Guía de Matemáticas Parte IV: Geometría euclidiana

Capítulo 19

Elementos básicos de geometría

IPN CENEVAL

La geometría euclidiana estudia las propiedades de puntos, rectas, planos y figuras construidas a partir de ellos. Estos conceptos permiten describir posiciones, direcciones, distancias y relaciones angulares. En este capítulo estudiarás los elementos fundamentales de la geometría, la clasificación de los ángulos y las relaciones que se producen cuando dos rectas paralelas son cortadas por una transversal.

19.1 Punto, recta y plano#

Definición

Los conceptos fundamentales de la geometría euclidiana son:

  • Un punto representa una posición exacta y carece de longitud, anchura y altura. Se nombra mediante una letra mayúscula, como \(A\), \(B\), \(P\) o \(Q\).
  • Una recta se extiende indefinidamente en dos direcciones y no tiene extremos. Puede nombrarse mediante una letra minúscula, como \(r\) o \(s\), o mediante dos de sus puntos: \[\overleftrightarrow{AB}.\]
  • Un plano es una superficie plana que se extiende indefinidamente en todas las direcciones y no tiene grosor. Puede nombrarse mediante una letra griega o mediante tres puntos no colineales.
Nota

Los puntos, las rectas y los planos se consideran conceptos primitivos de la geometría. Esto significa que se describen mediante sus propiedades y relaciones, pero no se definen a partir de objetos geométricos más sencillos.

Definición

A partir de una recta pueden distinguirse los siguientes objetos:

  • El segmento \(\overline{AB}\) es la parte de una recta comprendida entre los puntos \(A\) y \(B\), incluidos ambos extremos.
  • La semirrecta \(\overrightarrow{AB}\) tiene como origen el punto \(A\), pasa por el punto \(B\) y se extiende indefinidamente en esa dirección.
  • La recta \(\overleftrightarrow{AB}\) pasa por \(A\) y \(B\) y se extiende indefinidamente en ambas direcciones.
Nota

Los términos semirrecta y rayo se utilizan con frecuencia como sinónimos. En ambos casos existe un punto de origen y una dirección determinada.

El orden de las letras es importante. Por ejemplo:

\[\overrightarrow{AB}\]

tiene su origen en \(A\) y pasa por \(B\), mientras que:

\[\overrightarrow{BA}\]

tiene su origen en \(B\) y pasa por \(A\).

Las diferencias entre un segmento, una semirrecta y una recta pueden observarse en las siguientes representaciones:

Figura 19.1

19.2 Ángulos#

Definición

Un ángulo es la figura formada por dos semirrectas que tienen el mismo punto de origen. Las semirrectas son los lados del ángulo y el origen común es su vértice.

Un ángulo puede denotarse mediante:

\[\angle ABC,\]

donde \(B\) es el vértice, o mediante una letra griega, como \(\alpha\), \(\beta\) o \(\theta\).

Advertencia

En la notación de tres letras, la letra correspondiente al vértice siempre se escribe en la posición central.

Por ejemplo, en:

\[\angle ABC,\]

el vértice es \(B\), no \(A\) ni \(C\).

Teorema Clasificación de los ángulos por su medida

Sea \(\theta\) la medida de un ángulo.

  • Es un ángulo nulo si: \[\theta=0^\circ.\]
  • Es un ángulo agudo si: \[0^\circ<\theta<90^\circ.\]
  • Es un ángulo recto si: \[\theta=90^\circ.\]
  • Es un ángulo obtuso si: \[90^\circ<\theta<180^\circ.\]
  • Es un ángulo llano si: \[\theta=180^\circ.\]
  • Es un ángulo cóncavo o reflejo si: \[180^\circ<\theta<360^\circ.\]
  • Es un ángulo completo si: \[\theta=360^\circ.\]

Los ángulos agudo, recto, obtuso y llano pueden compararse mediante figuras construidas con la misma escala:

Figura 19.2

19.3 Relaciones entre ángulos#

Definición

Dos ángulos son complementarios si la suma de sus medidas es:

\[90^\circ.\]

Dos ángulos son suplementarios si la suma de sus medidas es:

\[180^\circ.\]
Definición

Dos ángulos son opuestos por el vértice si se forman al intersecarse dos rectas y no comparten lado. Los ángulos opuestos por el vértice tienen la misma medida.

