Bidang Euklides dan Kerabatnya

Sebuah pengantar minimalis

Anton Petrunin

Karya asli oleh Anton Petrunin. Edisi ini merupakan terjemahan bahasa Indonesia dan adaptasi teknis; penulis asli tidak mendukung atau mengesahkan edisi ini.

Bantuan produksi edisi turunan ini menggunakan OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra. Model tersebut tidak dicantumkan sebagai penulis karya asli atau kontributor manusia.

Karya ini dilisensikan berdasarkan Lisensi Creative Commons Atribusi-BerbagiSerupa 4.0 Internasional. Teks lisensi CC BY-SA 4.0.

Prakata

Prakata

Tujuan buku ini adalah menyajikan pembahasan yang ketat, konservatif, elementer, dan minimalis. Pada saat yang sama, isinya mendekati batas maksimum yang dapat dipelajari mahasiswa dalam satu semester.

Buku ini disusun berdasarkan perkuliahan yang diberikan oleh penulis di Pennsylvania State University. Perkuliahan tersebut ditujukan kepada mahasiswa sarjana tahun kedua dan tahun terakhir yang telah mengenal bilangan real dan kekontinuan. Bekal ini memungkinkan materi dibahas lebih cepat dan lebih ketat daripada di sekolah menengah. Sekitar sepertiga materi ini dahulu diajarkan di sekolah menengah, tetapi kini tidak lagi.

Prasyarat

Mahasiswa sebaiknya telah mengenal topik-topik berikut:

Gambaran umum

Kita menggunakan apa yang disebut pendekatan metrik, yang diperkenalkan oleh Birkhoff. Artinya, kita mendefinisikan bidang Euklides sebagai ruang metrik yang memenuhi suatu daftar sifat (aksioma). Dengan cara ini, kita meminimalkan bagian-bagian teknis yang menjemukan dan tidak dapat dihindari dalam pendekatan Hilbert yang lebih klasik. Pada saat yang sama, mahasiswa berkesempatan mempelajari geometri ruang metrik.

Berikut adalah graf ketergantungan antarbab.

Graf ketergantungan dua puluh bab

Dalam (Bab 1), kita memperkenalkan konsep-konsep yang diperlukan untuk merumuskan aksioma; bahasannya mencakup ruang metrik, garis, ukuran sudut, pemetaan kontinu, dan segitiga kongruen.

Selanjutnya, kita memasuki geometri Euklides: (Bab 2) Aksioma dan akibat langsung; (Bab 3) Setengah-bidang dan kekontinuan; (Bab 4) Segitiga kongruen; (Bab 5) Lingkaran, transformasi isometrik, dan garis tegak lurus; (Bab 6) Segitiga sebangun dan (Bab 7) Garis sejajar — inilah dua bab pertama tempat kita menggunakan Aksioma V, yang ekuivalen dengan postulat kesejajaran Euklides. Dalam (Bab 8), kita menyajikan teorema-teorema geometri segitiga yang paling klasik; bab ini terutama disertakan sebagai ilustrasi.

Dalam dua bab berikutnya, kita membahas geometri lingkaran pada bidang Euklides: (Bab 9) Sudut keliling; (Bab 10) Inversi. Inversi akan digunakan untuk membangun model bidang hiperbolik.

Selanjutnya, kita membahas geometri non-Euklides: (Bab 11) Geometri netral — geometri tanpa postulat kesejajaran; (Bab 12) Model cakram konformal — suatu konstruksi bidang hiperbolik, yakni contoh bidang netral yang bukan bidang Euklides. Dalam (Bab 13), kita membahas geometri bidang hiperbolik yang telah dibangun — inilah puncak pembahasan buku ini.

Dalam bab-bab sisanya, kita membahas topik tambahan: (Bab 14) Geometri afin; (Bab 15) Geometri proyektif; (Bab 16) Geometri sferis; (Bab 17) Model proyektif bidang hiperbolik; (Bab 18) Koordinat kompleks; (Bab 19) Konstruksi geometri; (Bab 20) Luas. Bukti-bukti dalam bab-bab ini tidak sepenuhnya ketat.

Kami menganjurkan pembaca menggunakan tugas visual pada situs web penulis.

Latihan kelas biasanya mengilustrasikan konsep yang baru diperkenalkan dan dimaksudkan untuk dibahas di kelas. Latihan yang digunakan kembali pada bagian selanjutnya ditandai dengan tanda seru: Latihan! Suatu pernyataan ditandai dengan “✓\a” (misalnya, “Teorema.✓”) jika buktinya tidak menggunakan Aksioma V. Penandaan ini akan menjadi penting mulai Bab 11.

Penafian

Sebagian besar bukti dalam buku ini telah muncul dalam Elements karya Euklides. Saya tidak berusaha mencari rujukan aslinya; tugas itu mustahil dilakukan.

Sumber yang disarankan

Ucapan terima kasih

Saya berterima kasih kepada Stephanie Alexander, Thomas Barthelme, Berk Ceylan, Matthew Chao, Quinn Culver, Svetlana Katok, Nina Lebedeva, Alexander Lytchak, Alexei Novikov, dan Lukeria Petrunina atas saran-saran yang berguna dan koreksi terhadap kesalahan cetak.

Karya ini didukung sebagian oleh hibah NSF DMS-0103957, DMS-0406482, DMS-0905138, DMS-1309340, DMS-2005279, serta hibah Simons Foundation 245094, 584781.

Pendahuluan

Apakah pendekatan aksiomatik itu?

Dalam pendekatan aksiomatik, bidang didefinisikan sebagai apa pun yang memenuhi seperangkat sifat tertentu yang disebut aksioma. Aksioma-aksioma ini pada dasarnya berperan sebagai aturan permainan matematika. Setelah sistem aksioma ditetapkan, suatu pernyataan benar jika pernyataan itu mengikuti secara logis dari aksioma-aksioma tersebut, dan hanya dalam hal itu.

Perumusan aksioma-aksioma pertama sama sekali tidak ketat. Sebagai contoh, Euklides mendeskripsikan sebuah garis sebagai panjang tanpa lebar dan sebuah garis lurus sebagai garis yang terletak merata dengan titik-titik pada dirinya. Namun, perumusan ini cukup jelas bagi para matematikawan untuk saling memahami.

Cara terbaik untuk memahami suatu sistem aksiomatik adalah dengan menyusunnya sendiri. Untuk saat ini, anggaplah kita memahami secara intuitif konsep-konsep seperti garis dan titik. Bayangkan suatu permukaan papan tulis yang tak berhingga dan sempurna. Marilah kita mencoba menghimpun pengamatan-pengamatan utama mengenai model ini.

  1. Kita dapat mengukur jarak antartitik.

  2. Kita dapat menggambar tepat satu garis yang melalui dua titik yang diberikan.

  3. Kita dapat mengukur sudut.

  4. Jika kita memutar atau menggeser, kita tidak akan melihat perbedaan.

  5. Jika kita mengubah skala, kita tidak akan melihat perbedaan.

Pengamatan-pengamatan ini merupakan awal yang baik. Kelak, kita akan mengembangkan bahasa untuk merumuskannya kembali secara ketat.

Apakah model itu?

Bidang Euklides dapat didefinisikan secara ketat sebagai berikut:

Definisikan sebuah titik pada bidang Euklides sebagai pasangan bilangan real (x,y)(x,y) dan definisikan jarak antara dua titik (x1,y1)(x_1,y_1) dan (x2,y2)(x_2,y_2) dengan rumus berikut:

(x1−x2)2+(y1−y2)2.\sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}.

Itu saja! Kita telah memberikan sebuah model numerik untuk bidang Euklides; model tersebut membangun bidang Euklides dari bilangan real, yang dianggap telah dikenal.

Keringkasan merupakan keunggulan utama pendekatan model, tetapi secara intuitif tidak jelas mengapa kita mendefinisikan titik dan jarak dengan cara ini.

Di sisi lain, pengamatan-pengamatan pada bagian sebelumnya jelas secara intuitif — inilah keunggulan utama pendekatan aksiomatik. Keunggulan lainnya — pendekatan aksiomatik mudah disesuaikan. Sebagai contoh, kita dapat menghapus atau mengganti sebuah aksioma dari daftar. Kita akan melakukannya di Bab 11.

Ruang metrik

Konsep ruang metrik memberikan cara yang ketat untuk mengatakan: “kita dapat mengukur jarak antartitik”. Dengan kata lain, sebagai pengganti (Persamaan di Bab 1) pada Bagian ke-1 di Bab 1, kita dapat mengatakan “bidang Euklides adalah ruang metrik”.

Definisi Misalkan 𝒳\mathcal X suatu himpunan tak kosong dan misalkan dd suatu fungsi yang menetapkan bilangan real d(A,B)d(A,B) untuk setiap pasangan A,B∈𝒳A,B\in\mathcal X. Maka dd disebut metrik pada 𝒳\mathcal X jika, untuk setiap A,B,C∈𝒳A,B,C\in \mathcal X, syarat-syarat berikut terpenuhi:

  1. Kepositifan: d(A,B)≥0.d(A,B)\ge 0.

  2. A=BA=B jika dan hanya jika d(A,B)=0.d(A,B)=0.

  3. Simetri: d(A,B)=d(B,A).d(A, B) = d(B, A).

  4. Ketaksamaan segitiga: d(A,C)≤d(A,B)+d(B,C).d(A, C) \le d(A, B) + d(B, C).

Sebuah ruang metrik didefinisikan sebagai himpunan yang dilengkapi dengan metrik. Secara lebih formal, ruang metrik adalah pasangan (𝒳,d)(\mathcal X, d) dengan 𝒳\mathcal X suatu himpunan dan dd suatu metrik pada 𝒳\mathcal X.

Unsur-unsur 𝒳\mathcal X disebut titik-titik ruang metrik tersebut. Nilai d(A,B)d(A, B) disebut jarak dari AA ke BB.

Contoh-contoh

Latihan Tunjukkan bahwa d(A,B)=|A−B|2d(A,B)=|A-B|^2 bukan metrik pada ℝ\mathbb{R}.

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa fungsi-fungsi berikut merupakan metrik pada ℝ2\mathbb{R}^2: (a) d1d_1; (b) d2d_2; (c) d∞d_\infty.

Petunjuk

Notasi singkat untuk jarak

Biasanya, kita hanya memerlukan satu metrik pada suatu ruang. Oleh karena itu, kita tidak perlu menyebutkan metrik tersebut setiap kali.

Diberikan suatu ruang metrik 𝒳\mathcal X, jarak antara titik AA dan BB akan dilambangkan dengan

ABataud𝒳(A,B);AB \quad \text{atau} \quad d_{\mathcal X}(A,B);
notasi yang terakhir hanya digunakan jika kita perlu menegaskan bahwa AA dan BB merupakan titik-titik ruang metrik 𝒳\mathcal X.

Sebagai contoh, ketaksamaan segitiga dapat ditulis sebagai

AC≤AB+BC.AC\le AB+BC.

Untuk menghindari kerancuan, kita akan selalu menggunakan “⋅\cdot” untuk perkalian, agar ABAB tidak disalahartikan sebagai A⋅BA\cdot B.

Latihan Tunjukkan bahwa ketaksamaan

AB+PQ≤AP+AQ+BP+BQAB+PQ\le AP+AQ+BP+BQ
berlaku untuk sembarang empat titik AA, BB, PP, QQ dalam suatu ruang metrik.

Petunjuk

Isometri, transformasi isometrik, dan garis

Pada bagian ini, kita mendefinisikan garis dalam ruang metrik. Setelah itu dilakukan, kalimat “Kita dapat menggambar tepat satu garis yang melalui dua titik yang diberikan.” menjadi ketat; lihat (Persamaan di Bab 1) pada Bagian ke-1 di Bab 1.

Ingatlah bahwa suatu pemetaan f𝒳→𝒴f\:\mathcal{X}\to\mathcal{Y} merupakan bijeksi jika pemetaan tersebut memasangkan secara tepat unsur-unsur kedua himpunan. Secara ekuivalen, f𝒳→𝒴f\:\mathcal{X}\to\mathcal{Y} merupakan bijeksi jika memiliki suatu invers; yaitu, suatu pemetaan g𝒴→𝒳g\:\mathcal{Y}\to\mathcal{X} sedemikian sehingga g(f(A))=Ag(f(A))\z=A untuk setiap A∈𝒳A\in\mathcal{X} dan f(g(B))=Bf(g(B))\z=B untuk setiap B∈𝒴B\in\mathcal{Y}.

Misalkan 𝒳\mathcal X dan 𝒴\mathcal Y dua ruang metrik serta d𝒳d_{\mathcal X} dan d𝒴d_{\mathcal Y} metriknya. Suatu pemetaan

f𝒳→𝒴f\:\mathcal X \z\to \mathcal Y
disebut pemetaan yang mempertahankan jarak jika
d𝒴(f(A),f(B))=d𝒳(A,B)d_{\mathcal Y}(f(A), f(B)) = d_{\mathcal X}(A,B)
untuk semua A,B∈𝒳A,B\in {\mathcal X}.

Pemetaan bijektif yang mempertahankan jarak disebut isometri.

Dua ruang metrik disebut isometrik jika terdapat suatu isometri di antara keduanya.

Suatu isometri dari ruang metrik ke dirinya sendiri juga disebut transformasi isometrik.

Latihan Tunjukkan bahwa setiap pemetaan yang mempertahankan jarak bersifat injektif; yaitu, jika f𝒳→𝒴f\:\mathcal X\to\mathcal Y merupakan pemetaan yang mempertahankan jarak, maka f(A)≠f(B)f(A)\ne f(B) untuk setiap pasangan titik berbeda A,B∈𝒳A, B\in \mathcal X.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa jika fℝ→ℝf\:\mathbb{R}\to\mathbb{R} merupakan transformasi isometrik pada garis bilangan real, maka salah satu dari (a) f(x)=f(0)+xf(x)=f(0)+x untuk setiap x∈ℝx\in \mathbb{R}, atau (b) f(x)=f(0)−xf(x)=f(0)-x untuk setiap x∈ℝx\in \mathbb{R}.

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1) isometrik dengan (ℝ2,d∞)(\mathbb{R}^2,d_\infty).

Petunjuk

Latihan lanjutan Uraikan semua transformasi isometrik bidang Manhattan (didefinisikan dalam Bagian ke-3 di Bab 1).

Petunjuk

Jika 𝒳\mathcal X ruang metrik dan 𝒴\mathcal Y subhimpunan dari 𝒳\mathcal X, maka suatu metrik pada 𝒴\mathcal Y dapat diperoleh dengan membatasi metrik dari 𝒳\mathcal X. Dengan kata lain, jarak antara dua titik di 𝒴\mathcal Y didefinisikan sebagai jarak antara kedua titik tersebut di 𝒳\mathcal X. Dengan cara ini, setiap subhimpunan ruang metrik juga dapat dipandang sebagai ruang metrik.

Definisi Suatu subhimpunan ℓ\ell dari ruang metrik disebut garis jika isometrik dengan garis bilangan real.

Tripel titik yang terletak pada satu garis disebut segaris. Perhatikan bahwa jika AA, BB, dan CC segaris, AC≥ABAC\ge AB, dan AC≥BCAC\ge BC, maka AC=AB+BCAC\z= AB+BC.

Beberapa ruang metrik tidak memiliki garis; sebagai contoh, ruang dengan metrik diskret. Gambar menunjukkan contoh-contoh garis pada bidang Manhattan (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1).

Contoh garis dalam bidang Manhattan

Latihan Perhatikan grafik y=|x|y=|x| dalam ℝ2\mathbb{R}^2. Dalam ruang-ruang berikut ini, (a) (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1), (b) (ℝ2,d2)(\mathbb{R}^2,d_2), (c) (ℝ2,d∞)(\mathbb{R}^2,d_\infty) apakah grafik tersebut membentuk sebuah garis? Mengapa?

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa setiap transformasi isometrik memetakan sebuah garis ke sebuah garis.

Petunjuk

Sinar dan ruas

Andaikan terdapat sebuah garis ℓ\ell yang melalui dua titik berbeda PP dan QQ. Dalam hal ini, kita dapat menyatakan ℓ\ell sebagai (PQ)(PQ). Mungkin terdapat lebih dari satu garis yang melalui PP dan QQ, tetapi jika kita menulis (PQ)(PQ), kita menganggap bahwa kita telah memilih salah satu garis tersebut.

Kita akan menggunakan [PQ)[P Q) untuk menyatakan sinar yang berawal di PP dan memuat QQ. Secara formal, [PQ)[P Q) merupakan subhimpunan dari (PQ)(P Q) yang bersesuaian dengan [0,∞)[0,\infty) melalui suatu isometri f(PQ)→ℝf\:(P Q)\to \mathbb{R} sedemikian sehingga f(P)=0f(P)=0 dan f(Q)>0f(Q)>0.

Subhimpunan garis (PQ)(P Q) yang berada di antara PP dan QQ disebut ruas antara PP dan QQ; ruas tersebut dilambangkan dengan [PQ][P Q]. Secara formal, ruas dapat didefinisikan sebagai irisan dua sinar: [PQ]=[PQ)∩[QP)[P Q]=[P Q)\cap[Q P).

Latihan Tunjukkan bahwa, untuk r≥0r\ge 0 dan suatu sinar [PQ)[P Q) yang diberikan, terdapat tepat satu X∈[PQ)X\in [P Q) sedemikian sehingga PX=rP X=r.

Petunjuk

Sudut

Tujuan kita selanjutnya adalah memperkenalkan sudut dan ukuran sudut; setelah itu, pernyataan “kita dapat mengukur sudut” akan menjadi ketat; lihat (Persamaan di Bab 1) pada Bagian ke-1 di Bab 1.

Pasangan terurut dua sinar yang berawal di titik yang sama disebut sudut. Sudut AOBAOB (juga dilambangkan dengan ∠AOB\angle AOB) adalah pasangan sinar [OA)[OA) dan [OB)[OB); titik OO disebut titik sudut dari sudut tersebut.

Secara intuitif, ukuran sudut menyatakan seberapa jauh sinar pertama harus diputar berlawanan arah jarum jam, agar mencapai posisi sinar kedua. Satu putaran penuh dianggap sebesar 2⋅π2\cdot\pi; nilai ini bersesuaian dengan ukuran sudut dalam radian. 1

Ukuran sudut ∠AOB\angle AOB dilambangkan dengan ∡AOB\measuredangle AOB; nilainya merupakan bilangan real dalam interval (−π,π](-\pi,\pi].

Sudut AOB berukuran alfa

Notasi ∠AOB\angle AOB dan ∡AOB\measuredangle AOB tampak serupa; keduanya juga memiliki makna yang berkaitan erat tetapi berbeda dan sebaiknya tidak dirancukan. Sebagai contoh, persamaan ∠AOB=∠A′O′B′\angle AOB\z=\angle A'O'B' berarti bahwa [OA)=[O′A′)[OA)=[O'A') dan [OB)=[O′B′)[OB)\z=[O'B'); khususnya, O=O′O=O'. Di sisi lain, persamaan ∡AOB=∡A′O′B′\measuredangle AOB\z=\measuredangle A'O'B' hanya menyatakan kesamaan dua bilangan real; dalam hal ini, OO mungkin berbeda dari O′O'.

Berikut adalah sifat pertama ukuran sudut yang akan menjadi bagian dari aksioma. Diberikan suatu sinar [OA)[O A) dan α∈(−π,π]\alpha\in(-\pi,\pi], terdapat tepat satu sinar [OB)[O B) sedemikian sehingga ∡AOB=α\measuredangle A O B= \alpha.

Bilangan real modulo 𝟐⋅𝝅\bm{2\cdot\pi}

Perhatikan tiga sinar yang berawal di titik yang sama, [OA)[O A), [OB)[O B), dan [OC)[O C). Ketiganya membentuk tiga sudut AOBA O B, BOCB O C, dan AOCA O C, sehingga nilai ∡AOC\measuredangle A O C seharusnya sama dengan jumlah ∡AOB+∡BOC\measuredangle A O B+\measuredangle B O C modulo satu putaran penuh. Sifat ini akan dinyatakan dengan rumus

∡AOB+∡BOC≡∡AOC,\measuredangle A O B+\measuredangle B O C\equiv \measuredangle A O C,
di mana “≡\equiv” adalah notasi baru yang akan segera kita perkenalkan. Identitas terakhir ini akan menjadi bagian dari aksioma-aksioma.

Kita akan menulis α≡β(mod⁡2⋅π)\alpha\equiv\beta\pmod{2\cdot\pi}, atau secara ringkas

α≡β\begin{align*} \alpha&\equiv\beta \end{align*}
jika α=β+2⋅π⋅n\alpha=\beta+2\cdot\pi\cdot n untuk suatu bilangan bulat nn. Dalam hal ini, kita mengatakan
“α 𝑠𝑎𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 β 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 2⋅π”.\textit{``$\alpha$ sama dengan $\beta$ modulo $2\cdot\pi$''}.
Sebagai contoh, −π≡π≡3⋅π-\pi \equiv \pi\equiv 3\cdot\pi dan 12⋅π≡−32⋅π\tfrac12\cdot\pi \equiv -\tfrac32\cdot\pi.

Relasi “≡\equiv” yang diperkenalkan berperilaku seperti tanda sama dengan, tetapi

…≡α−2⋅π≡α≡α+2⋅π≡α+4⋅π≡…;\dots\equiv\alpha-2\cdot\pi\equiv \alpha\equiv \alpha+2\cdot\pi\equiv \alpha+4\cdot\pi\equiv\dots;
yaitu, jika dua ukuran sudut berbeda sebesar kelipatan satu putaran penuh, maka keduanya dianggap sama.

Dengan “≡\equiv”, kita dapat melakukan penjumlahan, pengurangan, dan perkalian dengan bilangan bulat tanpa menimbulkan masalah. Artinya, jika

α≡βdanα′≡β′,\alpha\equiv\beta \quad \text{dan} \quad \alpha'\equiv \beta',
maka
α+α′≡β+β′,α−α′≡β−β′dann⋅α≡n⋅β\alpha+\alpha'\equiv\beta+\beta', \quad \alpha-\alpha'\equiv \beta-\beta' \quad \text{dan} \quad n\cdot\alpha\equiv n\cdot\beta
untuk setiap bilangan bulat nn. Namun, “≡\equiv” tidak mempertahankan perkalian dengan bilangan nonbulat; sebagai contoh,
π≡−πtetapi12⋅π≢−12⋅π.\pi \equiv -\pi \quad \text{tetapi} \quad \tfrac12\cdot\pi \not\equiv -\tfrac12\cdot\pi.

Latihan Tunjukkan bahwa 2⋅α≡02\cdot\alpha\equiv0 jika dan hanya jika α≡0\alpha\equiv0 atau α≡π\alpha\equiv\pi.

Petunjuk

Latihan Andaikan 0≤α≤π0\le \alpha\le \pi, 0≤β≤π0\le \beta\le \pi, dan 0<γ<2⋅π0<\gamma<2\cdot \pi. Tunjukkan bahwa

α+β≡γmengakibatkanα+β=γ.\alpha+\beta\equiv \gamma\quad\text{mengakibatkan}\quad\alpha+\beta=\gamma.

Petunjuk

Kekontinuan

Ukuran sudut juga diasumsikan kontinu. Tepatnya, sifat ukuran sudut berikut akan menjadi bagian dari aksioma-aksioma:

Fungsi

∡(A,O,B)↦∡AOB\measuredangle\:(A,O,B)\mapsto\measuredangle A O B
kontinu pada setiap tripel titik (A,O,B)(A,O,B) sedemikian sehingga O≠AO\ne A, O≠BO\ne B, dan ∡AOB≠π\measuredangle A O B\ne\pi.

Untuk memperjelas sifat ini, kita perlu memperluas konsep kekontinuan ke fungsi-fungsi antara ruang-ruang metrik. Definisi ini merupakan perumuman langsung dari definisi baku untuk fungsi real ke real.

Misalkan 𝒳\mathcal X dan 𝒴\mathcal Y dua ruang metrik, serta d𝒳d_{\mathcal X} dan d𝒴d_{\mathcal Y} metriknya.

Suatu pemetaan f𝒳→𝒴f\:\mathcal X\to\mathcal Y disebut kontinu di titik A∈𝒳A\in \mathcal X jika, untuk setiap ϵ>0\epsilon>0, terdapat δ>0\delta>0 sedemikian sehingga

d𝒳(A,A′)<δ⇒d𝒴(f(A),f(A′))<ϵ.d_{\mathcal X}(A,A') < \delta \quad \Rightarrow \quad d_{\mathcal Y}(f(A),f(A')) < \epsilon.
(Secara informal, ini berarti bahwa perubahan AA yang cukup kecil menghasilkan perubahan f(A)f(A) yang sekecil apa pun.)

Suatu pemetaan f𝒳→𝒴f\:\mathcal X\to\mathcal Y disebut kontinu jika kontinu di setiap titik A∈𝒳A\in \mathcal X.

Pemetaan kontinu dengan beberapa variabel dapat didefinisikan dengan cara serupa. Andaikan ff suatu fungsi yang menghasilkan sebuah titik di 𝒴\mathcal Y dari suatu tripel titik (A,B,C)(A,B,C) dalam 𝒳\mathcal X. Pemetaan ff mungkin hanya didefinisikan untuk beberapa tripel dalam 𝒳\mathcal X.

Andaikan f(A,B,C)f(A,B,C) terdefinisi. Kemudian, kita mengatakan bahwa ff kontinu pada tripel (A,B,C)(A,B,C) jika, untuk setiap ϵ>0\epsilon>0, terdapat δ>0\delta>0 sedemikian sehingga

d𝒴(f(A,B,C),f(A′,B′,C′))<ϵd_{\mathcal Y}(f(A,B,C),f(A',B',C'))<\epsilon
setiap kali d𝒳(A,A′)<δd_{\mathcal X}(A,A')<\delta, d𝒳(B,B′)<δd_{\mathcal X}(B,B')<\delta, dan d𝒳(C,C′)<δd_{\mathcal X}(C,C')<\delta.

Latihan Misalkan 𝒳\mathcal{X} suatu ruang metrik.

  1. Misalkan A∈𝒳A\in \mathcal{X} suatu titik tetap. Tunjukkan bahwa fungsi

    fB↦d𝒳(A,B)f\:B\mapsto d_{\mathcal{X}}(A,B)
    kontinu di setiap titik BB.

  2. Tunjukkan bahwa fungsi g(A,B)↦d𝒳(A,B)g\:(A,B)\mapsto d_{\mathcal{X}}(A,B) kontinu pada setiap pasangan A,B∈𝒳A,B\in \mathcal{X}.

Petunjuk

Latihan Misalkan 𝒳\mathcal{X}, 𝒴\mathcal{Y}, dan 𝒵\mathcal{Z} ruang-ruang metrik. Andaikan fungsi f𝒳→𝒴f\:\mathcal{X}\to\mathcal{Y} dan g𝒴→𝒵g\:\mathcal{Y}\to\mathcal{Z} kontinu di setiap titik, dan h=g∘fh=g\circ f merupakan komposisi keduanya; yaitu, h(A)=g(f(A))h(A)=g(f(A)) untuk setiap A∈𝒳A\in \mathcal{X}. Tunjukkan bahwa h𝒳→𝒵h\:\mathcal{X}\to\mathcal{Z} kontinu di setiap titik.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa setiap pemetaan yang mempertahankan jarak bersifat kontinu.

Petunjuk

Segitiga kongruen

Tujuan kita selanjutnya adalah menemukan interpretasi yang ketat bagi pernyataan (Persamaan di Bab 1) pada Bagian ke-1 di Bab 1. Untuk itu, kita akan memperkenalkan konsep segitiga kongruen, sehingga sebagai pengganti “jika kita memutar atau menggeser, kita tidak akan melihat perbedaan”, kita dapat mengatakan bahwa kekongruenan sisi-sudut-sisi berlaku untuk segitiga.

Suatu tripel terurut dari titik-titik berbeda dalam ruang metrik 𝒳\mathcal{X}, misalnya AA, BB, CC, disebut segitiga ABCABC (secara ringkas △ABC\triangle A B C). Titik-titik AA, BB, dan CC disebut titik-titik sudut dari △ABC\triangle ABC. Perhatikan bahwa segitiga ABCA B C dan ACBA C B berbeda.

Dua segitiga A′B′C′A' B' C' dan ABCA B C bersifat kongruen (secara ringkas △A′B′C′≅△ABC\triangle A' B' C'\z\cong\triangle A B C) jika terdapat transformasi isometrik f𝒳→𝒳f\:\mathcal{X}\to\mathcal{X} sedemikian sehingga

A′=f(A),B′=f(B)danC′=f(C).A'\z=f(A), \quad B'=f(B) \quad \text{dan} \quad C'=f(C).

Misalkan 𝒳\mathcal X suatu ruang metrik, dan f,g𝒳→𝒳f,g\:\mathcal X\to\mathcal X dua transformasi isometrik. Perhatikan bahwa invers f−1:𝒳→𝒳f^{-1}:\mathcal X\to\mathcal X, serta komposisi f∘g:𝒳→𝒳f\circ g:\mathcal X\to\mathcal X, juga merupakan transformasi isometrik.

Oleh karena itu, “≅\cong” merupakan relasi ekuivalensi; yaitu, setiap segitiga kongruen dengan dirinya sendiri, dan dua syarat berikut berlaku:

Jika △A′B′C′≅△ABC\triangle A' B' C'\z\cong\triangle A B C, maka AB=A′B′AB\z=A'B', BC=B′C′BC=B'C' dan CA=C′A′CA=C'A'.

Untuk metrik diskret, serta beberapa metrik lainnya, kebalikannya juga berlaku. Contoh berikut menunjukkan bahwa hal tersebut tidak berlaku pada bidang Manhattan:

Contoh. Perhatikan tiga titik A=(0,1)A=(0,1), B=(1,0)B=(1,0), dan C=(−1,0)C\z=(-1,0) pada bidang Manhattan (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1). Maka

d1(A,B)=d1(A,C)=d1(B,C)=2.d_1(A,B)=d_1(A,C)=d_1(B,C)=2.

Di satu pihak, △ABC≅△ACB\triangle ABC\cong \triangle ACB. Memang, pemetaan (x,y)↦(−x,y)(x,y)\z\mapsto (-x,y) merupakan transformasi isometrik pada (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1) yang memetakan A↦AA\z\mapsto A, B↦CB\mapsto C, dan C↦BC\z\mapsto B.

Di pihak lain, △ABC≇△BCA\triangle ABC\ncong \triangle BCA. Memang, untuk memperoleh kontradiksi, andaikan △ABC≅△BCA\triangle ABC\cong \triangle BCA; yaitu, terdapat transformasi isometrik ff pada (ℝ2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1) yang memetakan A↦BA\mapsto B, B↦CB\mapsto C, dan C↦AC\mapsto A.

Titik tengah dalam bidang Manhattan

Kita mengatakan bahwa MM merupakan titik tengah AA dan BB jika

d1(A,M)=d1(B,M)=12⋅d1(A,B).d_1(A,M)=d_1(B,M)=\tfrac12\cdot d_1(A,B).
Perhatikan bahwa suatu titik MM merupakan titik tengah AA dan BB jika dan hanya jika f(M)f(M) merupakan titik tengah BB dan CC.

Himpunan titik tengah AA dan BB tak berhingga; himpunan tersebut memuat semua titik (t,t)(t,t) untuk t∈[0,1]t\in[0,1] (himpunan itu merupakan ruas berwarna abu-abu pada gambar di atas). Sebaliknya, titik tengah BB dan CC tunggal. Oleh karena itu, pemetaan ff tidak mungkin bijektif sehingga menghasilkan kontradiksi.

Latihan Perhatikan suatu ruang metrik yang terdiri atas empat titik AA, BB, CC, DD dengan metrik yang didefinisikan oleh AB=AC=AD=BC=BD=1AB=AC=AD=BC=BD=1, dan CD=2CD=2. Tunjukkan bahwa (a) △ABC≅△BAC\triangle ABC\cong \triangle BAC, dan (b) △ABC≇△BCA\triangle ABC\ncong \triangle BCA.

Petunjuk

  1. Untuk saat ini, kita dapat memandang π\pi sebagai ukuran setengah putaran dalam satuan tertentu. Nilai numeriknya, π≈3.14\pi\approx 3.14, tidak penting pada tahap ini.↩︎

Aksioma

Suatu sistem aksioma sudah terdapat dalam “Elements” karya Euklides — buku pelajaran paling berhasil dan berpengaruh yang pernah ditulis.

Kajian sistematis atas berbagai geometri sebagai sistem aksiomatik dipicu oleh penemuan geometri non-Euklides. Cabang matematika yang muncul dengan cara ini disebut landasan geometri.

Sistem aksioma yang paling populer diusulkan oleh David Hilbert pada tahun 1899. Sistem ini juga merupakan sistem pertama yang ketat menurut standar modern. Sistem tersebut terdiri atas dua puluh aksioma dalam lima kelompok, enam “pengertian pangkal”, dan tiga “istilah pangkal”; semuanya tidak didefinisikan berdasarkan konsep-konsep yang telah didefinisikan sebelumnya.

Kemudian, banyak sistem lain diusulkan. Beberapa yang patut disebut ialah sistem yang dikembangkan oleh Alexandr Alexandrov , yang intuitif dan elementer, sistem karya Friedrich Bachmann yang didasarkan pada konsep simetri, serta sistem karya Alfred Tarski — suatu sistem minimalis yang dirancang untuk dianalisis menggunakan logika matematika.

Kita akan menggunakan sistem lain yang dekat dengan sistem George Birkhoff . Sistem ini bertumpu pada pengamatan utama (Persamaan di Bab 1)–(Persamaan di Bab 1) yang tercantum pada Bagian ke-1 di Bab 1.

Aksioma-aksioma itu memakai gagasan ruang metrik, garis, sudut, segitiga, kesamaan modulo 2⋅π2\cdot\pi (≡\equiv), kekontinuan pemetaan antara ruang-ruang metrik, dan kekongruenan segitiga (≅\cong). Semua konsep ini dibahas dalam bagian pendahuluan.

Sistem kita dibangun di atas ruang metrik. Secara khusus, kita menggunakan bilangan real sebagai unsur pembangun. Karena itu, pendekatan kita tidak sepenuhnya aksiomatik — kita membangun teori ini di atas sesuatu yang lain; pendekatan ini menyerupai pengantar geometri Euklides berbasis model yang dibahas pada Bagian ke-2 di Bab 1. Kita menggunakan pendekatan ini untuk meminimalkan bagian-bagian yang menjemukan, yang tidak dapat dihindari dalam landasan yang sepenuhnya aksiomatik.

Aksioma-aksioma

  1. Bidang Euklides adalah ruang metrik dengan sedikitnya dua titik.

  2. Untuk setiap dua titik berbeda PP dan QQ yang diberikan pada bidang Euklides, terdapat tepat satu garis yang memuat keduanya.

  3. Setiap sudut ∠AOB\angle AOB pada bidang Euklides menentukan suatu bilangan real dalam interval (−π,π](-\pi,\pi]. Bilangan ini disebut ukuran sudut ∠AOB\angle AOB dan dilambangkan dengan ∡AOB\measuredangle A O B. Bilangan tersebut memenuhi syarat-syarat berikut:

    1. Jika diberikan suatu sinar [OA)[O A) dan α∈(−π,π]\alpha\in(-\pi,\pi], terdapat tepat satu sinar [OB)[O B) sedemikian sehingga ∡AOB=α\measuredangle A O B= \alpha.

    2. Untuk sebarang titik AA, BB, dan CC yang berbeda dari OO, berlaku

      ∡AOB+∡BOC≡∡AOC.\measuredangle A O B+\measuredangle B O C \equiv\measuredangle A O C.

    3. Fungsi

      ∡(A,O,B)↦∡AOB\measuredangle\:(A,O,B)\mapsto\measuredangle A O B
      kontinu pada sebarang tripel titik (A,O,B)(A,O,B) sedemikian sehingga O≠AO\ne A, O≠BO\ne B, dan ∡AOB≠π\measuredangle A O B\ne\pi.

  4. Pada bidang Euklides, berlaku △ABC≅△A′B′C′\triangle A B C\cong\triangle A' B' C' jika dan hanya jika

    A′B′=AB,A′C′=AC,dan∡C′A′B′=±∡CAB.\begin{align*} A' B'&=A B, & A' C'&= A C, &&\text{dan} &\measuredangle C' A' B'&=\pm\measuredangle C A B. \end{align*}

  5. Jika untuk dua segitiga △ABC\triangle ABC, △AB′C′\triangle AB'C' pada bidang Euklides dan untuk k>0k>0 berlaku

    B′∈[AB),C′∈[AC),AB′=k⋅AB,AC′=k⋅AC,\begin{align*} B'&\in [AB), & C'&\in [AC), \\ AB'&=k\cdot AB,& AC'&=k\cdot AC, \end{align*}
    maka
    B′C′=k⋅BC,∡AB′C′=∡ABC,∡AC′B′=∡ACB.\begin{align*} B'C'&=k\cdot BC,& \measuredangle AB'C'&=\measuredangle ABC, & \measuredangle AC'B'&=\measuredangle ACB. \end{align*}

Mulai sekarang, kita tidak boleh menggunakan informasi apa pun tentang bidang Euklides yang tidak dapat diturunkan dari kelima aksioma di atas.

Latihan kelas Buktikan: bidang memuat tak berhingga banyak (a) titik dan (b) garis.

Petunjuk

Garis dan sinar

Proposisi.✓ Sebarang dua garis berbeda berpotongan pada paling banyak satu titik.

