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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 6 (Matemática) da 2ª fase do ITA 2023

Matemática · Matemática: Lei dos senos e lei dos cossenos

Texto-base das questões 01 a 10 · Matemática

Convenções: Considere o sistema de coordenadas cartesiano, a menos que haja indicação contrária.

\mathbb{N} = \{1, 2, 3, \dots\} : denota o conjunto dos números naturais.
\mathbb{R} : denota o conjunto dos números reais.
\mathbb{C} : denota o conjunto dos números complexos.
i : denota a unidade imaginária, i^2 = -1.
M_n(\mathbb{R}) : denota o conjunto das matrizes n \times n de entradas reais.
\overline{AB} : denota o segmento de reta de extremidades nos pontos A e B.
A\hat{O}B : denota o ângulo formado pelas semi-retas \overrightarrow{OA} e \overrightarrow{OB}, com vértice no ponto O.
m(\overline{AB}) : denota o comprimento do segmento \overline{AB}.

Considere um triângulo ABC tal que m(\overline{AB}) = 4, m(\overline{AC}) = 5 e B\hat{A}C = 60^\circ. Seja D um ponto no lado \overline{AB} tal que m(\overline{AD}) = 1. Encontre o raio do círculo inscrito no triângulo BCD.

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Resolução comentada

a)

Primeiro achamos os lados do triângulo BCD. Como D está em \overline{AB} com AD=1, temos DB = 4-1 = 3.

Lei dos cossenos no triângulo ABC (ângulo A=60^\circ):

BC^2 = 4^2+5^2-2\cdot4\cdot5\cdot\tfrac12 = 21 \Rightarrow BC=\sqrt{21}.

Lei dos cossenos no triângulo ADC (também com A=60^\circ):

CD^2 = 1^2+5^2-2\cdot1\cdot5\cdot\tfrac12 = 21 \Rightarrow CD=\sqrt{21}.

Logo BCD tem lados 3, \sqrt{21} e \sqrt{21}. O semiperímetro é

p=\frac{3+2\sqrt{21}}{2}.

Para a área, usamos que BCD e ABC têm a mesma altura relativa ao vértice C, e suas bases em \overline{AB} medem 3 e 4. Então

S_{ABC}=\tfrac12\cdot4\cdot5\cdot\sen60^\circ=5\sqrt3,\qquad S_{BCD}=\tfrac34\cdot5\sqrt3=\frac{15\sqrt3}{4}.

O raio do círculo inscrito é r=S/p:

r=\frac{15\sqrt3/4}{(3+2\sqrt{21})/2}=\frac{15\sqrt3}{2(3+2\sqrt{21})}.

Racionalizando, com (2\sqrt{21}+3)(2\sqrt{21}-3)=84-9=75:

r=\frac{15\sqrt3\,(2\sqrt{21}-3)}{150}=\frac{\sqrt3(2\sqrt{21}-3)}{10}=\frac{6\sqrt7-3\sqrt3}{10}.

Conferindo numericamente, r\approx1{,}068. Pela fórmula, 6{,}495/6{,}083\approx1{,}068, o que bate.

r=\dfrac{6\sqrt7-3\sqrt3}{10}

Assuntos: Lei dos senos e lei dos cossenos, Áreas e perímetros de polígonos.

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Fonte: ITA 2ª fase 2023 · Matemática. Prova oficial ↗