Definición

Dos ángulos son adyacentes si comparten el mismo vértice y un lado común, mientras que sus interiores no se superponen.

Si, además, sus lados no comunes son semirrectas opuestas, forman un par lineal y sus medidas suman:

\[180^\circ.\]
Nota

No todos los ángulos adyacentes son necesariamente suplementarios. Solo forman un par suplementario cuando sus lados no comunes son semirrectas opuestas.

Ejemplo 19.1

Dos ángulos son complementarios y uno de ellos mide \(35^\circ\). ¿Cuánto mide el otro?

Ver solución

Como los ángulos complementarios suman \(90^\circ\):

\[\begin{aligned} 90^\circ-35^\circ &=55^\circ. \end{aligned}\]

El otro ángulo mide:

\[55^\circ.\]
Ejemplo 19.2

Dos ángulos son suplementarios y uno de ellos mide \(125^\circ\). ¿Cuánto mide el otro?

Ver solución

Como los ángulos suplementarios suman \(180^\circ\):

\[\begin{aligned} 180^\circ-125^\circ &=55^\circ. \end{aligned}\]

El otro ángulo mide:

\[55^\circ.\]
Ejemplo 19.3

Dos ángulos opuestos por el vértice miden:

\[3x-10 \qquad\text{y}\qquad x+30.\]

Encuentra el valor de \(x\) y la medida de cada ángulo.

Ver solución

Como los ángulos opuestos por el vértice tienen la misma medida:

\[3x-10=x+30.\]

Resolvemos:

\[\begin{aligned} 3x-x &=30+10,\\ 2x &=40,\\ x &=20. \end{aligned}\]

Sustituimos este valor:

\[\begin{aligned} 3(20)-10 &=60-10\\ &=50. \end{aligned}\]

Cada ángulo mide:

\[50^\circ.\]

19.4 Rectas paralelas, perpendiculares y oblicuas#

Definición

Dos rectas coplanares pueden relacionarse de las siguientes maneras:

  • Son paralelas si no tienen ningún punto en común. Se escribe: \[r\parallel s.\]
  • Son perpendiculares si se intersecan formando cuatro ángulos rectos. Se escribe: \[r\perp s.\]
  • Son oblicuas si se intersecan, pero no forman ángulos rectos.

Las tres relaciones pueden compararse mediante representaciones de la misma escala:

Figura 19.3

19.5 Paralelas cortadas por una transversal#

Definición

Una recta transversal es una recta que interseca a otras dos o más rectas en puntos distintos.

Teorema Relaciones angulares entre paralelas

Si dos rectas paralelas son cortadas por una transversal, se cumplen las siguientes propiedades:

  • los ángulos correspondientes tienen la misma medida;
  • los ángulos alternos internos tienen la misma medida;
  • los ángulos alternos externos tienen la misma medida;
  • los ángulos colaterales internos, también llamados consecutivos internos, son suplementarios.

La posición de los ocho ángulos formados puede visualizarse en la siguiente figura:

Figura 19.4

En esta numeración se tienen, por ejemplo, las siguientes relaciones:

  • \(\angle 1\) y \(\angle 5\) son correspondientes;
  • \(\angle 4\) y \(\angle 6\) son alternos internos;
  • \(\angle 1\) y \(\angle 7\) son alternos externos;
  • \(\angle 4\) y \(\angle 5\) son colaterales internos.

Por tanto:

\[\begin{aligned} m\angle 1 &=m\angle 5,\\ m\angle 4 &=m\angle 6,\\ m\angle 1 &=m\angle 7,\\ m\angle 4+m\angle 5 &=180^\circ. \end{aligned}\]
Ejemplo 19.4

Dos rectas paralelas son cortadas por una transversal. Si uno de los ángulos mide \(65^\circ\), determina la medida de un ángulo correspondiente, un ángulo alterno interno y un ángulo colateral interno.