Bukti. Andaikan dua garis ℓ\ell dan mm berpotongan di dua titik berbeda PP dan QQ. Dengan menerapkan Aksioma II, kita memperoleh ℓ=m\ell=m. ▫\square

Latihan Misalkan A′∈[OA)A'\in[OA) dan A′≠OA'\not=O. Tunjukkan bahwa

[OA)=[OA′).[O A)\z=[O A').

Petunjuk

Sudut nol

Proposisi.✓ ∡AOA=0\measuredangle A O A= 0 untuk setiap A≠OA\not=O.

Bukti. Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2,

∡AOA+∡AOA≡∡AOA.\measuredangle A O A + \measuredangle A O A \equiv \measuredangle A O A.
Jika ∡AOA\measuredangle A O A dikurangkan dari kedua ruas, diperoleh ∡AOA≡0\measuredangle A O A \equiv 0.

Menurut Aksioma III, −π<∡AOA≤π-\pi<\measuredangle A O A\le \pi; oleh karena itu, ∡AOA=0\measuredangle A O A \z= 0. ▫\square

Latihan Andaikan ∡AOB=0\measuredangle A O B= 0. Tunjukkan bahwa [OA)=[OB)[OA)=[OB).

Petunjuk

Proposisi.✓ Untuk sebarang titik AA dan BB yang berbeda dari OO, berlaku

∡AOB≡−∡BOA.\measuredangle A O B\equiv-\measuredangle B O A.

Bukti. Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2,

∡AOB+∡BOA≡∡AOA.\measuredangle A O B+\measuredangle B O A \equiv\measuredangle A O A.
Menurut Proposisi di Bab 2, ∡AOA=0\measuredangle A O A=0. Dengan demikian, hasil tersebut diperoleh. ▫\square

Sudut lurus

Jika ∡AOB=π\measuredangle A O B=\pi, kita mengatakan bahwa ∠AOB\angle A O B merupakan sudut lurus. Menurut Proposisi di Bab 2, jika ∠AOB\angle A O B lurus, maka ∠BOA\angle B O A juga lurus.

Kita mengatakan bahwa titik OO terletak di antara titik AA dan BB jika O≠AO\not= A, O≠BO\not= B, dan O∈[AB]O\in[A B].

Teorema.✓ Sudut AOBA O B merupakan sudut lurus jika dan hanya jika OO terletak di antara AA dan BB.

Konstruksi pada arah “jika” teorema sudut lurus

Bukti. Menurut Latihan ke-10 di Bab 1, kita dapat mengandaikan bahwa OA=OB=1O A = O B = 1.

Bagian “jika”. Andaikan OO terletak di antara AA dan BB. Tetapkan α=∡AOB\alpha=\measuredangle A O B.

Dengan menerapkan Aksioma Rujukan di Bab 2, kita memperoleh sinar [OA′)[OA') sedemikian sehingga α=∡BOA′\alpha\z=\measuredangle B O A'. Menurut Latihan ke-10 di Bab 1, kita dapat mengandaikan bahwa OA′=1OA'=1. Menurut Aksioma IV,

△AOB≅△BOA′.\triangle AOB\z\cong\triangle BOA'.
Misalkan ff menyatakan transformasi isometrik bidang yang bersesuaian; yaitu, ff merupakan transformasi isometrik sedemikian sehingga f(A)=Bf(A)=B, f(O)=Of(O)=O, dan f(B)=A′f(B)=A'.

Kesamaan garis dalam pembuktian sudut lurus

Maka

(A′B)=f((AB))∋f(O)=O.(A'B)=f((AB))\ni f(O)=O.
Oleh karena itu, kedua garis (AB)(AB) dan (A′B)(A'B) memuat BB dan OO. Menurut Aksioma II, (AB)=(A′B)(AB)=(A'B).

Menurut definisi garis, (AB)(AB) isometrik dengan garis bilangan real ℝ\mathbb{R}. Oleh karena itu, (AB)(AB) memuat tepat dua titik, AA dan BB, yang berjarak 11 dari OO. Karena OA′=1OA' = 1, diperoleh A′=AA' = A atau A′=BA' = B. Karena suatu isometri bersifat injektif, A′=f(B)≠f(A)=BA' = f(B) \ne f(A) = B. Jadi, A′≠BA' \ne B, sehingga A=A′A = A'.

Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2 dan Proposisi di Bab 2, kita memperoleh

2⋅α=∡AOB+∡BOA′==∡AOB+∡BOA≡≡∡AOA==0.\begin{align*} 2\cdot\alpha&= \measuredangle AOB+\measuredangle BOA'= \\ &=\measuredangle AOB+\measuredangle BOA\equiv \\ &\equiv\measuredangle AOA= \\ &= 0. \end{align*}
Oleh karena itu, menurut Latihan ke-11 di Bab 1, α\alpha sama dengan 00 atau π\pi.

Karena [OA)≠[OB)[OA)\ne [OB), kita memiliki α≠0\alpha\ne 0; lihat Latihan ke-3 di Bab 2. Oleh karena itu, α=π\alpha=\pi.

Bagian “hanya jika”. Misalkan ∡AOB=π\measuredangle A O B= \pi. Perhatikan garis (OA)(OA) dan pilih titik B′B' pada (OA)(OA) sedemikian sehingga OO terletak di antara AA dan B′B'.

Dari hasil di atas, ∡AOB′=π\measuredangle AOB'=\pi. Aksioma Rujukan di Bab 2 memberikan [OB)=[OB′)[O B)\z=[O B'). Jadi, OO terletak di antara AA dan BB. ▫\square

Segitiga ABCABC disebut degenerat jika AA, BB, dan CC terletak pada satu garis. Akibat berikut hanyalah perumusan ulang Teorema di Bab 2.

Akibat.✓ Suatu segitiga degenerat jika dan hanya jika salah satu sudutnya sama dengan π\pi atau 00. Selain itu, ukuran sudut dalam suatu segitiga degenerat adalah 00, 00, dan π\pi.

Latihan Tunjukkan bahwa tiga titik berbeda AA, OO, dan BB terletak pada satu garis jika dan hanya jika

2⋅∡AOB≡0.2\cdot \measuredangle AOB\equiv 0.

Petunjuk

Latihan Misalkan AA, BB, dan CC tiga titik yang berbeda dari OO. Tunjukkan bahwa BB, OO, dan CC terletak pada satu garis jika dan hanya jika

2⋅∡AOB≡2⋅∡AOC.2\cdot \measuredangle AOB\equiv 2\cdot \measuredangle AOC.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa terdapat suatu segitiga tak degenerat.

Petunjuk

Sudut bertolak belakang

Sepasang sudut AOBAOB dan A′OB′A'OB' disebut bertolak belakang jika titik OO terletak di antara AA dan A′A' sekaligus di antara BB dan B′B'.

Proposisi.✓ Sudut-sudut bertolak belakang memiliki ukuran yang sama.

Bukti. Andaikan sudut AOBAOB dan A′OB′A'OB' bertolak belakang. Perhatikan bahwa ∠AOA′\angle AOA' dan ∠BOB′\angle BOB' lurus. Oleh karena itu, ∡AOA′=∡BOB′=π\measuredangle AOA'\z=\measuredangle BOB'=\pi.

Sepasang sudut bertolak belakang

Diperoleh

0=∡AOA′−∡BOB′≡≡∡AOB+∡BOA′−∡BOA′−∡A′OB′≡≡∡AOB−∡A′OB′.\begin{align*} 0&=\measuredangle AOA'-\measuredangle BOB'\equiv \\ &\equiv \measuredangle AOB+\measuredangle BOA'-\measuredangle BOA'-\measuredangle A'OB' \equiv \\ &\equiv\measuredangle AOB-\measuredangle A'OB'. \end{align*}
Karena −π<∡AOB≤π-\pi<\measuredangle AOB\le \pi dan −π<∡A′OB′≤π-\pi<\measuredangle A'OB'\le \pi, kita memperoleh ∡AOB=∡A′OB′\measuredangle AOB\z=\measuredangle A'OB'. ▫\square

Pencerminan terhadap suatu titik

Lema.✓ Untuk setiap dua titik berbeda XX dan OO, terdapat tepat satu titik X′X' sedemikian sehingga OO merupakan titik tengah ruas [XX′][XX'].

Pencerminan titik X terhadap O

Bukti. Titik OO merupakan titik tengah ruas [XX′][XX'] jika dan hanya jika X′∈[XO)X'\in [XO) dan XX′=2⋅XOXX'=2\cdot XO.

Menurut Aksioma II, garis (XO)(XO) dan dengan demikian sinar [XO)[XO) ditentukan secara tunggal. Selanjutnya, menurut Latihan ke-10 di Bab 1, terdapat tepat satu titik X′∈[XO)X'\in [XO) sedemikian sehingga XX′=2⋅XOXX'=2\cdot XO. ▫\square

Titik X′X' yang diberikan oleh lema disebut cerminan titik XX terhadap OO. Kita juga menetapkan bahwa O′=OO'=O; yaitu, OO merupakan cerminan dirinya sendiri terhadap dirinya sendiri.

Titik OO disebut pusat pencerminan.

Proposisi.✓ Pencerminan terhadap suatu titik merupakan transformasi isometrik bidang.

Bukti. Misalkan OO pusat pencerminan. Perhatikan bahwa jika X′X' merupakan cerminan XX terhadap OO, maka XX merupakan cerminan X′X'. Dengan kata lain, komposisi pencerminan tersebut dengan dirinya sendiri adalah pemetaan identitas. Secara khusus, pencerminan tersebut merupakan bijeksi.

Pencerminan pasangan titik terhadap pusat O

Sekarang pilih dua titik XX dan YY; misalkan X′X' dan Y′Y' secara berurutan merupakan cerminan kedua titik tersebut terhadap OO. Untuk memeriksa bahwa pencerminan tersebut mempertahankan jarak, kita perlu menunjukkan bahwa X′Y′=XYX'Y'=XY.

Kita dapat mengandaikan bahwa XX, YY, dan OO berbeda; jika tidak, pernyataan tersebut jelas. Menurut definisi pencerminan, berlaku OX=OX′OX=OX', OY=OY′OY=OY'. Perhatikan pula bahwa sudut XOYXOY dan X′OY′X'OY' bertolak belakang. Menurut Proposisi di Bab 2, ∡XOY=∡X′OY′\measuredangle XOY\z=\measuredangle X'OY'.

Aksioma IV memberikan △XOY≅△X′OY′\triangle XOY\cong\triangle X'OY' dan X′Y′=XYX'Y'=XY. ▫\square

Latihan Buktikan bahwa pencerminan terhadap titik memetakan setiap garis ke garis.

Petunjuk

Setengah bidang

Bab ini memuat bukti-bukti panjang untuk pernyataan-pernyataan yang secara intuitif sudah jelas. Bab ini boleh dilewati, tetapi pastikan Anda memahami definisi sudut positif/negatif dan bahwa intuisi Anda selaras dengan pernyataan Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3, Proposisi di Bab 3, Akibat di Bab 3, Teorema Pasch di Bab 3, dan Teorema di Bab 3.

Tanda suatu sudut

Sudut positif dan negatif dapat dibayangkan sebagai arah berlawanan arah jarum jam dan searah jarum jam; keduanya didefinisikan sebagai berikut:

Menurut definisi di atas, sudut lurus maupun sudut nol tidak positif ataupun negatif.

Latihan kelas Tunjukkan bahwa ∠AOB\angle A O B positif jika dan hanya jika ∠BOA\angle B O A negatif.

Petunjuk

Lema Misalkan ∠AOB\angle AOB merupakan sudut lurus. Maka ∠AOX\angle AOX positif jika dan hanya jika ∠BOX\angle BOX negatif.

Bukti. Tetapkan α=∡AOX\alpha=\measuredangle AOX dan β=∡BOX\beta=\measuredangle BOX. Karena ∠AOB\angle AOB lurus,

α−β≡π.\alpha-\beta\equiv \pi.\label{eq:alpha-beta}

Akibatnya, α=π\alpha=\pi ⇔\Leftrightarrow β=0\beta=0 dan α=0\alpha=0 ⇔\Leftrightarrow β=π\beta=\pi. Dalam kedua kasus ini, tanda ∠AOX\angle AOX dan ∠BOX\angle BOX tidak terdefinisi.

Dalam kasus-kasus selebihnya, berlaku |α|<π|\alpha|<\pi dan |β|<π|\beta|<\pi. Jika α\alpha dan β\beta bertanda sama, maka |α−β|<π|\alpha-\beta|<\pi; hal ini bertentangan dengan Persamaan di Bab 3. Dengan demikian, pernyataan terbukti. ▫\square

Latihan Andaikan sudut ABCABC dan A′B′C′A'B'C' bertanda sama dan

2⋅∡ABC≡2⋅∡A′B′C′.2\cdot \measuredangle ABC\equiv 2\cdot \measuredangle A'B'C'.
Tunjukkan bahwa ∡ABC=∡A′B′C′\measuredangle ABC= \measuredangle A'B'C'.

Petunjuk

Teorema nilai antara

Teorema nilai antara Misalkan f[a,b]→ℝf\:[a,b]\to \mathbb{R} merupakan fungsi kontinu. Andaikan f(a)f(a) dan f(b)f(b) berlainan tanda. Maka f(t0)=0f(t_0)=0 untuk suatu t0∈[a,b]t_0\in[a,b].

Graf teorema nilai antara

Teorema nilai antara dianggap sudah dikenal; teorema ini semestinya dibahas dalam setiap mata kuliah kalkulus. Kita hanya akan menggunakan akibat berikut:

Akibat.✓ Andaikan untuk setiap t∈[0,1]t\z\in [0,1] terdapat tiga titik OtO_t, AtA_t, dan BtB_t pada bidang sedemikian sehingga

  1. Setiap fungsi t↦Ott\mapsto O_t, t↦Att\mapsto A_t, dan t↦Btt\z\mapsto B_t kontinu.

  1. Untuk setiap t∈[0,1]t\in [0,1], titik-titik OtO_t, AtA_t, dan BtB_t tidak segaris.

Maka ∠A0O0B0\angle A_0O_0B_0 dan ∠A1O1B1\angle A_1O_1B_1 bertanda sama.

Bukti. Tinjau fungsi f(t)=∡AtOtBtf(t)=\measuredangle A_tO_tB_t.

Karena titik-titik OtO_t, AtA_t, dan BtB_t tidak segaris, Teorema di Bab 2 menyiratkan bahwa f(t)=∡AtOtBtf(t)=\measuredangle A_tO_tB_t bukan 00 ataupun π\pi untuk setiap t∈[0,1]t\in[0,1].

Oleh karena itu, menurut Aksioma Rujukan di Bab 2 dan Latihan ke-14 di Bab 1, ff merupakan fungsi kontinu. Menurut teorema nilai antara, f(0)f(0) dan f(1)f(1) bertanda sama; dengan demikian, pernyataan terbukti. ▫\square

Lema-lema bertanda sama

Lema.✓ Andaikan Q′∈[PQ)Q'\in [PQ) dan Q′≠PQ'\z\ne P. Maka untuk setiap X∉(PQ)X\z\notin (PQ), sudut PQXPQX dan PQ′XPQ'X bertanda sama.

Tanda sudut sepanjang satu sinar

Bukti. Menurut Latihan ke-10 di Bab 1, untuk setiap t∈[0,1]t\in [0,1] terdapat tepat satu titik Qt∈[PQ)Q_t\in[PQ) sedemikian sehingga

PQt=(1−t)⋅PQ+t⋅PQ′.PQ_t= (1-t)\cdot PQ+t\cdot PQ'.
Pemetaan t↦Qtt\mapsto Q_t kontinu,
Q0=Q,Q1=Q′\begin{align*} Q_0&=Q, & Q_1&=Q' \end{align*}
dan untuk setiap t∈[0,1]t\in [0,1], berlaku P≠QtP\z\ne Q_t.

Dengan menerapkan Akibat di Bab 3 pada Pt=PP_t=P, QtQ_t, dan Xt=XX_t=X, kita memperoleh bahwa ∠PQX\angle PQX bertanda sama dengan ∠PQ′X\angle PQ'X. ▫\square

Tanda sudut-sudut suatu segitiga.✓ Dalam setiap segitiga tak degenerat ABCABC, sudut ABCABC, BCABCA, dan CABCAB bertanda sama.

Tanda sudut-sudut segitiga

Bukti. Pilih titik Z∈(AB)Z\in (AB) sedemikian sehingga AA terletak di antara BB dan ZZ.

Menurut Lema di Bab 3, sudut ZBCZBC dan ZACZAC bertanda sama.

Perhatikan bahwa ∡ABC=∡ZBC\measuredangle ABC=\measuredangle ZBC dan

∡ZAC+∡CAB≡π.\measuredangle ZAC+\measuredangle CAB\equiv \pi.
Oleh karena itu, ∠CAB\angle CAB bertanda sama dengan ∠ZAC\angle ZAC, yang selanjutnya bertanda sama dengan ∡ABC=∡ZBC\measuredangle ABC\z=\measuredangle ZBC.

Dengan mengulangi argumen yang sama untuk ∠BCA\angle BCA dan ∠CAB\angle CAB, kita memperoleh pernyataan yang dimaksud. ▫\square

Pembagian sudut oleh sinar PB

Latihan kelas Misalkan AA, BB, CC, dan PP merupakan titik-titik sedemikian sehingga BB terletak di antara AA dan CC, dan misalkan P∉(AC)P \not\in (AC). Tunjukkan bahwa sudut ∠APB\angle APB, ∠BPC\angle BPC, dan ∠APC\angle APC bertanda sama. Simpulkan bahwa

|∡APB|+|∡BPC|=|∡APC|.|\measuredangle APB|+|\measuredangle BPC|=|\measuredangle APC|.

Petunjuk

Lema.✓ Andaikan [XY][XY] tidak berpotongan dengan (PQ)(PQ). Maka sudut PQXPQX dan PQYPQY bertanda sama.

Dua titik pada sisi yang sama

Buktinya hampir sama dengan bukti di atas.

Bukti. Menurut Latihan ke-10 di Bab 1, untuk setiap t∈[0,1]t\z\in [0,1] terdapat titik Xt∈[XY]X_t\in[XY] sedemikian sehingga

XXt=t⋅XY.XX_t= t\cdot XY.
Pemetaan t↦Xtt\mapsto X_t kontinu. Selain itu, X0=XX_0=X, X1=YX_1=Y, dan Xt∉(QP)X_t\notin(QP) untuk setiap t∈[0,1]t\in [0,1].

Dengan menerapkan Akibat di Bab 3 pada Pt=PP_t\z=P, Qt=QQ_t\z=Q, dan XtX_t, kita memperoleh bahwa ∠PQX\angle PQX bertanda sama dengan ∠PQY\angle PQY. ▫\square

Setengah bidang

Proposisi Andaikan X,Y∉(PQ)X,Y\notin(PQ). Maka sudut PQXPQX dan PQYPQY bertanda sama jika dan hanya jika [XY][XY] tidak berpotongan dengan (PQ)(PQ).

Ruas yang memotong garis pemisah

Bukti. Bagian “jika” mengikuti dari Lema di Bab 3.

Andaikan [XY][XY] berpotongan dengan (PQ)(PQ); misalkan ZZ menyatakan titik potongnya. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan Z≠PZ\ne P.

Perhatikan bahwa ZZ terletak di antara XX dan YY. Menurut Lema di Bab 3, ∠PZX\angle PZX dan ∠PZY\angle PZY berlainan tanda. Hal ini membuktikan pernyataan jika Z=QZ=Q.

Jika Z≠QZ\ne Q, maka ∠ZQX\angle ZQX dan ∠QZX\angle QZX berlainan tanda menurut Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3. Dengan cara yang sama, kita memperoleh bahwa ∠ZQY\angle ZQY dan ∠QZY\angle QZY berlainan tanda.

Jika QQ terletak di antara ZZ dan PP, maka menurut Lema di Bab 3, kedua pasangan sudut ∠PQX\angle PQX, ∠ZQX\angle ZQX dan ∠PQY\angle PQY, ∠ZQY\angle ZQY berlainan tanda. Akibatnya, ∠PQX\angle PQX dan ∠PQY\angle PQY berlainan tanda, sebagaimana diperlukan.

Dalam kasus selebihnya, [QZ)=[QP)[QZ)=[QP) sehingga ∠PQX=∠ZQX\angle PQX=\angle ZQX dan ∠PQY=∠ZQY\angle PQY=\angle ZQY. Jadi, sekali lagi ∠PQX\angle PQX dan ∠PQY\angle PQY berlainan tanda, sebagaimana diperlukan. ▫\square

Akibat.✓ Komplemen suatu garis (PQ)(PQ) pada bidang dapat disajikan secara tunggal sebagai gabungan dua subhimpunan saling lepas yang disebut setengah bidang sedemikian sehingga

  1. Dua titik X,Y∉(PQ)X,Y\notin(PQ) terletak pada setengah bidang yang sama jika dan hanya jika sudut PQXPQX dan PQYPQY bertanda sama.

  2. Dua titik X,Y∉(PQ)X,Y\notin(PQ) terletak pada setengah bidang yang sama jika dan hanya jika [XY][XY] tidak berpotongan dengan (PQ)(PQ).

Sudut bertolak belakang dan dua ruas

Kita mengatakan bahwa XX dan YY terletak pada sisi yang sama dari (PQ)(PQ) jika keduanya terletak pada salah satu setengah bidang dari (PQ)(PQ), dan kita mengatakan bahwa PP dan QQ terletak pada sisi yang berlawanan dari ℓ\ell jika keduanya terletak pada setengah bidang yang berbeda dari ℓ\ell.

Latihan Andaikan sudut AOBAOB dan A′OB′A'OB' bertolak belakang dan B∉(OA)B\notin (OA). Tunjukkan bahwa garis (AB)(AB) tidak berpotongan dengan ruas [A′B′][A'B'].

Petunjuk

Tinjau segitiga ABCABC. Ingatlah bahwa titik-titik sudutnya ialah AA, BB, dan CC; ruas [AB][AB], [BC][BC], dan [CA][CA] akan disebut sisi-sisi segitiga.

Teorema Pasch pada sebuah segitiga

Teorema Pasch.✓ Andaikan suatu garis ℓ\ell tidak melalui titik sudut mana pun dari suatu segitiga. Maka garis tersebut berpotongan dengan tepat dua sisi segitiga atau tidak berpotongan dengan sisi mana pun.

Bukti. Andaikan garis ℓ\ell berpotongan dengan sisi [AB][AB] dari segitiga ABCABC dan tidak melalui AA, BB, ataupun CC.

Menurut Akibat di Bab 3, titik sudut AA dan BB terletak pada sisi yang berlawanan dari ℓ\ell.

Titik sudut CC dapat terletak pada sisi yang sama dengan AA dan pada sisi yang berlawanan dari BB, atau sebaliknya. Menurut Akibat di Bab 3, dalam kasus pertama, ℓ\ell berpotongan dengan sisi [BC][BC] dan tidak berpotongan dengan [AC][AC]; dalam kasus kedua, ℓ\ell berpotongan dengan sisi [AC][AC] dan tidak berpotongan dengan [BC][BC]. Dengan demikian, pernyataan terbukti. ▫\square

Perbandingan sudut pada sisi yang sama
Dua cevian yang berpotongan

Latihan Tunjukkan bahwa dua titik X,Y∉(PQ)X,Y\z\notin(PQ) terletak pada sisi yang sama dari (PQ)(PQ) jika dan hanya jika sudut PXQPXQ dan PYQPYQ bertanda sama.

Petunjuk

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat, A′∈[BC]A'\in[BC] dan B′∈[AC]B'\in [AC]. Tunjukkan bahwa [AA′][AA'] berpotongan dengan [BB′][BB'].

Petunjuk

Latihan Andaikan titik XX dan YY terletak pada sisi yang berlawanan dari garis (PQ)(PQ). Tunjukkan bahwa [PX)[PX) tidak berpotongan dengan [QY)[QY).

Petunjuk

Latihan lanjutan Besaran berikut

∡̃ABC={πjika∡ABC=π−∡ABCjika∡ABC<π\tilde\measuredangle ABC= \begin{cases} \pi&\text{jika}\ \measuredangle ABC=\pi \\ -\measuredangle ABC&\text{jika}\ \measuredangle ABC<\pi \end{cases}
dapat digunakan sebagai ukuran sudut; artinya, aksioma-aksioma tetap berlaku jika ∡\measuredangle diganti dengan ∡̃\tilde\measuredangle di mana-mana.

Tunjukkan bahwa ∡\measuredangle dan ∡̃\tilde\measuredangle merupakan satu-satunya ukuran sudut yang mungkin pada bidang.

Tunjukkan bahwa tanpa Aksioma Rujukan di Bab 2, pernyataan ini tidak lagi benar.

Segitiga dengan sisi-sisi yang diberikan

Untuk △ABC\triangle ABC, tetapkan

a=BC,b=CA,c=AB.\begin{align*} a&=BC, & b&=CA, & c&=AB. \end{align*}
Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa
a≤b≤c.a\le b \le c.
Maka ketiga ketaksamaan segitiga untuk △ABC\triangle ABC berlaku jika dan hanya jika
c≤a+b.c\le a+b.
Teorema berikut menyatakan bahwa inilah satu-satunya pembatasan pada aa, bb, dan cc.

Teorema.✓ Andaikan 0<a≤b≤c≤a+b0<a\le b\le c\le a+b. Maka terdapat segitiga dengan sisi-sisi aa, bb, dan cc; artinya, terdapat △ABC\triangle ABC sedemikian sehingga a=BCa=BC, b=CAb=CA, dan c=ABc=AB.

Bukti proposisi berikut diberikan pada akhir bagian ini.

Proposisi.✓ Tetapkan suatu bilangan real r>0r>0 dan dua titik berbeda AA dan BB. Maka untuk setiap bilangan real β∈[0,π]\beta\in [0,\pi], terdapat tepat satu titik CβC_\beta sedemikian sehingga BCβ=rBC_\beta=r dan ∡ABCβ=β\measuredangle ABC_\beta=\beta. Selain itu, β↦Cβ\beta\mapsto C_\beta merupakan pemetaan kontinu dari [0,π][0,\pi] ke bidang.

Bukti Teorema di Bab 3 dengan mengandaikan Proposisi di Bab 3. Tetapkan titik AA dan BB sedemikian sehingga AB=cAB=c. Untuk β∈[0,π]\beta\in [0,\pi], misalkan CβC_\beta menyatakan titik sedemikian sehingga BCβ=aBC_\beta\z=a dan ∡ABCβ=β\measuredangle ABC_\beta=\beta.

Menurut Proposisi di Bab 3, pemetaan β↦Cβ\beta\mapsto C_\beta kontinu. Oleh karena itu, fungsi bβ↦ACβb\:\beta\mapsto AC_\beta kontinu (secara formal, hal ini mengikuti dari Latihan ke-13 di Bab 1 dan Latihan ke-14 di Bab 1).

Perhatikan bahwa b(0)=c−ab(0)=c-a dan b(π)=c+ab(\pi)=c+a. Karena c−a≤b≤c+ac-a\le b\le c+a, menurut teorema nilai antara (Teorema nilai antara di Bab 3) terdapat β0∈[0,π]\beta_0\in[0,\pi] sedemikian sehingga b(β0)=bb(\beta_0)=b, sehingga pernyataan terbukti. ▫\square

Bukti Proposisi di Bab 3 bergantung pada lema berikut.

Segitiga sama kaki dan fungsi tali busur

Andaikan r>0r>0 dan 0<β<π0<\beta<\pi. Tinjau segitiga ABCABC sedemikian sehingga AB=BC=rAB=BC=r dan ∡ABC=β\measuredangle ABC=\beta. Keberadaan segitiga semacam itu mengikuti dari Aksioma Rujukan di Bab 2 dan Latihan ke-10 di Bab 1. Menurut Aksioma IV, nilai β\beta dan rr menentukan △ABC\triangle ABC hingga kekongruenan. Secara khusus, jarak ACAC hanya bergantung pada β\beta dan rr; dengan demikian, kita dapat meninjau fungsi ss yang didefinisikan oleh

s(r,β):=AC.s(r,\beta)\df AC.

Lema.✓ Untuk r>0r>0 dan ϵ>0\epsilon>0, terdapat δ>0\delta>0 sedemikian sehingga

0<β<δ⇒s(r,β)<ϵ.0<\beta<\delta\quad\Longrightarrow\quad s(r,\beta)<\epsilon.

Konstruksi untuk taksiran sudut kecil

Bukti. Tetapkan dua titik AA dan BB sedemikian sehingga AB=rAB\z=r.

Pilih titik XX sedemikian sehingga ∡ABX\measuredangle ABX positif. Misalkan Y∈[AX)Y\in [AX) merupakan titik sedemikian sehingga AY=ϵ2AY=\tfrac\epsilon2; titik tersebut ada menurut Latihan ke-10 di Bab 1.

Titik XX dan YY terletak pada sisi yang sama dari (AB)(AB); oleh karena itu, ∠ABY\angle ABY positif. Tetapkan δ=∡ABY\delta\z=\measuredangle ABY.

Andaikan 0<β<δ0<\beta<\delta; menurut Aksioma Rujukan di Bab 2, kita dapat memilih CC sedemikian sehingga ∡ABC=β\measuredangle ABC\z=\beta dan BC=rBC\z=r. Selanjutnya, kita dapat memilih sinar [BZ)[BZ) sedemikian sehingga ∡ABZ=12⋅β\measuredangle ABZ\z=\tfrac12\cdot \beta.

Titik AA dan YY terletak pada sisi yang berlawanan dari (BZ)(BZ) dan ∡ABZ≡−∡CBZ\measuredangle ABZ\z\equiv -\measuredangle CBZ. Secara khusus, (BZ)(BZ) berpotongan dengan [AY][AY]; misalkan DD menyatakan titik potongnya.

Karena DD terletak di antara AA dan YY, berlaku AD<AYAD<AY.

Karena DD terletak pada (BZ)(BZ), berlaku ∡ABD≡−∡CBD\measuredangle ABD\z\equiv -\measuredangle CBD. Menurut Aksioma IV, △ABD≅△CBD\triangle ABD\cong \triangle CBD. Akibatnya,

s(r,β)=AC≤≤AD+DC==2⋅AD<<2⋅AY==ϵ.\begin{align*} s(r,\beta)&=AC\le \\ &\le AD+DC= \\ &=2\cdot AD< \\ &< 2\cdot AY= \\ &=\epsilon. \end{align*}

Bukti Proposisi di Bab 3. Keberadaan dan ketunggalan CβC_\beta mengikuti dari Aksioma Rujukan di Bab 2 dan Latihan ke-10 di Bab 1.

Jika β1≠β2\beta_1\ne\beta_2, maka

Cβ1Cβ2=s(r,|β1−β2|).C_{\beta_1}C_{\beta_2}=s(r,|\beta_1-\beta_2|).

Menurut Lema di Bab 3, pemetaan β↦Cβ\beta\mapsto C_\beta kontinu. ▫\square

Untuk suatu bilangan real positif rr dan suatu titik OO, himpunan Γ\Gamma yang terdiri atas semua titik berjarak rr dari OO disebut lingkaran dengan jari-jari rr dan pusat OO.

Kriteria perpotongan dua lingkaran

Latihan Tunjukkan bahwa dua lingkaran berpotongan jika dan hanya jika

|r1−r2|≤d≤r1+r2,|r_1-r_2|\le d\le r_1+r_2,
di mana r1r_1 dan r2r_2 menyatakan jari-jari kedua lingkaran, dan dd merupakan jarak antara pusat keduanya.

Petunjuk

Segitiga kongruen

Sisi-sudut-sisi

Tujuan kita selanjutnya adalah memberikan syarat-syarat yang menjamin kekongruenan dua segitiga.

Salah satu syarat tersebut diberikan dalam Aksioma IV; aksioma itu menyatakan bahwa jika dua pasang sisi dari dua segitiga sama panjang, dan sudut-sudut apitnya sama hingga tanda, maka kedua segitiga tersebut kongruen. Aksioma ini juga disebut syarat kekongruenan sisi-sudut-sisi, atau singkatnya, SAS.

Sudut-sisi-sudut

Syarat ASA.✓ Andaikan bahwa

AB=A′B′,∡ABC=±∡A′B′C′,∡CAB=±∡C′A′B′\begin{align*} AB&=A'B', & \measuredangle A B C &= \pm\measuredangle A' B' C', & \measuredangle C A B&=\pm\measuredangle C' A' B' \end{align*}
dan △A′B′C′\triangle A' B' C' tak degenerat. Maka
△ABC≅△A′B′C′.\triangle A B C\cong\triangle A' B' C'.

Untuk segitiga degenerat, pernyataan ini tidak berlaku. Sebagai contoh, tinjau sebuah segitiga dengan panjang sisi 11, 44, 55 dan segitiga lain dengan panjang sisi 22, 33, 55.

Bukti. Menurut Teorema di Bab 3, berlaku salah satu dari dua kemungkinan berikut:

∡ABC=∡A′B′C′dan∡CAB=∡C′A′B′\measuredangle A B C = \measuredangle A' B' C' \quad\text{dan}\quad \measuredangle C A B=\measuredangle C' A' B' \label{eq:+angles}
atau
∡ABC=−∡A′B′C′dan∡CAB=−∡C′A′B′.\measuredangle A B C = -\measuredangle A' B' C' \quad\text{dan}\quad \measuredangle C A B=-\measuredangle C' A' B'. \label{eq:-angles}
Andaikan Persamaan di Bab 4 berlaku; kasus Persamaan di Bab 4 serupa.

Titik bantu dalam pembuktian ASA

Misalkan C″C'' adalah titik pada sinar [A′C′)[A' C') sedemikian sehingga A′C″=ACA' C''\z=A C.

Menurut Aksioma IV, △A′B′C″≅△ABC\triangle A' B' C''\cong \triangle A B C. Dengan menerapkan kembali Aksioma IV, kita memperoleh

∡A′B′C″=∡ABC=∡A′B′C′.\measuredangle A' B' C'' = \measuredangle A B C=\measuredangle A' B' C'.
Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2, [B′C′)=[B′C″)[B' C')=[B' C''). Dengan demikian, C″C'' terletak pada (B′C′)(B' C') maupun (A′C′)(A' C').

Karena △A′B′C′\triangle A' B' C' tak degenerat, (A′C′)(A' C') berbeda dari (B′C′)(B' C'). Dengan menerapkan Aksioma II, kita memperoleh C″=C′C''=C'.

Oleh karena itu, △A′B′C′=△A′B′C″≅△ABC\triangle A' B' C'=\triangle A' B' C''\cong\triangle A B C. ▫\square

Segitiga sama kaki

Segitiga yang memiliki dua sisi sama panjang disebut sama kaki; sisi yang tersisa disebut alas.

Teorema.✓ Andaikan △ABC\triangle A B C adalah segitiga sama kaki dengan alas [AB][A B]. Maka

∡ABC≡−∡BAC.\measuredangle A B C\equiv -\measuredangle B A C.
Selain itu, kebalikannya berlaku jika △ABC\triangle A B C tak degenerat.

Bukti berikut berasal dari Pappus dari Aleksandria.

Bukti. Perhatikan bahwa

∡ACB≡−∡BCA,CA=CB,dan oleh karena ituCB=CA.\measuredangle A C B \equiv -\measuredangle B C A, \quad C A = C B, \quad \text{dan oleh karena itu}\quad C B=C A.

Segitiga sama kaki dan sudut alasnya

Menurut Aksioma IV,

△CAB≅△CBA.\triangle C A B\cong\triangle C B A.
Dengan menerapkan teorema tentang tanda sudut-sudut segitiga (Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3) dan Aksioma IV sekali lagi, kita memperoleh
∡BAC≡−∡ABC.\measuredangle B A C \equiv -\measuredangle A B C.

Untuk membuktikan kebalikannya, andaikan bahwa ∡CAB≡−∡CBA\measuredangle C A B \z\equiv - \measuredangle C B A. Menurut syarat ASA (Syarat ASA di Bab 4), △CAB≅△CBA\triangle C A B\z\cong\triangle CBA. Oleh karena itu, CA=CBC A\z=C B. ▫\square

Segitiga yang memiliki tiga sisi sama panjang disebut sama sisi.

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC adalah segitiga sama sisi. Tunjukkan bahwa

∡ABC=∡BCA=∡CAB.\measuredangle ABC=\measuredangle BCA=\measuredangle CAB.

Petunjuk

Sisi-sisi-sisi

Syarat SSS.✓ △ABC≅△A′B′C′\triangle A B C\cong\triangle A' B' C' jika

A′B′=AB,B′C′=BC,danC′A′=CA.A' B'=A B, \quad B' C'=B C, \quad \text{dan} \quad C' A'=C A.

Perhatikan bahwa syarat ini juga berlaku untuk segitiga degenerat.

Bukti. Pilih C″C'' sedemikian sehingga A′C″=A′C′A' C''= A' C' dan ∡B′A′C″=∡BAC\measuredangle B' A' C''= \measuredangle B A C. Menurut Aksioma IV,

△A′B′C″≅△ABC.\triangle A' B' C''\cong\triangle A B C.

Cukup dibuktikan bahwa

△A′B′C′≅△A′B′C″.\triangle A' B' C'\cong\triangle A' B' C''.\label{eq:A'B'C'simA'B'C''}
Syarat Persamaan di Bab 4 jelas berlaku jika C″=C′C''\z=C'. Dengan demikian, tinggal meninjau kasus C″≠C′C''\z\ne C'.

