CONSTRUCCIONES GEOMÉTRICAS

CONSTRUCCIONES GEOMÉTRICAS Efraín Soto Apolinar TÉRMINOS DE USO Derechos Reservados c 2010. Todos los derechos reservados a favor de Efraín Soto Apolinar. Soto Apolinar, Efraín. Construcciones Geométricas. Primera edición. México. 2010. Apreciado lector, usted puede sentirse libre de utilizar la información que se encuentra en este material, bajo las siguientes condiciones: Atribución: Debe dar crédito al autor del libro, independientemente del medio que se utilice para su divulgación (impresa, electrónica, en línea, etc.) Uso no comercial: No se permite el uso de este material ni de su contenido con fines comerciales y/o lucro en forma alguna. Puede utilizarlo con fines educativos o de divulgación de las ciencias. 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La idea de compartir este material se justifica en que algunos profesores no tienen acceso permanente a Internet, de manera que pueden descargar este material e imprimirlo para poder continuar su capacitación en la geometría plana, específicamente en las construcciones con regla y compás. En verdad espero que este material le permita prepararse mejor y enseñar las matemáticas con mayor impacto en sus estudiantes, es decir, de una manera más atractiva. Le agradezco infinitamente respetar los términos de uso de este material. Efraín Soto Apolinar Monterrey, N.L., México. Mayo de 2010. Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org iv www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. Índice de contenidos Términos de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Construcciones básicas 1 Trazar un triángulo equilátero dado un lado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Trazar una perpendicular a una recta por uno de sus puntos . . . . . . . . . . . 4 Trazar una perpendicular a una recta por un punto externo . . . . . . . . . . . . 6 Trazar la mediatriz de un segmento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Trazar el punto medio de un segmento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Construcción del simétrico de un punto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Construcción de un cuadrado dado uno de sus lados . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Construcción de un segmento de una longitud dada . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Construcción de la suma de dos segmentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Construcción de la diferencia de dos segmentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Trazar una bisectriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hacer una copia de un ángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Suma de dos ángulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Diferencia de dos ángulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Construir un triángulo dados un ángulo interno y dos lados adyacentes . . . 16 Construir un triángulo dados dos ángulos y el lado que comparten . . . . . . . 17 Construir un triángulo dados sus tres lados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Trazar una paralela a una recta por un punto dado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Dividir un segmento en n segmentos congruentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org vi Trazar la circunferencia circunscrita a un triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Trazar la circunferencia inscrito a un triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Trazar la circunferencia que pasa por tres puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Trazar la circunferencia dado un arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Ubicar el centro de una circunferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Trazar un ángulo de 60◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Trazar un ángulo de 30◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Trazar un ángulo de 15◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Trazar un hexágono regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Trazar un rectángulo áureo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Trazar una espiral áurea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Trazar un pentágono regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Trazar un decágono regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Trazar un octágono regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Trazar un dodecágono regular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Créditos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. Uno 1 Construcciones básicas 2 Cap.1 — Construcciones www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 3 § 1.1. Trazar un triángulo equilátero dado un lado § 1.1 TRIÁNGULO EQUILÁTERO Aquel triángulo que tiene todos sus lados de la misma medida. Definición 1.1.1 Triángulo equilátero Empezamos trazando uno de sus lados que servirá de base para el triángulo: A B Ahora trazamos una circunferencia con centro en cada uno de los extremos del segmento que pase por el otro extremo. Es decir, el radio de la circunferencia es igual a la longitud del segmento. A B El punto de intersección de las dos circunferencias es el tercer vértice del triángulo equilátero. Trazamos los segmentos AC y BC para obtener el triángulo equilátero: Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 4 Cap.1 — Construcciones C A B § 1.2 § 1.2. Trazar una perpendicular a una recta por uno de sus puntos Definición 1.2.1 RECTAS PERPENDICULARES Dos rectas son perpendiculares si al cortarse forman cuatro ángulos de la misma medida. ℓ1 ⊥ ℓ2 ℓ2 ℓ1 Vamos a trazar la perpendicular a la recta dada ℓ1 por uno de sus puntos. Empezamos dibujando la recta a la cual se le trazará la perpendicular: ℓ1 P Con ayuda del compás vamos a trazar dos arcos que corten la recta ℓ1 apoyándonos en el punto P, como se muestra enseguida: www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 5 ℓ1 P A B donde A y B son los puntos de intersección del arco con la recta ℓ1 . Ahora vamos a trazar, con una mayor abertura del compás, dos arcos que se corten, apoyándonos primero en el punto A y luego en B . Q ℓ1 P A B El punto de intersección de los arcos es Q Ahora basta unir los puntos P y Q para obtener la recta ℓ2 perpendicular a ℓ1 : ℓ1 ⊥ ℓ2 Q ℓ1 P A B ℓ2 Y terminamos. Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 6 § 1.3 Cap.1 — Construcciones § 1.3. Trazar una perpendicular a una recta por un punto ex- terno Empezamos dibujando la recta a la cual se le trazará la perpendicular: P ℓ1 La perpendicular debe pasar por el punto P, que es externo a la recta ℓ1 dada. Apoyando el compás en el punto P trazamos dos arcos que corten la recta ℓ1 como se muestra enseguida: P ℓ1 A B donde A y B son los puntos de intersección del arco con la recta ℓ1 . Ahora vamos a trazar, con el mismo radio, apoyándonos primero en A y luego en B dos arcos que se corten. P ℓ1 A B Q El punto de intersección de los dos arcos se llama Q. Trazamos la recta que pasa por los puntos P y Q. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 7 ℓ1 ⊥ ℓ2 P ℓ1 A B Q ℓ2 Y terminamos. § 1.4 § 1.4. Trazar la mediatriz de un segmento MEDIATRIZ La mediatriz de un segmento es la recta que es perpendicular al segmento y que pasa por su punto medio. B M riz iat d Me A Los puntos A y B son extremos del segmento y el punto M es el punto medio de éstos. Ahora vamos a trazar una mediatriz a un segmento dado. Empezamos mostrando el segmento al cual trazaremos la mediatriz: B A Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org Definición 1.4.1 8 Cap.1 — Construcciones Con el compás abierto más que la mitad de la longitud del segmento, trazamos arcos de mismo radio que se corten mutuamente, apoyándonos primero en A y luego en B como se muestra enseguida: B A Ahora solo falta trazar la recta que pasa por los puntos de intersección de los arcos para obtener la mediatriz del segmento A B : B M A Mediatriz www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 9 § 1.5. Trazar el punto medio de un segmento § 1.5 Utilizando la construcción anterior, vemos que el punto M indicado es el punto medio del segmento A B . B M A Mediatriz § 1.6 § 1.6. Construcción del simétrico de un punto Empezamos con el punto P y la recta: ℓ P Trazamos una perpendicular a la recta ℓ que pase por el punto P. (ver construcción 3) Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 10 Cap.1 — Construcciones Q ℓ P El punto Q es la intersección de la recta ℓ y la perpendicular que pasa por