Ver solución

Los ángulos correspondientes tienen la misma medida. Por tanto, el ángulo correspondiente mide:

\[65^\circ.\]

Los ángulos alternos internos también son iguales. Por tanto, el ángulo alterno interno mide:

\[65^\circ.\]

Los ángulos colaterales internos son suplementarios. Por tanto:

\[\begin{aligned} 180^\circ-65^\circ &=115^\circ. \end{aligned}\]

El ángulo colateral interno mide:

\[115^\circ.\]
Ejemplo 19.5

En dos rectas paralelas cortadas por una transversal, un ángulo mide:

\[2x+10\]

y su colateral interno mide:

\[3x+20.\]

Encuentra el valor de \(x\) y las medidas de ambos ángulos.

Ver solución

Como los ángulos colaterales internos son suplementarios:

\[(2x+10)+(3x+20)=180.\]

Resolvemos:

\[\begin{aligned} 5x+30 &=180,\\ 5x &=150,\\ x &=30. \end{aligned}\]

Calculamos las medidas:

\[\begin{aligned} 2(30)+10 &=70^\circ,\\ 3(30)+20 &=110^\circ. \end{aligned}\]

Comprobamos:

\[70^\circ+110^\circ=180^\circ.\]
Advertencia

Las relaciones de igualdad entre ángulos correspondientes, alternos internos y alternos externos dependen de que las rectas sean paralelas.

Si las rectas no son paralelas, estas propiedades no deben aplicarse automáticamente.

19.6 Ejercicios propuestos#

Ejercicio 19.1

Clasifica cada ángulo según su medida:

\[45^\circ, \qquad 90^\circ, \qquad 120^\circ, \qquad 180^\circ, \qquad 270^\circ.\]
Ver solución

\(45^\circ\) es agudo, \(90^\circ\) es recto, \(120^\circ\) es obtuso, \(180^\circ\) es llano y \(270^\circ\) es cóncavo (o reflejo).

Ejercicio 19.2

Encuentra el complemento y el suplemento de un ángulo de:

\[42^\circ.\]
Ver solución

El complemento es \(90^\circ - 42^\circ = 48^\circ\). El suplemento es \(180^\circ - 42^\circ = 138^\circ\).

Ejercicio 19.3

Dos ángulos son suplementarios. Si sus medidas son:

\[4x+10 \qquad\text{y}\qquad 2x+20,\]

encuentra el valor de \(x\) y la medida de cada ángulo.

Ver solución

Los ángulos suplementarios suman \(180^\circ\): \[(4x+10) + (2x+20) = 180 \implies 6x + 30 = 180 \implies 6x = 150 \implies x = 25.\] Los ángulos miden \(4(25)+10 = 110^\circ\) y \(2(25)+20 = 70^\circ\).

Ejercicio 19.4

Dos ángulos opuestos por el vértice miden:

\[5x-15 \qquad\text{y}\qquad 3x+25.\]

Encuentra el valor de \(x\) y la medida de cada ángulo.

Ver solución

Los ángulos opuestos por el vértice son iguales: \[5x-15 = 3x+25 \implies 2x = 40 \implies x = 20.\] Cada ángulo mide \(5(20)-15 = 85^\circ\).

Ejercicio 19.5

Dos rectas paralelas son cortadas por una transversal. Si uno de los ángulos mide \(72^\circ\), determina las medidas de:

  • un ángulo correspondiente;
  • un ángulo alterno interno;
  • un ángulo colateral interno.
Ver solución
  • Ángulo correspondiente: mide \(72^\circ\).
  • Ángulo alterno interno: mide \(72^\circ\).
  • Ángulo colateral interno: mide \(180^\circ - 72^\circ = 108^\circ\).
Ejercicio 19.6

En dos rectas paralelas cortadas por una transversal, un ángulo mide:

\[3x-5\]

y su correspondiente mide:

\[2x+15.\]

Encuentra el valor de \(x\) y la medida de ambos ángulos.

Ver solución

Los ángulos correspondientes entre paralelas son iguales: \[3x-5 = 2x+15 \implies x = 20.\] Ambos ángulos miden \(3(20)-5 = 55^\circ\).

Ejercicio 19.7

Clasifica cada pareja de rectas como paralelas, perpendiculares u oblicuas:

  1. Dos rectas que se intersecan formando un ángulo de \(90^\circ\).
  2. Dos rectas coplanares que no tienen puntos en común.
  3. Dos rectas que se intersecan formando un ángulo de \(45^\circ\).
Ver solución
  1. Perpendiculares.
  2. Paralelas.
  3. Oblicuas.