Dua pasang segitiga sama kaki dalam bukti SSS

Jelas bahwa sisi-sisi yang bersesuaian dari △A′B′C′\triangle A' B' C' dan △A′B′C″\triangle A' B' C'' sama panjang. Oleh karena itu, △C′A′C″\triangle C' A' C'' dan △C′B′C″\triangle C' B' C'' merupakan segitiga sama kaki. Menurut Teorema di Bab 4, berlaku

∡A′C″C′≡−∡A′C′C″,∡C′C″B′≡−∡C″C′B′.\begin{align*} \measuredangle A' C'' C'&\equiv -\measuredangle A' C' C'', \\ \measuredangle C' C'' B'&\equiv -\measuredangle C'' C' B'. \end{align*}
Dengan menjumlahkan keduanya, kita memperoleh
∡A′C″B′≡−∡A′C′B′.\measuredangle A' C'' B' \equiv -\measuredangle A' C' B'.
Dengan menerapkan kembali Aksioma IV, kita memperoleh Persamaan di Bab 4. ▫\square

Akibat.✓ Jika AB+BC=ACAB+BC=AC, maka B∈[AC]B\in [AC].

Bukti. Karena AB+BC=ACAB+BC=AC, kita dapat memilih B′∈[AC]B'\in [AC] sedemikian sehingga AB=AB′AB=AB'; perhatikan bahwa BC=B′CBC\z=B'C.

Kita dapat mengandaikan bahwa AB>0AB>0 dan BC>0BC>0; jika tidak, A=BA=B atau B=CB=C, dan pernyataan langsung berlaku. Dalam kasus ini, B′B' terletak di antara AA dan CC. Menurut Teorema di Bab 2, ∡AB′C=π\measuredangle AB'C=\pi.

Menurut SSS,

△ABC≅△AB′C.\triangle ABC\cong \triangle AB'C.
Oleh karena itu, ∡ABC=π\measuredangle ABC=\pi. Menurut Teorema di Bab 2, BB terletak di antara AA dan CC. ▫\square

Latihan lanjutan Tinjau dua segitiga ABCA B C dan A′B′C′A' B' C'. Misalkan MM adalah titik tengah [AB][A B], dan M′M' adalah titik tengah [A′B′][A' B']. Andaikan C′A′=CAC' A'=C A, C′B′=CBC' B'= C B, dan C′M′=CMC' M'\z= C M. Buktikan bahwa

△A′B′C′≅△ABC.\triangle A' B' C'\cong\triangle A B C.

Petunjuk
Ruas-ruas dalam segitiga sama kaki

Latihan Misalkan △ABC\triangle A B C adalah segitiga sama kaki dengan alas [AB][A B]. Andaikan titik A′A' terletak di antara BB dan CC, titik B′B' terletak di antara AA dan CC, dan CA′=CB′C A'\z=C B'. Tunjukkan bahwa

  1. △AA′C≅△BB′C\triangle A A' C\cong \triangle B B' C;

  2. △ABB′≅△BAA′\triangle A B B'\cong \triangle B A A'.

Petunjuk

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC adalah segitiga tak degenerat, dan ff adalah pemetaan yang mempertahankan jarak dari bidang ke dirinya sendiri sedemikian sehingga

f(A)=A,f(B)=B,danf(C)=C.f(A)=A, \quad f(B)=B, \quad \text{dan} \quad f(C)=C.

Tunjukkan bahwa ff adalah pemetaan identitas; artinya, f(X)=Xf(X)=X untuk setiap titik XX pada bidang.

Petunjuk

Pernyataan dalam latihan tersebut disebut lema tiga paku, karena tiga paku menahan bidang pada tempatnya.

Tentang sisi-sisi-sudut dan sisi-sudut-sudut

Dalam setiap syarat SAS, ASA, dan SSS, kita menetapkan tiga bagian yang bersesuaian dari kedua segitiga. Sekarang, mari kita bahas tiga bagian bersesuaian lainnya.

Kombinasi pertama disebut sisi-sisi-sudut, atau singkatnya SSA; kombinasi ini menetapkan dua sisi dan satu sudut yang bukan sudut apit. Syarat ini tidak cukup untuk menjamin kekongruenan. Dengan kata lain, terdapat dua segitiga tak degenerat ABCABC dan A′B′C′A'B'C' sedemikian sehingga

AB=A′B′,BC=B′C′,∡BAC≡±∡B′A′C′,AB=A'B',\quad BC=B'C',\quad \measuredangle BAC\equiv\pm \measuredangle B'A'C',
tetapi △ABC≆△A′B′C′\triangle ABC\not\cong\triangle A'B'C' dan AC≠A′C′AC\ne A'C'.

Ambiguitas sisi-sisi-sudut

Kita tidak akan menggunakan pernyataan negatif ini, sehingga tidak perlu membuktikannya secara formal. Anda dapat menduga sebuah contoh dari gambar.

Kombinasi kedua disebut sisi-sudut-sudut, atau singkatnya SAA; kombinasi ini menetapkan satu sisi dan dua sudut, salah satunya berhadapan dengan sisi tersebut. Ini memberikan suatu syarat kekongruenan; artinya, jika salah satu dari segitiga ABCABC atau A′B′C′A'B'C' tak degenerat dan AB=A′B′AB=A'B', ∡ABC≡±∡A′B′C′\measuredangle ABC\equiv\pm \measuredangle A'B'C', ∡BCA≡±∡B′C′A′\measuredangle BCA\z\equiv\pm \measuredangle B'C'A', maka △ABC≅△A′B′C′\triangle ABC\cong\triangle A'B'C'.

Syarat SAA tidak akan digunakan secara langsung selanjutnya. Salah satu bukti untuk syarat ini dapat diperoleh dari ASA dan teorema tentang jumlah sudut segitiga, yang dibuktikan kemudian (lihat Teorema di Bab 7). Untuk bukti yang lebih langsung, lihat Latihan ke-5 di Bab 11.

Kombinasi lainnya disebut sudut-sudut-sudut, atau singkatnya AAA. Menurut Aksioma V, syarat ini bukan syarat kekongruenan pada bidang Euklides. Namun, pada bidang hiperbolik syarat ini merupakan syarat kekongruenan; lihat Syarat kekongruenan AAA di Bab 13.

Konstruksi

Masalah konstruksi merupakan sumber latihan geometri yang berharga, yang akan kita gunakan lebih lanjut dalam buku ini. Bab 19 akan dikhususkan untuk topik tersebut.

Konstruksi dengan penggaris dan jangka adalah konstruksi yang menggunakan penggaris dan jangka ideal. Penggaris ideal hanya dapat digunakan untuk menggambar garis yang melalui dua titik tertentu. Jangka ideal hanya dapat digunakan untuk menggambar lingkaran dengan pusat dan jari-jari tertentu. Artinya, jika diberikan tiga titik AA, BB, dan OO, kita dapat menggambar lingkaran berjari-jari ABAB yang berpusat di OO. Kita juga dapat menandai titik-titik baru pada bidang, serta pada garis, lingkaran, dan titik perpotongan yang telah dikonstruksi (dengan asumsi titik-titik tersebut ada).

Kita juga dapat meninjau perangkat konstruksi yang berbeda. Sebagai contoh, kita dapat menggunakan penggaris saja, atau menciptakan alat baru, misalnya alat yang menghasilkan titik tengah dari dua titik tertentu, atau cerminan satu titik terhadap titik lainnya.

Masalah Diberikan dua garis ℓ\ell dan mm serta sebuah titik MM yang tidak terletak pada salah satu pun dari kedua garis tersebut, konstruksikan ruas garis yang ujung-ujungnya masing-masing terletak pada ℓ\ell dan mm, serta yang dibagi dua oleh MM.

Tahap-tahap konstruksi berikut ditunjukkan dalam gambar.

Data awal masalah konstruksi
Tahap pertama konstruksi
Titik-titik antipoda P' dan Q'
Perpotongan garis el' dengan m
Ruas hasil konstruksi

Konstruksi.

  1. Gambarlah sebuah lingkaran berpusat di MM yang memotong garis ℓ\ell di dua titik, misalnya PP dan QQ.

  2. Gambarlah garis (PM)(PM) dan tandai titik potongnya yang lain dengan lingkaran sebagai P′P'. Dengan cara serupa, gambarlah (QM)(QM) dan tandai titik potongnya yang lain sebagai Q′Q'.

  3. Gambarlah garis ℓ′=(P′Q′)\ell'=(P'Q') dan tandai sebagai AA titik potongnya dengan mm (jika ada).

  1. Gambarlah garis (MA)(MA); tandai sebagai BB titik potongnya dengan ℓ\ell. Maka [AB][AB] adalah ruas yang diminta.

Sering kali perlu dilakukan analisis masalah: membuktikan bahwa hasil konstruksi memenuhi syarat-syarat yang diminta, serta menentukan kapan konstruksi dapat dilakukan dan berapa banyak solusi yang mungkin ada. Mari kita lakukan analisis tersebut untuk contoh di atas.

Analisis masalah. Perhatikan bahwa P′P' dan Q′Q' masing-masing merupakan cerminan PP dan QQ terhadap MM. Oleh karena itu, garis ℓ′=(P′Q′)\ell'=(P'Q') adalah cerminan ℓ=(PQ)\ell=(PQ) terhadap MM.

Karena AA terletak pada ℓ′\ell', titik BB adalah cerminan AA terhadap MM. Memang, BB adalah titik potong (yang pasti tunggal) antara (MA)(MA) dan ℓ\ell, sedangkan ℓ′\ell' merupakan cerminan ℓ\ell. Menurut definisi pencerminan, MM adalah titik tengah [AB][AB].

Garis ℓ′\ell' mungkin tidak memiliki titik potong dengan mm. Dalam kasus ini, masalah tersebut tidak memiliki solusi. Mungkin juga terjadi bahwa ℓ′=m\ell'=m; dalam kasus ini, terdapat tak berhingga banyak solusi — sembarang titik pada mm dapat ditandai sebagai AA. Dalam semua kasus selebihnya, terdapat tepat satu solusi. ▫\square

Latihan Andaikan △ABC\triangle ABC dan △A′B′C′\triangle A'B'C' adalah segitiga tak degenerat yang kongruen; khususnya, terdapat transformasi isometrik ff sedemikian sehingga

f:A↦A′,f:B↦B′,danf:C↦C′.f\colon A\mapsto A',\quad f\colon B\mapsto B',\quad\text{dan}\quad f\colon C\mapsto C'.

Diberikan sebuah titik XX, konstruksikan X′=f(X)X'=f(X).

Petunjuk

Garis tegak lurus

Sudut siku-siku, lancip, dan tumpul

Penanda sudut siku-siku pada dua garis

Sudut siku-siku akan ditandai dengan persegi kecil seperti pada gambar.

Jika ∠AOB\angle A O B siku-siku, kita juga dapat mengatakan bahwa [OA)[O A) tegak lurus terhadap [OB)[O B). Hal ini dapat ditulis sebagai [OA)⟂[OB)[O A)\z\perp [O B).

Teorema di Bab 2 memungkinkan kita menyebut dua garis (OA)(O A) dan (OB)(O B) tegak lurus jika [OA)⟂[OB)[O A)\z\perp [O B); dengan demikian, kita dapat menulis (OA)⟂(OB)(O A)\z\perp (O B).

Latihan Andaikan titik OO terletak di antara AA dan BB dan X≠OX\ne O. Tunjukkan bahwa ∠XOA\angle XOA lancip jika dan hanya jika ∠XOB\angle XOB tumpul.

Petunjuk

Garis sumbu

Andaikan MM adalah titik tengah ruas [AB][AB]; secara ekuivalen, M∈(AB)M\in(A B) dan AM=MBA M \z= M B.

Garis ℓ\ell yang melalui MM dan tegak lurus terhadap (AB)(AB) disebut garis sumbu ruas [AB][AB].

Teorema.✓ Untuk dua titik berbeda AA dan BB, semua titik yang berjarak sama dari AA dan BB, dan hanya titik-titik itu, terletak pada garis sumbu [AB][A B].

Bukti. Misalkan MM adalah titik tengah [AB][A B]. Andaikan PA=PBP A= P B dan P≠MP\ne M. Menurut SSS (Syarat SSS di Bab 4), △AMP≅△BMP\triangle A M P \z\cong\triangle B M P. Oleh karena itu, ∡AMP=±∡BMP\measuredangle A M P=\pm \measuredangle B M P. Karena A≠BA\not=B, tanda dalam rumus ini adalah “−-”.

Garis sumbu ruas AB

Selain itu,

π=∡AMB≡≡∡AMP+∡PMB≡≡2⋅∡AMP.\begin{align*} \pi &= \measuredangle A M B \equiv \\ &\equiv\measuredangle A M P+\measuredangle P M B \equiv \\ &\equiv 2\cdot \measuredangle A M P. \end{align*}
Dengan demikian, ∡AMP=±π2\measuredangle A M P = \pm \tfrac\pi2. Oleh karena itu, PP terletak pada garis sumbu.

Untuk membuktikan kebalikannya, andaikan PP adalah sembarang titik pada garis sumbu [AB][A B] dan P≠MP\z\ne M. Maka ∡AMP=±π2\measuredangle A M P=\pm \tfrac\pi2, ∡BMP=±π2\measuredangle B M P=\pm \tfrac\pi2 dan AM=BMA M\z=B M. Menurut SAS, △AMP≅△BMP\triangle A M P\cong \triangle B M P; khususnya, AP=BPA P\z= B P. ▫\square

Latihan Misalkan ℓ\ell adalah garis sumbu [AB][A B], dan XX adalah sembarang titik pada bidang. Tunjukkan bahwa AX<BXAX<BX jika dan hanya jika XX dan AA terletak pada sisi yang sama dari ℓ\ell.

Petunjuk

Latihan Misalkan ABCABC adalah segitiga tak degenerat. Tunjukkan bahwa

AC>BC⇔|∡ABC|>|∡CAB|.AC>BC\iff|\measuredangle ABC|>|\measuredangle CAB|.

Petunjuk

Latihan Suatu transformasi isometrik memiliki titik tetap FF dan memetakan titik XX ke titik lain YY. Tunjukkan bahwa FF terletak pada garis sumbu [XY][XY].

Petunjuk

Ketunggalan garis tegak lurus

Teorema.✓ Terdapat tepat satu garis yang melalui suatu titik PP dan tegak lurus terhadap suatu garis ℓ\ell.

Menurut teorema di atas, terdapat tepat satu titik Q∈ℓQ\in\ell sedemikian sehingga (QP)⟂ℓ(QP)\perp\ell. Titik QQ ini disebut titik kaki tegak lurus dari PP pada ℓ\ell.

Bukti. Jika P∈ℓP\in\ell, keberadaan dan ketunggalan keduanya diperoleh dari Aksioma III.

Konstruksi garis tegak lurus melalui P

Keberadaan untuk P∉ℓP\not\in\ell. Misalkan AA dan BB adalah dua titik berbeda pada ℓ\ell. Pilih P′P' sedemikian sehingga AP′=APAP'\z=AP dan ∡BAP′≡−∡BAP\measuredangle BAP' \equiv -\measuredangle BAP. Menurut Aksioma IV, △AP′B≅△APB\triangle A P' B\z\cong\triangle A P B. Khususnya, AP=AP′A P= A P' dan BP=BP′B P= B P'.

Menurut Teorema di Bab 5, AA dan BB terletak pada garis sumbu [PP′][P P']. Khususnya, (PP′)⟂(AB)=ℓ(P P')\perp (A B)=\ell.

Ketunggalan untuk P∉ℓP\not\in\ell. Dari uraian di atas, kita dapat memilih titik P′P' sedemikian sehingga ℓ\ell merupakan garis sumbu [PP′][PP'].

Andaikan m⟂ℓm\perp \ell dan m∋Pm\ni P. Maka mm merupakan garis sumbu suatu ruas [QQ′][Q Q'] pada ℓ\ell; khususnya, PQ=PQ′P Q= P Q'.

Konfigurasi ketunggalan garis tegak lurus

Karena ℓ\ell merupakan garis sumbu [PP′][P P'], kita memperoleh PQ=P′QPQ= P'Q dan PQ′=P′Q′PQ' \z= P'Q'. Oleh karena itu,

P′Q=PQ=PQ′=P′Q′.P' Q=P Q=P Q'= P' Q'.
Menurut Teorema di Bab 5, P′P' terletak pada garis sumbu [QQ′][QQ'], yaitu mm. Menurut Aksioma II, m=(PP′)m=(P P'). ▫\square

Latihan Uraikan konstruksi penggaris dan jangka untuk membuat garis yang melalui suatu titik dan tegak lurus terhadap suatu garis yang diberikan.

Petunjuk

Pencerminan terhadap garis

Andaikan titik PP dan garis (AB)(AB) diberikan. Untuk memperoleh bayangan pencerminan P′P' dari PP terhadap (AB)(AB), tarik ruas tegak lurus dari PP hingga mencapai (AB)(AB), lalu perpanjang ruas tersebut sejauh jarak yang sama ke sisi lainnya.

Pencerminan P terhadap garis AB

Menurut Teorema di Bab 5, P′P' ditentukan secara tunggal oleh PP. Perhatikan bahwa P=P′P=P' jika dan hanya jika P∈(AB)P\in(AB).

Proposisi.✓ Andaikan P′P' adalah bayangan pencerminan PP terhadap (AB)(AB). Maka AP′=APAP'=AP, dan jika A≠PA\ne P, maka ∡BAP′≡−∡BAP\measuredangle BAP'\equiv -\measuredangle BAP.

Bukti. Jika P∈(AB)P\in (AB), maka P=P′P\z=P'. Menurut Akibat di Bab 2, ∡BAP=0\measuredangle BAP\z=0 atau π\pi. Dengan demikian, pernyataan tersebut terbukti.

Jika P∉(AB)P\notin (AB), maka P′≠PP'\ne P. Menurut konstruksi P′P', garis (AB)(AB) merupakan garis sumbu [PP′][PP']. Oleh karena itu, menurut Teorema di Bab 5, AP′=APAP'\z=AP dan BP′=BPBP'\z=BP. Khususnya, △ABP′≅△ABP\triangle ABP'\z\cong \triangle ABP. Dengan demikian, ∡BAP′=±∡BAP\measuredangle BAP'=\pm \measuredangle BAP.

Karena P′≠PP'\ne P dan AP′=APAP'=AP, kita memperoleh ∡BAP′≠∡BAP\measuredangle BAP'\ne \measuredangle BAP. Jadi, satu-satunya kemungkinan yang tersisa adalah ∡BAP′≡−∡BAP\measuredangle BAP'\equiv-\measuredangle BAP. ▫\square

Latihan Misalkan XX dan YY masing-masing merupakan bayangan pencerminan PP terhadap garis (AB)(AB) dan (BC)(BC). Tunjukkan bahwa ∡XBY≡2⋅∡ABC\measuredangle XBY\equiv 2\cdot \measuredangle ABC.

Petunjuk

Akibat.✓ Pencerminan terhadap garis merupakan transformasi isometrik bidang. Selain itu, ∡Q′P′R′≡−∡QPR\measuredangle Q'P'R'\equiv -\measuredangle QPR jika △P′Q′R′\triangle P'Q'R' adalah bayangan pencerminan △PQR\triangle PQR.

Bukti. Komposisi dua pencerminan terhadap garis yang sama merupakan pemetaan identitas. Khususnya, setiap pencerminan merupakan bijeksi.

Tetapkan sebuah garis (AB)(AB) dan dua titik PP dan QQ; nyatakan bayangan pencerminan keduanya terhadap (AB)(AB) dengan P′P' dan Q′Q'. Mari kita tunjukkan bahwa

P′Q′=PQ;P'Q'=PQ;\label{eq:P'Q'=PQ}
yakni, pencerminan tersebut mempertahankan jarak.

Pencerminan segitiga PQR

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa titik PP dan QQ berbeda dari AA dan BB. Menurut Proposisi di Bab 5, kita memperoleh

∡BAP′≡−∡BAP,∡BAQ′≡−∡BAQ,AP′=AP,AQ′=AQ.\begin{align*} \measuredangle BAP'&\equiv -\measuredangle BAP, & \measuredangle BAQ'&\equiv -\measuredangle BAQ, \\ AP'&=AP, & AQ'&=AQ. \end{align*}
Akibatnya,
∡P′AQ′≡−∡PAQ.\measuredangle P'AQ'\equiv -\measuredangle PAQ.\label{eq:P'AQ'=PAQ}
Menurut SAS, △P′AQ′≅△PAQ\triangle P'AQ'\cong\triangle PAQ dan diperoleh Persamaan di Bab 5. Selain itu, kita juga memperoleh
∡AP′Q′≡±∡APQ.\measuredangle AP'Q'\equiv\pm\measuredangle APQ.
Menurut Persamaan di Bab 5 dan teorema tentang tanda sudut-sudut segitiga (Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3), kita memperoleh
∡AP′Q′≡−∡APQ.\measuredangle AP'Q'\equiv-\measuredangle APQ.\label{eq:AP'Q'=APQ}

Dengan mengulangi argumen yang sama untuk pasangan titik PP dan RR, kita memperoleh

∡AP′R′≡−∡APR.\measuredangle AP'R'\equiv-\measuredangle APR.\label{eq:AP'R'=APR}
Dengan mengurangkan Persamaan di Bab 5 dari Persamaan di Bab 5, kita memperoleh ∡Q′P′R′≡−∡QPR\measuredangle Q'P'R'\equiv-\measuredangle QPR.

Transformasi isometrik langsung dan tak langsung

Latihan kelas Tunjukkan bahwa setiap transformasi isometrik bidang dapat dinyatakan sebagai komposisi paling banyak tiga pencerminan terhadap garis.

Petunjuk

Transformasi isometrik X↦X′X\mapsto X' disebut langsung jika

∡Q′P′R′=∡QPR\measuredangle Q'P'R'= \measuredangle QPR
untuk setiap segitiga PQRPQR; jika sebaliknya selalu berlaku
∡Q′P′R′≡−∡QPR,\measuredangle Q'P'R'\equiv -\measuredangle QPR,
maka transformasi isometrik tersebut disebut tak langsung.

Menurut Akibat di Bab 5, setiap pencerminan terhadap garis merupakan transformasi isometrik tak langsung. Perhatikan bahwa komposisi dua pencerminan merupakan transformasi isometrik langsung. Secara lebih umum, komposisi dua transformasi isometrik tak langsung bersifat langsung, komposisi dua transformasi isometrik langsung bersifat langsung, dan komposisi transformasi isometrik langsung dengan transformasi isometrik tak langsung bersifat tak langsung. Khususnya, latihan di atas menyiratkan pernyataan berikut.

Proposisi Setiap transformasi isometrik bidang bersifat langsung atau tak langsung.

Ruas tegak lurus adalah yang terpendek

Lema.✓ Andaikan QQ adalah titik kaki tegak lurus dari PP pada garis ℓ\ell. Maka

PX>PQPX>PQ
untuk setiap titik XX pada ℓ\ell yang berbeda dari QQ.

Jika PP, QQ, dan ℓ\ell seperti di atas, maka PQPQ disebut jarak dari PP ke ℓ\ell.

Bukti. Jika P∈ℓP\in \ell, maka hasilnya langsung diperoleh karena PQ=0PQ=0. Jadi, kita dapat mengandaikan bahwa P∉ℓP\notin \ell.

Ruas tegak lurus sebagai jarak terpendek

Misalkan P′P' adalah bayangan pencerminan PP terhadap garis ℓ\ell. Perhatikan bahwa QQ merupakan titik tengah [PP′][PP'] dan ℓ\ell merupakan garis sumbu [PP′][PP']. Oleh karena itu,

PX=P′XdanPQ=P′Q=12⋅PP′.PX=P'X \quad \text{dan} \quad PQ=P'Q=\tfrac12\cdot PP'.

Garis ℓ\ell berpotongan dengan [PP′][PP'] hanya di titik QQ. Oleh karena itu, X∉[PP′]X\notin [PP']. Menurut ketaksamaan segitiga dan Akibat di Bab 4, berlaku

PX+P′X>PP′,PX+P'X>PP',
sehingga diperoleh hasil yang dimaksud: PX>PQPX>PQ. ▫\square

Latihan kelas Tunjukkan bahwa

  1. Jika △ABC\triangle ABC memiliki sudut siku-siku di CC, maka sudut-sudut lainnya lancip.

  2. Jika △ABC\triangle ABC memiliki sudut tumpul di CC, maka sudut-sudut lainnya lancip.

Petunjuk

Latihan ini berkaitan erat dengan Proposisi di Bab 11.

Jika sebuah segitiga memiliki sudut tumpul atau siku-siku, segitiga itu berturut-turut disebut segitiga tumpul atau segitiga siku-siku. Jika tidak, yaitu jika semua sudutnya lancip, segitiga itu disebut segitiga lancip.

Latihan Andaikan titik XX terletak di antara VV dan WW. Tunjukkan bahwa untuk setiap titik PP, berlaku PX<PVPX < PV atau PX<PWPX < PW.

Petunjuk

Latihan Andaikan titik PP dan QQ terletak pada sisi yang sama dari garis ℓ\ell. Misalkan M∈ℓM\in \ell adalah titik yang meminimumkan jumlah PM+MQPM+MQ. Tunjukkan bahwa M∈(P′Q)M\in (P'Q), dengan P′P' merupakan bayangan pencerminan PP terhadap ℓ\ell.

Petunjuk

Lingkaran

Ingat bahwa lingkaran berjari-jari rr dan berpusat di OO adalah himpunan semua titik yang berjarak rr dari OO. Titik PP dikatakan terletak di dalam lingkaran jika OP<rOP<r; jika OP>rOP>r, titik PP dikatakan terletak di luar lingkaran.

Latihan Misalkan Γ\Gamma adalah sebuah lingkaran dan P∉ΓP\notin \Gamma. Andaikan sebuah garis ℓ\ell melalui titik PP dan memotong Γ\Gamma di dua titik berbeda, XX dan YY. Tunjukkan bahwa PP berada di dalam Γ\Gamma jika dan hanya jika PP terletak di antara XX dan YY.

Petunjuk

Ruas yang menghubungkan dua titik pada lingkaran disebut tali busur lingkaran. Tali busur yang melalui pusat lingkaran disebut diameter lingkaran.

Latihan Andaikan dua lingkaran berbeda Γ\Gamma dan Γ′\Gamma' memiliki tali busur bersama [AB][A B]. Tunjukkan bahwa garis yang melalui pusat Γ\Gamma dan pusat Γ′\Gamma' merupakan garis sumbu [AB][A B].

Petunjuk

Latihan Uraikan konstruksi penggaris dan jangka untuk memperoleh pusat suatu lingkaran yang diberikan.

Petunjuk
Dua garis sumbu pada tiga titik segaris

Lema.✓ Sebuah garis dan sebuah lingkaran memiliki paling banyak dua titik potong.

Bukti. Andaikan AA, BB, dan CC adalah titik-titik berbeda yang terletak pada sebuah garis ℓ\ell dan sebuah lingkaran Γ\Gamma berpusat di OO. Maka OA=OB=OCOA=OB=OC; khususnya, OO terletak pada mm dan nn, yang masing-masing merupakan garis sumbu [AB][A B] dan [BC][B C]. Perhatikan bahwa titik tengah [AB][AB] dan titik tengah [BC][BC] berbeda. Oleh karena itu, mm dan nn berbeda. Hal ini bertentangan dengan ketunggalan garis tegak lurus (Teorema di Bab 5). ▫\square

Latihan Tunjukkan bahwa dua lingkaran berbeda memiliki paling banyak dua titik potong.

Petunjuk

Sebagai akibat dari lema di atas, sebuah garis ℓ\ell dan sebuah lingkaran Γ\Gamma dapat memiliki 2, 1, atau 0 titik potong. Dalam dua kasus pertama, garis tersebut masing-masing disebut sekan atau garis singgung; jika PP merupakan satu-satunya titik potong ℓ\ell dan Γ\Gamma, kita mengatakan bahwa ℓ\ell menyinggung Γ\Gamma di PP.

Serupa dengan itu, menurut Latihan ke-14 di Bab 5, dua lingkaran berbeda dapat memiliki 2, 1, atau 0 titik potong. Jika PP merupakan satu-satunya titik potong lingkaran Γ\Gamma dan Γ′\Gamma', kita mengatakan bahwa Γ\Gamma bersinggungan dengan Γ′\Gamma' di PP; kita juga menganggap bahwa sebuah lingkaran bersinggungan dengan dirinya sendiri di setiap titiknya.

Lema.✓ Misalkan ℓ\ell adalah sebuah garis dan Γ\Gamma adalah sebuah lingkaran berpusat di OO. Andaikan PP merupakan titik bersama ℓ\ell dan Γ\Gamma. Maka ℓ\ell menyinggung Γ\Gamma di PP jika dan hanya jika (PO)⟂ℓ(PO)\perp \ell.

Bukti. Misalkan QQ adalah titik kaki tegak lurus dari OO pada ℓ\ell.

Andaikan P≠QP\ne Q. Misalkan P′P' adalah bayangan pencerminan PP terhadap (OQ)(OQ). Perhatikan bahwa P′∈ℓP'\in\ell dan (OQ)(OQ) merupakan garis sumbu [PP′][PP']. Oleh karena itu, OP=OP′OP=OP'. Dengan demikian, P,P′∈Γ∩ℓP,P'\in \Gamma\cap \ell; artinya, ℓ\ell merupakan garis sekan terhadap Γ\Gamma.

Jika P=QP=Q, maka menurut Lema di Bab 5, OP<OXOP<OX untuk setiap titik X∈ℓX\in \ell yang berbeda dari PP. Dengan demikian, PP merupakan satu-satunya titik pada irisan Γ∩ℓ\Gamma\cap\ell; artinya, ℓ\ell menyinggung Γ\Gamma di PP. ▫\square

Latihan Misalkan Γ\Gamma dan Γ′\Gamma' adalah dua lingkaran yang masing-masing berpusat di OO dan O′O', serta berjari-jari rr dan r′r'. Tunjukkan bahwa Γ\Gamma bersinggungan dengan Γ′\Gamma' jika dan hanya jika salah satu syarat berikut berlaku:

  1. Kedua lingkaran berpotongan di sebuah titik PP yang segaris dengan OO dan O′O'.

  2. Kedua lingkaran berpotongan di sebuah titik PP dan memiliki garis singgung bersama di titik ini.

  3. OO′=r+r′OO' = r + r' atau OO′=|r−r′|OO' = |r - r'|.

Petunjuk
Tiga lingkaran melalui dua titik bersama

Latihan Andaikan tiga lingkaran memiliki dua titik bersama. Buktikan bahwa pusat ketiganya segaris.

Petunjuk

Latihan Uraikan konstruksi penggaris dan jangka untuk membuat garis-garis yang melalui suatu titik yang diberikan dan menyinggung suatu lingkaran yang diberikan.

Petunjuk seluruh latihan

Latihan Diberikan dua lingkaran Γ1\Gamma_1 dan Γ2\Gamma_2 serta sebuah ruas [AB][AB], uraikan konstruksi penggaris dan jangka untuk membuat lingkaran berjari-jari ABAB yang bersinggungan dengan kedua lingkaran Γ1\Gamma_1 dan Γ2\Gamma_2.

Petunjuk seluruh latihan

Segitiga sebangun

Dua segitiga A′B′C′A' B' C' dan ABCA B C disebut sebangun (secara ringkas △A′B′C′∼△ABC\triangle A' B' C'\z\sim\triangle A B C) jika (1) sisi-sisi yang bersesuaian sebanding; yaitu,

A′B′=k⋅AB,B′C′=k⋅BCdanC′A′=k⋅CAA' B' = k\cdot A B, \quad B' C'=k\cdot B C \quad \text{dan} \quad C' A' = k\cdot C A \label{dist}
untuk suatu koefisien k>0k>0 (yang disebut koefisien kesebangunan), dan (2) sudut-sudut yang bersesuaian sama, mungkin dengan perubahan tanda:
∡A′B′C′=±∡ABC,∡B′C′A′=±∡BCA,∡C′A′B′=±∡CAB.\begin{aligned} \measuredangle A' B' C'&=\pm\measuredangle A B C, \\ \measuredangle B' C' A'&=\pm\measuredangle B C A, \\ \measuredangle C' A' B'&=\pm\measuredangle CAB. \end{aligned} \label{angles}

Catatan.

Kriteria kesebangunan

Dengan menggunakan notasi baru “∼\sim”, kita dapat menyatakan kembali Aksioma V:

Pernyataan ulang Aksioma V Jika untuk △ABC\triangle ABC, △AB′C′\triangle AB'C', dan k>0k>0 berlaku B′∈[AB)B'\in [AB), C′∈[AC)C'\in [AC), AB′=k⋅ABAB'=k\cdot AB dan AC′=k⋅ACAC'=k\cdot AC, maka △ABC∼△AB′C′\triangle ABC\sim\triangle AB'C'.

Dengan kata lain, Aksioma V memberikan suatu syarat yang menjamin bahwa dua segitiga sebangun. Mari kita rumuskan tiga kriteria kesebangunan lainnya.

Kriteria kesebangunan Dua segitiga △ABC\triangle ABC dan △A′B′C′\triangle A'B'C' sebangun jika salah satu kriteria berikut terpenuhi:

(SAS) Untuk suatu konstanta k>0k>0 berlaku

AB=k⋅A′B′,AC=k⋅A′C′,dan∡BAC=±∡B′A′C′.A B=k\cdot A' B', \quad A C=k\cdot A' C', \quad \text{dan} \quad \measuredangle B A C=\pm\measuredangle B' A' C'.

(AA) Segitiga A′B′C′A' B' C' tak degenerat dan

∡ABC=±∡A′B′C′,∡BAC=±∡B′A′C′.\measuredangle A B C = \pm\measuredangle A' B' C', \quad \measuredangle B A C = \pm\measuredangle B' A' C'.

(SSS) Untuk suatu konstanta k>0k>0 berlaku

AB=k⋅A′B′,AC=k⋅A′C′,CB=k⋅C′B′.A B=k\cdot A' B', \quad A C=k\cdot A' C', \quad CB=k\cdot C'B'.

Setiap kriteria ini dibuktikan dengan menerapkan Aksioma V bersama kriteria kekongruenan SAS, ASA, dan SSS secara berturut-turut (lihat Aksioma IV dan kriteria Syarat ASA di Bab 4 serta Syarat SSS di Bab 4).

Bukti. Ambil k=ABA′B′k=\tfrac{AB}{A'B'}. Pilih titik B″∈[A′B′)B''\in [A'B') dan C″∈[A′C′)C''\in [A'C'), sedemikian sehingga A′B″=k⋅A′B′A'B''=k\cdot A'B' dan A′C″=k⋅A′C′A'C''=k\cdot A'C'. Menurut Aksioma V, △A′B′C′∼△A′B″C″\triangle A'B'C'\z\sim \triangle A'B''C''.

Dengan menerapkan kriteria kekongruenan SAS, ASA, atau SSS, sesuai dengan kasusnya, kita memperoleh △A′B″C″≅△ABC\triangle A'B''C''\cong \triangle ABC. Dengan demikian, pernyataan terbukti. ▫\square

Latihan Misalkan A′A', B′B', dan C′C' berturut-turut merupakan titik tengah sisi-sisi [BC][BC], [CA][CA], dan [AB][AB] dari △ABC\triangle ABC. Tunjukkan bahwa △A′B′C′∼△ABC\triangle A'B'C'\sim\triangle ABC dan tentukan koefisien kesebangunannya.

Petunjuk

Latihan Misalkan OO, AA, BB, CC, A′A', B′B', dan C′C' merupakan titik-titik yang berbeda. Andaikan A′∈[OA)A'\in [OA), B′∈[OB)B'\in[OB), C′∈[OC)C'\in [OC), OA′=k⋅OAOA'=k\cdot OA, OB′=k⋅OBOB'=k\cdot OB, dan OC′=k⋅OCOC'=k\cdot OC untuk suatu k>0k>0. Tunjukkan bahwa △A′B′C′∼△ABC\triangle A'B'C'\sim\triangle ABC.

Petunjuk

Suatu bijeksi X↔X′X\leftrightarrow X' dari bidang ke dirinya sendiri disebut transformasi pelestari sudut jika

∡ABC=∡A′B′C′\measuredangle ABC= \measuredangle A'B'C'
untuk setiap △ABC\triangle ABC dan bayangannya △A′B′C′\triangle A'B'C'.

(Istilah transformasi digunakan untuk bijeksi bidang ke dirinya sendiri yang mempertahankan suatu struktur geometri tertentu. Misalnya, transformasi isometrik adalah transformasi yang mempertahankan jarak.)

Latihan Tunjukkan bahwa setiap transformasi pelestari sudut pada bidang mengalikan semua jarak dengan suatu konstanta tetap.

Petunjuk

Teorema Pythagoras

Ingat bahwa suatu segitiga disebut siku-siku jika salah satu sudutnya siku-siku. Sisi yang berhadapan dengan sudut siku-siku disebut hipotenusa. Sisi-sisi yang mengapit sudut siku-siku disebut sisi-sisi siku-siku.

Teorema Andaikan △ABC\triangle ABC memiliki sudut siku-siku di CC. Maka

AC2+BC2=AB2.AC^2+BC^2=AB^2.

Bukti. Misalkan DD adalah titik kaki tegak lurus dari CC pada (AB)(AB).