P. Finalmente, trazamos una circunferencia con centro el punto Q que pase por P: P′ Q ℓ P El punto P ′ es el punto simétrico de P respecto a la recta ℓ. § 1.7 § 1.7. Construcción de un cuadrado dado uno de sus lados Empezamos con uno de los lados del cuadrado: A B Construimos una perpendicular a cada extremo del lado dado: (Ver construcción 2) www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 11 A B Trazamos una circunferencia con centro en A primero, luego en B y con radio igual a la longitud del lado: A B Los puntos P y Q de intersección de cada circunferencia con las perpendiculares son los otros vértices del cuadrado: Q P A Efrain Soto A. B www.aprendematemáticas.org 12 § 1.8 Cap.1 — Construcciones § 1.8. Construcción de un segmento de una longitud dada Construir un segmento de una longitud dada en una recta, a partir de un punto es muy sencillo: 1. Medimos la distancia con el compás. 2. Apoyándonos en el punto sobre la recta, marcamos un arco con la distancia medida. A B B′ P ℓ El punto B ′ es el punto buscado. § 1.9 § 1.9. Construcción de la suma de dos segmentos 1. Primero construimos uno de los segmentos en la recta dada 2. Y luego el segundo. A B P C B′ D D′ ℓ § 1.10 § 1.10. Construcción de la diferencia de dos segmentos 1. Primero construimos el más largo de los segmentos en la recta dada: www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 13 2. Y luego, apoyándonos en D ′ trazamos una circunferencia con radio de longitud del segmento más corto: A B P D C D′ Q ℓ El segmento PQ es el buscado. § 1.11 § 1.11. Trazar una bisectriz BISECTRIZ Recta que divide a un ángulo en dos ángulos de la misma medida. En otras palabras, la bisectriz es el eje de simetría del ángulo. ctr se Bi iz Ahora vamos a trazar bisectriz del ángulo dado. Empezamos mostrando el ángulo al cual trazaremos la bisectriz: Primero abrimos el compás para dibujar dos arcos de mismo radio que corten, uno a cada lado del ángulo: Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org Definición 1.11.1 14 Cap.1 — Construcciones B A donde A y B son las intersecciones. Ahora, apoyándonos en cada punto de intersección generados con estos trazos, volvemos a trazar dos arcos de mismo radio, que se corten entre ellos. Q B A Ahora solo falta trazar la recta que pasa por el vértice del ángulo y el punto Q: B iz ctr Q se Bi A Y terminamos. § 1.12 § 1.12. Hacer una copia de un ángulo 1. Primero construimos un rayo que servirá de lado para el ángulo a copiar. 2. Y luego, una circunferencia con centro en el vértice del ángulo a copiar. 3. Con ese mismo radio, dibujamos una circunferencia con centro en un extremo del segmento que dibujamos. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 15 4. Ahora medimos con el compás la distancia entre las intersecciones de la circunferencia con los lados del ángulo. 5. Y con esa abertura del compás apoyándonos en la intersección de la circunferencia con el segmento cortamos a la circunferencia. Finalmente, trazamos el otro lado del ángulo. § 1.13 § 1.13. Suma de dos ángulos 1. Empezamos copiando el primero de los dos ángulos (Ver construcción 12) 2. Y luego, tomando como base un lado del ángulo copiado, copiamos el otro ángulo. 3. Y terminamos. + Efrain Soto A. = www.aprendematemáticas.org 16 § 1.14 Cap.1 — Construcciones § 1.14. Diferencia de dos ángulos 1. Empezamos copiando el primero de los dos ángulos (Ver construcción 12) 2. Y luego, tomando como base el lado inicial del ángulo copiado, copiamos el otro ángulo. 3. Y terminamos. − α α− β = α β β § 1.15 § 1.15. Construir un triángulo dados un ángulo interno y dos lados adyacentes 1. Empezamos copiando el primer lado del triángulo (Ver construcción 8) 2. Y luego copiamos el ángulo entre los dos lados adyacentes (Ver construcción 12) α α 4. Ahora copiamos la longitud del segundo lado. (Ver construcción 8) 5. Finalmente, trazamos el lado faltante que va de los extremos de los lados conocidos del triángulo. