generalização disso é a desigualdade triangular.
↑ The Pythagorean Proposition, Classics in Mathematics Education Series. Education Resources Information Center. Institute of Education Sciences (IES) of the U.S. Department of Education. Página visitada em 2010-05-04.
↑ Euclid's Elements, Book I, Proposition 47
↑ Proof #6
↑ Proof #16
↑ Published in a weekly mathematics column: James A Garfield. (1876). "". The New England Journal of Education 3. as noted in William Dunham. The mathematical universe: An alphabetical journey through the great proofs, problems, and personalities. [S.l.]: Wiley, 1997. p. 96. ISBN 0471176613 and in A calendar of mathematical dates: April 1, 1876 by V. Frederick Rickey
↑ Pois a soma dos ângulos internos de qualquer triângulo é sempre igual a 180 graus (32ª proposição de Euclides).
↑ Alexander Bogomolny. Pythagorean Theorem, proof number 10. Cut the Knot. Página visitada em 27 February 2010.
↑ Demonstração de Euclides no livro Os Elementos
↑ Elementos. Livro VI, Proposição VI
↑ Proof of Guogu or Pythagoras' Theorem (em inglês)

Ligações externas

Demonstração do teorema de Pitágoras (segundo Euclides)
Pythagorean Theorem and its many proofs (em inglês) O teorema de Pitágoras e suas muitas demonstrações, no Cut-the-Knot.
Geometria Analítica e Desenho Geométrico, Unicamp: Teorema de Pitágoras Introdução, a demonstração de Da Vinci, e História do teorema.

^{Fonte Wikipedia}

¨¬Kyle Roonney¨¬

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quinta-feira, 24 de maio de 2012