Tinggi pada hipotenusa segitiga siku-siku

Menurut Lema di Bab 5,

AD<AC<AB,danBD<BC<AB.\begin{align*} AD&<AC<AB, \text{dan} BD&<BC<AB. \end{align*}
Oleh karena itu, DD terletak di antara AA dan BB; khususnya,
AD+BD=AB.AD+BD=AB.\label{AD+BD=AB}

Menurut kriteria kesebangunan AA, kita memperoleh

△ADC∼△ACB∼△CDB.\triangle ADC\sim\triangle ACB\sim \triangle CDB.
Khususnya,
ADAC=ACABdanBDBC=BCBA.\frac{A D}{A C}=\frac{A C}{A B} \quad \text{dan} \quad \frac{B D}{B C}=\frac{B C}{B A}. \label{BCD}

Mari kita tulis ulang kedua identitas dalam Persamaan di Bab 6:

AC2=AB⋅ADdanBC2=AB⋅BD.\begin{align*} AC^2=AB\cdot AD \quad \text{dan} \quad BC^2=AB\cdot B D. \end{align*}
Dengan menjumlahkan kedua identitas ini dan menerapkan Persamaan di Bab 6, kita memperoleh
AC2+BC2=AB⋅(AD+BD)=AB2.AC^2 +BC^2=AB\cdot (AD+ B D)=AB^2.

Gagasan dalam bukti ini muncul dalam Elements , tetapi bukti yang diberikan di sana berbeda; bukti tersebut menggunakan metode luas yang dibahas dalam Bab 20.

Latihan Andaikan AA, BB, CC, dan DD seperti dalam bukti di atas. Tunjukkan bahwa CD2=AD⋅BDCD^2=AD\cdot BD.

Petunjuk

Latihan berikut merupakan kebalikan Teorema Pythagoras.

Latihan Misalkan ABCABC merupakan segitiga sedemikian sehingga AC2+BC2=AB2AC^2+BC^2=AB^2. Tunjukkan bahwa sudut di CC siku-siku.

Petunjuk

Metode segitiga sebangun

Bukti Teorema Pythagoras di atas menggunakan metode segitiga sebangun. Untuk menerapkan metode ini, kita perlu mencari pasangan-pasangan segitiga sebangun, kemudian menggunakan kesebandingan sisi-sisi yang bersesuaian dan/atau kesamaan sudut-sudut yang bersesuaian. Pada awalnya, menemukan pasangan semacam itu mungkin tidak mudah.

Enam titik dan empat pasangan segitiga sebangun

Latihan kelas Misalkan ABCABC merupakan segitiga tak degenerat, dan misalkan titik-titik XX, YY, dan ZZ terletak seperti pada gambar. Andaikan ∡CAY≡∡XBC\measuredangle CAY\z\equiv\measuredangle XBC. Temukan empat pasang segitiga sebangun yang menggunakan keenam titik ini sebagai titik-titik sudut, dan buktikan kesebangunannya.

Petunjuk

Latihan Andaikan △ABC\triangle ABC tak degenerat. Andaikan D∈[AB]D\in [AB] dan ∡CAB=∡BCD\measuredangle CAB=\measuredangle BCD. Tunjukkan bahwa CD=b⋅acCD=\tfrac{b\cdot a}c, dengan a=BCa=BC, b=CAb=CA, dan c=ABc=AB.

Petunjuk
Garis sumbu hipotenusa segitiga siku-siku

Latihan Andaikan △ABC\triangle ABC memiliki sudut siku-siku di CC. Misalkan MM merupakan titik tengah [AB][AB]. Misalkan PP dan QQ berturut-turut menyatakan titik-titik potong garis sumbu [AB][AB] dengan sinar [BC)[BC) dan [AC)[AC). Tunjukkan bahwa

4⋅MP⋅MQ=AB2.4\cdot MP\cdot MQ = AB^2.

Petunjuk

Ketaksamaan Ptolemy

Suatu segiempat didefinisikan sebagai susunan terurut empat titik berbeda di bidang. Keempat titik ini disebut titik-titik sudut. Segiempat ABCDABCD juga akan dilambangkan dengan ▫ABCD\square ABCD.

Untuk suatu segiempat ABCDABCD, keempat ruas [AB][AB], [BC][BC], [CD][CD], dan [DA][DA] disebut sisi-sisi ▫ABCD\square ABCD; dua ruas lainnya, [AC][AC] dan [BD][BD], disebut diagonal-diagonal ▫ABCD\square ABCD.

Ketaksamaan Ptolemy Pada setiap segiempat, hasil kali kedua diagonal tidak dapat melebihi jumlah hasil kali pasangan-pasangan sisi yang berhadapan; yaitu,

AC⋅BD≤AB⋅CD+BC⋅DAAC\cdot BD\le AB\cdot CD+ BC\cdot DA
untuk setiap ▫ABCD\square ABCD.

Kita akan menyajikan bukti klasik ketaksamaan ini dengan menggunakan metode segitiga sebangun beserta suatu konstruksi bantu. Bukti ini diberikan sebagai ilustrasi — bukti tersebut tidak akan digunakan lagi selanjutnya.

Konstruksi untuk ketaksamaan Ptolemy

Bukti. Perhatikan sinar [AX)[AX) sedemikian sehingga ∡BAX=∡CAD\measuredangle BAX=\measuredangle CAD. Dalam hal ini, ∡XAD=∡BAC\measuredangle XAD\z=\measuredangle BAC karena jika ∡BAX\measuredangle BAX ditambahkan pada ruas kiri dan ∡CAD\measuredangle CAD pada ruas kanan, kedua ruas menjadi ∡BAD\measuredangle BAD. Kita dapat mengambil

AX=ABAC⋅AD.AX=\frac{AB}{AC}\cdot AD.

Dalam hal ini, berlaku

AXAD=ABAC,AXAB=ADAC.Dengan demikian△BAX∼△CAD,△XAD∼△BAC.Oleh karena ituBXCD=ABAC,XDBC=ADAC,atauAC⋅BX=AB⋅CD,AC⋅XD=BC⋅AD.\begin{align*} \frac{AX}{AD}&=\frac{AB}{AC}, & \frac{AX}{AB}&=\frac{AD}{AC}.\\ \text{Dengan demikian} \triangle BAX&\sim \triangle CAD, & \triangle XAD&\sim\triangle BAC.\\ \text{Oleh karena itu} \frac{BX}{CD}&=\frac{AB}{AC}, & \frac{XD}{BC}&=\frac{AD}{AC}, \text{atau} AC\cdot BX&=AB\cdot CD, & AC\cdot XD&=BC\cdot AD. \end{align*}
Dengan menjumlahkan kedua persamaan ini, kita memperoleh
AC⋅(BX+XD)=AB⋅CD+BC⋅AD.AC\cdot(BX+XD)=AB\cdot CD+BC\cdot AD.
Yang tersisa hanyalah menerapkan ketaksamaan segitiga, BD≤BX+XDBD\le BX+XD. ▫\square

Dengan menggunakan bukti ini bersama Proposisi di Bab 9, dapat ditunjukkan bahwa kesamaan hanya berlaku jika titik-titik sudut AA, BB, CC, dan DD terletak pada suatu garis atau lingkaran dalam urutan siklik yang sama; lihat juga Identitas Ptolemy di Bab 10 untuk bukti lain bagi kasus kesamaan. Latihan ke-2 di Bab 18 mengisyaratkan bukti lain untuk ketaksamaan Ptolemy dengan menggunakan koordinat kompleks.

Garis sejajar

Sepasang garis sejajar bertanda panah

Ingat bahwa sebagai akibat Aksioma II, setiap dua garis berbeda ℓ\ell dan mm memiliki tepat satu titik persekutuan atau tidak memiliki titik persekutuan sama sekali; lihat Proposisi di Bab 2. Dalam kasus pertama, kedua garis tersebut berpotongan (secara ringkas ℓ∦m\ell\nparallel m); dalam kasus kedua, ℓ\ell dan mm disebut sejajar (secara ringkas, ℓ∥m\ell\parallel m); selain itu, suatu garis selalu dianggap sejajar dengan dirinya sendiri.

Untuk menegaskan bahwa dua garis dalam suatu gambar sejajar, kita akan menandainya dengan tanda panah sejenis.

Proposisi.✓ Misalkan ℓ\ell, mm, dan nn merupakan tiga garis. Andaikan n⟂ℓn\perp \ell dan n⟂mn\perp m. Maka ℓ∥m\ell\parallel m.

Bukti. Andaikan sebaliknya; yaitu, ℓ\ell dan mm berpotongan pada satu titik, sebutlah ZZ. Maka menurut Teorema di Bab 5, ℓ=m\ell=m. Karena setiap garis sejajar dengan dirinya sendiri, kita memperoleh ℓ∥m\ell\parallel m — suatu kontradiksi. ▫\square

Teorema Untuk setiap titik PP dan setiap garis ℓ\ell, terdapat tepat satu garis mm yang melalui PP dan sejajar dengan ℓ\ell.

Teorema di atas memiliki dua bagian, yaitu keberadaan dan ketunggalan. Dalam bukti ketunggalan, kita akan menggunakan metode segitiga sebangun.

Bukti; keberadaan. Terapkan Teorema di Bab 5 dua kali, pertama untuk mengonstruksi garis nn melalui PP yang tegak lurus terhadap ℓ\ell, dan kedua untuk mengonstruksi garis mm melalui PP yang tegak lurus terhadap nn. Kemudian terapkan Proposisi di Bab 7.

Ketunggalan. Jika P∈ℓP\in\ell, maka m=ℓm=\ell menurut definisi garis sejajar. Sekarang, andaikan P∉ℓP\notin\ell.

Mari kita mengonstruksi garis n∋Pn\ni P dan m∋Pm\ni P seperti dalam bukti keberadaan; jadi n⟂ℓn\perp \ell, m⟂nm\perp n, dan m∥ℓm\parallel \ell.

Andaikan terdapat garis lain s∋Ps\ni P yang sejajar dengan ℓ\ell. Pilih titik Q∈sQ\in s yang terletak pada sisi mm yang sama dengan ℓ\ell. Misalkan RR adalah titik kaki tegak lurus dari QQ pada nn.

Konstruksi garis sejajar melalui P

Misalkan DD adalah titik potong nn dan ℓ\ell. Menurut Proposisi di Bab 7, (QR)∥m(QR)\parallel m. Oleh karena itu, QQ, RR, dan ℓ\ell terletak pada sisi yang sama terhadap mm. Khususnya, R∈[PD)R\in [P D).

Pilih Z∈[PQ)Z\in [P Q) sedemikian sehingga

PZPQ=PDPR;\frac{PZ}{PQ}=\frac{PD}{PR};
titik tersebut ada menurut Latihan ke-10 di Bab 1. Menurut kriteria kesebangunan SAS (atau, secara ekuivalen, menurut Aksioma V), kita memperoleh △RPQ∼△DPZ\triangle RPQ\sim \triangle DPZ; oleh karena itu, (ZD)⟂(PD)(Z D)\perp(P D). Akibatnya, ZZ terletak pada ℓ\ell dan ss — suatu kontradiksi.▫\square

Akibat Andaikan ℓ\ell, mm, dan nn merupakan garis-garis sedemikian sehingga ℓ∥m\ell\parallel m dan m∥nm\parallel n. Maka ℓ∥n\ell\parallel n.

Bukti. Andaikan sebaliknya; yaitu, ℓ∦n\ell\nparallel n. Maka terdapat titik P∈ℓ∩nP\in \ell\cap n. Menurut Teorema di Bab 7, n=ℓn=\ell — suatu kontradiksi. ▫\square

Menurut definisi, ℓ∥m\ell\parallel m jika dan hanya jika m∥ℓm\z\parallel \ell. Oleh karena itu, menurut akibat di atas, “∥\parallel” merupakan suatu relasi ekuivalensi. Artinya, untuk sembarang garis ℓ\ell, mm, dan nn, berlaku syarat-syarat berikut:

  1. ℓ∥ℓ\ell\parallel \ell;

  2. jika ℓ∥m\ell\parallel m, maka m∥ℓm\parallel \ell;

  3. jika ℓ∥m\ell\parallel m dan m∥nm\parallel n, maka ℓ∥n\ell\parallel n.

Latihan berikut memberikan kebalikan parsial Proposisi di Bab 7.

Latihan Misalkan kk, ℓ\ell, mm, dan nn merupakan garis-garis.

  1. Andaikan ℓ∥m\ell\parallel m dan m⟂nm\perp n. Tunjukkan bahwa ℓ⟂n\ell\perp n.

    Petunjuk subbagian
  2. Andaikan k⟂ℓk\perp \ell, ℓ∥m\ell\parallel m, dan m⟂nm\perp n. Tunjukkan bahwa k∥nk\parallel n.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk seluruh latihan

Latihan Lakukan konstruksi dengan penggaris dan jangka untuk membuat garis yang melalui suatu titik yang diberikan dan sejajar dengan suatu garis yang diberikan.

Petunjuk

Pencerminan terhadap titik

Ingat bahwa jika OO merupakan titik tengah ruas [XX′][XX'], maka kita mengatakan bahwa X′X' merupakan cerminan XX terhadap titik OO. Selain itu, kita mengasumsikan bahwa O′=OO'=O; yaitu, OO merupakan cerminan dirinya sendiri terhadap dirinya sendiri.

Pernyataan berikut merupakan penyempurnaan Proposisi di Bab 2.

Proposisi.✓ Pencerminan terhadap suatu titik merupakan transformasi isometrik langsung.

Bukti. Pilih suatu titik OO. Menurut Proposisi di Bab 2, pencerminan terhadap OO merupakan transformasi isometrik. Perhatikan bahwa setiap sudut ∠XOY\angle XOY bertolak belakang dengan cerminannya ∠X′OY′\angle X'OY'. Menurut Proposisi di Bab 2, ∡XOY=∡X′OY′\measuredangle XOY\z=\measuredangle X'OY'. Oleh karena itu, pencerminan tersebut tidak mungkin merupakan transformasi isometrik tak langsung.

Menurut Proposisi di Bab 5, setiap transformasi isometrik bersifat langsung atau tak langsung. Oleh karena itu, pencerminan terhadap OO harus bersifat langsung. ▫\square

Latihan Andaikan ∠AOB\angle AOB siku-siku. Tunjukkan bahwa komposisi pencerminan terhadap garis (OA)(OA) dan (OB)(OB) merupakan pencerminan terhadap OO.

Gunakan pernyataan ini dan Akibat di Bab 5 untuk menyusun bukti lain bagi Proposisi di Bab 7.

Petunjuk
Pencerminan titik di antara dua garis sejajar

Teorema Misalkan ℓ\ell dan mm merupakan garis-garis yang masing-masing melalui titik PP dan QQ. Andaikan OO merupakan titik tengah [PQ][PQ]. Maka m∥ℓm \parallel \ell jika dan hanya jika mm merupakan cerminan ℓ\ell terhadap OO.

Bukti; bagian “jika”. Andaikan mm merupakan cerminan ℓ\ell terhadap OO. Andaikan ℓ∦m\ell\nparallel m; yaitu, ℓ\ell dan mm berpotongan pada satu titik ZZ. Misalkan Z′Z' menyatakan cerminan ZZ terhadap OO.

Dua garis yang saling dicerminkan terhadap O

Titik Z′Z' terletak pada kedua garis ℓ\ell dan mm. Akibatnya, Z′=ZZ'=Z, atau secara ekuivalen Z=OZ=O. Dalam kasus ini, O∈ℓO\in \ell, sehingga cerminan ℓ\ell terhadap OO adalah ℓ\ell itu sendiri; yaitu, ℓ=m\ell=m dan khususnya ℓ∥m\ell\parallel m — suatu kontradiksi.

Bagian “hanya jika”. Misalkan ℓ′\ell' merupakan cerminan ℓ\ell terhadap OO. Menurut bagian “jika” dari teorema, ℓ′∥ℓ\ell'\parallel \ell. Kedua garis ℓ′\ell' dan mm melalui QQ. Menurut ketunggalan garis sejajar (Teorema di Bab 7), jika m∥ℓm\parallel \ell, maka ℓ′=m\ell'=m; dengan demikian, pernyataan terbukti. ▫\square

Sifat transversal

Transversal pada dua garis

Jika garis tt memotong masing-masing garis ℓ\ell dan mm pada satu titik, maka kita menyebut tt sebagai transversal bagi ℓ\ell dan mm. Sebagai contoh, pada gambar, garis (CB)(CB) merupakan transversal bagi (AB)(AB) dan (CD)(CD).

Sifat transversal Misalkan AA, BB, CC, dan DD merupakan titik-titik sedemikian sehingga A≠BA\ne B, B≠CB\ne C, dan C≠DC\ne D. Maka (AB)∥(CD)(AB)\parallel(C D) jika dan hanya jika

2⋅(∡ABC+∡BCD)≡0.2\cdot(\measuredangle A B C+\measuredangle B C D)\equiv 0. \label{A B C + B C D}
Secara ekuivalen,
∡ABC+∡BCD≡0atau∡ABC+∡BCD≡π.\measuredangle A B C+\measuredangle B C D \equiv 0 \quad \text{atau} \quad \measuredangle A B C+\measuredangle B C D \equiv \pi.

Selain itu, jika (AB)≠(CD)(AB)\ne(C D), maka dalam kasus pertama, AA dan DD terletak pada sisi-sisi yang berlawanan terhadap (BC)(BC); dalam kasus kedua, AA dan DD terletak pada sisi yang sama terhadap (BC)(BC).

Bukti; bagian “hanya jika”. Misalkan OO menyatakan titik tengah [BC][BC].

Andaikan (AB)∥(CD)(AB)\parallel(C D). Menurut Teorema di Bab 7, (CD)(CD) merupakan cerminan (AB)(AB) terhadap OO.

Pencerminan A menjadi A' pada bukti transversal

Misalkan A′A' merupakan cerminan AA terhadap OO. Maka A′∈(CD)A'\in (CD) dan menurut Proposisi di Bab 7, kita memperoleh

∡ABO=∡A′CO.\measuredangle ABO=\measuredangle A'CO.\label{A B O = A' C O}
Perhatikan bahwa
∡ABO≡∡ABC,∡A′CO≡−∡BCA′.\measuredangle ABO\equiv\measuredangle ABC, \qquad \measuredangle A'CO\equiv-\measuredangle BCA'.\label{eq:A B O= A B C}
Karena A′A', CC, dan DD terletak pada satu garis, Latihan ke-5 di Bab 2 menyiratkan bahwa
2⋅∡BCD≡2⋅∡BCA′.2\cdot \measuredangle BCD\equiv 2\cdot \measuredangle BCA'.\label{eq:2BCD= 2BCA'}
Akhirnya, Persamaan di Bab 7, Persamaan di Bab 7, dan Persamaan di Bab 7 menyiratkan Persamaan di Bab 7. ▫\square

Bagian “jika”. Menurut Teorema di Bab 7, terdapat tepat satu garis (CD)(CD) melalui CC yang sejajar dengan (AB)(AB). Dari bagian “hanya jika”, kita mengetahui bahwa Persamaan di Bab 7 berlaku.

Di sisi lain, terdapat tepat satu garis (CD)(CD) sedemikian sehingga Persamaan di Bab 7 berlaku. Memang, andaikan terdapat dua garis semacam itu, (CD)(CD) dan (CD′)(CD'), maka

2⋅(∡ABC+∡BCD)≡2⋅(∡ABC+∡BCD′)≡0.2\cdot(\measuredangle A B C+\measuredangle B C D)\equiv 2\cdot(\measuredangle A B C+\measuredangle B C D')\equiv0.
Oleh karena itu, 2⋅∡BCD≡2⋅∡BCD′2\cdot\measuredangle B C D\equiv 2\cdot\measuredangle B C D' dan menurut Latihan ke-5 di Bab 2, D′∈(CD)D'\in (CD), atau secara ekuivalen garis (CD)(CD) berimpit dengan (CD′)(CD').

Oleh karena itu, jika Persamaan di Bab 7 berlaku, maka (CD)∥(AB)(CD)\parallel (AB).

Pernyataan terakhir. Jika (AB)≠(CD)(AB)\ne(C D) serta AA dan DD terletak pada sisi-sisi yang berlawanan terhadap (BC)(BC), maka ∠ABC\angle ABC dan ∠BCD\angle BCD memiliki tanda yang berlawanan. Oleh karena itu,

−π<∡ABC+∡BCD<π.-\pi\z<\measuredangle A B C+\measuredangle B C D<\pi.
Dengan menerapkan Persamaan di Bab 7, kita memperoleh ∡ABC+∡BCD=0\measuredangle A B C+\measuredangle B C D=0.

Demikian pula, jika AA dan DD terletak pada sisi yang sama terhadap (BC)(BC), maka ∠ABC\angle ABC dan ∠BCD\angle BCD memiliki tanda yang sama. Oleh karena itu,

0<|∡ABC+∡BCD|<2⋅π,0<|\measuredangle A B C+\measuredangle B C D|<2\cdot\pi,
dan Persamaan di Bab 7 menyiratkan bahwa ∡ABC+∡BCD≡π\measuredangle A B C+\measuredangle B C D\z\equiv\pi. ▫\square

Latihan Andaikan (AB)∥(A′B′)(AB) \parallel (A'B') dan (BC)∥(B′C′)(BC) \parallel (B'C'). Tunjukkan bahwa 2⋅∡ABC≡2⋅∡A′B′C′2\cdot \measuredangle ABC \equiv 2\cdot \measuredangle A'B'C'. Simpulkan bahwa salah satu dari

∡ABC≡∡A′B′C′atau∡ABC≡π+∡A′B′C′,\measuredangle ABC \equiv \measuredangle A'B'C' \quad \text{atau} \quad \measuredangle ABC \equiv \pi + \measuredangle A'B'C',
berlaku, dan gambarlah sepasang sudut untuk mengilustrasikan setiap kasus.

Petunjuk

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat, dan andaikan PP terletak di antara AA dan BB. Andaikan suatu garis ℓ\ell melalui PP dan sejajar dengan (AC)(AC). Tunjukkan bahwa ℓ\ell memotong sisi [BC][BC] pada satu titik lain, sebutlah QQ, dan

△ABC∼△PBQ.\triangle ABC\sim\triangle PBQ.
Khususnya, PBAB=QBCB\tfrac{PB}{AB}=\tfrac{QB}{CB}.

Petunjuk

Latihan Bagilah suatu ruas yang diberikan menjadi tiga bagian sama panjang dengan penggaris dan jangka.

Petunjuk

Sudut-sudut segitiga

Teorema Pada setiap △ABC\triangle A B C, berlaku

∡ABC+∡BCA+∡CAB≡π.\measuredangle A B C+ \measuredangle B C A + \measuredangle C A B \equiv \pi.

Bukti. Jika △ABC\triangle A B C degenerat, maka kesamaan tersebut mengikuti Akibat di Bab 2. Sekarang, andaikan △ABC\triangle A B C tak degenerat.

Misalkan XX merupakan cerminan CC terhadap titik tengah MM dari [AB][AB]. Menurut Proposisi di Bab 7, ∡BAX=∡ABC\measuredangle BAX\z=\measuredangle ABC. Perhatikan bahwa (AX)(AX) merupakan cerminan (CB)(CB) terhadap MM; oleh karena itu, menurut Teorema di Bab 7, (AX)∥(CB)(AX)\z\parallel (CB).

Konstruksi untuk jumlah sudut segitiga

Karena [BM][BM] dan [MX][MX] tidak memotong (CA)(CA), titik-titik BB, MM, dan XX terletak pada sisi yang sama terhadap (CA)(CA). Dengan menerapkan sifat transversal pada transversal (CA)(CA) bagi (AX)(AX) dan (CB)(CB), kita memperoleh

∡BCA+∡CAX≡π.\measuredangle BCA+\measuredangle CAX\equiv \pi.\label{eq:ABC+CAB}

Karena ∡BAX=∡ABC\measuredangle BAX=\measuredangle ABC, berlaku

∡CAX≡∡CAB+∡ABC.\measuredangle CAX\equiv\measuredangle CAB+\measuredangle ABC.
Identitas terakhir ini dan Persamaan di Bab 7 menyiratkan teorema.▫\square

Latihan kelas Tunjukkan bahwa

|∡ABC|+|∡BCA|+|∡CAB|=π|\measuredangle A B C|+ |\measuredangle B C A| + |\measuredangle C A B| = \pi
untuk setiap △ABC\triangle ABC.

Petunjuk
Konfigurasi latihan BA sama dengan AD sama dengan DC
Segitiga sama kaki dan cerminan titik A

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat. Andaikan terdapat titik D∈[BC]D\in [BC] sedemikian sehingga

∡BAD=∡DAC,BA=AD=DC.\measuredangle BAD=\measuredangle DAC, \quad BA=AD=DC.
Tunjukkan bahwa ∡CBA=∡BAC\measuredangle CBA= \measuredangle BAC dan AC=BCAC=BC.

Petunjuk

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga sama kaki tak degenerat dengan alas [AC][AC]. Andaikan DD merupakan cerminan AA terhadap BB. Tunjukkan bahwa ∠ACD\angle ACD siku-siku.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa untuk setiap segiempat ABCDABCD, berlaku

∡ABC+∡BCD+∡CDA+∡DAB≡0.\measuredangle ABC+\measuredangle BCD+\measuredangle CDA+\measuredangle DAB\equiv 0.

Petunjuk

Jajar genjang

Jajar genjang ABCD

Suatu segiempat ABCDABCD di bidang Euklides disebut tak degenerat jika tidak ada tiga dari titik-titik A,B,C,DA,B,C,D yang terletak pada satu garis.

Suatu segiempat tak degenerat disebut jajar genjang jika sisi-sisi yang berhadapan saling sejajar.

Lema Setiap jajar genjang simetris pusat terhadap titik tengah salah satu diagonalnya; yaitu, pencerminan terhadap titik tengah tersebut memetakan jajar genjang itu ke dirinya sendiri.

Khususnya, jika ▫ABCD\square A B C D merupakan jajar genjang, maka

  1. diagonal-diagonalnya [AC][AC] dan [BD][BD] saling berpotongan di titik tengah keduanya;

  2. ∡ABC=∡CDA\measuredangle A B C= \measuredangle C D A;

  3. AB=CDAB=CD.

Simetri pusat dan diagonal jajar genjang

Bukti. Misalkan ▫ABCD\square A B C D merupakan jajar genjang. Misalkan MM menyatakan titik tengah [AC][AC].

Karena (AB)∥(CD)(AB)\parallel (CD), Teorema di Bab 7 menyiratkan bahwa (CD)(CD) merupakan cerminan (AB)(AB) terhadap MM. Dengan cara yang sama, (BC)(BC) merupakan cerminan (DA)(DA) terhadap MM. Karena ▫ABCD\square A B C D tak degenerat, diperoleh bahwa DD merupakan cerminan BB terhadap MM; dengan kata lain, MM merupakan titik tengah [BD][BD].

Pernyataan-pernyataan lainnya mengikuti karena pencerminan terhadap MM merupakan transformasi isometrik langsung pada bidang (lihat Proposisi di Bab 7). ▫\square

Latihan Andaikan titik PP berbeda dari titik-titik sudut suatu jajar genjang ABCDABCD. Misalkan aa, bb, cc, dan dd merupakan garis-garis yang melalui titik AA, BB, CC, dan DD sedemikian sehingga a∥(CP)a\parallel (CP), b∥(DP)b\parallel (DP), c∥(AP)c\parallel (AP), dan d∥(BP)d\parallel (BP). Tunjukkan bahwa garis-garis aa, bb, cc, dan dd berpotongan pada satu titik.

Petunjuk

Latihan Andaikan ABCDABCD merupakan segiempat sedemikian sehingga

AB=CD=BC=DA.AB=CD=BC=DA.
Tunjukkan bahwa ABCDABCD merupakan jajar genjang.

Petunjuk

Segiempat seperti dalam latihan di atas disebut belah ketupat.

Suatu segiempat ABCDABCD disebut persegi panjang jika sudut-sudut ABCABC, BCDBCD, CDACDA, dan DABDAB siku-siku. Menurut sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7), setiap persegi panjang merupakan jajar genjang.

Persegi panjang yang semua sisinya sama panjang disebut persegi.

Latihan Tunjukkan bahwa suatu jajar genjang ABCDABCD merupakan persegi panjang jika dan hanya jika AC=BDAC=BD.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa suatu jajar genjang ABCDABCD merupakan belah ketupat jika dan hanya jika (AC)⟂(BD)(AC)\perp (BD).

Petunjuk

Andaikan ℓ∥m\ell\parallel m dan X,Y∈mX,Y\in m. Misalkan X′X' dan Y′Y' berturut-turut menyatakan titik kaki tegak lurus dari XX dan YY pada ℓ\ell. Perhatikan bahwa ▫XYY′X′\square XYY'X' merupakan persegi panjang. Menurut Lema di Bab 7, XX′=YY′XX'=YY'. Artinya, setiap titik pada mm memiliki jarak yang sama dari ℓ\ell. Jarak ini disebut jarak antara ℓ\ell dan mm.

Latihan Suatu belah ketupat AXYZAXYZ dengan panjang sisi ss terinskripsi dalam segitiga tak degenerat ABCABC sedemikian sehingga X∈[AB]X\in [AB], Y∈[BC]Y\in [BC], dan Z∈[CA]Z\in[CA]. Tunjukkan bahwa s=XB⋅ZCs=\sqrt{XB\cdot ZC}.

Petunjuk

Metode koordinat

Latihan berikut penting; latihan tersebut menunjukkan bahwa definisi aksiomatik kita sesuai dengan model yang diuraikan dalam Bagian ke-2 di Bab 1.

Latihan Misalkan ℓ\ell dan mm merupakan dua garis yang saling tegak lurus di bidang Euklides. Untuk suatu titik PP, misalkan PℓP_\ell dan PmP_m berturut-turut menyatakan titik kaki tegak lurus dari PP pada ℓ\ell dan mm.

  1. Tunjukkan bahwa untuk setiap X∈ℓX\in \ell dan Y∈mY\in m, terdapat tepat satu titik PP sedemikian sehingga Pℓ=XP_\ell=X dan Pm=YP_m=Y.

  1. Tunjukkan bahwa PQ2=PℓQℓ2+PmQm2PQ^2=P_\ell Q_\ell^2+P_mQ_m^2 untuk setiap pasangan titik PP dan QQ.

  1. Simpulkan bahwa bidang tersebut isometrik dengan (ℝ2,d2)(\mathbb{R}^2,d_2); lihat Bagian ke-3 di Bab 1.

Petunjuk
Proyeksi P dan Q pada dua sumbu tegak lurus

Setelah latihan ini diselesaikan, kita dapat menerapkan metode koordinat untuk menyelesaikan sembarang masalah dalam geometri bidang Euklides. Metode ini kuat dan universal; metode tersebut akan dikembangkan lebih lanjut dalam Bab 18.

Latihan Gunakan Latihan ke-18 di Bab 7 untuk memberikan bukti alternatif bagi Teorema di Bab 3 di bidang Euklides.

Yaitu, buktikan bahwa untuk bilangan-bilangan real aa, bb, dan cc yang memenuhi

0<a≤b≤c≤a+b,0<a\le b\le c\le a+b,
terdapat suatu segitiga ABCABC sedemikian sehingga a=BCa=BC, b=CAb=CA, dan c=ABc=AB.

Petunjuk

Latihan Perhatikan dua titik berbeda A=(xA,yA)A=(x_A,y_A) dan B=(xB,yB)B\z=(x_B,y_B) pada bidang koordinat. Tunjukkan bahwa garis sumbu [AB][AB] dinyatakan oleh persamaan

2⋅(xB−xA)⋅x+2⋅(yB−yA)⋅y=xB2+yB2−xA2−yA2.2\cdot (x_B-x_A)\cdot x+2\cdot (y_B-y_A)\cdot y=x_B^2+y_B^2-x_A^2-y_A^2.

Simpulkan bahwa suatu garis dapat didefinisikan sebagai himpunan bagian bidang koordinat dalam salah satu bentuk berikut:

  1. Himpunan solusi suatu persamaan a⋅x+b⋅y=ca\cdot x+b\cdot y=c untuk konstanta aa, bb, dan cc sedemikian sehingga a≠0a\ne 0 atau b≠0b\ne0.

  2. Himpunan titik (a⋅t+c,b⋅t+d)(a\cdot t+c,b\cdot t+d) untuk semua t∈ℝt\in \mathbb{R}, dengan aa, bb, cc, dan dd merupakan konstanta yang memenuhi a≠0a\ne 0 atau b≠0b\ne0.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk seluruh latihan

Lingkaran Apollonius

Latihan-latihan dalam bagian ini mengilustrasikan metode koordinat; latihan-latihan tersebut tidak akan digunakan lagi selanjutnya.

Latihan Tunjukkan bahwa untuk nilai-nilai real tetap aa, bb, dan cc, persamaan

x2+y2+a⋅x+b⋅y+c=0x^2+y^2+a\cdot x+b\cdot y+c=0
menggambarkan suatu lingkaran, suatu titik, atau himpunan kosong.

Tunjukkan bahwa jika persamaan tersebut menggambarkan suatu lingkaran, maka (−a2,−b2)(-\tfrac a2,-\tfrac b2) merupakan pusatnya, dan r=12⋅a2+b2−4⋅cr\z=\tfrac12\cdot \sqrt{a^2+b^2-4\cdot c} merupakan jari-jarinya.

Petunjuk

Latihan Gunakan latihan sebelumnya untuk menunjukkan bahwa, untuk suatu bilangan real positif k≠1k\ne1, lokus titik-titik MM yang memenuhi AM=k⋅BMAM=k\cdot BM, dengan AA dan BB dua titik berbeda, merupakan suatu lingkaran.

Petunjuk
Keluarga lingkaran Apollonius

Lingkaran dalam latihan di atas merupakan contoh dari apa yang disebut lingkaran Apollonius dengan fokus AA dan BB. Beberapa lingkaran semacam ini untuk nilai kk yang berbeda ditunjukkan pada gambar; untuk k=1k=1, lingkaran tersebut menjadi garis sumbu [AB][AB].

Latihan Andaikan A≠BA\ne B, M∉{A,B}M\notin\{A,B\}, dan AM≠BMAM\ne BM. Dengan penggaris dan jangka, konstruksilah lingkaran Apollonius dengan fokus AA dan BB yang diberikan dan melalui suatu titik MM yang diberikan.

Petunjuk

Geometri segitiga

Geometri segitiga adalah kajian tentang sifat-sifat segitiga, termasuk pusat dan lingkaran yang terkait dengannya.

Kita membahas hasil-hasil paling dasar dalam geometri segitiga, terutama untuk menunjukkan bahwa perangkat yang telah kita kembangkan cukup memadai untuk membuktikan berbagai pernyataan.

Lingkaran luar dan pusat lingkaran luar

Teorema Garis-garis sumbu dari sisi-sisi setiap segitiga tak degenerat berpotongan di satu titik.

Titik perpotongan garis-garis sumbu tersebut disebut pusat lingkaran luar. Titik ini merupakan pusat lingkaran luar segitiga itu; yaitu, lingkaran yang melalui ketiga titik sudut segitiga. Pusat lingkaran luar suatu segitiga biasanya dinotasikan dengan OO.

Pusat lingkaran luar segitiga

Bukti. Misalkan △ABC\triangle ABC tak degenerat. Misalkan ℓ\ell dan mm berturut-turut merupakan garis sumbu sisi [AB][AB] dan [AC][AC].

Andaikan ℓ\ell berpotongan dengan mm, katakanlah di OO.

Mari kita terapkan Teorema di Bab 5. Karena O∈ℓO\in\ell, berlaku OA=OBOA\z=OB, dan karena O∈mO\in m, berlaku OA=OCOA\z=OC. Akibatnya, OB=OCOB\z=OC; yaitu, OO terletak pada garis sumbu [BC][B C].

Tinggal ditunjukkan bahwa ℓ∦m\ell\nparallel m. Andaikan sebaliknya, bahwa ℓ∥m\ell\parallel m. Karena ℓ⟂(AB)\ell\perp(AB) dan m⟂(AC)m\z\perp(AC), Latihan ke-1 di Bab 7Latihan ke-3 di Bab 7 menyiratkan bahwa (AC)∥(AB)(AC)\parallel(AB), dan menurut Teorema di Bab 7, berlaku (AC)=(AB)(AC)=(AB). Dengan demikian, △ABC\triangle ABC degenerat — suatu kontradiksi. ▫\square

Latihan Tunjukkan bahwa terdapat tepat satu lingkaran yang melalui titik-titik sudut suatu segitiga tak degenerat di bidang Euklides.

Petunjuk

Garis tinggi dan ortosenter

Sebuah garis tinggi segitiga adalah garis yang melalui suatu titik sudut dan tegak lurus terhadap garis yang memuat sisi di hadapannya. Istilah tinggi juga dapat digunakan untuk jarak dari titik sudut tersebut ke titik kaki tegak lurusnya pada garis yang memuat sisi di hadapannya.

Teorema Ketiga garis tinggi setiap segitiga tak degenerat berpotongan di satu titik.

Titik perpotongan garis-garis tinggi disebut ortosenter; titik ini biasanya dinotasikan dengan HH.

Segitiga bantu untuk ortosenter

Bukti. Ambil suatu segitiga tak degenerat ABCA B C. Tinjau tiga garis ℓ\ell, mm, dan nn sedemikian sehingga

ℓ∥(BC),m∥(CA),n∥(AB),ℓ∋A,m∋B,n∋C.\begin{align*} \ell&\parallel(BC), & m&\parallel(CA), & n&\parallel(AB), \\ \ell&\ni A, & m&\ni B, & n&\ni C. \end{align*}
Karena △ABC\triangle A B C tak degenerat, tidak ada dua di antara garis ℓ\ell, mm, dan nn yang sejajar. Misalkan A′A', B′B', dan C′C' berturut-turut merupakan titik perpotongan mm dengan nn, nn dengan ℓ\ell, dan ℓ\ell dengan mm.

