.Problemão: Quatro quadrados

Problema
(Indicado a partir do 9º ano do E. F.)


(POTI – Curso de Geometria – Nível 2) Quatro quadrados são construídos exteriormente nos lados de um paralelogramo.
Mostre que os centros destes quadrados também formam um quadrado.

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Lembrete

Conceitos simples de geometria podem ser de grande utilidade para demonstrar propriedades importantes e/ou interessantes, como na questão aqui proposta.
Nesta questão, pode ser valioso utilizar congruência de triângulos. Para saber um pouco mais acerca desse conteúdo, visitem a página do Blog dos Clubes de Matemática Um pouco sobre congruência de triângulos.

Solução


[tex]\textcolor{#800000}{(1)}[/tex] Sabemos que, em um paralelogramo:
– os lados opostos são congruentes,
– os ângulos opostos são congruentes
– e ainda dois ângulos adjacentes são suplementares.
Assim, podemos representar um paralelogramo genérico e seus ângulos da seguinte forma, supondo [tex]\alpha[/tex] a medida em graus de um de seus ângulos:

Seja [tex]ABCD[/tex] um paralelogramo.

[tex]\textcolor{#800000}{(2)}[/tex] Construindo quatro quadrados exteriormente aos lados do paralelogramo [tex]ABCD[/tex], obtemos uma figura como a mostrada a seguir.

Queremos mostrar que os centros desses quadrados também formam um quadrado. Sejam, então, [tex]M \, ,N \, ,O \, ,P \, [/tex] os centros desses quadrados e considere o quadrilátero [tex]MNOP \, [/tex], conforme ilustrado na figura seguinte.

[tex]\textcolor{#800000}{(3)}[/tex] Vamos construir os triângulos [tex]MBP[/tex] e [tex]NAM[/tex]. Note que dois dos lados desses dois triângulos são definidos por metades das diagonais de quadrados construídos em [tex]\textcolor{#800000}{(2)}[/tex]: especificamente, um dos dois quadrados maiores e um dos menores. Na figura abaixo, indicamos os comprimentos das semidiagonais maiores por [tex] \dfrac{D}{2}[/tex] e os das semidiagonais menores por [tex] \dfrac{d}{2} \, .[/tex]

[tex]\textcolor{#800000}{(4)}[/tex] Vamos agora analisar os triângulos [tex]MBP[/tex] e [tex]NAM[/tex].
Utilizando a propriedade dos ângulos do paralelogramo explicitada em [tex]\textcolor{#800000}{(1)}[/tex] e também o fato de que a diagonal de um quadrado também é a bissetriz de um ângulo reto, podemos concluir que:

  • a medida do ângulo [tex]M\hat{B}P[/tex] é:
    [tex]\quad 45^\circ+\left(180^\circ-\alpha\right)+45^\circ=\boxed{270^\circ-\alpha} \, ; [/tex]
  • a medida do ângulo [tex]N\hat{A}M[/tex] é
    [tex]\quad360^\circ-\left(45^\circ+\alpha+45^\circ\right)=\boxed{270^\circ-\alpha} \, . [/tex]

Dessa forma, pelo caso de congruência lado-ângulo-lado, os triângulos [tex]MBP[/tex] e [tex]MAN[/tex] são congruentes.
Com isso, podemos concluir que [tex]MP=MN \, .[/tex]

[tex]\textcolor{#800000}{(5)}[/tex] Vamos agora mostrar que o ângulo [tex]P\hat{M}N[/tex] é um ângulo reto.
Para tal, observemos inicialmente o triângulo [tex]BMA.[/tex]
Ele é isósceles com os ângulos da base medindo [tex]45^\circ[/tex]. Como a soma das medidas dos ângulos internos de um triângulo é [tex]180^\circ[/tex], então a medida do ângulo [tex]B\hat{M}A[/tex] é [tex]90^\circ \, .[/tex]

Além disso, pela congruência dos triângulos [tex]MBP[/tex] e [tex]MAN[/tex], temos as medidas dos ângulos [tex]B\hat{M}P[/tex] e [tex]A\hat{M}N[/tex] iguais. Essa medida em graus está representada por [tex]\theta[/tex] na figura abaixo.
Dessa forma, podemos concluir que o ângulo [tex]P\hat{M}N[/tex] é reto, já que sua medida em graus, digamos [tex]\beta[/tex], pode ser assim calculada:
[tex] \qquad \beta=90^{\circ}-\theta+\theta[/tex]
[tex] \qquad \beta=90^{\circ}\cancel{-\theta}\cancel{+\theta}[/tex]
[tex]\qquad \beta=90^{\circ} \, .[/tex]

Repetindo a mesma construção geométrica com os outros lados, concluiremos que [tex]MN=NO=OP=PM[/tex] e ainda que os ângulos [tex]M\hat{N}O \, ; \, N\hat{O}P \, [/tex] são retos. (A última figura pode ajudar nas construções.)
Podemos concluir, então, que o quadrilátero [tex]MNOP[/tex] é um quadrado.


Solução elaborada pelos Moderadores do Blog.

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