La circunferencia inscrita en el triángulo $ABC$ es tangente a $BC$, $CA$ y $AB$ en $D$, $E$ y $F$, respectivamente. Supongamos que dicha circunferencia corta de nuevo a $AD$ en su punto medio $X$, es decir, $AX = XD$. Las rectas $XB$ y $XC$ cortan de nuevo a la circunferencia inscrita en $Y$ y $Z$, respectivamente. Demostrar que $EY =FZ$.
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info¿Existe algún triángulo tal que las medidas de sus lados son tres números enteros consecutivos y el ángulo mayor es el doble que el menor? Si existe, determinar sus medidas.
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Pista. Fíjate en que los lados están ordenados igual que sus ángulos opuestos. Utiliza los teoremas del seno y el coseno para obtener relaciones entre los lados y los ángulos.
Solución. Pongamos que los lados miden $n-1$, $n$ y $n+1$ y que el ángulo menor es $\alpha$ y el mayor $2\alpha$. Esto nos dice que $2\alpha$ es el ángulo opuesto a $n+1$ y $\alpha$ el opuesto a $n-1$ ya que los ángulos guardan el mismo orden que sus lados opuestos. Por tanto, el teorema del seno nos dice que
\[\frac{\mathrm{sen}(\alpha)}{n-1}=\frac{\mathrm{sen}(2\alpha)}{n+1}=\frac{2\mathrm{sen}(\alpha)\cos(\alpha)}{n+1}\ \Longrightarrow\ \cos(\alpha)=\frac{n+1}{2(n-1)}.\]
Ahora bien, el teorema del coseno aplicado al lado de longitud $n-1$ nos dice que
\[(n-1)^2=n^2+(n+1)^2-2n(n+1)\cos(\alpha)=2n^2+2n+1-\frac{n(n+1)^2}{n-1}.\]
Operando y simplificando, la ecuación anterior equivale a $n(n-5)=0$, lo que nos da como única posibilidad $n=5$ (el triángulo de lados $4$, $5$ y $6$).
Resta por ver si este triángulo cumple la propiedad. De nuevo por el teorema del coseno, tenemos que el ángulo $\alpha$ opuesto al lado de longitud $4$ cumple
\[\cos(\alpha)=\frac{5^2+6^2-4^2}{2\cdot 5\cdot 6}=\frac{3}{4}.\]
Por su parte, el ángulo $\beta$ opuesto al lado de longitud $6$ cumple
\[\cos(\beta)=\frac{4^2+5^2-6^2}{2\cdot 4\cdot 5}=\frac{1}{8}=2\cos^2(\alpha)-1=\cos(2\alpha).\]
Deducimos que $\beta=2\alpha$, luego en este triángulo el ángulo mayor es el doble del menor y respondemos así afirmativamente a la pregunta del enunciado.
Un triángulo tiene un vértice en cada uno de los ejes de un sistema de coordenadas cartesianas en el espacio y ningún vértice está en el origen. Demostrar que el triángulo es acutángulo.
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Pista. Los vértices tienen coordenadas $A=(a,0,0)$, $B=(0,b,0)$ y $C=(0,0,c)$. Los ángulos se pueden ahora calcular mediante la fórmula para el ángulo de dos vectores en el espacio.
Solución. Pongamos que los vértices están dados en coordenadas por $A=(a,0,0)$, $B=(0,b,0)$ y $C=(0,0,c)$, siendo $a,b,c\neq 0$. Vamos a calcular el ángulo en el vértice $A$ usando geometría analítica (los otros dos ángulos se razonan de forma similar). Considerando los vectores directores $\vec{u}=(-a,b,0)$ del lado $AB$ y $\vec{v}=(-a,0,c)$ del lado $BC$, tenemos que
\[\cos(A)=\frac{\vec{u}\cdot \vec{v}}{\|\vec{u}\|\cdot\|\vec{v}\|}=\frac{a^2}{\sqrt{a^2+b^2}\sqrt{a^2+c^2}}\gt 0.\]
Por tanto, deducimos que $A\lt 90^\circ$.