Perhatikan bahwa ▫ABCB′\square A B C B', ▫BCAC′\square B C A C', dan ▫CABA′\square C A B A' merupakan jajar genjang. Dengan menerapkan Lema di Bab 7, kita memperoleh bahwa △ABC\triangle ABC merupakan segitiga medial dari △A′B′C′\triangle A' B' C'; yaitu, AA, BB, dan CC berturut-turut merupakan titik tengah [B′C′][B' C'], [C′A′][C' A'], dan [A′B′][A' B'].

Karena (B′C′)∥(BC)(B' C')\parallel (BC), Latihan ke-1 di Bab 7Latihan ke-2 di Bab 7 menyiratkan bahwa garis tinggi dari AA tegak lurus terhadap [B′C′][B' C'], dan menurut uraian di atas, garis itu membagi dua [B′C′][B' C'].

Dengan demikian, garis-garis tinggi △ABC\triangle A B C juga merupakan garis-garis sumbu △A′B′C′\triangle A' B' C'. Dengan menerapkan Teorema di Bab 8, kita memperoleh bahwa garis-garis tinggi △ABC\triangle ABC berpotongan di satu titik. ▫\square

Latihan Andaikan ortosenter HH dari △ABC\triangle ABC berbeda dari titik-titik sudutnya. Tunjukkan bahwa AA merupakan ortosenter △HBC\triangle H B C.

Petunjuk

Latihan Misalkan A′A', B′B', dan C′C' berturut-turut merupakan titik-titik kaki dari ketiga garis tinggi suatu segitiga lancip ABCABC. Tunjukkan bahwa

△ABC∼△A′B′C∼△AB′C′∼△A′BC′.\triangle ABC \sim \triangle A'B'C \sim \triangle AB'C' \sim \triangle A'BC'.

Petunjuk

Garis berat dan titik berat

Garis berat suatu segitiga adalah ruas yang menghubungkan sebuah titik sudut dengan titik tengah sisi di hadapannya.

Teorema Ketiga garis berat setiap segitiga tak degenerat berpotongan di satu titik. Selain itu, titik perpotongan tersebut membagi setiap garis berat dalam perbandingan 2:1.

Titik perpotongan garis-garis berat disebut titik berat segitiga; titik ini biasanya dinotasikan dengan MM. Dalam bukti ini, kita akan menerapkan Latihan ke-6 di Bab 3 dan Latihan ke-7 di Bab 7; penyelesaian lengkap keduanya diberikan dalam petunjuk.

Bukti. Tinjau suatu segitiga tak degenerat ABCA B C. Misalkan [AA′][A A'] dan [BB′][B B'] merupakan dua garis beratnya. Menurut Latihan ke-6 di Bab 3, [AA′][A A'] dan [BB′][B B'] memiliki suatu titik perpotongan; nyatakan titik itu dengan MM.

Konstruksi titik berat

Tarik garis ℓ\ell yang melalui A′A' dan sejajar dengan (BB′)(BB'). Dengan menerapkan Latihan ke-7 di Bab 7 pada △BB′C\triangle BB'C dan ℓ\ell, kita memperoleh bahwa ℓ\ell memotong [B′C][B'C] di suatu titik, katakanlah XX, dan

CXCB′=CA′CB=12;\frac{CX}{CB'}=\frac{CA'}{CB}=\frac12;
yaitu, XX merupakan titik tengah [CB′][CB'].

Karena B′B' merupakan titik tengah [AC][AC] dan XX merupakan titik tengah [B′C][B'C], kita memperoleh

AB′AX=23.\frac{AB'}{AX}=\frac23.

Dengan menerapkan Latihan ke-7 di Bab 7 pada △XA′A\triangle XA'A dan garis (BB′)(BB'), kita memperoleh

AMAA′=AB′AX=23;\frac{AM}{AA'}=\frac{AB'}{AX}=\frac23;\label{eq:2/3}
yaitu, MM membagi [AA′][AA'] dalam perbandingan 2:1.

Kesamaan Persamaan di Bab 8 menentukan MM secara tunggal pada [AA′][AA']. Dengan mengulangi argumen yang sama untuk garis-garis berat [AA′][AA'] dan [CC′][CC'], kita memperoleh bahwa keduanya juga berpotongan di MM, sehingga hasilnya terbukti. ▫\square

Latihan Misalkan ▫ABCD\square ABCD merupakan segiempat tak degenerat dan XX, YY, VV, serta WW berturut-turut merupakan titik tengah [AB][AB], [BC][BC], [CD][CD], dan [DA][DA]. Tunjukkan bahwa ▫XYVW\square XYVW merupakan jajar genjang.

Petunjuk

Latihan lanjutan Tunjukkan bahwa ortosenter HH, titik berat MM, dan pusat lingkaran luar OO dari setiap segitiga tak degenerat ABCABC terletak pada satu garis. Selain itu, titik berat membagi ruas [HO][HO] dalam perbandingan 2:12:1.

Petunjuk

Garis dalam latihan ini disebut garis Euler.

Garis bagi sudut

Jika ∡ABX≡−∡CBX\measuredangle A B X\equiv-\measuredangle C B X, maka kita katakan bahwa garis (BX)(BX) membagi dua ∠ABC\angle ABC, atau bahwa garis (BX)(BX) merupakan garis bagi ∠ABC\angle ABC. Jika ∡ABX≡π−∡CBX\measuredangle A B X\equiv\pi-\measuredangle C B X, maka garis (BX)(BX) disebut garis bagi luar ∠ABC\angle ABC.

Garis bagi sudut dan garis bagi luar

Jika ∡ABA′=π\measuredangle ABA'=\pi; yaitu, jika BB terletak di antara AA dan A′A', maka garis bagi ∠ABC\angle ABC merupakan garis bagi luar ∠A′BC\angle A' B C, dan sebaliknya.

Perhatikan bahwa garis bagi dan garis bagi luar ditentukan secara tunggal oleh sudutnya.

Latihan kelas Tunjukkan bahwa untuk setiap sudut, garis bagi dan garis bagi luarnya saling tegak lurus.

Petunjuk

Garis-garis bagi ∠ABC\angle ABC, ∠BCA\angle BCA, dan ∠CAB\angle CAB dari suatu segitiga tak degenerat ABCA B C disebut garis-garis bagi segitiga ABCA B C masing-masing di titik sudut BB, CC, dan AA.

Latihan Andaikan pada salah satu titik sudut suatu segitiga tak degenerat, garis baginya berimpit dengan garis tingginya. Tunjukkan bahwa segitiga tersebut sama kaki.

Petunjuk

Lema Misalkan △ABC\triangle A B C merupakan segitiga tak degenerat. Andaikan garis bagi di AA memotong [BC][BC] di DD. Maka

ABAC=DBDC.\frac{AB}{AC}=\frac{DB}{DC}. \label{bisect-ratio}

Bukti teorema garis bagi

Bukti. Misalkan ℓ\ell merupakan garis yang melalui CC dan sejajar dengan (AB)(AB). Perhatikan bahwa garis ℓ\ell dan (AD)(AD) tidak sejajar; misalkan EE merupakan titik perpotongannya.

Perhatikan pula bahwa BB dan CC terletak pada sisi-sisi yang berlawanan dari (AD)(AD). Menurut sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7),

∡BAD=∡CED.\measuredangle BAD=\measuredangle CED.\label{eq:<BAD=<CED}

Selanjutnya, sudut ADBADB dan EDCEDC merupakan sudut bertolak belakang; menurut Proposisi di Bab 2, berlaku

∡ADB=∡EDC.\measuredangle ADB=\measuredangle EDC.

Menurut kriteria kesebangunan AA, △ABD∼△ECD\triangle ABD\sim \triangle ECD. Khususnya,

ABEC=DBDC.\frac{AB}{EC}=\frac{DB}{DC}.\label{eq:AB/EC=DB/DC}

Karena (AD)(AD) membagi dua ∠BAC\angle BAC, kita memperoleh ∡BAD=∡DAC\measuredangle BAD=\measuredangle DAC. Bersama dengan Persamaan di Bab 8, hal ini menyiratkan bahwa ∡CEA=∡EAC\measuredangle CEA=\measuredangle EAC. Menurut Teorema di Bab 4, △ACE\triangle ACE sama kaki; yaitu,

EC=AC.EC=AC.
Bersama dengan Persamaan di Bab 8, hal ini menyiratkan Persamaan di Bab 8. ▫\square

Latihan Rumuskan dan buktikan analog dari Lema di Bab 8 untuk garis bagi luar.

Petunjuk

Latihan Andaikan garis bagi sudut suatu segitiga tak degenerat membagi sisi di hadapannya menjadi dua sama panjang. Tunjukkan bahwa segitiga tersebut sama kaki.

Petunjuk
Konfigurasi latihan garis bagi dan garis sejajar

Latihan Andaikan garis bagi sudut di AA pada suatu segitiga tak degenerat ABCABC memotong [BC][BC] di DD; garis yang melalui DD dan sejajar dengan (CA)(CA) memotong (AB)(AB) di EE; garis yang melalui EE dan sejajar dengan (BC)(BC) memotong (AC)(AC) di FF.

Tunjukkan bahwa AE=FCAE=FC.

Petunjuk

Sifat berjarak sama

Ingat bahwa jarak antara suatu garis ℓ\ell dan titik PP didefinisikan sebagai jarak dari PP ke titik kaki tegak lurusnya pada ℓ\ell; lihat Bagian ke-6 di Bab 5.

Proposisi.✓ Andaikan △ABC\triangle ABC tak degenerat. Suatu titik XX terletak pada garis bagi atau garis bagi luar ∠ABC\angle ABC jika dan hanya jika XX berjarak sama dari garis (AB)(AB) dan (BC)(BC).

Bukti. Kita boleh mengandaikan bahwa XX tidak terletak pada gabungan garis (AB)(AB) dan (BC)(BC). Jika tidak, jarak ke salah satu garis bernilai nol; dalam hal ini, X=BX=B merupakan satu-satunya titik yang berjarak sama dari kedua garis.

Misalkan YY dan ZZ berturut-turut merupakan cerminan XX terhadap (AB)(AB) dan (BC)(BC). Perhatikan bahwa

Y≠Z.Y\ne Z.
Jika tidak, kedua garis (AB)(AB) dan (BC)(BC) merupakan garis sumbu [XY][XY]. Akibatnya, (AB)=(BC)(AB)=(BC), tetapi hal ini mustahil karena △ABC\triangle ABC tak degenerat.

Menurut Proposisi di Bab 5, XB=YB=ZBXB=YB=ZB. Perhatikan bahwa XX berjarak sama dari (AB)(AB) dan (BC)(BC) jika dan hanya jika XY=XZXY\z=XZ.

Sifat berjarak sama dari dua sisi sudut

Dengan menerapkan SSS lalu SAS, kita memperoleh

XY=XZ⇕△XBY≅△XBZ⇕∡XBY≡±∡XBZ.\begin{aligned} XY&=XZ \\ &\hskip0.4mm\Updownarrow \\ \triangle XBY&\cong\triangle XBZ \\ &\hskip0.4mm\Updownarrow \\ \measuredangle XBY&\equiv \pm \measuredangle XBZ. \end{aligned}

Karena Y≠ZY\ne Z, kita memperoleh bahwa ∡XBY≠∡XBZ\measuredangle XBY\ne \measuredangle XBZ. Oleh karena itu, XX berjarak sama dari (AB)(AB) dan (BC)(BC) jika dan hanya jika

∡XBY≡−∡XBZ.\measuredangle XBY\equiv -\measuredangle XBZ. \label{eq:iff-chain}

Menurut Proposisi di Bab 5, AA terletak pada garis bagi ∠XBY\angle XBY, dan CC terletak pada garis bagi ∠XBZ\angle XBZ; yaitu,

2⋅∡XBA≡∡XBY,2⋅∡XBC≡∡XBZ.\begin{align*} 2\cdot \measuredangle XBA&\equiv \measuredangle XBY, & 2\cdot \measuredangle XBC&\equiv \measuredangle XBZ. \end{align*}
Menurut Persamaan di Bab 8,
2⋅∡XBA≡−2⋅∡XBC.2\cdot \measuredangle XBA\equiv -2\cdot \measuredangle XBC.
Kesamaan terakhir berarti bahwa
∡XBA+∡XBC≡0atau∡XBA+∡XBC≡π\measuredangle XBA+\measuredangle XBC\equiv 0 \quad \text{atau} \quad \measuredangle XBA+\measuredangle XBC\equiv \pi
— sehingga hasilnya terbukti. ▫\square

Pusat lingkaran dalam

Teorema.✓ Garis-garis bagi sudut setiap segitiga tak degenerat berpotongan di satu titik.

Titik perpotongan garis-garis bagi disebut pusat lingkaran dalam segitiga, dan biasanya dinotasikan dengan II. Titik II berjarak sama dari setiap sisi. Khususnya, titik ini merupakan pusat sebuah lingkaran yang menyinggung setiap sisi segitiga. Lingkaran ini disebut lingkaran dalam, dan jari-jarinya disebut jari-jari lingkaran dalam segitiga.

Bukti. Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat.

Titik BB dan CC terletak pada sisi-sisi yang berlawanan dari garis bagi ∠BAC\angle BAC. Oleh karena itu, garis bagi ini memotong [BC][BC] di suatu titik, katakanlah A′A'.

Secara serupa, terdapat B′∈[AC]B'\in[AC] sedemikian sehingga (BB′)(BB') membagi dua ∠ABC\angle ABC.

Dengan menerapkan Latihan ke-6 di Bab 3, kita memperoleh bahwa [AA′][AA'] dan [BB′][BB'] berpotongan. Misalkan II menyatakan titik perpotongan tersebut.

Pusat dan lingkaran dalam

Misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan titik kaki tegak lurus dari II pada (BC)(B C), (CA)(C A), dan (AB)(A B). Dengan menerapkan Proposisi di Bab 8, kita memperoleh

IY=IZ=IX.I Y=I Z=I X.
Dari proposisi yang sama, kita memperoleh bahwa II terletak pada garis bagi atau garis bagi luar ∠BCA\angle B C A.

Garis (CI)(C I) memotong [BB′][B B']; titik BB dan B′B' terletak pada sisi-sisi yang berlawanan dari (CI)(C I). Oleh karena itu, sudut ICB′I C B' dan ICBI C B memiliki tanda yang berlawanan. Perhatikan bahwa ∠ICA=∠ICB′\angle I C A=\angle I C B'. Dengan demikian, (CI)(C I) tidak mungkin merupakan garis bagi luar ∠BCA\angle B C A. Maka hasilnya terbukti. ▫\square

Titik singgung lingkaran dalam

Latihan Andaikan sisi-sisi [BC][B C], [CA][C A], dan [AB][A B] dari △ABC\triangle A B C menyinggung lingkaran dalam berturut-turut di XX, YY, dan ZZ. Tunjukkan bahwa

AY=AZ=12⋅(AB+AC−BC).AY=AZ= \tfrac12\cdot(A B+ A C- B C).

Petunjuk

Andaikan A′A', B′B', dan C′C' merupakan titik-titik kaki dari ketiga garis tinggi suatu segitiga ABCABC dan semuanya berbeda satu sama lain. Maka △A′B′C′\triangle A'B'C' disebut segitiga ortik dari △ABC\triangle ABC.

Latihan Buktikan bahwa ortosenter suatu segitiga lancip berimpit dengan pusat lingkaran dalam segitiga ortiknya.

Apa analog dari pernyataan ini untuk segitiga tumpul?

Petunjuk

Latihan Misalkan II merupakan titik perpotongan garis-garis bagi di AA dan BB dari suatu segitiga tak degenerat ABCABC. Misalkan DD menyatakan titik perpotongan garis bagi di AA dengan sisi [BC][BC]. Tunjukkan bahwa AIDI=b+ca\frac{AI}{DI}=\frac{b+c}{a}, dengan a=BCa=BC, b=CAb=CA, dan c=ABc=AB.

Gunakan hasil ini untuk menyusun bukti lain bagi Teorema di Bab 8.

Petunjuk

Sudut keliling

Sudut antara garis singgung dan tali busur

Teorema Misalkan Γ\Gamma sebuah lingkaran berpusat di OO. Andaikan garis (XQ)(XQ) menyinggung Γ\Gamma di XX dan [XY][XY] merupakan tali busur Γ\Gamma. Maka

2⋅∡QXY≡∡XOY.2\cdot\measuredangle QXY \equiv\measuredangle X O Y. \label{eq:tangent-angle}
Secara ekuivalen,
∡QXY≡12⋅∡XOYatau∡QXY≡12⋅∡XOY+π.\measuredangle QXY \equiv \tfrac12\cdot\measuredangle X O Y \quad \text{atau} \quad \measuredangle QXY \equiv \tfrac12\cdot\measuredangle X O Y+\pi.

Sudut antara garis singgung dan tali busur

Bukti. Menurut Lema di Bab 5, (OX)⟂(XQ)(OX)\z\perp(XQ); oleh karena itu,

∡QXY+∡YXO≡±π2.\measuredangle QXY+\measuredangle YXO \equiv\pm\tfrac\pi2.

Perhatikan bahwa △XOY\triangle XOY merupakan segitiga sama kaki. Oleh karena itu,

∡YXO=∡OYX.\measuredangle YXO=\measuredangle OYX.

Dengan menerapkan Teorema di Bab 7 pada △XOY\triangle XOY, kita memperoleh

π≡∡YXO+∡OYX+∡XOY≡≡2⋅∡YXO+∡XOY.\begin{align*} \pi&\equiv\measuredangle YXO+\measuredangle OYX+\measuredangle XOY\equiv \\ &\equiv 2\cdot \measuredangle YXO+\measuredangle XOY. \end{align*}

Akibatnya,

2⋅∡QXY≡π−2⋅∡YXO≡∡XOY.2\cdot\measuredangle QXY \equiv \pi -2\cdot \measuredangle YXO \equiv\measuredangle X O Y.

Sudut keliling

Kita mengatakan bahwa suatu segitiga terinskripsi pada lingkaran Γ\Gamma jika semua titik sudutnya terletak pada Γ\Gamma.

Teorema Misalkan XX dan YY merupakan dua titik berbeda pada lingkaran Γ\Gamma yang berpusat di OO. Maka △XPY\triangle X P Y terinskripsi pada Γ\Gamma jika dan hanya jika

2⋅∡XPY≡∡XOY.2\cdot\measuredangle X P Y\equiv\measuredangle X O Y. \label{eq:inscribed-angle}
Secara ekuivalen, jika dan hanya jika
∡XPY≡12⋅∡XOYatau∡XPY≡π+12⋅∡XOY.\measuredangle XPY\equiv\tfrac12\cdot\measuredangle X O Y \quad \text{atau} \quad \measuredangle XPY\equiv\pi+\tfrac12\cdot\measuredangle X O Y.

Sudut keliling dan sudut pusat
Kasus titik di luar lingkaran
Titik potong kedua pada lingkaran

Bukti; bagian “hanya jika”. Misalkan (PQ)(PQ) merupakan garis singgung Γ\Gamma di PP. Menurut Teorema di Bab 9,

2⋅∡QPX≡∡POX,2⋅∡QPY≡∡POY.\begin{align*} 2\cdot\measuredangle QPX&\equiv\measuredangle POX, & 2\cdot\measuredangle QPY&\equiv\measuredangle POY. \end{align*}
Dengan mengurangkan satu identitas dari identitas lainnya, kita memperoleh Persamaan di Bab 9.

Bagian “jika”. Andaikan Persamaan di Bab 9 berlaku untuk suatu P∉ΓP\z\notin \Gamma. Perhatikan bahwa ∡XOY≠0\measuredangle X O Y\ne 0. Oleh karena itu, ∡XPY\measuredangle X P Y bukan 00 maupun π\pi; artinya, △PXY\triangle PXY tak degenerat.

Garis (PX)(PX) menyinggung Γ\Gamma di titik XX, atau garis itu memotong Γ\Gamma di satu titik lain. Dalam kasus kedua, nyatakan titik potong itu dengan P′P'.

Dalam kasus pertama, menurut Teorema di Bab 9, berlaku

2⋅∡PXY≡∡XOY≡2⋅∡XPY.\begin{align*} 2\cdot \measuredangle PXY&\equiv \measuredangle XOY\equiv 2\cdot\measuredangle XPY. \end{align*}
Dengan menerapkan sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7), kita memperoleh (XY)∥(PY)(XY)\parallel (PY), yang mustahil karena △PXY\triangle PXY tak degenerat.

Dalam kasus kedua, dengan menerapkan bagian “hanya jika” dan menggunakan fakta bahwa PP, XX, dan P′P' terletak pada satu garis (lihat Latihan ke-5 di Bab 2), kita memperoleh

2⋅∡P′PY≡2⋅∡XPY≡∡XOY≡≡2⋅∡XP′Y≡2⋅∡PP′Y.\begin{align*} 2\cdot \measuredangle P'PY&\equiv 2\cdot \measuredangle XPY\equiv \measuredangle XOY\equiv \\ &\equiv 2\cdot\measuredangle XP'Y\equiv 2\cdot\measuredangle PP'Y. \end{align*}
Sekali lagi, menurut sifat transversal, (PY)∥(P′Y)(PY)\z\parallel (P'Y), yang mustahil karena △PXY\triangle PXY tak degenerat. ▫\square

Dua tali busur berpotongan
Tiga tali busur konkuren
Garis tinggi dan lingkaran luar

Latihan Misalkan XX, X′X', YY, dan Y′Y' merupakan titik-titik berbeda pada lingkaran Γ\Gamma. Andaikan (XX′)(XX') berpotongan dengan (YY′)(YY') di suatu titik PP. Tunjukkan bahwa

  1. 2⋅∡XPY≡∡XOY+∡X′OY′2\cdot \measuredangle XPY\equiv\measuredangle XOY+\measuredangle X'OY';

    Petunjuk subbagian
  2. △PXY∼△PY′X′\triangle PXY\sim \triangle PY'X';

    Petunjuk subbagian
  3. PX⋅PX′=|OP2−r2|PX\cdot PX'=|OP^2-r^2|, dengan OO pusat dan rr jari-jari Γ\Gamma.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk seluruh latihan

(Nilai OP2−r2OP^2-r^2 disebut kuasa titik PP terhadap lingkaran Γ\Gamma. Bagian (Latihan ke-4 di Bab 9) pada latihan ini menjadikannya perangkat yang berguna untuk mengkaji lingkaran, tetapi kita tidak akan membahasnya lebih lanjut dalam buku ini.)

Latihan Tiga tali busur [XX′][XX'], [YY′][YY'], dan [ZZ′][ZZ'] dari suatu lingkaran Γ\Gamma berpotongan di titik PP. Tunjukkan bahwa XY′⋅ZX′⋅YZ′=X′Y⋅Z′X⋅Y′ZXY'\cdot ZX'\cdot YZ'=X'Y\cdot Z'X\cdot Y'Z.

Petunjuk

Latihan Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran luar suatu segitiga lancip ABCA B C. Misalkan A′A' dan B′B' berturut-turut menyatakan titik-titik potong kedua dari garis tinggi yang ditarik dari AA dan BB dengan Γ\Gamma. Tunjukkan bahwa △A′B′C\triangle A' B' C merupakan segitiga sama kaki.

Petunjuk

Latihan Misalkan [XY][XY] dan [X′Y′][X'Y'] merupakan dua tali busur sejajar pada suatu lingkaran. Tunjukkan bahwa XX′=YY′XX'=YY'.

Petunjuk

Latihan Tonton video “Why is pi here? And why is it squared? A geometric answer to the Basel problem” karya Grant Sanderson. (Video tersebut tersedia di YouTube.) Susunlah satu pertanyaan.

Titik-titik pada lingkaran

Ingat bahwa diameter suatu lingkaran adalah tali busur yang melalui pusatnya. Jika [XY][XY] merupakan diameter suatu lingkaran berpusat di OO, maka ∡XOY=π\measuredangle X O Y\z=\pi. Dengan demikian, Teorema di Bab 9 menyiratkan akibat berikut:

Akibat Andaikan Γ\Gamma merupakan lingkaran dengan diameter [AB][AB]. Segitiga ABCABC memiliki sudut siku-siku di CC jika dan hanya jika C∈ΓC\in\Gamma.

Dua latihan berikut dapat digunakan dalam masalah konstruksi.

Latihan Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran berpusat di OO, dan misalkan Δ\Delta merupakan lingkaran berdiameter [OP][OP]. Andaikan Δ\Delta dan Γ\Gamma berpotongan di titik XX. Buktikan bahwa garis (PX)(PX) menyinggung Γ\Gamma.

Petunjuk

Latihan Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran berdiameter [PQ][PQ]. Andaikan suatu garis ℓ\ell melalui QQ dan memotong Γ\Gamma di satu titik lain XX. Buktikan bahwa ℓ⟂(PX)\ell \perp (PX).

Petunjuk

Latihan Andaikan dua lingkaran berpotongan di dua titik berbeda AA dan BB, serta masing-masing berdiameter [AX][AX] dan [AY][AY]. Buktikan bahwa titik-titik XX, YY, dan BB terletak pada satu garis.

Petunjuk

Latihan Diberikan suatu garis ℓ\ell, suatu lingkaran Γ\Gamma yang pusatnya terletak pada ℓ\ell, dan suatu titik PP yang tidak terletak pada ℓ\ell maupun Γ\Gamma, konstruksilah garis tegak lurus dari PP ke ℓ\ell hanya dengan menggunakan penggaris.

Petunjuk
Dua garis singgung dan satu sekan

Latihan Andaikan garis-garis ℓ\ell, mm, dan nn melalui suatu titik PP; garis ℓ\ell dan mm menyinggung lingkaran Γ\Gamma berturut-turut di LL dan MM; garis nn memotong Γ\Gamma di dua titik XX dan YY. Misalkan NN merupakan titik tengah [XY][XY]. Tunjukkan bahwa titik-titik PP, LL, MM, dan NN terletak pada satu lingkaran.

Petunjuk

Kita mengatakan bahwa segiempat ABCDABCD terinskripsi pada lingkaran Γ\Gamma jika semua titik AA, BB, CC, dan DD terletak pada Γ\Gamma.

Akibat Suatu segiempat tak degenerat ABCDABCD terinskripsi pada lingkaran jika dan hanya jika

2⋅∡ABC≡2⋅∡ADC.2\cdot\measuredangle ABC\equiv 2\cdot\measuredangle ADC.

Bukti. Karena ▫ABCD\square ABCD tak degenerat, demikian pula △ABC\triangle ABC. Misalkan OO dan Γ\Gamma berturut-turut merupakan pusat lingkaran luar dan lingkaran luar △ABC\triangle ABC (keduanya ada menurut Latihan ke-1 di Bab 8).

Segiempat terinskripsi

Menurut Teorema di Bab 9,

2⋅∡ABC≡∡AOC.2\cdot\measuredangle ABC \equiv \measuredangle AOC.
Menurut teorema yang sama, D∈ΓD\in\Gamma jika dan hanya jika

2⋅∡ADC≡∡AOC,2\cdot\measuredangle ADC \equiv\measuredangle AOC,
sehingga hasilnya terbukti. ▫\square

Latihan Misalkan △ABC\triangle A B C merupakan segitiga tak degenerat, dan misalkan A′A' dan B′B' berturut-turut merupakan titik kaki garis tinggi dari AA dan BB. Tunjukkan bahwa keempat titik AA, BB, A′A', dan B′B' terletak pada satu lingkaran. Di manakah pusat lingkaran ini?

Petunjuk
Tali busur sejajar pada dua lingkaran

Latihan Tinjau dua lingkaran Γ\Gamma dan Γ′\Gamma' yang berpotongan di dua titik berbeda AA dan BB. Andaikan [XY][XY] dan [X′Y′][X'Y'] berturut-turut merupakan tali busur Γ\Gamma dan Γ′\Gamma', sedemikian sehingga AA terletak di antara XX dan X′X', serta BB terletak di antara YY dan Y′Y'. Tunjukkan bahwa (XY)∥(X′Y′)(XY)\parallel (X'Y').

Petunjuk

Latihan lanjutan Lakukan konstruksi penggaris dan jangka untuk membuat △ABC\triangle ABC, jika diketahui kelilingnya pp, β=∡ABC\beta=\measuredangle ABC, dan b=ACb=AC.

Petunjuk

Metode lingkaran bantu

Soal Andaikan dua tali busur [AA′][AA'] dan [BB′][BB'] berpotongan di titik PP di dalam lingkaran yang memuatnya. Misalkan XX merupakan titik sedemikian sehingga sudut XAA′XAA' dan XBB′XBB' keduanya siku-siku. Tunjukkan bahwa (XP)⟂(A′B′)(XP)\perp(A'B').

Penyelesaian. Andaikan garis (A′B′)(A'B') dan (XP)(XP) berpotongan di YY.

Sudut XAA′XAA' dan XBB′XBB' keduanya siku-siku; oleh karena itu,

2⋅∡XAA′≡2⋅∡XBB′.2\cdot\measuredangle XAA' \equiv 2\cdot\measuredangle XBB'.
Menurut Akibat di Bab 9, ▫XAPB\square XAPB terinskripsi. Dengan menerapkan hasil yang sama sekali lagi, kita memperoleh
2⋅∡AXP≡2⋅∡ABP.2\cdot\measuredangle AXP \equiv 2\cdot\measuredangle ABP.

Konfigurasi metode lingkaran bantu

Karena ▫ABA′B′\square ABA'B' terinskripsi,

2⋅∡ABB′≡2⋅∡AA′B′.2\cdot\measuredangle ABB' \equiv 2\cdot\measuredangle AA'B'.

Akibatnya,

2⋅∡AXY≡2⋅∡AA′Y.2\cdot\measuredangle AXY \equiv 2\cdot\measuredangle AA'Y.
Menurut hasil yang sama, ▫XAYA′\square XAYA' terinskripsi, dan oleh karena itu,
2⋅∡XAA′≡2⋅∡XYA′.2\cdot\measuredangle XAA' \equiv 2\cdot\measuredangle XYA'.
Karena ∠XAA′\angle XAA' siku-siku, ∠XYA′\angle XYA' juga siku-siku. Artinya, (XP)⟂(A′B′)(XP)\perp(A'B'). ▫\square

Latihan Temukan suatu ketaktepatan dalam penyelesaian soal tersebut dan cobalah memperbaikinya.

Petunjuk

Metode yang digunakan dalam penyelesaian tersebut disebut metode lingkaran bantu — lingkaran luar segiempat XAPBXAPB dan XAYA′XAYA' di atas dapat dipandang sebagai konstruksi bantu.

Kaki tegak lurus membentuk segitiga sama sisi

Latihan Andaikan tiga garis ℓ\ell, mm, dan nn berpotongan di titik OO dan membentuk enam sudut yang sama besar di OO. Misalkan XX merupakan titik yang berbeda dari OO. Misalkan LL, MM, dan NN berturut-turut merupakan titik kaki tegak lurus dari XX pada ℓ\ell, mm, dan nn. Tunjukkan bahwa △LMN\triangle LMN merupakan segitiga sama sisi.

Petunjuk

Latihan Misalkan [AA′][AA'] dan [BB′][BB'] merupakan garis berat suatu segitiga tak degenerat ABCABC. Andaikan ∡A′AC=∡CBB′\measuredangle A'AC = \measuredangle CBB'. Tunjukkan bahwa AC=BCAC = BC.

Petunjuk

Latihan lanjutan Andaikan suatu titik PP terletak pada lingkaran luar △ABC\triangle ABC. Tunjukkan bahwa ketiga titik kaki tegak lurus dari PP pada garis (AB)(AB), (BC)(BC), dan (CA)(CA) terletak pada satu garis (garis ini disebut garis Simson dari PP).

Petunjuk

Busur lingkaran umum

Bagian suatu lingkaran yang dibatasi oleh dua titik disebut busur lingkaran.

Lebih tepatnya, andaikan AA, BB, dan CC merupakan titik-titik berbeda pada lingkaran Γ\Gamma. Busur lingkaran ABCABC adalah bagian yang memuat titik AA dan CC, serta semua titik pada Γ\Gamma yang berada di sisi yang sama dengan BB terhadap (AC)(AC).

Titik AA dan CC disebut titik-titik ujung busur lingkaran ABCABC. Terdapat tepat dua busur lingkaran pada Γ\Gamma dengan titik-titik ujung yang diberikan; kedua busur itu saling berhadapan.

Sepasang busur dengan ujung yang sama

Andaikan XX merupakan titik lain pada Γ\Gamma. Menurut Akibat di Bab 9, berlaku 2⋅∡AXC≡2⋅∡ABC2\cdot\measuredangle AXC\equiv 2\cdot\measuredangle ABC; artinya,

∡AXC≡∡ABCatau∡AXC≡∡ABC+π.\measuredangle AXC\equiv\measuredangle ABC \quad\text{atau}\quad \measuredangle AXC\equiv\measuredangle ABC+\pi.

Ingat bahwa XX dan BB terletak pada sisi yang sama terhadap (AC)(AC) jika dan hanya jika ∠AXC\angle AXC dan ∠ABC\angle ABC memiliki tanda yang sama (lihat Latihan ke-5 di Bab 3). Akibatnya,

Busur lingkaran ABCABC didefinisikan jika △ABC\triangle ABC tak degenerat. Jika △ABC\triangle ABC degenerat, maka busur ABCABC didefinisikan sebagai bagian garis yang dibatasi oleh AA dan CC serta memuat BB; dalam hal ini, kita mengatakan bahwa busur ABCABC degenerat.

Busur degenerat berupa ruas
Busur degenerat berupa dua sinar

Lebih tepatnya, jika BB terletak di antara AA dan CC, maka busur ABCABC didefinisikan sebagai ruas [AC][AC]. Jika B′B' terletak pada perpanjangan [AC][AC], pilih titik XX dan YY pada (AC)(AC) sehingga X,A,C,YX,A,C,Y terletak dalam urutan tersebut; busur AB′CAB'C didefinisikan sebagai gabungan sinar-sinar saling lepas [AX)[AX) dan [CY)[CY) pada (AC)(AC). Dalam hal ini, busur ABCABC dan AB′CAB'C disebut saling berhadapan.

Sinar sebagai busur

Selain itu, setiap sinar [AB)[AB) akan dipandang sebagai suatu busur. Jika AA terletak di antara BB dan XX, maka [AX)[AX) disebut berhadapan dengan [AB)[AB). Busur ini hanya memiliki satu titik ujung, yaitu AA.

Akan lebih mudah jika kita menggunakan istilah lingkaran umum (circline), yang berarti lingkaran atau garis. Sebagai contoh, setiap busur merupakan bagian dari suatu lingkaran umum; kita juga dapat menggunakan istilah busur lingkaran umum jika ingin menegaskan bahwa busur tersebut mungkin degenerat. Perhatikan bahwa untuk setiap tiga titik berbeda AA, BB, dan CC, terdapat tepat satu busur lingkaran umum ABCABC.

Pernyataan berikut merangkum pembahasan di atas.

Proposisi Misalkan ABCABC merupakan busur lingkaran umum dan XX merupakan titik yang berbeda dari AA dan CC. Maka

  1. ∡AXC=∡ABC\measuredangle AXC=\measuredangle ABC jika dan hanya jika XX terletak pada busur ABCABC;

  2. ∡AXC≡∡ABC+π\measuredangle AXC\equiv\measuredangle ABC+\pi jika dan hanya jika XX terletak pada busur yang berhadapan dengan ABCABC.

Latihan Diberikan suatu segitiga lancip ABCABC, lakukan konstruksi penggaris dan jangka untuk membuat titik ZZ sedemikian sehingga ∡AZB=∡BZC=∡CZA=±23⋅π\measuredangle AZB = \measuredangle BZC = \measuredangle CZA \z=\pm\tfrac23\cdot\pi.

Petunjuk

Latihan Suatu titik PP terletak pada lingkaran luar segitiga sama sisi ABCABC, dan PA≤PB≤PCPA\le PB\le PC. Tunjukkan bahwa PA+PB=PCPA+PB=PC.

Petunjuk

Suatu segiempat ABCDABCD terinskripsi jika semua titik AA, BB, CC, dan DD terletak pada suatu lingkaran umum Γ\Gamma. Jika busur ABCABC dan ADCADC saling berhadapan, kita mengatakan bahwa titik-titik AA, BB, CC, dan DD terletak pada Γ\Gamma dalam urutan siklik yang sama.

Definisi ini memungkinkan kita merumuskan penyempurnaan Akibat di Bab 9 berikut, yang mencakup segiempat degenerat. Pernyataan ini langsung mengikuti Proposisi di Bab 9.

Proposisi Suatu segiempat ABCDABCD terinskripsi pada lingkaran umum jika dan hanya jika ∡ABC+∡CDA≡0\measuredangle ABC+\measuredangle CDA\equiv 0 atau ∡ABC+∡CDA≡π\measuredangle ABC+\measuredangle CDA\equiv\pi. Selain itu, identitas kedua berlaku jika dan hanya jika titik-titik A,B,C,DA,B,C,D terletak pada lingkaran umum tersebut dalam urutan siklik yang sama.

Sinar singgung

Sinar singgung pada busur

Andaikan ABCABC merupakan busur suatu lingkaran Γ\Gamma. Suatu sinar [AX)[AX) disebut sinar singgung pada busur ABCABC di AA jika garis (AX)(AX) menyinggung Γ\Gamma, dan titik XX serta BB terletak pada sisi yang sama terhadap garis (AC)(AC).