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 17 α α § 1.16 § 1.16. Construir un triángulo dados dos ángulos y el lado que comparten 1. Empezamos copiando el primer lado del triángulo (Ver construcción 8) 2. Y luego copiamos el primer ángulo en un extremo del lado (Ver construcción 12) α β α 4. Ahora copiamos el segundo ángulo. (Ver construcción 12) 5. Y hemos terminado. α Efrain Soto A. β α www.aprendematemáticas.org β 18 § 1.17 Cap.1 — Construcciones § 1.17. Construir un triángulo dados sus tres lados 1. Empezamos copiando el primer lado del triángulo (Ver construcción 8) 2. Y luego trazamos una circunferencia con centro en un extremo del lado y con radio igual al segundo lado. 4. Y luego trazamos una circunferencia con centro en el otro extremo del lado y con radio igual al tercer lado. 5. El punto de intersección de las dos circunferencias es el tercer vértice del triángulo. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 19 § 1.18. Trazar una paralela a una recta por un punto dado § 1.18 1. Trazamos una perpendicular a la recta dada que pase por el punto P dado (Ver construcción 3) 2. Y luego trazamos una perpendicular a la recta trazada por el punto P del lado y con radio igual al segundo lado. (Ver construcción 2) ℓ k ℓ′ P ℓ′ ℓ § 1.19 § 1.19. Dividir un segmento en n segmentos congruentes 1. Empezamos dibujando el segmento A B a dividir. 2. Ahora trazamos un rayo con punto incial en el extremo A del segmento dado. 3. Con un radio fijo, trazamos n segmentos congruentes sobre el rayo, empezando en A. A Efrain Soto A. B www.aprendematemáticas.org 20 Cap.1 — Construcciones 4. Conectamos la última división con B . 5. Paralelo a este segmento traza rectas que pasen por cada división y corten al segmento A B 6. Los puntos de intersección de estas rectas con el segmento A B son los que dividen al segmento en n segmentos congruentes. A ξ1 ξ2 ξ3 ξ4 B § 1.20 § 1.20. Trazar la circunferencia circunscrita a un triángulo 1. Empezamos dibujando el triángulo dado. 2. Ahora trazamos las mediatrices de dos lados del triángulo. 3. El punto de intersección de las dos mediatrices es el centro de la circunferencia circunscrita al triángulo. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 21 § 1.21. Trazar la circunferencia inscrito a un triángulo § 1.21 1. Empezamos dibujando el triángulo dado. 2. Ahora trazamos las bisectrices de dos ángulos del triángulo. 3. El punto de intersección de las dos bisectrices es el centro de la circunferencia inscrita al triángulo. 4. Ahora trazamos una perpendicular a un lado que pase por el punto de intersección de las dos bisectrices (Ver construcción 3) 5. La circunferencia inscrita pasa por el pié de la perpendicular. § 1.22 § 1.22. Trazar la circunferencia que pasa por tres puntos 1. Empezamos dibujando el triángulo con vértices en los puntos dados. 2. Ahora trazamos las mediatrices de dos lados del triángulo. 3. El punto de intersección de las dos mediatrices es el centro de la circunferencia circunscrita al triángulo. Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 22 Cap.1 — Construcciones § 1.23 § 1.23. Trazar la circunferencia dado un arco 1. Empezamos dibujando el arco dado. 2. Ahora ubicamos tres puntos sobre el arco. 3. Finalmente, trazamos la circunferencia que pasa por esos tres puntos. (Ver construcción 22) § 1.24 § 1.24. Ubicar el centro de una circunferencia 1. Empezamos trazando la circunferencia dada. 2. Ahora ubicamos tres puntos sobre la circunferencia. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 23 3. Usando la construcción 22 podemos encontrar el centro de la circunferencia. (Ver construcción 22) C § 1.25 § 1.25. Trazar un ángulo de 60◦ 1. Empezamos trazando una circunferencia. 2. Con el mismo radio, apoyando el compás en cualquier punto de la circunferencia, trazamos un arco que corte a la circunferencia. 3. Finalmente, unimos los tres puntos. 60◦ C § 1.26 § 1.26. Trazar un ángulo de 30◦ 1. Empezamos trazando un ángulo de 60◦ (Ver construcción 25) 2. Ahora trazamos la bisectriz del ángulo. (Ver construcción 11) Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 24 Cap.1 — Construcciones 60◦ 30◦ § 1.27 § 1.27. Trazar un ángulo de 15◦ 1. Empezamos trazando un ángulo de 30◦ (Ver construcción 26) 2. Ahora trazamos la bisectriz del ángulo. (Ver construcción 11) 30◦ 15◦ § 1.28 § 1.28. Trazar un hexágono regular 1. Empezamos trazando una circunferencia 2. Ahora con el mismo radio, trazamos un arco apoyándonos en cualquier punto de la circunferencia. 3. Con el mismo radio, trazamos arcos apoyándonos en el corte del último arco con la circunferencia. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 25 § 1.29 § 1.29. Trazar un rectángulo áureo 1. Empezamos trazando un cuadrado. (Ver Construcción 7) 2. Encontramos el punto medio M de su base. (Ver construcción 5) 3. Trazamos una circunferencia con centro en M que pase por el vértice opuesto al lado del cuadrado. M 4. Extendemos la base hasta que corte a la circunferencia. 5. Este segmento es la base del rectángulo áureo. La altura del rectángulo áureo es la altura del cuadrado. Ahora podemos trazar el rectángulo áureo. Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 26 Cap.1 — Construcciones M § 1.30 § 1.30. Trazar una espiral áurea 1. Empezamos trazando un rectángulo áureo (Ver construcción 29) 2. Trazamos un arco de 90◦ como se indica en la figura. 3. Trazamos los siguientes arcos como se indican en la figura. Observa que cada vez vamos dibujando cuadrados dentro de cada rectángulo áureo que vamos formando conforme avanzamos en la construcción. § 1.31 § 1.31. Trazar un pentágono regular 1. Empezamos trazando una circunferencia. 2. Ahora trazamos dos perpendiculares se corten en el centro de la circunferencia. 3. Encontramos el punto medio M indicado en la figura. (Ver construcción 5) www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 27 M 4. Ahora apoyándonos en M abrimos el compás hasta que corte la intersección de la circunferencia y la recta vertical. 5. Con este mismo radio, y apoyándonos en M cortamos la recta horizontal. 6. La distancia entre N y P es la longitud del lado del pentágono regular. P o lad M N 7. Medimos esta distancia con el compás y la utilizamos para encontrar los demás vértices del pentágono. P o lad M Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org 28 § 1.32 Cap.1 — Construcciones § 1.32. Trazar un decágono regular 1. Empezamos trazando un pentágono regular (Ver construcción 31). 2. Ahora encontramos el punto medio de cada uno de sus lados. 3. Encontramos la intersección de la recta que pasa por el centro de la circunferencia y el punto medio de cada lado con la circunferencia. 4. Esos puntos son los otros cinco vértices del decágono regular. § 1.33 § 1.33. Trazar un octágono regular 1. Empezamos trazando un cuadrado (Ver construcción 7) y una circunferencia con centro en la intersección de las diagonales del cuadrado que pase por uno de sus vértices. 2. Ahora encontramos el punto medio de cada uno de sus lados. 3. Encontramos la intersección de la recta que pasa por el centro de la circunferencia y el punto medio de cada lado con la circunferencia. 4. Esos puntos son los otros vértices del octágono regular. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A. 29 § 1.34. Trazar un dodecágono regular 1. Empezamos trazando un hexágono regular (Ver construcción 28) 2. Ahora encontramos el punto medio de cada uno de sus lados. 3. Encontramos la intersección de la recta que pasa por el centro de la circunferencia y el punto medio de cada lado con la circunferencia. 4. Esos puntos son los otros vértices del octágono regular. Efrain Soto A. www.aprendematemáticas.org § 1.34 Créditos 30 CRÉDITOS Autor: Efraín Soto Apolinar Productor general: Efraín Soto Apolinar Dirección y coordinación editorial: Efraín Soto Apolinar Edición: Efraín Soto Apolinar Composición tipográfica: Efraín Soto Apolinar Diseño de portada: Efraín Soto Apolinar Diseño de figuras: Efraín Soto Apolinar Revisión técnica: 15 de mayo de 2010 (Elaborada por el autor) Año de edición: 2 010 Año de publicación: 2 010 Última revisión: 15 de mayo de 2 010. Última modificación: 16 de mayo de 2 010. Software utilizado: En la edición, diseño y composición tipográfica de este material se han utilizado los siguientes programas: ① ② ③ ④ LATEX 2ǫ Tipografía del texto, ecuaciones y diagramas. TikZ Diseño de figuras, encabezados y diagramas. pgfPlots Gráficas y diagramas. TEXnicCenter Edición del código fuente LATEX 2ǫ . Apreciado lector, agradezco sus comentarios, sugerencias y correcciones a la cuenta de correo electrónico: [email protected] Usted puede descargar esta compilación de construcciones geométricas elementales de manera gratuita del siguiente sitio de Internet: http://www.aprendematematicas.org/ Gracias por respetar los términos de uso de este material. www.aprendematemáticas.org Efrain Soto A.