Jika busur tersebut dibentuk oleh ruas [AC][AC], maka sinar [AC)[AC) dianggap menyinggung busur itu di AA. Jika busur tersebut dibentuk oleh gabungan dua sinar [AX)[AX) dan [CY)[CY) pada (AC)(AC), maka sinar [AX)[AX) dianggap menyinggung busur itu di AA.

Proposisi Suatu sinar [AX)[AX) menyinggung busur ABCABC jika dan hanya jika ∡ABC+∡CAX≡π\measuredangle ABC+\measuredangle CAX\equiv \pi.

Bukti. Untuk busur degenerat ABCABC, pernyataan ini jelas. Andaikan busur tersebut tak degenerat.

Perhatikan bahwa sinar singgung pada busur ABCABC di AA ditentukan secara tunggal. Selain itu, terdapat tepat satu sinar [AX)[AX) sedemikian sehingga persamaan dalam proposisi tersebut berlaku. Oleh karena itu, cukup dibuktikan bagian “hanya jika”.

Kriteria sudut untuk sinar singgung

Jika [AX)[AX) menyinggung busur ABCABC, maka menurut Teorema di Bab 9 dan Teorema di Bab 9, kita memperoleh

2⋅∡ABC+2⋅∡CAX≡0.2\cdot \measuredangle ABC+2\cdot\measuredangle CAX\equiv 0.
Oleh karena itu, berlaku salah satu dari dua kemungkinan berikut:
∡ABC+∡CAX≡π,atau∡ABC+∡CAX≡0.\measuredangle ABC+\measuredangle CAX \equiv \pi, \quad \text{atau} \quad \measuredangle ABC+\measuredangle CAX \equiv 0.

Menurut definisi sinar singgung, XX dan BB terletak pada sisi yang sama terhadap (AC)(AC). Menurut Akibat di Bab 3 dan Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3, sudut-sudut CAXCAX, CABCAB, dan ABCABC memiliki tanda yang sama. Khususnya, ∡ABC+∡CAX≢0\measuredangle ABC\z+\measuredangle CAX\not\equiv 0; artinya, yang tersisa adalah kasus ∡ABC+∡CAX≡π\measuredangle ABC+\measuredangle CAX\equiv \pi. ▫\square

Latihan Tunjukkan bahwa terdapat tepat satu busur dengan titik-titik ujung AA dan CC yang diberikan dan menyinggung suatu sinar [AX)[AX) yang diberikan.

Petunjuk

Latihan Misalkan [AX)[AX) merupakan sinar singgung pada busur ABCABC. Andaikan YY merupakan titik pada busur ABCABC yang berbeda dari AA. Tunjukkan bahwa ∡XAY\measuredangle XAY mendekati 00 ketika AYAY mendekati 00.

Petunjuk
Dua busur dan pasangan sinar singgung

Latihan Diberikan dua busur lingkaran AB1CAB_1C dan AB2CAB_2C, misalkan [AX1)[AX_1) dan [AX2)[AX_2) merupakan sinar-sinar yang menyinggung busur AB1CAB_1C dan AB2CAB_2C di AA, sedangkan [CY1)[CY_1) dan [CY2)[CY_2) merupakan sinar-sinar yang menyinggung busur AB1CAB_1C dan AB2CAB_2C di CC. Tunjukkan bahwa

∡X1AX2≡−∡Y1CY2.\measuredangle X_1AX_2\equiv -\measuredangle Y_1CY_2.

Petunjuk

Inversi

Misalkan Ω\Omega merupakan lingkaran dengan pusat OO dan jari-jari rr. Inversi suatu titik PP terhadap Ω\Omega adalah titik P′∈[OP)P'\in[OP) sedemikian sehingga

OP⋅OP′=r2.OP\cdot OP'=r^2.
Dalam hal ini, lingkaran Ω\Omega disebut lingkaran inversi, dan pusatnya OO disebut pusat inversi.

Invers dari OO tidak terdefinisi.

Jika PP berada di dalam Ω\Omega, maka P′P' berada di luar, dan demikian pula sebaliknya. Selain itu, P=P′P=P' jika dan hanya jika P∈ΩP\in \Omega.

Konstruksi titik invers dengan garis singgung

Perhatikan bahwa inversi memetakan P′P' kembali ke PP.

Latihan Misalkan Ω\Omega merupakan lingkaran yang berpusat di OO. Andaikan suatu garis (PT)(PT) menyinggung Ω\Omega di TT. Misalkan P′P' merupakan kaki garis tegak lurus dari TT pada (OP)(OP).

Tunjukkan bahwa P′P' adalah invers dari PP terhadap Ω\Omega.

Petunjuk

Lema Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran yang berpusat di OO. Andaikan A′A' dan B′B' berturut-turut merupakan invers dari AA dan BB terhadap Γ\Gamma. Maka

△OAB∼△OB′A′.\triangle O A B\sim\triangle O B' A'.
Selain itu,
∡AOB≡−∡B′OA′,∡OBA≡−∡OA′B′,∡BAO≡−∡A′B′O.\begin{aligned} \measuredangle AOB&\equiv -\measuredangle B'OA', \\ \measuredangle OBA&\equiv -\measuredangle OA'B', \\ \measuredangle BAO&\equiv -\measuredangle A'B'O. \end{aligned}\label{eq:-angle}

Bukti. Misalkan rr merupakan jari-jari lingkaran inversi.

Segitiga-segitiga sebangun pada inversi

Menurut definisi inversi,

OA⋅OA′=OB⋅OB′=r2.\begin{align*} OA\cdot OA'=OB\cdot OB'=r^2. \end{align*}
Oleh karena itu,
OAOB′=OBOA′.\frac{OA}{OB'}=\frac{OB}{OA'}.

Jelas bahwa

∡AOB=∡A′OB′≡−∡B′OA′.\measuredangle AOB= \measuredangle A'OB'\equiv -\measuredangle B'OA'.\label{eq:-AOB}
Dari SAS, kita memperoleh
△OAB∼△OB′A′.\triangle O A B\z\sim\triangle O B' A'.

Dengan menerapkan Teorema di Bab 3 dan Persamaan di Bab 10, kita memperoleh Persamaan di Bab 10. ▫\square

Latihan Misalkan P′P' merupakan invers dari PP terhadap suatu lingkaran Γ\Gamma. Andaikan P≠P′P\ne P'. Tunjukkan bahwa nilai PXP′X\frac{PX}{P'X} sama untuk semua X∈ΓX\in\Gamma.

Petunjuk

Kebalikan dari latihan di atas juga berlaku. Yakni, diberikan suatu bilangan real positif k≠1k\ne 1 dan dua titik berbeda PP dan P′P', lokus titik-titik XX sedemikian sehingga PXP′X=k\frac{PX}{P'X}=k merupakan suatu lingkaran yang disebut lingkaran Apollonius (lihat juga Bagian ke-6 di Bab 7). Dalam hal ini, P′P' merupakan invers dari PP terhadap lingkaran Apollonius tersebut.

Latihan Misalkan A′A', B′B', dan C′C' merupakan bayangan dari AA, BB, dan CC oleh inversi terhadap lingkaran dalam △ABC\triangle A B C. Tunjukkan bahwa pusat lingkaran dalam △ABC\triangle A B C merupakan ortosenter △A′B′C′\triangle A' B' C'.

Petunjuk

Latihan Dengan menggunakan penggaris dan jangka, konstruksikan invers suatu titik yang diberikan terhadap suatu lingkaran yang diberikan.

Petunjuk

Rasio silang

Teorema berikut mencantumkan besaran-besaran yang tidak berubah setelah inversi.

Teorema Misalkan ABCDABCD dan A′B′C′D′A'B'C'D' merupakan dua segiempat sedemikian sehingga titik-titik A′A', B′B', C′C', dan D′D' berturut-turut merupakan invers dari AA, BB, CC, dan DD. Maka

  1. AB⋅CDBC⋅DA=A′B′⋅C′D′B′C′⋅D′A′.\frac{AB\cdot CD}{BC\cdot DA}= \frac{A'B'\cdot C'D'}{B'C'\cdot D'A'}.

  2. ∡ABC+∡CDA≡−(∡A′B′C′+∡C′D′A′).\measuredangle ABC+\measuredangle CDA\equiv -(\measuredangle A'B'C'+\measuredangle C'D'A').

  3. Jika segiempat ABCDABCD terinskripsi, maka demikian pula ▫A′B′C′D′\square A'B'C'D'.

Bilangan AB⋅CDBC⋅DA\frac{AB \cdot CD}{BC \cdot DA} dari (Hasil di Bab 10) disebut rasio silang keempat titik AA, BB, CC, dan DD.

Bukti; (Hasil di Bab 10). Misalkan OO merupakan pusat inversi. Menurut Lema di Bab 10, △AOB∼△B′OA′\triangle AOB\z\sim \triangle B'OA'. Oleh karena itu,

ABA′B′=OAOB′.Secara analog,BCB′C′=OCOB′,CDC′D′=OCOD′,DAD′A′=OAOD′.\begin{align*} &&\frac{AB}{A'B'} &=\frac{OA}{OB'}. \intertext{Secara analog,} \frac{BC}{B'C'}&=\frac{OC}{OB'},& \frac{CD}{C'D'}&=\frac{OC}{OD'},& \frac{DA}{D'A'}&=\frac{OA}{OD'}. \end{align*}

Oleh karena itu,

ABA′B′⋅CDC′D′=OAOB′⋅OCOD′=OCOB′⋅OAOD′=BCB′C′⋅DAD′A′.\begin{align*} \frac{AB}{A'B'}\cdot \frac{CD}{C'D'}&=\frac{OA}{OB'}\cdot\frac{OC}{OD'}= \frac{OC}{OB'}\cdot\frac{OA}{OD'} =\frac{BC}{B'C'}\cdot\frac{DA}{D'A'}. \end{align*}
Dengan demikian, (Hasil di Bab 10) terbukti.

(Hasil di Bab 10). Menurut Lema di Bab 10,

∡ABO≡−∡B′A′O,∡OBC≡−∡OC′B′,∡CDO≡−∡D′C′O,∡ODA≡−∡OA′D′.\begin{aligned} \measuredangle ABO&\equiv -\measuredangle B'A'O, & \measuredangle OBC&\equiv -\measuredangle OC'B',\\ \measuredangle CDO&\equiv -\measuredangle D'C'O, & \measuredangle ODA&\equiv -\measuredangle OA'D'. \end{aligned}\label{eq:angle=-angle}
Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2,
∡ABC≡∡ABO+∡OBC,∡D′C′B′≡∡D′C′O+∡OC′B′,∡CDA≡∡CDO+∡ODA,∡B′A′D′≡∡B′A′O+∡OA′D′.\begin{align*} \measuredangle ABC&\equiv\measuredangle ABO+\measuredangle OBC, & \measuredangle D'C'B'&\equiv\measuredangle D'C'O+\measuredangle OC'B', \\ \measuredangle CDA&\equiv\measuredangle CDO+\measuredangle ODA, & \measuredangle B'A'D'&\equiv\measuredangle B'A'O+\measuredangle OA'D'. \end{align*}
Oleh karena itu, dengan menjumlahkan keempat identitas dalam Persamaan di Bab 10, kita memperoleh
∡ABC+∡CDA≡−(∡D′C′B′+∡B′A′D′).Dengan menerapkan Aksioma 2b dan Latihan segiempat, kita memperoleh∡A′B′C′+∡C′D′A′≡−(∡B′C′D′+∡D′A′B′)≡≡∡D′C′B′+∡B′A′D′.\begin{align*} \measuredangle ABC+\measuredangle CDA &\equiv -(\measuredangle D'C'B'+\measuredangle B'A'D'). \intertext{Dengan menerapkan Aksioma~\ref{def:birkhoff-axioms:2b} dan Latihan~\ref{ex:quadrangle}, kita memperoleh} \measuredangle A'B'C'+\measuredangle C'D'A' &\equiv -(\measuredangle B'C'D'+\measuredangle D'A'B')\equiv \\ &\equiv \measuredangle D'C'B'+\measuredangle B'A'D'. \end{align*}
Dengan demikian, (Hasil di Bab 10) terbukti.

(Hasil di Bab 10). Pernyataan ini mengikuti (Hasil di Bab 10) dan Akibat di Bab 9. ▫\square

Bidang inversif dan lingkaran umum

Misalkan Ω\Omega merupakan lingkaran dengan pusat OO dan jari-jari rr. Tinjau inversi terhadap Ω\Omega.

Ingat bahwa invers dari OO tidak terdefinisi. Untuk mengatasi masalah ini, berguna untuk menambahkan satu titik tambahan ke bidang, yang disebut titik di tak hingga, dan dinotasikan dengan ∞\infty. Kita dapat menganggap bahwa ∞\infty merupakan invers dari OO dan demikian pula sebaliknya.

Bidang Euklides dengan titik di tak hingga yang ditambahkan disebut bidang inversif.

Kita akan selalu menganggap bahwa setiap garis dan sinar memuat ∞\infty.

Ingat bahwa lingkaran umum berarti lingkaran atau garis. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan “jika suatu lingkaran umum memuat ∞\infty, maka lingkaran umum itu merupakan garis” atau “suatu lingkaran umum yang tidak memuat ∞\infty merupakan lingkaran”.

Menurut Teorema di Bab 8, untuk setiap △ABC\triangle ABC terdapat tepat satu lingkaran umum yang melalui AA, BB, dan CC (jika △ABC\triangle ABC degenerat, maka lingkaran umum ini merupakan garis, dan jika tidak, merupakan lingkaran).

Teorema Di bidang inversif, invers dari suatu lingkaran umum merupakan lingkaran umum.

Latihan ke-13 di Bab 14 memberikan sebagian kebalikan dari teorema tersebut.

Bukti. Misalkan OO merupakan pusat inversi, dan misalkan rr merupakan jari-jarinya.

Pilih suatu lingkaran umum Γ\Gamma dan tiga titik berbeda AA, BB, dan CC padanya. Kita dapat menganggap bahwa A≠OA \ne O, B≠OB \ne O, dan C≠OC \ne O. (Jika △ABC\triangle ABC tak degenerat, maka Γ\Gamma merupakan lingkaran luar △ABC\triangle ABC; jika △ABC\triangle ABC degenerat, maka Γ\Gamma merupakan garis yang melalui AA, BB, dan CC.)

Misalkan A′A', B′B', dan C′C' berturut-turut merupakan invers dari AA, BB, dan CC, dan misalkan Γ′\Gamma' merupakan lingkaran umum yang melalui A′A', B′B', dan C′C'.

Andaikan DD merupakan suatu titik di bidang inversif, yang berbeda dari AA, BB, CC, OO, dan ∞\infty. Misalkan D′D' merupakan invers dari DD. Menurut Teorema di Bab 10Hasil di Bab 10, D′∈Γ′D' \in \Gamma' jika dan hanya jika D∈ΓD \in \Gamma.

Tinggal dibuktikan bahwa ∞∈Γ\infty \in \Gamma ⇔\Leftrightarrow O∈Γ′O \in \Gamma', yang ekuivalen dengan O∈ΓO \in \Gamma ⇔\Leftrightarrow ∞∈Γ′\infty \in \Gamma'.

Syarat ∞∈Γ\infty \in \Gamma berarti bahwa Γ\Gamma merupakan garis; secara ekuivalen, untuk setiap ϵ>0\epsilon > 0, lingkaran umum Γ\Gamma memuat suatu titik P≠∞P \ne \infty sedemikian sehingga OP>r/ϵOP > r/\epsilon. Untuk invers P′∈Γ′P' \in \Gamma' dari PP, kita memiliki OP′=r2/OP<r⋅ϵOP' = r^2 / OP < r \cdot \epsilon. Artinya, lingkaran umum Γ′\Gamma' memuat titik-titik yang jaraknya dari OO sekecil apa pun. Karena setiap lingkaran umum merupakan himpunan tertutup, akibatnya O∈Γ′O \in \Gamma'. Dengan kata lain, ∞∈Γ\infty \in \Gamma ⇒\Rightarrow O∈Γ′O \in \Gamma'.

Implikasi ∞∈Γ\infty \in \Gamma ⇐\Leftarrow O∈Γ′O \in \Gamma' dibuktikan dengan cara yang sama. Kita dapat memilih P′≠OP' \ne O pada Γ′\Gamma' sedemikian sehingga OP′<r⋅ϵOP' < r \cdot \epsilon. Inversnya PP terletak pada Γ\Gamma, dan OP=r2/OP′>r/ϵOP = r^2 / OP' > r/\epsilon. Karena ϵ>0\epsilon>0 sembarang, kita memperoleh ∞∈Γ\infty \in \Gamma. ▫\square

Latihan Andaikan suatu lingkaran Γ′\Gamma' merupakan invers dari suatu lingkaran Γ\Gamma yang berpusat di QQ. Misalkan Q′Q' merupakan invers dari QQ. Tunjukkan bahwa Q′Q' bukan pusat Γ′\Gamma'.

Petunjuk
Pusat lingkaran tidak dipetakan ke pusat

Andaikan bahwa suatu alat lingkaran umum adalah alat konstruksi geometri yang menghasilkan lingkaran umum melalui tiga titik yang diberikan.

Latihan Tunjukkan bahwa hanya dengan suatu alat lingkaran umum, mustahil mengonstruksi pusat suatu lingkaran yang diberikan.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa untuk setiap pasangan lingkaran bersinggungan di bidang inversif, terdapat suatu inversi yang memetakannya menjadi sepasang garis sejajar.

Petunjuk

Teorema Tinjau suatu inversi pada bidang inversif terhadap lingkaran Ω\Omega yang berpusat di OO. Maka

  1. Suatu garis yang melalui OO dipetakan oleh inversi menjadi dirinya sendiri.

  2. Suatu garis yang tidak melalui OO dipetakan oleh inversi menjadi lingkaran yang melalui OO, dan demikian pula sebaliknya.

  3. Suatu lingkaran yang tidak melalui OO dipetakan oleh inversi menjadi lingkaran yang tidak melalui OO.

Bukti. Dalam bukti ini, kita menggunakan Teorema di Bab 10 tanpa menyebutkannya.

(Hasil di Bab 10). Jika suatu garis melalui OO, maka garis itu memuat ∞\infty dan OO. Oleh karena itu, inversnya juga memuat ∞\infty dan OO. Secara khusus, bayangannya merupakan garis yang melalui OO.

(Hasil di Bab 10). Karena setiap garis ℓ\ell melalui ∞\infty, bayangannya ℓ′\ell' harus memuat OO. Jika garis tersebut tidak memuat OO, maka ℓ′∌∞\ell'\not\ni \infty; artinya, ℓ′\ell' bukan garis. Oleh karena itu, ℓ′\ell' merupakan lingkaran yang melalui OO.

(Hasil di Bab 10). Jika lingkaran Γ\Gamma tidak memuat OO, maka bayangannya Γ′\Gamma' tidak memuat ∞\infty. Oleh karena itu, Γ′\Gamma' merupakan lingkaran. Karena Γ∌∞\Gamma\not\ni\infty, kita memperoleh bahwa Γ′∌O\Gamma' \not\ni O. Dengan demikian, hasilnya terbukti. ▫\square

Metode inversi

Berikut adalah suatu penerapan inversi, yang kita sertakan sebagai ilustrasi; kita tidak akan menggunakannya lagi dalam buku ini.

Identitas Ptolemy Misalkan ABCDABCD merupakan segiempat terinskripsi. Andaikan titik-titik AA, BB, CC, dan DD terletak pada lingkaran umum tersebut dalam urutan yang sama. Maka

AB⋅CD+BC⋅DA=AC⋅BD.AB\cdot CD+ BC\cdot DA=AC\cdot BD.

Bukti. Andaikan titik-titik AA, BB, CC, dan DD terletak pada satu garis dalam urutan tersebut.

Empat titik segaris untuk identitas Ptolemy

Tetapkan x=ABx\z=AB, y=BCy=BC, z=CDz\z=CD. Perhatikan bahwa

x⋅z+y⋅(x+y+z)=(x+y)⋅(y+z).x\cdot z+y\cdot (x+y+z)=(x+y)\cdot(y+z).
Karena AC=x+yAC\z=x+y, BD=y+zBD=y+z, dan DA=x+y+zDA\z=x+y+z, hal ini membuktikan identitas tersebut.

Inversi segiempat terinskripsi menjadi garis

Tinggal ditinjau kasus ketika segiempat ABCDABCD terinskripsi pada suatu lingkaran, katakanlah Γ\Gamma.

Identitas tersebut dapat ditulis ulang sebagai

AB⋅DCBD⋅CA+BC⋅ADCA⋅DB=1.\frac{AB\cdot DC}{ BD\cdot CA}+ \frac{BC\cdot AD}{CA\cdot DB}=1.
Di ruas kiri terdapat dua rasio silang. Menurut Teorema di Bab 10Hasil di Bab 10, ruas kiri tidak berubah jika kita menerapkan inversi pada setiap titik.

Tinjau suatu inversi terhadap lingkaran yang berpusat di titik OO yang terletak pada Γ\Gamma di antara AA dan DD. Menurut Teorema di Bab 10, inversi ini memetakan Γ\Gamma menjadi suatu garis. Hal ini mereduksi masalah tersebut menjadi kasus ketika AA, BB, CC, dan DD terletak pada satu garis, yang telah ditinjau sebelumnya. ▫\square

Empat lingkaran yang saling bersinggungan
Tiga lingkaran di antara dua garis sejajar

Dalam bukti di atas, kita menulis ulang identitas Ptolemy dalam bentuk yang invarian terhadap inversi dan kemudian menerapkan suatu inversi yang membuat pernyataan tersebut menjadi jelas. Penyelesaian latihan berikut didasarkan pada gagasan yang sama; kita harus memilih inversi yang tepat.

Latihan Andaikan empat lingkaran saling bersinggungan. Tunjukkan bahwa empat (dari enam) titik singgungnya terletak pada satu lingkaran umum.

Petunjuk

Latihan lanjutan Andaikan tiga lingkaran saling bersinggungan satu sama lain dan dengan dua garis sejajar seperti ditunjukkan pada gambar.

Tunjukkan bahwa (AB)(AB) menyinggung dua lingkaran di AA.

Petunjuk

Lingkaran tegak lurus

Andaikan dua lingkaran Γ\Gamma dan Ω\Omega berpotongan di dua titik XX dan YY. Misalkan ℓ\ell dan mm berturut-turut merupakan garis singgung di XX pada Γ\Gamma dan Ω\Omega. Secara analog, misalkan ℓ′\ell' dan m′m' berturut-turut merupakan garis singgung di YY pada Γ\Gamma dan Ω\Omega.

Dari Latihan ke-25 di Bab 9, kita dapat menyimpulkan bahwa ℓ⟂m\ell\perp m jika dan hanya jika ℓ′⟂m′\ell'\perp m'.

Kita mengatakan bahwa lingkaran Γ\Gamma tegak lurus terhadap lingkaran Ω\Omega (secara ringkas Γ⟂Ω\Gamma\perp \Omega) jika keduanya berpotongan dan garis-garis singgung pada kedua lingkaran di salah satu titik (dan dengan demikian, di kedua titik) perpotongan saling tegak lurus.

Demikian pula, kita mengatakan bahwa lingkaran Γ\Gamma tegak lurus terhadap garis ℓ\ell (secara ringkas Γ⟂ℓ\Gamma\perp \ell) jika Γ∩ℓ≠∅\Gamma\cap\ell\ne \emptyset dan ℓ\ell tegak lurus terhadap garis singgung Γ\Gamma di salah satu titik perpotongan (dan oleh karena itu juga di titik perpotongan yang lain). Menurut Lema di Bab 5, hal ini hanya terjadi jika garis ℓ\ell melalui pusat Γ\Gamma.

Sekarang kita dapat berbicara tentang lingkaran-lingkaran umum yang tegak lurus.

Teorema Andaikan Γ\Gamma dan Ω\Omega merupakan lingkaran-lingkaran berbeda. Maka Ω⟂Γ\Omega\perp\Gamma jika dan hanya jika lingkaran Γ\Gamma berimpit dengan inversnya terhadap Ω\Omega.

Dua lingkaran yang saling tegak lurus

Bukti. Misalkan Γ′\Gamma' merupakan invers dari Γ\Gamma.

Bagian “hanya jika”. Misalkan OO merupakan pusat Ω\Omega dan QQ merupakan pusat Γ\Gamma. Misalkan XX dan YY menyatakan titik-titik perpotongan Γ\Gamma dan Ω\Omega. Menurut Lema di Bab 5, Γ⟂Ω\Gamma\perp\Omega jika dan hanya jika (OX)(OX) dan (OY)(OY) menyinggung Γ\Gamma.

Karena O≠XO\ne X, Lema di Bab 5 menyiratkan bahwa OO terletak di luar Γ\Gamma. Menurut Teorema di Bab 10Hasil di Bab 10, Γ′\Gamma' merupakan lingkaran.

Perhatikan bahwa Γ′\Gamma' juga bersinggungan dengan (OX)(OX) dan (OY)(OY) berturut-turut di XX dan YY. Akibatnya, XX dan YY berturut-turut merupakan proyeksi ortogonal pusat Γ′\Gamma' pada (OX)(OX) dan (OY)(OY). Oleh karena itu, Γ′\Gamma' dan Γ\Gamma memiliki pusat yang sama, yaitu QQ. Akhirnya, Γ′=Γ\Gamma'=\Gamma, karena kedua lingkaran melalui XX.

Bagian “jika”. Andaikan Γ=Γ′\Gamma=\Gamma'.

Karena Γ≠Ω\Gamma\ne \Omega, terdapat suatu titik PP yang terletak pada Γ\Gamma, tetapi tidak pada Ω\Omega. Misalkan P′P' merupakan invers dari PP terhadap Ω\Omega. Karena Γ=Γ′\Gamma=\Gamma', kita memperoleh bahwa P′∈ΓP'\in \Gamma. Khususnya, sinar [OP)[OP) berpotongan dengan Γ\Gamma di dua titik. Menurut Latihan ke-11 di Bab 5, OO terletak di luar Γ\Gamma.

Karena Γ\Gamma memiliki titik-titik di dalam dan di luar Ω\Omega, lingkaran Γ\Gamma dan Ω\Omega berpotongan. Pernyataan terakhir mengikuti Latihan ke-9 di Bab 3.

Misalkan XX merupakan suatu titik perpotongan keduanya. Kita perlu menunjukkan bahwa (OX)(OX) menyinggung Γ\Gamma, yang berarti bahwa XX merupakan satu-satunya titik perpotongan (OX)(OX) dan Γ\Gamma.

Andaikan ZZ merupakan titik perpotongan lain dari (OX)(OX) dan Γ\Gamma. Karena OO berada di luar Γ\Gamma, titik ZZ terletak pada sinar [OX)[OX).

Misalkan Z′Z' merupakan invers dari ZZ terhadap Ω\Omega. Jelas bahwa ketiga titik Z,Z′,XZ, Z', X terletak pada Γ\Gamma dan (OX)(OX), yang bertentangan dengan Lema di Bab 5. ▫\square

Lebih mudah jika kita mendefinisikan inversi terhadap garis ℓ\ell sebagai pencerminan terhadap ℓ\ell. Dengan demikian, kita dapat berbicara tentang inversi terhadap suatu lingkaran umum sembarang.

Akibat Misalkan Ω\Omega dan Γ\Gamma merupakan lingkaran-lingkaran umum berbeda di bidang inversif. Maka inversi terhadap Ω\Omega memetakan Γ\Gamma menjadi dirinya sendiri jika dan hanya jika Ω⟂Γ\Omega\perp\Gamma.

Bukti. Menurut Teorema di Bab 10, cukup ditinjau kasus ketika Ω\Omega atau Γ\Gamma merupakan garis.

Andaikan Ω\Omega merupakan garis, sehingga inversi terhadap Ω\Omega merupakan pencerminan. Dalam hal ini, pernyataan tersebut mengikuti Akibat di Bab 5.

Jika Γ\Gamma merupakan garis, maka pernyataan tersebut mengikuti Teorema di Bab 10. ▫\square

Akibat Misalkan PP dan P′P' merupakan dua titik berbeda sedemikian sehingga P′P' merupakan invers dari PP terhadap lingkaran Ω\Omega. Jika suatu lingkaran umum Γ\Gamma melalui PP dan P′P', maka Γ⟂Ω\Gamma\perp\Omega.

Bukti. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat menganggap bahwa PP berada di dalam dan P′P' berada di luar Ω\Omega. Menurut Teorema di Bab 3, Γ\Gamma berpotongan dengan Ω\Omega. Misalkan AA menyatakan salah satu titik perpotongan.

Misalkan Γ′\Gamma' merupakan invers dari Γ\Gamma. Karena AA merupakan invers dari dirinya sendiri, titik-titik AA, PP, dan P′P' terletak pada Γ′\Gamma'. Menurut Latihan ke-1 di Bab 8, Γ′=Γ\Gamma'=\Gamma dan menurut Akibat di Bab 10, Γ⟂Ω\Gamma\perp\Omega. ▫\square

Akibat Misalkan PP dan QQ merupakan dua titik berbeda di dalam suatu lingkaran Ω\Omega. Maka terdapat tepat satu lingkaran umum Γ\Gamma yang tegak lurus terhadap Ω\Omega dan melalui PP dan QQ.

Bukti. Misalkan P′P' merupakan invers dari titik PP terhadap lingkaran Ω\Omega. Menurut Akibat di Bab 10 dan Akibat di Bab 10, suatu lingkaran umum yang melalui PP dan QQ tegak lurus terhadap Ω\Omega jika dan hanya jika lingkaran umum itu melalui P′P'.

Perhatikan bahwa P′P' terletak di luar Ω\Omega. Oleh karena itu, titik-titik PP, P′P', dan QQ berbeda.

Menurut Latihan ke-1 di Bab 8, terdapat tepat satu lingkaran umum yang melalui PP, QQ, dan P′P'. Dengan demikian, hasilnya terbukti. ▫\square

Latihan Misalkan PP, QQ, P′P', dan Q′Q' merupakan titik-titik di bidang Euklides. Andaikan P′P' dan Q′Q' berturut-turut merupakan invers dari PP dan QQ terhadap lingkaran yang sama. Tunjukkan bahwa segiempat PQP′Q′PQP'Q' terinskripsi.

Petunjuk

Latihan Misalkan Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2 merupakan dua lingkaran yang saling tegak lurus dengan pusat berturut-turut di O1O_1 dan O2O_2. Tunjukkan bahwa invers dari O1O_1 terhadap Ω2\Omega_2 berimpit dengan invers dari O2O_2 terhadap Ω1\Omega_1.

Petunjuk

Latihan Tiga lingkaran berbeda — Ω1\Omega_1, Ω2\Omega_2, dan Ω3\Omega_3, berpotongan di dua titik — AA dan BB. Andaikan suatu lingkaran Γ\Gamma tegak lurus terhadap Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2. Tunjukkan bahwa Γ⟂Ω3\Gamma\perp\Omega_3.

Petunjuk

Mari kita tinjau dua alat konstruksi baru: alat lingkaran umum yang mengonstruksi lingkaran umum melalui tiga titik yang diberikan, dan inversor — alat yang mengonstruksi invers suatu titik yang diberikan terhadap lingkaran umum yang diberikan.

Latihan Diberikan dua lingkaran Ω1\Omega_1, Ω2\Omega_2 dan suatu titik PP yang tidak terletak pada lingkaran-lingkaran tersebut, gunakan hanya alat lingkaran umum dan inversor untuk mengonstruksi suatu lingkaran umum Γ\Gamma yang melalui PP, dan tegak lurus terhadap Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2.

Petunjuk

Latihan lanjutan Diberikan tiga lingkaran saling lepas Ω1\Omega_1, Ω2\Omega_2, dan Ω3\Omega_3, gunakan hanya alat lingkaran umum dan inversor untuk mengonstruksi suatu lingkaran umum Γ\Gamma yang tegak lurus terhadap masing-masing lingkaran Ω1\Omega_1, Ω2\Omega_2, dan Ω3\Omega_3.

Pikirkan apa yang harus dilakukan jika dua di antara lingkaran tersebut berpotongan.

Petunjuk

Sudut setelah inversi

Proposisi Di bidang inversif, invers dari suatu busur merupakan busur.

Bukti. Tinjau empat titik berbeda AA, BB, CC, dan DD; misalkan A′A', B′B', C′C', dan D′D' berturut-turut merupakan inversnya. Kita perlu menunjukkan bahwa DD terletak pada busur ABCABC jika dan hanya jika D′D' terletak pada busur A′B′C′A'B'C'. Menurut Proposisi di Bab 9, pernyataan terakhir ekuivalen dengan yang berikut:

∡ADC=∡ABC⇔∡A′D′C′=∡A′B′C′.\measuredangle ADC= \measuredangle ABC \quad \iff \quad \measuredangle A'D'C'= \measuredangle A'B'C'.
Pernyataan terakhir mengikuti Teorema di Bab 10Hasil di Bab 10. ▫\square

Teorema berikut menyatakan bahwa sudut antara busur hanya berubah tandanya setelah inversi.

Sudut antara dua busur dan citra inversnya

Teorema Misalkan AB1C1AB_1C_1, AB2C2AB_2C_2 merupakan dua busur di bidang inversif, dan misalkan busur-busur A′B1′C1′A'B_1'C_1', A′B2′C2′A'B_2'C_2' merupakan inversnya. Misalkan [AX1)[AX_1) dan [AX2)[AX_2) berturut-turut merupakan sinar-sinar yang menyinggung AB1C1AB_1C_1 dan AB2C2AB_2C_2 di AA, dan [A′Y1)[A'Y_1) dan [A′Y2)[A'Y_2) berturut-turut merupakan sinar-sinar yang menyinggung A′B1′C1′A'B_1'C_1' dan A′B2′C2′A'B_2'C_2' di A′A'. Maka

∡X1AX2≡−∡Y1A′Y2.\measuredangle X_1AX_2\equiv-\measuredangle Y_1A'Y_2.

Sudut antara busur pada titik bersama

Sudut antara busur dapat didefinisikan sebagai sudut antara sinar-sinar singgungnya pada titik ujung bersama. Oleh karena itu, inversi mempertahankan sudut antara busur, dengan kemungkinan perubahan tanda.

Dari Latihan ke-24 di Bab 9, diperoleh bahwa sudut antara busur dengan titik ujung bersama AA merupakan limit dari ∡P1AP2\measuredangle P_1AP_2 ketika titik-titik P1P_1 dan P2P_2 mendekati AA sepanjang busur masing-masing. Pengamatan ini dapat digunakan untuk mendefinisikan sudut antara sepasang kurva yang berpangkal pada satu titik. Ternyata bahwa inversi juga mempertahankan sudut antara kurva, dengan kemungkinan perubahan tanda.

Bukti. Menurut Proposisi di Bab 9,

∡X1AX2≡∡X1AC1+∡C1AC2+∡C2AX2≡≡(π−∡C1B1A)+∡C1AC2+(π−∡AB2C2)≡≡−(∡C1B1A+∡AB2C2+∡C2AC1)≡≡−(∡C1B1A+∡AB2C1)−(∡C1B2C2+∡C2AC1).Dengan cara yang sama, kita memperoleh∡Y1A′Y2≡−(∡C1′B1′A′+∡A′B2′C1′)−(∡C1′B2′C2′+∡C2′A′C1′).\begin{align*} \measuredangle X_1AX_2&\equiv\measuredangle X_1AC_1+\measuredangle C_1AC_2+\measuredangle C_2AX_2\equiv \\ &\equiv(\pi-\measuredangle C_1B_1A)+\measuredangle C_1AC_2+(\pi-\measuredangle AB_2 C_2)\equiv \\ & \equiv -(\measuredangle C_1B_1A+\measuredangle AB_2 C_2 +\measuredangle C_2 A C_1)\equiv \\ &\equiv -(\measuredangle C_1B_1A+\measuredangle AB_2 C_1) -(\measuredangle C_1B_2C_2 +\measuredangle C_2 A C_1). \intertext{Dengan cara yang sama, kita memperoleh} \measuredangle Y_1A'Y_2 &\equiv-(\measuredangle C_1'B_1'A'+\measuredangle A'B_2' C_1') -(\measuredangle C_1'B_2'C_2' +\measuredangle C_2' A' C_1'). \end{align*}

Menurut Teorema di Bab 10Hasil di Bab 10,

∡C1B1A+∡AB2C1≡−(∡C1′B1′A′+∡A′B2′C1′),∡C1B2C2+∡C2AC1≡−(∡C1′B2′C2′+∡C2′A′C1′),\begin{align*} \measuredangle C_1B_1A+\measuredangle AB_2 C_1&\equiv-(\measuredangle C_1'B_1'A'+\measuredangle A'B_2' C_1'), \\ \measuredangle C_1B_2C_2 +\measuredangle C_2 A C_1&\equiv-(\measuredangle C_1'B_2'C_2' +\measuredangle C_2' A' C_1'), \end{align*}
dan dengan demikian hasilnya terbukti.▫\square

Akibat Misalkan PP merupakan invers dari suatu titik QQ terhadap lingkaran Γ\Gamma. Andaikan P′P', Q′Q', dan Γ′\Gamma' berturut-turut merupakan invers dari PP, QQ, dan Γ\Gamma terhadap lingkaran lain Ω\Omega. Maka P′P' merupakan invers dari Q′Q' terhadap Γ′\Gamma'.

Inversi yang dibawa melalui inversi lain

Bukti. Jika P=QP=Q, maka P′=Q′∈Γ′P'=Q'\z\in\Gamma'. Oleh karena itu, P′P' merupakan invers dari Q′Q' terhadap Γ′\Gamma'.

Tinggal ditinjau kasus P≠QP\z\ne Q. Misalkan Δ1\Delta_1 dan Δ2\Delta_2 merupakan dua lingkaran berbeda yang berpotongan di PP dan QQ. Menurut Akibat di Bab 10, Δ1⟂Γ\Delta_1\perp\Gamma dan Δ2⟂Γ\Delta_2\perp\Gamma.

Misalkan Δ1′\Delta_1' dan Δ2′\Delta_2' berturut-turut menyatakan invers dari Δ1\Delta_1 dan Δ2\Delta_2 terhadap Ω\Omega. Jelas bahwa Δ1′\Delta_1' berpotongan dengan Δ2′\Delta_2' di P′P' dan Q′Q'.

Menurut Teorema di Bab 10, Δ1′⟂Γ′\Delta_1'\perp\Gamma' dan Δ2′⟂Γ′\Delta_2'\z\perp\Gamma'. Menurut Akibat di Bab 10, inversi terhadap Γ′\Gamma' memetakan masing-masing Δ1′\Delta_1' dan Δ2′\Delta_2' ke dirinya sendiri. Oleh karena itu, inversi tersebut memetakan himpunan perpotongan Δ1′∩Δ2′={P′,Q′}\Delta_1'\cap\Delta_2'=\{P',Q'\} ke dirinya sendiri. Karena P≠QP\ne Q, kedua titik PP dan QQ tidak terletak pada Γ\Gamma; dengan demikian, P′P' dan Q′Q' tidak terletak pada Γ′\Gamma'. Jadi inversi terhadap Γ′\Gamma' tidak menetapkan salah satu dari kedua titik itu dan harus saling menukarkan keduanya. Akibatnya, P′P' merupakan invers dari Q′Q' terhadap Γ′\Gamma'. ▫\square

Bidang netral

Mari kita hapus Aksioma V dari sistem aksioma kita (Bagian ke-1 di Bab 2). Dengan cara ini kita mendefinisikan objek baru yang disebut bidang netral atau bidang absolut. (Pada suatu bidang netral, Aksioma V boleh berlaku ataupun tidak.)

Setiap teorema dalam geometri netral berlaku dalam geometri Euklides. Dengan kata lain, bidang Euklides merupakan salah satu contoh bidang netral. Dalam bab berikutnya, kita akan membangun contoh bidang netral yang bukan bidang Euklides.

Kita mulai menggunakan Aksioma V sejak Bab 6, dan semua pernyataan sebelum itu berlaku dalam geometri netral. Dengan demikian, semua hasil yang telah dibahas mengenai setengah-bidang, tanda sudut, syarat kekongruenan, garis tegak lurus, dan pencerminan berlaku dalam geometri netral. Ingat bahwa suatu pernyataan ditandai dengan “✓\a” (misalnya, “Teorema.✓”) jika pernyataan itu berlaku pada setiap bidang netral dan bukti yang sama tetap berlaku.

Mari kita berikan contoh teorema dalam geometri netral yang mempunyai bukti lebih sederhana dalam geometri Euklides.

Syarat kekongruenan hipotenusa-kaki Andaikan segitiga ABCABC dan A′B′C′A'B'C' masing-masing memiliki sudut siku-siku di CC dan C′C', AB=A′B′AB\z=A'B' dan AC=A′C′AC\z=A'C'. Maka △ABC≅△A′B′C′\triangle ABC\cong\triangle A'B'C'.

Bukti Euklides. Menurut teorema Pythagoras, BC=B′C′BC=B'C'. Pernyataan tersebut kemudian mengikuti dari syarat kekongruenan SSS. ▫\square

Bukti teorema Pythagoras menggunakan sifat-sifat segitiga sebangun, yang pada gilirannya menggunakan Aksioma V. Karena itu, bukti ini tidak berlaku pada bidang netral.

Bukti netral. Misalkan DD menyatakan hasil pencerminan AA terhadap (BC)(BC) dan D′D' menyatakan hasil pencerminan A′A' terhadap (B′C′)(B'C'). Perhatikan bahwa

AD=2⋅AC=2⋅A′C′=A′D′,BD=BA=B′A′=B′D′.AD=2\cdot AC=2\cdot A'C'=A'D',\qquad BD=BA=B'A'=B'D'.

Pencerminan untuk kriteria hipotenusa-kaki

Menurut syarat kekongruenan SSS (Syarat SSS di Bab 4), kita memperoleh △ABD≅△A′B′D′\triangle ABD\cong \triangle A'B'D'.

Pernyataan tersebut mengikuti karena CC merupakan titik tengah [AD][AD] dan C′C' merupakan titik tengah [A′D′][A'D']. ▫\square

Latihan Bacalah bukti Teorema di Bab 9 dan tentukan pernyataan pertama yang tidak berlaku pada bidang netral.

Petunjuk

Latihan Berikan bukti Latihan ke-9 di Bab 8 yang berlaku pada bidang netral.

Petunjuk

Latihan Misalkan ABCDABCD merupakan segiempat tali busur pada suatu bidang netral. Tunjukkan bahwa

∡ABC+∡CDA≡∡BCD+∡DAB.\measuredangle ABC+\measuredangle CDA\equiv \measuredangle BCD+\measuredangle DAB.

Petunjuk

Kita tidak dapat menggunakan Akibat di Bab 9 untuk menyelesaikan latihan di atas karena akibat itu menggunakan Teorema di Bab 9 dan Teorema di Bab 9, yang pada gilirannya menggunakan Teorema di Bab 7.

Dua sudut segitiga

Dalam bagian ini, kita akan membuktikan bentuk Teorema di Bab 7 yang lebih lemah dan berlaku pada setiap bidang netral.

Proposisi Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat pada suatu bidang netral. Maka

|∡CAB|+|∡ABC|<π.|\measuredangle CAB|+|\measuredangle ABC|< \pi.

Pencerminan pusat dalam batas dua sudut

Menurut Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3, sudut ABCABC, BCABCA, dan CABCAB memiliki tanda yang sama. Karena itu, pada bidang Euklides, teorema tersebut langsung mengikuti dari Teorema di Bab 7.

Bukti. Misalkan XX merupakan hasil pencerminan CC terhadap titik tengah MM dari [AB][AB]. Dengan menerapkan Latihan ke-3 di Bab 3, kita memperoleh

|∡CAX|=|∡CAB|+|∡ABC|.|\measuredangle CAX|=|\measuredangle CAB|+|\measuredangle ABC|.\label{eq:CAX=CAB+ABC}

Menurut Proposisi di Bab 7, ∡BAX=∡ABC\measuredangle BAX\z=\measuredangle ABC.

Perhatikan bahwa ∡CAX≢π\measuredangle CAX\z{\not\equiv} \pi; jika tidak, XX akan terletak pada (AC)(AC). Karena itu, identitas di Bab 11 menyiratkan bahwa

|∡CAB|+|∡ABC|=|∡CAX|<π.|\measuredangle CAB|+|\measuredangle ABC|=|\measuredangle CAX|<\pi.

Latihan Andaikan AA, BB, CC, dan DD merupakan titik-titik pada suatu bidang netral sedemikian sehingga

2⋅∡ABC+2⋅∡BCD≡0.2\cdot \measuredangle ABC+2\cdot\measuredangle BCD\equiv 0.
Tunjukkan bahwa (AB)∥(CD)(AB)\parallel (CD).

Petunjuk

Perhatikan bahwa sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7) tidak dapat diterapkan di sini.

Latihan Buktikan syarat kekongruenan sisi-sudut-sudut dalam geometri netral.

Dengan kata lain, misalkan ABCABC dan A′B′C′A'B'C' merupakan dua segitiga pada suatu bidang netral; andaikan △A′B′C′\triangle A'B'C' tak degenerat. Tunjukkan bahwa △ABC≅△A′B′C′\triangle ABC\z\cong \triangle A'B'C' jika

AB=A′B′,∡ABC=±∡A′B′C′,dan∡BCA=±∡B′C′A′.AB=A'B', \quad \measuredangle ABC=\pm\measuredangle A'B'C', \quad \text{dan} \quad \measuredangle BCA=\pm\measuredangle B'C'A'.

Petunjuk

Pada bidang Euklides, latihan di atas mengikuti dari ASA dan teorema mengenai jumlah sudut segitiga (Teorema di Bab 7). Namun, Teorema di Bab 7 tidak dapat digunakan di sini karena buktinya menggunakan Aksioma V. Kelak (Teorema di Bab 13), kita akan menunjukkan bahwa Teorema di Bab 7 tidak berlaku pada suatu bidang netral.

Latihan Andaikan titik DD terletak di antara titik sudut AA dan BB dari △ABC\triangle ABC pada suatu bidang netral. Tunjukkan bahwa

CD<CAatauCD<CB.CD<CA \quad \text{atau} \quad CD<CB.

Petunjuk

Tiga sudut segitiga

Proposisi Misalkan △ABC\triangle ABC dan △A′B′C′\triangle A'B'C' merupakan dua segitiga pada suatu bidang netral sedemikian sehingga AC=A′C′AC=A'C' dan BC=B′C′BC=B'C'. Maka

AB<A′B′jika dan hanya jika|∡ACB|<|∡A′C′B′|.AB\z<A'B' \quad \text{jika dan hanya jika} \quad |\measuredangle ACB|<|\measuredangle A'C'B'|.

Perbandingan sisi dan sudut pada bidang netral

Bukti. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa A=A′A=A', C=C′C=C', dan ∡ACB,∡ACB′≥0\measuredangle ACB,\measuredangle ACB'\ge 0. Dalam hal ini, kita perlu menunjukkan bahwa

AB<AB′⇔∡ACB<∡ACB′.AB<AB' \ \iff \ \measuredangle ACB<\measuredangle ACB'.

Pilih titik XX sedemikian sehingga

∡ACX=12⋅(∡ACB+∡ACB′).\measuredangle ACX=\tfrac12\cdot(\measuredangle ACB+\measuredangle ACB').
Perhatikan bahwa

Menurut Latihan ke-2 di Bab 5, AA dan BB terletak pada sisi yang sama dari (CX)(CX) jika dan hanya jika AB<AB′AB<AB'. Dengan demikian, hasilnya terbukti. ▫\square

Teorema Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga pada suatu bidang netral. Maka

|∡ABC|+|∡BCA|+|∡CAB|≤π.|\measuredangle ABC|+|\measuredangle BCA|+|\measuredangle CAB|\le \pi.

Bukti berikut dikemukakan oleh Adrien-Marie Legendre ; bukti yang lebih awal diberikan oleh Giovanni Saccheri dan Johann Lambert .

Bukti. Tetapkan

a=BC,b=CA,c=AB,α=∡CAB,β=∡ABC,γ=∡BCA.\begin{align*} a&=BC, & b&=CA, & c&=AB, \\ \alpha&=\measuredangle CAB, & \beta&=\measuredangle ABC, & \gamma&=\measuredangle BCA. \end{align*}
Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa α,β,γ≥0\alpha,\beta,\gamma\ge 0.

Pagar segitiga kongruen Legendre

Tetapkan suatu bilangan bulat positif nn. Perhatikan titik-titik A0A_0, A1,…,AnA_1,\dots,A_n pada sinar [BA)[BA), sedemikian sehingga BAi=i⋅cBA_i=i\cdot c untuk setiap ii. (Khususnya, A0=BA_0=B dan A1=AA_1=A.) Bangun titik-titik C1C_1, C2,…,CnC_2,\dots,C_n, sedemikian sehingga ∡AiAi−1Ci=β\measuredangle A_iA_{i-1}C_i\z=\beta dan Ai−1Ci=aA_{i-1}C_i=a untuk setiap ii.

Menurut SAS, kita telah membangun nn segitiga kongruen

△ABC=△A1A0C1≅△A2A1C2≅…≅△AnAn−1Cn.\begin{align*} \triangle ABC&=\triangle A_{1}A_0C_1\cong\triangle A_2A_{1}C_2\cong \dots \cong\triangle A_nA_{n-1}C_n. \end{align*}

Tetapkan d=C1C2d=C_1C_2 dan δ=∡C2A1C1\delta=\measuredangle C_2A_1C_1. Perhatikan bahwa

α+β+δ=π.\alpha+\beta+\delta=\pi. \label{eq:gamma'}
Menurut Proposisi di Bab 11, kita memperoleh δ≥0\delta\ge 0.

Menurut konstruksi,

△A1C1C2≅△A2C2C3≅…≅△An−1Cn−1Cn.\begin{align*} \triangle A_1C_1C_2&\cong\triangle A_{2}C_2C_3\cong\dots \cong\triangle A_{n-1}C_{n-1}C_n. \end{align*}
Khususnya, CiCi+1=dC_iC_{i+1}=d untuk setiap ii.

Dengan menerapkan ketaksamaan segitiga beberapa kali, kita memperoleh

n⋅c=A0An≤≤A0C1+C1C2+…+Cn−1Cn+CnAn==a+(n−1)⋅d+b.\begin{align*} n\cdot c&=A_0A_n\le \\ &\le A_0C_1+C_1C_2+\dots+C_{n-1}C_n+C_nA_n= \\ &=a+(n-1)\cdot d+b. \end{align*}

Khususnya,

c≤d+1n⋅(a+b−d).c\le d+\tfrac1n\cdot(a+b-d).
Karena nn merupakan bilangan bulat positif sebarang, pernyataan terakhir menyiratkan c≤dc\le d. Menurut Proposisi di Bab 11, pernyataan ini ekuivalen dengan
γ≤δ.\gamma\le \delta.
Dari Persamaan di Bab 11, teorema tersebut terbukti. ▫\square

Latihan Misalkan ABCDABCD merupakan suatu segiempat pada bidang netral. Andaikan ∠DAB\angle DAB dan ∠ABC\angle ABC merupakan sudut siku-siku. Tunjukkan bahwa AB≤CDAB\le CD.

Petunjuk

Defek

Defek segitiga △ABC\triangle ABC didefinisikan sebagai

defek⁡(△ABC):=π−|∡ABC|−|∡BCA|−|∡CAB|.\defect(\triangle ABC) \df \pi-|\measuredangle ABC|-|\measuredangle BCA|-|\measuredangle CAB|.

Teorema di Bab 11 menyatakan bahwa defek setiap segitiga pada bidang netral harus tak negatif. Menurut Teorema di Bab 7, setiap segitiga pada bidang Euklides memiliki defek nol.

Pemecahan segitiga untuk aditivitas defek
Pencerminan pusat dan defek segitiga

Latihan kelas Misalkan △ABC\triangle ABC merupakan segitiga tak degenerat pada suatu bidang netral. Andaikan DD terletak di antara AA dan BB. Tunjukkan bahwa

defek⁡(△ABC)=defek⁡(△ADC)+defek⁡(△DBC).\defect(\triangle ABC)=\defect(\triangle ADC)+\defect(\triangle DBC).

Petunjuk

Latihan Misalkan ABCABC merupakan segitiga tak degenerat pada suatu bidang netral. Andaikan XX merupakan hasil pencerminan CC terhadap titik tengah MM dari [AB][AB]. Tunjukkan bahwa

defek⁡(△ABC)=defek⁡(△AXC).\defect(\triangle ABC)=\defect(\triangle AXC).

Petunjuk

Latihan Misalkan ABCDABCD merupakan suatu persegi panjang pada bidang netral; yakni, ABCDABCD merupakan segiempat yang semua sudutnya siku-siku. Tunjukkan bahwa AB=CDAB\z=CD.

Petunjuk

Latihan lanjutan Tunjukkan bahwa jika suatu bidang netral memiliki persegi panjang, maka semua segitiganya memiliki defek nol.

Petunjuk

Membuktikan bahwa sesuatu tidak dapat dibuktikan

Banyak upaya telah dilakukan untuk membuktikan bahwa setiap teorema dalam geometri Euklides berlaku dalam geometri netral. Pernyataan terakhir ekuivalen dengan pernyataan bahwa Aksioma V merupakan suatu teorema dalam geometri netral.

Beberapa upaya tersebut diterima sebagai bukti untuk waktu yang lama sampai suatu kesalahan ditemukan.

Banyak pernyataan dalam geometri netral ekuivalen dengan Aksioma V. Ini berarti bahwa jika Aksioma V kita tukar dengan salah satu pernyataan tersebut, kita akan memperoleh sistem aksioma yang ekuivalen.

Teorema berikut memberikan daftar singkat pernyataan-pernyataan tersebut. Kita tidak akan membuktikannya dalam buku ini.

Teorema Bidang netral bersifat Euklides jika dan hanya jika salah satu dari syarat-syarat ekuivalen berikut berlaku:

  1. Terdapat suatu garis ℓ\ell dan titik P∉ℓP\notin\ell sedemikian sehingga hanya ada satu garis yang melalui PP dan sejajar dengan ℓ\ell.

  2. Setiap segitiga tak degenerat memiliki lingkaran luar.

  3. Terdapat sepasang garis berbeda yang jarak antara keduanya terbatas.

  4. Untuk setiap batas yang diberikan, terdapat segitiga yang jari-jari lingkaran dalamnya melampaui batas itu.

  5. Terdapat segitiga tak degenerat yang berdefek nol.

  6. Terdapat suatu persegi panjang; yakni, segiempat yang semua sudutnya siku-siku.

Sulit membayangkan bidang netral yang tidak memenuhi beberapa sifat di atas. Hal itu turut menjelaskan banyaknya bukti yang keliru; masing-masing tanpa sengaja menggunakan salah satu pernyataan tersebut.

Mari kita rumuskan negasi (Hasil di Bab 11) di atas sebagai aksioma baru; kita menamainya h-\!Aksioma V sebagai versi hiperbolik Aksioma V.

h-\!Aksioma V.

Untuk setiap garis ℓ\ell dan setiap titik P∉ℓP\notin\ell, terdapat sekurang-kurangnya dua garis yang melalui PP dan sejajar dengan ℓ\ell.

Menurut Teorema di Bab 7, bidang netral yang memenuhi Aksioma h-\!Aksioma V bukan bidang Euklides. Selain itu, menurut Teorema di Bab 11 (yang tidak kita buktikan), setiap bidang netral non-Euklides memenuhi Aksioma h-\!Aksioma V.

Hal ini membuka jalan untuk mencari bukti dengan kontradiksi. Cukup tukar Aksioma V dengan Aksioma h-\!Aksioma V dan mulailah membuktikan teorema dalam sistem aksioma yang diperoleh. Jika kita sampai pada kontradiksi, kita membuktikan Aksioma V dalam bidang netral. Gagasan ini telah berkembang sejak abad ke-55; hasil-hasil paling penting diperoleh Giovanni Saccheri .

Sistem Aksioma I–Aksioma IV dan h-\!Aksioma V mendefinisikan geometri baru yang kini disebut geometri hiperbolik atau geometri Lobachevsky. Semakin jauh geometri ini dikembangkan, semakin meyakinkan bahwa tidak ada kontradiksi; yakni, sistem Aksioma I–Aksioma IV dan h-\!Aksioma V bersifat konsisten. Sesungguhnya, teorema berikut berlaku:

Teorema Geometri hiperbolik konsisten jika dan hanya jika geometri Euklides juga konsisten.

Pernyataan bahwa geometri hiperbolik tidak mengandung kontradiksi dapat ditemukan dalam surat-surat pribadi Carl Friedrich Gauss, Ferdinand Schweikart, dan Franz Taurinus. 1 Mereka semua tampaknya takut menyatakannya di muka umum. Sebagai contoh, pada 1818 Gauss menulis kepada Gerling:

…Saya senang bahwa Anda berani mengemukakan pendapat seolah-olah Anda mengakui kemungkinan bahwa teori kesejajaran kita, beserta seluruh geometri kita, dapat saja keliru. Namun, tawon-tawon yang sarangnya Anda ganggu akan berkerumun di sekitar kepala Anda.

Nikolai Lobachevsky secara mandiri sampai pada kesimpulan yang sama. Berbeda dengan yang lain, ia berani menyatakannya di muka umum dan dalam bentuk cetak . Hal itu menimbulkan kesulitan serius baginya. Beberapa tahun kemudian, juga secara mandiri, János Bolyai menerbitkan karyanya .

Tampaknya Lobachevsky merupakan orang pertama yang memiliki bukti Teorema di Bab 11, meskipun perumusannya memerlukan aksiomatika ketat yang belum dikembangkan pada masanya. Kemudian, Beltrami memberikan bukti yang lebih bersih untuk arah “jika” teorema tersebut. Ia melakukannya dengan memodelkan titik, garis, jarak, dan ukuran sudut dari satu geometri menggunakan objek-objek lain dalam geometri yang lain. Gagasan yang sama telah digunakan sebelumnya oleh Lobachevsky ; ia memodelkan bidang Euklides di dalam ruang hiperbolik.

Bukti Beltrami menjadi pokok bahasan bab berikutnya.

Kelengkungan

Dalam sebuah surat dari tahun 1824, Gauss menulis:

Anggapan bahwa jumlah ketiga sudut kurang dari π\pi menghasilkan suatu geometri yang aneh, sangat berbeda dari geometri kita tetapi sepenuhnya konsisten, yang telah saya kembangkan hingga benar-benar memuaskan saya, sehingga saya dapat menyelesaikan setiap persoalan di dalamnya kecuali penentuan suatu konstanta, yang tidak dapat ditetapkan secara apriori. Semakin besar konstanta ini dipilih, semakin dekat geometri tersebut dengan geometri Euklides, dan ketika konstanta itu dipilih besar tanpa batas, keduanya berimpit. Teorema-teorema geometri ini tampak paradoksal dan, bagi orang yang belum mengenalnya, tidak masuk akal; tetapi perenungan yang tenang dan saksama menunjukkan bahwa semuanya sama sekali tidak mustahil. Sebagai contoh, ketiga sudut suatu segitiga menjadi sekecil yang dikehendaki jika sisi-sisinya dibuat cukup besar; namun luas segitiga itu tidak pernah dapat melampaui suatu batas tertentu, seberapa pun panjang sisi-sisinya, bahkan tidak pernah dapat mencapai batas tersebut.

Dalam terminologi modern, konstanta yang disebut Gauss dapat dinyatakan sebagai 1/−k1/\sqrt{-k}, dengan k≤0k\le 0 yang disebut kelengkungan bidang netral, yang akan kita perkenalkan.

Identitas dalam Latihan ke-8 di Bab 11 mengisyaratkan bahwa defek suatu segitiga seharusnya sebanding dengan luasnya. 2

Sesungguhnya, untuk setiap bidang netral, terdapat bilangan real tak positif kk sedemikian sehingga

k⋅luas⁡(△ABC)+defek⁡(△ABC)=0k\cdot\area(\triangle ABC)+\defect(\triangle ABC)=0
untuk setiap △ABC\triangle ABC. Bilangan kk ini disebut kelengkungan bidang tersebut.

Sebagai contoh, menurut Teorema di Bab 7, bidang Euklides memiliki kelengkungan nol. Menurut Teorema di Bab 11, kelengkungan setiap bidang netral bersifat tak positif.

Ternyata, hingga isometri, suatu bidang netral ditentukan oleh kelengkungannya; yakni, dua bidang netral saling isometrik jika dan hanya jika keduanya memiliki kelengkungan yang sama.

Dalam bab berikutnya, kita akan membangun sebuah bidang hiperbolik; ini merupakan contoh bidang netral dengan kelengkungan k=−1k=-1.

Setiap bidang netral yang bukan bidang Euklides dapat diperoleh dengan menskalakan ulang metrik pada bidang hiperbolik. Memang, jika kita menskalakan ulang metrik dengan faktor positif cc, luas berubah dengan faktor c2c^2, sedangkan defek tetap sama. Karena itu, dengan mengambil c=1/−kc=1/\sqrt{-k}, kita dapat memperoleh bidang netral berkelengkungan k<0k<0 yang diberikan. Dengan kata lain, semua bidang netral non-Euklides menjadi identik jika kita menggunakan r=1/−kr=1/\sqrt{-k} sebagai satuan panjang.

Dalam Bab 16, kita membahas geometri sferis. Meskipun bola bukan bidang netral, geometri sferis merupakan kerabat dekat geometri Euklides dan hiperbolik.

Segitiga sferis tak degenerat memiliki defek negatif. Selain itu, jika rr merupakan jari-jari bola, maka

1r2⋅luas⁡(△ABC)+defek⁡(△ABC)=0\tfrac1{r^2}\cdot\area(\triangle ABC)+\defect(\triangle ABC)=0
untuk setiap segitiga sferis ABCABC; bandingkan dengan Lema di Bab 16. Dengan kata lain, bola berjari-jari rr memiliki kelengkungan k=1r2k=\tfrac1{r^2}.


  1. Surat tertua yang masih ada ialah surat Gauss kepada Christian Gerling pada 1816 dan surat Schweikart yang bahkan lebih meyakinkan, bertanggal 1818, yang dikirim kepada Gauss melalui Gerling.↩︎

  2. Luas pada bidang netral dibahas secara singkat pada akhir Bab 20, tetapi pembaca juga dapat menggunakan pemahaman intuitif mengenai pengukuran luas.↩︎

Bidang hiperbolik

Ubin segitiga pada model cakram konformal

Dalam bab ini, kita menggunakan geometri inversif untuk membangun suatu model bidang hiperbolik — bidang netral yang bukan bidang Euklides.

Secara khusus, kita membangun apa yang disebut model cakram konformal bidang hiperbolik. Model ini ditemukan oleh Eugenio Beltrami , dan lazim disebut model cakram Poincaré.

Gambar di atas menunjukkan model cakram konformal bidang hiperbolik yang terbagi menjadi segitiga-segitiga kongruen dengan sudut π3\tfrac\pi3, π3\tfrac\pi3, dan π4\tfrac\pi4.

Model cakram konformal

Dalam bagian ini, kita memberi nama baru kepada objek-objek tertentu pada bidang Euklides yang akan mewakili garis, ukuran sudut, dan jarak pada bidang hiperbolik.

Bidang hiperbolik. Tetapkan sebuah lingkaran pada bidang Euklides dan sebut lingkaran itu sebagai lingkaran absolut. Himpunan titik di dalam lingkaran absolut akan disebut bidang hiperbolik (atau bidang-h).

Titik-titik pada lingkaran absolut tidak termasuk dalam bidang-h. Titik-titik dalam bidang-h juga akan disebut titik-h.

Kita akan sering mengandaikan bahwa lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan.

Garis hiperbolik. Irisan bidang-h dengan lingkaran umum yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut disebut garis hiperbolik atau garis-h.

Garis-h dengan dua titik ideal

Menurut Akibat di Bab 10, terdapat tepat satu garis-h yang melalui sebarang dua titik-h berbeda PP dan QQ. Garis-h ini akan dinotasikan dengan (PQ)h(PQ)_h.

Busur-busur garis hiperbolik akan disebut ruas hiperbolik atau ruas-h. Ruas-h dengan titik ujung PP dan QQ akan dinotasikan dengan [PQ]h[PQ]_h.

Bagian garis-h pada satu sisi suatu titik akan disebut sinar hiperbolik (atau sinar-h). Secara lebih tepat, sinar-h adalah irisan bidang-h dengan suatu busur yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut dan tepat satu titik ujungnya berada dalam bidang-h. Sinar-h yang berawal di PP dan melalui QQ akan dinotasikan dengan [PQ)h[PQ)_h.

Jika Γ\Gamma merupakan lingkaran umum yang memuat garis-h (PQ)h(PQ)_h, maka titik-titik (AA dan BB pada gambar) tempat Γ\Gamma berpotongan dengan lingkaran absolut disebut titik ideal dari (PQ)h(PQ)_h. (Titik ideal suatu garis-h tidak termasuk dalam garis-h tersebut.)

Suatu tripel terurut titik-h, misalnya (P,Q,R)(P,Q,R), akan disebut segitiga-h PQRPQR dan dinotasikan dengan △hPQR\triangle_h P Q R.

Perlu ditegaskan bahwa, sampai tahap ini, garis-h (PQ)h(PQ)_h hanyalah suatu subhimpunan bidang-h, tetapi sebentar lagi kita akan memperkenalkan jarak-h dan menunjukkan bahwa (PQ)h(PQ)_h merupakan garis untuk jarak-h dalam arti Definisi Persamaan di Bab 1.

Latihan Tunjukkan bahwa suatu garis-h ditentukan secara tunggal oleh titik-titik idealnya.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa suatu garis-h ditentukan secara tunggal oleh salah satu titik idealnya dan satu titik-h pada garis-h tersebut.

Petunjuk

Latihan kelas Tunjukkan bahwa ruas-h [PQ]h[PQ]_h berimpit dengan ruas Euklides [PQ][PQ] jika dan hanya jika garis (PQ)(PQ) melalui pusat lingkaran absolut.

Petunjuk

Jarak hiperbolik. Tinjau dua titik-h berbeda PP dan QQ, dan misalkan AA dan BB menyatakan titik-titik ideal dari (PQ)h(PQ)_h. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa pada lingkaran umum Euklides yang memuat garis-h (PQ)h(PQ)_h, titik-titik A,P,Q,BA,P,Q,B muncul dalam urutan yang sama.

Tinjau fungsi

δ(P,Q):=AQ⋅PBAP⋅QB.\delta(P,Q)\df\frac{AQ\cdot PB}{AP\cdot QB}.
Ruas kanan merupakan suatu rasio silang; menurut Teorema di Bab 10, ruas itu invarian terhadap inversi. Kita menetapkan δ(P,P)=1\delta(P,P)=1 untuk setiap titik-h PP. Kita definisikan jarak-h sebagai logaritma δ\delta; yakni,
PQh:=ln⁡[δ(P,Q)].PQ_h\df\ln[\delta(P,Q)].

Bukti bahwa PQhPQ_h merupakan metrik pada bidang-h akan diberikan kemudian. Untuk saat ini, jarak-h hanyalah fungsi yang menghasilkan nilai real PQhPQ_h untuk setiap pasangan titik-h PP dan QQ.

Latihan Misalkan OO merupakan pusat lingkaran absolut. Andaikan titik-titik-h OO, XX, dan YY terletak pada suatu garis-h dalam urutan yang sama, dan OX=XYOX\z=XY. Buktikan bahwa OXh<XYhOX_h<XY_h.

Petunjuk

Sudut hiperbolik. Tinjau tiga titik-h PP, QQ, dan RR sedemikian sehingga P≠QP\ne Q dan R≠QR\ne Q. Sudut hiperbolik PQRPQR (secara ringkas ∠hPQR\angle_h PQR) terdiri atas pasangan terurut sinar-h [QP)h[QP)_h dan [QR)h[QR)_h.

Misalkan [QX)[QX) dan [QY)[QY) merupakan sinar-sinar (Euklides) yang menyinggung [QP]h[QP]_h dan [QR]h[QR]_h di QQ. Maka ukuran sudut hiperbolik (atau ukuran sudut-h) dari ∠hPQR\angle_h PQR dinotasikan dengan ∡hPQR\measuredangle_h PQR dan didefinisikan sebagai ∡XQY\measuredangle XQY.

Latihan Misalkan PP merupakan titik-h yang tidak terletak pada suatu garis-h ℓ\ell. Tunjukkan bahwa terdapat tepat satu garis-h melalui PP yang tegak lurus terhadap ℓ\ell.

Petunjuk

Rencana pembuktian

Kita telah memperkenalkan semua pengertian-h yang diperlukan dalam perumusan aksioma I–Aksioma IV dan h-Aksioma V. Tinggal ditunjukkan bahwa semua aksioma tersebut berlaku; hal ini akan diselesaikan pada akhir bab ini.

Setelah pembuktian kita lengkap, kita akan memiliki suatu model yang menjadi contoh bidang netral. Sesudah itu, kita dapat menggunakan pendekatan aksiomatik pada bidang-h; sebagai contoh, Latihan ke-5 di Bab 12 dapat dibuktikan dengan cara yang sama seperti Teorema di Bab 5.

Yang terpenting, kita akan membuktikan bagian “jika” dari Teorema di Bab 11.

Memang, setiap pernyataan dalam geometri hiperbolik dapat dinyatakan kembali pada bidang Euklides dengan menggunakan pengertian-h yang telah diperkenalkan. Akibatnya, jika sistem aksioma I–Aksioma IV dan h-Aksioma V menghasilkan kontradiksi, sistem aksioma I–Aksioma V juga menghasilkan kontradiksi.

Pernyataan bantu

Model konformal dapat dibandingkan dengan teleskop — model ini memungkinkan kita melihat bidang-h dari bidang Euklides. Dengan melanjutkan analogi tersebut, dapat dikatakan bahwa lema berikut akan digunakan untuk mengarahkan teleskop ke sebarang titik tertentu dalam bidang-h.

Lema Tinjau bidang-h dengan lingkaran satuan Ω\Omega sebagai lingkaran absolut. Misalkan OO merupakan pusat Ω\Omega dan PP merupakan titik-h lainnya. Maka terdapat lingkaran Γ\Gamma yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut sedemikian sehingga OO merupakan bayangan inversi PP terhadap Γ\Gamma.

Selain itu, Γ\Gamma berjari-jari 1−OP2OP\tfrac{\sqrt{1-OP^2}}{OP}, dan pusatnya P′P' merupakan bayangan inversi PP terhadap lingkaran absolut.

Lingkaran inversi yang membawa P ke O

Bukti. Misalkan P′P' merupakan bayangan inversi PP terhadap lingkaran absolut. Pilih titik TT pada lingkaran absolut sedemikian sehingga ∠OPT\angle OPT siku-siku. Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran berpusat di P′P' yang melalui TT.

Menurut Lema di Bab 10, △OPT∼△OTP′\triangle OPT\sim \triangle OTP'. Akibatnya, ∠OTP′\angle OTP' siku-siku dan Γ⟂Ω\Gamma\perp\Omega.

Menurut AA, △TPP′∼△OTP′\triangle TPP'\sim \triangle OTP' (sudut di P′P' berimpit, sedangkan ∠TPP′\angle TPP' dan ∠OTP′\angle OTP' siku-siku). Oleh karena itu, OP′P′T=P′TPP′\tfrac{OP'}{P'T}=\tfrac{P'T}{PP'}; jadi, OO merupakan bayangan inversi PP terhadap Γ\Gamma.

Perhatikan bahwa OP′⋅OP=OT2OP'\cdot OP=OT^2. Menurut teorema Pythagoras, P′T2=P′P2+PT2P'T^2\z=P'P^2+PT^2 dan PT2=OT2−PO2PT^2=OT^2-PO^2. Karena P′P=OP′−OPP'P=OP'-OP dan OT=1OT=1, kita memperoleh P′T=1−OP2OPP'T=\tfrac{\sqrt{1-OP^2}}{OP}, dan pernyataan kedua terbukti. ▫\square

Andaikan Γ\Gamma merupakan lingkaran umum yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut. Tinjau inversi X↦X′X\mapsto X' terhadap Γ\Gamma; jika Γ\Gamma merupakan garis, tetapkan X↦X′X\mapsto X' sebagai pencerminan terhadap Γ\Gamma.

Pengamatan berikut menyatakan bahwa pemetaan X↦X′X\mapsto X' mempertahankan semua pengertian yang diperkenalkan dalam bagian sebelumnya. Bersama dengan lema di atas, hal ini menyiratkan bahwa dalam setiap persoalan yang dirumuskan sepenuhnya dengan istilah-h, kita dapat mengandaikan bahwa suatu titik-h yang diberikan terletak di pusat lingkaran absolut.

Pengamatan utama Pemetaan X↦X′X\mapsto X' yang diuraikan di atas merupakan bijeksi dari bidang-h ke dirinya sendiri. Selain itu, untuk sebarang titik-h PP, QQ, dan RR sedemikian sehingga P≠QP\ne Q dan Q≠RQ\ne R, pernyataan berikut berlaku:

  1. Garis-h (PQ)h(PQ)_h, sinar-h [PQ)h[PQ)_h, dan ruas-h [PQ]h[PQ]_h masing-masing ditransformasikan menjadi (P′Q′)h(P'Q')_h, [P′Q′)h[P'Q')_h, dan [P′Q′]h[P'Q']_h.

  2. δ(P′,Q′)=δ(P,Q)\delta(P',Q')=\delta(P,Q) dan P′Qh′=PQhP'Q'_h=PQ_h.

  3. ∡hP′Q′R′≡−∡hPQR\measuredangle_h P'Q'R'\equiv-\measuredangle_h PQR.

Pengamatan ini berguna untuk dibandingkan dengan Proposisi di Bab 5.

Bukti. Menurut Teorema di Bab 10, pemetaan tersebut memetakan lingkaran absolut ke dirinya sendiri. Oleh karena itu, titik-titik pada Γ\Gamma tidak berpindah. Akibatnya, titik-titik di dalam lingkaran absolut tetap berada di dalamnya setelah dipetakan. Dengan demikian, X↦X′X\mapsto X' merupakan bijeksi dari bidang-h ke dirinya sendiri.

Bagian (Hasil di Bab 12) mengikuti dari Teorema di Bab 10 dan Teorema di Bab 10.

Bagian (Hasil di Bab 12) mengikuti dari Teorema di Bab 10.

Bagian (Hasil di Bab 12) mengikuti dari Teorema di Bab 10. ▫\square

Lema Andaikan lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan berpusat di OO. Untuk suatu titik-h PP, tetapkan x=OPx=OP dan y=OPhy=OP_h. Maka

y=ln⁡1+x1−xdanx=ey−1ey+1.\begin{align*} y&=\ln\frac{1+x}{1-x} & &\text{dan} & x&=\frac{e^y-1}{e^y+1}. \end{align*}

Perhatikan bahwa menurut lema tersebut, OPh→∞OP_h\to \infty ketika OP→1OP\to 1. Artinya, jika PP mendekati lingkaran absolut dalam pengertian Euklides, titik itu menuju tak hingga dalam pengertian-h.

Jarak radial pada cakram satuan

Bukti. Garis-h (OP)h(OP)_h terletak pada suatu diameter lingkaran absolut. Jika AA dan BB merupakan titik-titik ideal seperti dalam definisi jarak-h, maka

OA=OB=1,PA=1+x,PB=1−x.\begin{align*} OA&=OB=1, \\ PA&=1+x, \\ PB&=1-x. \end{align*}
Khususnya,
y=ln⁡AP⋅BOPB⋅OA=ln⁡1+x1−x.\begin{align*} y&=\ln \frac{AP\cdot BO}{PB\cdot OA}=\ln\frac{1+x}{1-x}. \end{align*}

Dengan mengambil fungsi eksponensial pada ruas kiri dan kanan serta melakukan manipulasi aljabar langsung, kita memperoleh

x=ey−1ey+1.x=\frac{e^y-1}{e^y+1}.

Lema Andaikan titik-titik PP, QQ, dan RR muncul pada suatu garis-h dalam urutan yang sama. Maka

PQh+QRh=PRh.PQ_h+QR_h=PR_h.

Bukti. Perhatikan bahwa

PQh+QRh=PRhPQ_h+QR_h=PR_h
ekuivalen dengan
δ(P,Q)⋅δ(Q,R)=δ(P,R).\delta(P,Q)\cdot\delta(Q,R)=\delta(P,R).\label{eq:deltaPQR}

Misalkan AA dan BB merupakan titik-titik ideal dari (PQ)h(PQ)_h. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa titik-titik AA, PP, QQ, RR, dan BB muncul dalam urutan yang sama pada lingkaran umum yang memuat (PQ)h(PQ)_h. Maka

δ(P,Q)⋅δ(Q,R)=AQ⋅BPQB⋅PA⋅AR⋅BQRB⋅QA==AR⋅BPRB⋅PA==δ(P,R).\begin{align*} \delta(P,Q)\cdot\delta(Q,R) &= \frac{AQ\cdot BP}{QB\cdot PA}\cdot\frac{AR\cdot BQ}{RB\cdot QA}= \\ &=\frac{AR\cdot BP}{RB\cdot PA}= \\ &=\delta(P,R). \end{align*}
Dengan demikian, Persamaan di Bab 12 terbukti. ▫\square

Misalkan PP merupakan titik-h dan ρ>0\rho>0. Himpunan semua titik-h QQ sedemikian sehingga PQh=ρPQ_h=\rho disebut lingkaran-h berpusat di PP dengan jari-jari-h ρ\rho.

Lema Setiap lingkaran-h merupakan lingkaran Euklides yang seluruhnya terletak dalam bidang-h.

Secara lebih tepat, untuk setiap titik-h PP dan ρ≥0\rho\ge 0 terdapat ρ̂≥0\hat\rho\ge 0 dan titik P̂\hat P sedemikian sehingga

PQh=ρ⇔P̂Q=ρ̂PQ_h= \rho \quad \iff \quad \hat PQ= \hat\rho
untuk setiap titik-h QQ.

Selain itu, jika OO merupakan pusat lingkaran absolut, maka

  1. Ô=O\hat O=O untuk setiap ρ\rho, dan

  2. P̂∈(OP)\hat P\in (OP) untuk setiap P≠OP\ne O.

Lingkaran-h sebagai lingkaran Euklides

Bukti. Menurut Lema di Bab 12, OQh=ρOQ_h\z= \rho jika dan hanya jika

OQ=ρ̂=eρ−1eρ+1.OQ= \hat\rho=\frac{e^\rho-1}{e^\rho+1}.
Oleh karena itu, lokus titik-h QQ sedemikian sehingga OQh=ρOQ_h= \rho merupakan suatu lingkaran Euklides; nyatakan lingkaran itu dengan Δρ\Delta_\rho.

Jika P≠OP\ne O, maka menurut Lema di Bab 12 dan Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), terdapat suatu inversi yang mempertahankan semua pengertian-h dan memetakan O↦PO\mapsto P.

Misalkan Δρ′\Delta_\rho' merupakan invers dari Δρ\Delta_\rho. Karena inversi mempertahankan jarak-h, PQh=ρPQ_h=\rho jika dan hanya jika Q∈Δρ′Q\z\in\Delta_\rho'.

Menurut Teorema di Bab 10, Δρ′\Delta_\rho' merupakan lingkaran Euklides. Misalkan P̂\hat P dan ρ̂\hat\rho menyatakan pusat dan jari-jari Euklides dari Δρ′\Delta_\rho'.

Terakhir, perhatikan bahwa pencerminan terhadap (OP)(OP) memetakan Δρ′\Delta_\rho' ke dirinya sendiri; artinya, pusat P̂\hat P terletak pada (OP)(OP). ▫\square

Latihan Uraikan suatu segitiga-h tak degenerat △hPQR\triangle_hPQR yang tidak memiliki lingkaran luar-h; yakni, titik-titik sudutnya PP, QQ, dan RR tidak terletak pada suatu lingkaran-h ataupun garis-h.

Petunjuk

Aksioma

Aksioma I

Jelas bahwa bidang-h memuat sekurang-kurangnya dua titik. Oleh karena itu, untuk menunjukkan bahwa Aksioma I berlaku pada bidang-h, kita perlu menunjukkan bahwa jarak-h yang didefinisikan dalam Bagian ke-1 di Bab 12 merupakan metrik; yakni, syarat-syarat (Persamaan di Bab 1)–(Persamaan di Bab 1) dalam Definisi Persamaan di Bab 1 berlaku untuk jarak-h.

Klaim berikut menyatakan bahwa jarak-h memenuhi syarat (Persamaan di Bab 1) dan (Persamaan di Bab 1).

Klaim Untuk setiap pasangan titik-h PP dan QQ, berlaku PQh≥0PQ_h\ge 0 dan PQh=0PQ_h=0 jika dan hanya jika P=QP=Q.

Bukti. Menurut Lema di Bab 12 dan Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), kita dapat mengandaikan bahwa QQ merupakan pusat lingkaran absolut. Dalam kasus ini,

δ(Q,P)=1+QP1−QP≥1\delta(Q,P)=\frac{1+QP}{1-QP}\ge 1
dan karena itu
QPh=ln⁡[δ(Q,P)]≥0.QP_h=\ln[\delta(Q,P)]\ge 0.
Selain itu, kesamaan berlaku jika dan hanya jika P=QP=Q. ▫\square

Klaim berikut menyatakan bahwa jarak-h memenuhi syarat Persamaan di Bab 1Persamaan di Bab 1.

Klaim Untuk setiap titik-h PP dan QQ, berlaku PQh=QPhPQ_h=QP_h.

Bukti. Misalkan AA dan BB merupakan titik-titik ideal dari (PQ)h(PQ)_h, dan A,P,Q,BA,P,Q,B muncul pada lingkaran umum yang memuat (PQ)h(PQ)_h dalam urutan yang sama.

Urutan titik pada satu garis-h

Maka

PQh=ln⁡AQ⋅BPQB⋅PA==ln⁡BP⋅AQPA⋅QB==QPh.\begin{align*} PQ_h &=\ln\frac{AQ\cdot BP}{QB\cdot PA} = \\ &=\ln\frac{BP\cdot AQ}{PA\cdot QB}= \\ &=QP_h. \end{align*}

Klaim berikut menunjukkan, khususnya, bahwa ketaksamaan segitiga (yang merupakan syarat Persamaan di Bab 1Persamaan di Bab 1) berlaku untuk jarak-h.

Klaim Untuk suatu tripel titik-h PP, QQ, dan RR, berlaku

PQh+QRh≥PRh.PQ_h+QR_h\ge PR_h.
Selain itu, kesamaan berlaku jika dan hanya jika PP, QQ, dan RR terletak pada satu garis-h dalam urutan yang sama.

Bukti. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa PP merupakan pusat lingkaran absolut dan 0<QRh≤PQh0<QR_h\le PQ_h.

Misalkan Δ\Delta merupakan lingkaran-h berpusat di QQ dengan jari-jari-h QRhQR_h. Pilih titik SS dan TT pada irisan (PQ)(PQ) dengan Δ\Delta sedemikian sehingga PP, SS, QQ, dan TT muncul pada garis-h dalam urutan yang sama. Hal ini dimungkinkan oleh Lema di Bab 12, karena QSh=QTh=QRh≤PQhQS_h\z=QT_h\z=QR_h\z\le PQ_h.

Lingkaran-h untuk ketaksamaan segitiga

Menurut Lema di Bab 12, Δ\Delta merupakan lingkaran Euklides; misalkan Q̂\hat Q merupakan pusat Euklidesnya.

Perhatikan bahwa Q̂S=Q̂T=Q̂R\hat QS\z=\hat QT\z=\hat QR. Menurut ketaksamaan segitiga Euklides,

PT=PQ̂+Q̂R≥PR,PT = P\hat Q+\hat Q R \ge PR, \label{RT>RQ}
dan kesamaan berlaku jika dan hanya jika T=RT=R.

Menurut Lema di Bab 12,

PTh=ln⁡1+PT1−PT,PRh=ln⁡1+PR1−PR.\begin{align*} PT_h&=\ln\frac{1+PT}{1-PT},\\ PR_h&=\ln\frac{1+PR}{1-PR}. \end{align*}
Perhatikan bahwa fungsi x↦ln⁡1+x1−xx\mapsto\ln\frac{1+x}{1-x} meningkat untuk 0≤x<10\le x<1. Oleh karena itu, Persamaan di Bab 12 menyiratkan
PTh≥PRh;PT_h\ge PR_h;
selain itu, kesamaan berlaku jika dan hanya jika T=RT\z=R.

Terakhir, dengan menerapkan Lema di Bab 12 sekali lagi, kita memperoleh

PTh=PQh+QRh.PT_h=PQ_h+QR_h.
Dengan demikian, klaim tersebut terbukti. ▫\square

Aksioma II

Setelah klaim berikut terbukti, Aksioma II mengikuti dari Akibat di Bab 10.

Klaim Suatu subhimpunan bidang-h merupakan garis-h jika dan hanya jika subhimpunan itu merupakan garis untuk jarak-h dalam arti Definisi Persamaan di Bab 1.

Bukti. Misalkan ℓ\ell merupakan garis-h. Dengan menerapkan Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), kita dapat mengandaikan bahwa ℓ\ell memuat pusat lingkaran absolut. Dalam kasus ini, ℓ\ell merupakan irisan suatu diameter lingkaran absolut dengan bidang-h. Misalkan AA dan BB merupakan titik-titik ujung diameter tersebut.

Koordinat logaritmik pada garis-h diameter

Tinjau pemetaan ιℓ→ℝ\iota\:\ell\to \mathbb{R} yang didefinisikan sebagai

ι(X)=ln⁡AXXB.\iota(X)=\ln \frac{AX}{XB}.
Perhatikan bahwa ιℓ→ℝ\iota\:\ell\to \mathbb{R} merupakan bijeksi.

Selain itu, jika X,Y∈ℓX,Y\in \ell dan titik-titik AA, XX, YY, dan BB muncul pada [AB][AB] dalam urutan yang sama, maka

ι(Y)−ι(X)=ln⁡AYYB−ln⁡AXXB=ln⁡AY⋅BXYB⋅AX=XYh.\iota(Y)-\iota(X)=\ln \frac{AY}{YB}-\ln \frac{AX}{XB}=\ln \frac{AY\cdot BX}{YB\cdot AX}=XY_h.

Kita telah menunjukkan bahwa setiap garis-h merupakan garis untuk jarak-h. Arah sebaliknya mengikuti dari Klaim Klaim di Bab 12. ▫\square

Aksioma III

Bagian pertama Aksioma III mengikuti langsung dari definisi ukuran sudut-h (yang didefinisikan dalam Bagian ke-1 di Bab 12). Tinggal ditunjukkan bahwa ∡h\measuredangle_h memenuhi syarat Rujukan di Bab 2, Rujukan di Bab 2, dan Rujukan di Bab 2 (lihat Bagian ke-1 di Bab 2).

Dua klaim berikut menyatakan bahwa ∡h\measuredangle_h memenuhi Rujukan di Bab 2 dan Rujukan di Bab 2.

Klaim Untuk suatu sinar-h [OP)h[O P)_h dan α∈(−π,π]\alpha\in(-\pi,\pi], terdapat tepat satu sinar-h [OQ)h[O Q)_h sedemikian sehingga ∡hPOQ=α\measuredangle_h P O Q= \alpha.

Klaim Untuk sebarang titik-h PP, QQ, dan RR yang berbeda dari suatu titik-h OO, berlaku

∡hPOQ+∡hQOR≡∡hPOR.\measuredangle_h P O Q+\measuredangle_h Q O R \equiv\measuredangle_h P O R.

Bukti Klaim di Bab 12 dan Klaim di Bab 12. Dengan menerapkan Pengamatan utama, kita dapat mengandaikan bahwa OO merupakan pusat lingkaran absolut. Dalam kasus ini, untuk setiap titik-h P≠OP\z\ne O, sinar-h [OP)h[OP)_h merupakan irisan sinar Euklides [OP)[OP) dengan bidang-h. Dengan demikian, Klaim di Bab 12 dan Klaim di Bab 12 mengikuti dari aksioma Rujukan di Bab 2 dan Rujukan di Bab 2 pada bidang Euklides. ▫\square

Klaim berikut menyatakan bahwa ∡h\measuredangle_h memenuhi Rujukan di Bab 2.

Klaim Fungsi

∡h(P,Q,R)↦∡hPQR\measuredangle_h\:(P,Q,R)\mapsto\measuredangle_h P Q R
kontinu pada setiap tripel titik (P,Q,R)(P,Q,R) sedemikian sehingga Q≠PQ\ne P, Q≠RQ\ne R, dan ∡hPQR≠π\measuredangle_h P Q R\ne\pi.

Bukti. Misalkan OO menyatakan pusat lingkaran absolut. Kita dapat mengandaikan bahwa QQ berbeda dari OO; hal ini mengikuti dari Pengamatan utama.

Pemindahan sudut-h ke pusat cakram

Misalkan ZZ merupakan bayangan inversi QQ terhadap lingkaran absolut; nyatakan dengan Γ\Gamma lingkaran berpusat di ZZ yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut. Menurut Lema di Bab 12, titik OO merupakan bayangan inversi QQ terhadap Γ\Gamma.

Misalkan P′P' dan R′R' masing-masing merupakan bayangan inversi titik PP dan RR terhadap Γ\Gamma. Titik P′P' sepenuhnya ditentukan oleh QQ dan PP. Selain itu, pemetaan (Q,P)↦P′(Q,P)\mapsto P' kontinu pada setiap pasangan titik-h (Q,P)(Q,P) sedemikian sehingga Q≠OQ\ne O. Hal yang sama berlaku untuk pemetaan (Q,R)↦R′(Q,R)\mapsto R'.

Menurut Pengamatan utama,

∡hPQR≡−∡hP′OR′.\measuredangle_h P Q R\equiv -\measuredangle_h P' O R'.
Karena ∡hP′OR′=∡P′OR′\measuredangle_h P' O R'=\measuredangle P' O R' dan pemetaan (Q,P)↦P′(Q,P)\mapsto P' serta (Q,R)↦R′(Q,R)\mapsto R' kontinu, klaim tersebut mengikuti dari aksioma yang bersesuaian pada bidang Euklides. ▫\square

Aksioma IV

Klaim berikut menyatakan bahwa Aksioma IV berlaku pada bidang-h.

Klaim Pada bidang-h, berlaku △hPQR≅△hP′Q′R′\triangle_h P Q R \cong \triangle_h P' Q' R' jika dan hanya jika

Q′Ph′=QPh,Q′Rh′=QRhdan∡hP′Q′R′=±∡hPQR.\begin{align*} Q' P'_h&=Q P_h, & Q' R'_h&= Q R_h &&\text{dan} &\measuredangle_h P' Q' R'&=\pm\measuredangle_h P Q R. \end{align*}

Bukti. Dengan menerapkan Pengamatan utama, kita dapat mengandaikan bahwa QQ dan Q′Q' berimpit dengan pusat lingkaran absolut; khususnya, Q=Q′Q=Q'. Dalam kasus ini,

∡P′QR′=∡hP′QR′=±∡hPQR=±∡PQR.\measuredangle P' Q R'=\measuredangle_h P' Q R'=\pm\measuredangle_h P Q R=\pm\measuredangle P Q R.
Karena
QPh=QPh′danQRh=QRh′,Q P_h=Q P'_h\quad \text{dan}\quad Q R_h=Q R'_h,
Lema di Bab 12 menyiratkan bahwa hal yang sama berlaku untuk jarak Euklides; yakni,
QP=QP′danQR=QR′.Q P=Q P' \quad \text{dan} \quad Q R=Q R'.
Menurut SAS, terdapat transformasi isometrik bidang Euklides yang memetakan QQ ke dirinya sendiri, PP ke P′P', dan RR ke R′R'.

Perhatikan bahwa pusat lingkaran absolut merupakan titik tetap transformasi isometrik tersebut. Akibatnya, transformasi ini juga memberikan transformasi isometrik bidang-h; khususnya, segitiga-h △hPQR\triangle_h P Q R dan △hP′QR′\triangle_h P' Q R' kongruen-h. ▫\square

Aksioma h-\!Aksioma V

Terakhir, kita perlu memeriksa bahwa Aksioma h-\!Aksioma V dalam Bagian ke-4 di Bab 11 berlaku; yakni, kita perlu membuktikan klaim berikut.

Dua garis-h melalui P yang tidak memotong ell

Klaim Untuk setiap garis-h ℓ\ell dan setiap titik-h P∉ℓP\notin\ell, terdapat sekurang-kurangnya dua garis-h yang melalui PP dan tidak memiliki titik potong dengan ℓ\ell.

Sebagai pengganti bukti. Dengan menerapkan Pengamatan utama, kita dapat mengandaikan bahwa PP merupakan pusat lingkaran absolut.

Bagian pembuktian yang tersisa dapat ditebak dari gambar. ▫\square

Latihan

  1. Gambarlah tiga garis-h yang saling sejajar sedemikian sehingga setiap pasangan dari ketiga garis tersebut terletak pada satu sisi garis-h yang tersisa.

    Petunjuk subbagian
  2. Gambarlah garis-h ℓ\ell, mm, dan nn sedemikian sehingga ℓ∥m\ell\parallel m, m∥nm\parallel n, tetapi ℓ∦n\ell\nparallel n. Simpulkan bahwa kesejajaran bukan merupakan relasi ekuivalensi untuk garis-h.

    Petunjuk subbagian
  3. Gambarlah garis-h kk, ℓ\ell, mm, dan nn sedemikian sehingga k⟂ℓk\perp \ell, ℓ⟂m\ell\perp m, m⟂nm\perp n, dan k∥nk\parallel n.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk seluruh latihan

Trigonometri hiperbolik

Bagian ini memberikan rumus-rumus jarak-h dengan menggunakan fungsi hiperbolik. Salah satu rumus tersebut akan digunakan dalam pembuktian teorema Pythagoras hiperbolik (Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13).

Ingat bahwa cosh\cosh, sinh\sinh, dan tanh\tanh masing-masing menyatakan kosinus hiperbolik, sinus hiperbolik, dan tangen hiperbolik; yakni, fungsi-fungsi yang didefinisikan oleh

cosh⁡x:=ex+e−x2,sinh⁡x:=ex−e−x2,\cosh x\df \tfrac{e^x+e^{-x}}2, \quad \sinh x\df \tfrac{e^x-e^{-x}}2,
tanh⁡x:=sinh⁡xcosh⁡x.\tanh x\df \tfrac{\sinh x}{\cosh x}.

Fungsi-fungsi hiperbolik ini analog dengan sinus, kosinus, dan tangen.

Latihan Buktikan identitas-identitas berikut:

cosh⁡′x=sinh⁡x;sinh⁡′x=cosh⁡x;(cosh⁡x)2−(sinh⁡x)2=1.\cosh' x=\sinh x;\quad \sinh'x=\cosh x;\quad (\cosh x)^2-(\sinh x)^2=1.

Latihan Andaikan lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan berpusat di OO. Tunjukkan bahwa

OP=tanh⁡(12⋅OPh)OP=\tanh(\tfrac12 \cdot OP_h)
untuk setiap titik-h PP.

Petunjuk

Identitas argumen ganda Identitas

cosh⁡(2⋅x)=(cosh⁡x)2+(sinh⁡x)2dansinh⁡(2⋅x)=2⋅sinh⁡x⋅cosh⁡x\begin{align*} \cosh (2\cdot x)&=(\cosh x)^2+(\sinh x)^2 &&\text{dan}& \sinh (2\cdot x)&=2\cdot\sinh x\cdot \cosh x \end{align*}
berlaku untuk setiap nilai real xx.

Bukti.

(sinh⁡x)2+(cosh⁡x)2=(ex−e−x2)2+(ex+e−x2)2==e2⋅x+e−2⋅x2==cosh⁡(2⋅x);2⋅sinh⁡x⋅cosh⁡x=2⋅(ex−e−x2)⋅(ex+e−x2)==e2⋅x−e−2⋅x2==sinh⁡(2⋅x).\begin{align*} (\sinh x)^2+(\cosh x)^2 &=(\tfrac{e^x-e^{-x}}2)^2+(\tfrac{e^x+e^{-x}}2)^2= \\ &=\tfrac{e^{2\cdot x}+e^{-2\cdot x}}2= \\ &=\cosh (2\cdot x); \\ 2\cdot\sinh x\cdot \cosh x &=2\cdot(\tfrac{e^x-e^{-x}}2)\cdot(\tfrac{e^x+e^{-x}}2)= \\ &=\tfrac{e^{2\cdot x}-e^{-2\cdot x}}2= \\ &=\sinh (2\cdot x). \end{align*}

Latihan lanjutan Misalkan PP dan QQ merupakan dua titik-h yang berbeda dari pusat lingkaran absolut. Nyatakan dengan P′P' dan Q′Q' bayangan inversi PP dan QQ terhadap lingkaran absolut.

Empat titik untuk rumus jarak hiperbolik

Tunjukkan bahwa

  1. cosh⁡[12⋅PQh]=PQ′⋅P′QPP′⋅QQ′;\displaystyle{\cosh[\tfrac12\cdot PQ_h]=\sqrt{\frac{PQ'\cdot P'Q}{PP'\cdot QQ'}};}

    Petunjuk subbagian
  2. sinh⁡[12⋅PQh]=PQ⋅P′Q′PP′⋅QQ′;\displaystyle{\sinh[\tfrac12\cdot PQ_h]=\sqrt{\frac{PQ\cdot P'Q'}{PP'\cdot QQ'}};}

    Petunjuk subbagian
  3. tanh⁡[12⋅PQh]=PQ⋅P′Q′PQ′⋅P′Q;\displaystyle{\tanh[\tfrac12\cdot PQ_h]=\sqrt{\frac{PQ\cdot P'Q'}{PQ'\cdot P'Q}};}

    Petunjuk subbagian
  4. cosh⁡PQh=PQ⋅P′Q′+PQ′⋅P′QPP′⋅QQ′.\displaystyle{\cosh PQ_h=\frac{PQ\cdot P'Q'+PQ'\cdot P'Q}{PP'\cdot QQ'}.}

    Petunjuk subbagian
Petunjuk seluruh latihan

Geometri bidang-h

Dalam bab ini, kita mempelajari geometri bidang yang digambarkan oleh model cakram konformal, atau singkatnya bidang-h.

Kita dapat bekerja dengan model ini di dalam bidang Euklides. Selain itu, kita dapat menerapkan aksioma-aksioma geometri netral karena semuanya berlaku pada bidang-h; fakta terakhir ini telah dibuktikan dalam bab sebelumnya.

Sudut paralelisme

Misalkan PP merupakan suatu titik di luar garis-h ℓ\ell. Tarik garis tegak lurus (PQ)h(PQ)_h dari PP ke ℓ\ell; misalkan QQ merupakan titik kaki tegak lurusnya. Misalkan ϕ\phi merupakan nilai terkecil sedemikian sehingga garis-h (PZ)h(PZ)_h dengan |∡hQPZ|=ϕ|\measuredangle_h Q P Z|=\phi tidak berpotongan dengan ℓ\ell.

Nilai ϕ\phi disebut sudut paralelisme di PP terhadap ℓ\ell. Jelas bahwa ϕ\phi hanya bergantung pada jarak-h s=PQhs=PQ_h. Selain itu, ϕ(s)→π/2\phi(s)\to \pi/2 ketika s→0s\to 0, dan ϕ(s)→0\phi(s)\to0 ketika s→∞s\to\infty. (Dalam geometri Euklides, sudut paralelisme selalu sama dengan π/2\pi/2.)

Latihan Andaikan ▫hABCD\square_hABCD memiliki sudut-h siku-siku di AA, BB, dan CC. Tunjukkan bahwa |∡hCDA|>ϕ|\measuredangle_h CDA|>\phi, dengan ϕ\phi merupakan sudut paralelisme di DD terhadap (AB)h(AB)_h.

Petunjuk
Garis-h sejajar asimtotik dan ultraparalel

Jika ℓ\ell, PP, dan ZZ seperti di atas, garis-h m=(PZ)hm=(PZ)_h disebut sejajar asimtotik dengan ℓ\ell. Dengan kata lain, dua garis-h sejajar asimtotik jika keduanya memiliki satu titik ideal bersama. (Dalam geometri hiperbolik, istilah garis sejajar sering digunakan untuk garis sejajar asimtotik; kita tidak mengikuti konvensi ini.)

Untuk P∉ℓP\not\in\ell, terdapat tepat dua garis-h melalui PP yang sejajar asimtotik dengan ℓ\ell; garis-garis sejajar lainnya disebut ultraparalel.

Pada gambar, kedua garis-h penuh yang melalui PP sejajar asimtotik dengan ℓ\ell; garis-h putus-putus ultraparalel dengan ℓ\ell.

Latihan Tunjukkan bahwa dua garis-h berbeda ℓ\ell dan mm bersifat ultraparalel jika dan hanya jika keduanya memiliki suatu garis tegak lurus bersama; yakni, terdapat garis-h nn sedemikian sehingga n⟂ℓn\perp \ell dan n⟂mn\perp m.

Petunjuk

Proposisi Misalkan QQ merupakan titik kaki tegak lurus dari PP pada garis-h ℓ\ell. Maka

h=12⋅ln⁡1+cos⁡ϕ1−cos⁡ϕdancos⁡ϕ=e2⋅h−1e2⋅h+1,h=\tfrac12\cdot\ln \frac{1+\cos\phi}{1-\cos\phi} \qquad\text{dan}\qquad \cos\phi=\frac{e^{2\cdot h}-1}{e^{2\cdot h}+1},
dengan h=PQhh=PQ_h, dan ϕ\phi merupakan sudut paralelisme di PP terhadap ℓ\ell.

Khususnya, jika P∉ℓP\notin\ell dan β=|∡hXPY|\beta\z=|\measuredangle_h XPY| untuk suatu pasangan titik X,Y∈ℓX,Y\in\ell, maka

h<12⋅ln⁡1+cos⁡β21−cos⁡β2dancos⁡β2>e2⋅h−1e2⋅h+1.h<\tfrac12\cdot\ln \frac{1+\cos\tfrac\beta2}{1-\cos\tfrac\beta2} \qquad\text{dan}\qquad \cos\tfrac\beta2>\frac{e^{2\cdot h}-1}{e^{2\cdot h}+1}.

Konfigurasi rumus sudut paralelisme

Bukti. Dengan menerapkan suatu transformasi isometrik bidang-h jika perlu, kita dapat mengandaikan bahwa PP merupakan pusat lingkaran absolut. Maka garis-garis-h yang melalui PP merupakan irisan garis-garis Euklides dengan bidang-h.

Misalkan AA dan BB menyatakan titik-titik ideal dari ℓ\ell. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa ∠APB\angle APB bernilai positif. Dalam kasus ini,

ϕ=∡QPB=∡APQ=12⋅∡APB.\phi=\measuredangle QPB=\measuredangle APQ=\tfrac12 \cdot\measuredangle APB.

Misalkan ZZ merupakan pusat lingkaran Γ\Gamma yang memuat garis-h ℓ\ell. Tetapkan XX sebagai titik perpotongan ruas Euklides [AB][AB] dan garis (PQ)(PQ).

Perhatikan bahwa PX=cos⁡ϕPX=\cos\phi. Oleh karena itu, menurut Lema di Bab 12,

PXh=ln⁡1+cos⁡ϕ1−cos⁡ϕ.PX_h=\ln \tfrac{1+\cos\phi}{1-\cos\phi}.

Perhatikan bahwa sudut PBZPBZ dan BXZBXZ keduanya siku-siku. Karena sudut PZBPZB merupakan sudut bersama, △ZBX∼△ZPB\triangle ZBX\sim \triangle ZPB. Khususnya,

ZX⋅ZP=ZB2;ZX\cdot ZP=ZB^2;
yakni, XX merupakan bayangan inversi PP terhadap Γ\Gamma.

Sudut yang dibentuk dua titik pada garis-h

Inversi terhadap Γ\Gamma merupakan pencerminan bidang-h terhadap ℓ\ell. Oleh karena itu,

h=PQh=QXh==12⋅PXh==12⋅ln⁡1+cos⁡ϕ1−cos⁡ϕ.\begin{align*} h&=PQ_h=QX_h= \\ &=\tfrac12\cdot PX_h= \\ &=\tfrac12\cdot\ln \tfrac{1+\cos\phi}{1-\cos\phi}. \end{align*}
Dengan mengambil eksponensial pada kedua ruas dan menyederhanakannya, kita memperoleh identitas kedua.

Pernyataan terakhir mengikuti karena ϕ>β2\phi\z>\tfrac\beta2 dan fungsi

ϕ↦12⋅ln⁡1+cos⁡ϕ1−cos⁡ϕ\phi\mapsto \tfrac12\cdot\ln \tfrac{1+\cos\phi}{1-\cos\phi}
menurun pada interval (0,π2](0,\tfrac\pi2]. ▫\square

Latihan Andaikan △hABC\triangle_hABC memiliki sudut-h siku-siku di CC. Tunjukkan bahwa jarak-h dari CC ke [AB]h[AB]_h tidak dapat melebihi 1.

Petunjuk

Latihan Misalkan ABCABC merupakan segitiga-h sama sisi dengan panjang sisi 100100. Tunjukkan bahwa

|∡hABC|<110000000000.|\measuredangle_h ABC|<\frac1{10\,000\,000\,000}.
Buatlah sketsa △hABC\triangle_h ABC dalam model konformal.

Petunjuk

Jari-jari dalam segitiga-h

Teorema Jari-jari dalam setiap segitiga-h kurang dari 12⋅ln⁡3\tfrac12\cdot\ln3.

Bukti. Misalkan II dan rr merupakan pusat lingkaran dalam-h dan jari-jari dalam-h dari △hXYZ\triangle_hXYZ.

Perhatikan bahwa sudut-sudut-h XIYXIY, YIZYIZ, dan ZIXZIX bertanda sama. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa semuanya bernilai positif. Oleh karena itu,

∡hXIY+∡hYIZ+∡hZIX=2⋅π,\measuredangle_hXIY+ \measuredangle_hYIZ+ \measuredangle_hZIX=2\cdot\pi,
dan kita dapat mengandaikan bahwa ∡hXIY≥23⋅π\measuredangle_hXIY\ge\tfrac23\cdot\pi; jika tidak, tukar penamaan XX, YY, dan ZZ.

Batas jari-jari dalam segitiga-h

Karena rr merupakan jarak-h dari II ke (XY)h(XY)_h, Proposisi di Bab 13 menyiratkan bahwa

r<12⋅ln⁡1+cos⁡π31−cos⁡π3==12⋅ln⁡1+121−12==12⋅ln⁡3.\begin{align*} r&<\tfrac12\cdot\ln \tfrac{1+\cos\frac\pi3}{1-\cos\frac\pi3}= \\ &=\tfrac12\cdot\ln\frac{1+\tfrac12}{1-\tfrac12}= \\ &=\tfrac12\cdot\ln 3. \end{align*}

Latihan Misalkan ▫hABCD\square_h ABCD merupakan segiempat pada bidang-h sedemikian sehingga sudut-sudut-h di AA, BB, dan CC siku-siku serta ABh=BChAB_h=BC_h. Tentukan batas atas optimal untuk ABhAB_h.

Petunjuk

Lingkaran, horosiklus, dan ekuidistan

Menurut Lema di Bab 12, setiap lingkaran-h merupakan lingkaran Euklides yang seluruhnya terletak dalam bidang-h. Selain itu, setiap garis-h merupakan irisan bidang-h dengan suatu lingkaran yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut.

Dalam bagian ini, kita akan menjelaskan makna geometri-h dari irisan lingkaran-lingkaran lain dengan bidang-h.

Kita akan melihat bahwa semua irisan ini mempunyai bentuk bundar sempurna dalam bidang-h.

Kurva-kurva ini dapat dibayangkan sebagai lintasan sebuah mobil dengan posisi kemudi yang tetap. Pada bidang Euklides, dengan cara ini kita akan bergerak sepanjang lingkaran atau garis.

Pada bidang hiperbolik, situasinya berbeda. Jika kemudi diputar penuh ke kanan, kita akan bergerak sepanjang lingkaran. Jika putarannya dikurangi, pada suatu posisi tertentu kita tidak akan pernah kembali ke titik yang sama, tetapi lintasannya berbeda dari garis. Jika putarannya dikurangi sedikit lagi, kita mulai bergerak sepanjang lintasan yang selalu berjarak tetap dari suatu garis-h.

Ekuidistan garis-h. Tinjau bidang-h dengan lingkaran absolut Ω\Omega. Andaikan suatu lingkaran Γ\Gamma berpotongan dengan Ω\Omega di dua titik berbeda, AA dan BB. Misalkan gg menyatakan irisan Γ\Gamma dengan bidang-h.

Ekuidistan suatu garis-h

Gambarlah suatu garis-h mm dengan titik-titik ideal AA dan BB. Menurut Latihan ke-1 di Bab 12, mm ditentukan secara tunggal.

Tinjau suatu garis-h ℓ\ell yang tegak lurus terhadap mm; misalkan Δ\Delta merupakan lingkaran yang memuat ℓ\ell.

Perhatikan bahwa Δ⟂Γ\Delta\perp \Gamma. Memang, menurut Akibat di Bab 10, mm dan Ω\Omega dipetakan ke dirinya sendiri oleh inversi terhadap Δ\Delta. Akibatnya, AA merupakan bayangan inversi BB terhadap Δ\Delta. Akhirnya, menurut Akibat di Bab 10, kita memperoleh Δ⟂Γ\Delta\perp \Gamma.

Oleh karena itu, inversi terhadap Δ\Delta memetakan mm dan gg ke dirinya masing-masing. Untuk sebarang pasangan titik P′,P∈gP',P\in g, terdapat pilihan ℓ\ell dan Δ\Delta seperti di atas sedemikian sehingga P′P' merupakan bayangan inversi PP terhadap Δ\Delta. Menurut Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), inversi terhadap Δ\Delta merupakan transformasi isometrik bidang-h. Oleh karena itu, semua titik pada gg berjarak sama dari mm.

Dengan kata lain, gg merupakan himpunan titik yang terletak pada sisi yang sama dari mm dan berjarak-h tetap darinya.

Kurva gg seperti ini disebut ekuidistan dari garis-h mm. 1 Dalam geometri Euklides, ekuidistan dari suatu garis merupakan garis; jelas bahwa dalam geometri hiperbolik situasinya berbeda.

Latihan Misalkan gg merupakan himpunan semua pencerminan-h suatu titik-h PP terhadap titik-titik pada suatu garis-h mm. Tunjukkan bahwa gg merupakan ekuidistan dari mm.

Petunjuk

Horosiklus. Jika lingkaran Γ\Gamma menyinggung lingkaran absolut dari sebelah dalam di satu titik AA, maka komplemen h=Γ∖{A}h=\Gamma\backslash\{A\} terletak dalam bidang-h. Himpunan ini disebut horosiklus. Himpunan ini juga memiliki bentuk bundar sempurna dalam pengertian yang dijelaskan di atas.

Horosiklus di dalam cakram absolut

Bentuk horosiklus berada di antara bentuk lingkaran dan ekuidistan garis-h. Suatu horosiklus dapat dipandang sebagai limit lingkaran-lingkaran yang melalui suatu titik tetap, katakanlah PP, dengan pusat-pusat OnO_n menuju tak hingga sepanjang suatu garis-h ℓ\ell. Horosiklus yang sama merupakan limit ekuidistan-ekuidistan yang melalui PP dari barisan garis-h mnm_n yang melalui OnO_n dan tegak lurus terhadap ℓ\ell.

Karena sebarang tiga titik terletak pada suatu lingkaran umum, setiap segitiga-h tak degenerat terinskripsi pada suatu lingkaran-h, horosiklus, atau ekuidistan.

Latihan Tentukan panjang kaki suatu segitiga-h siku-siku sama kaki yang terinskripsi pada horosiklus.

Petunjuk

Segitiga hiperbolik

Teorema Setiap segitiga hiperbolik tak degenerat memiliki defek positif.

Defek positif segitiga hiperbolik

Bukti. Pilih suatu segitiga-h ABCABC. Menurut Teorema di Bab 11,

defek⁡(△hABC)≥0.\defect(\triangle_hABC)\ge 0.\label{eq:defect<0}
Tinggal ditunjukkan bahwa dalam kasus kesamaan, △hABC\triangle_hABC degenerat.

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa AA merupakan pusat lingkaran absolut; dalam kasus ini, ∡hCAB=∡CAB\measuredangle_h CAB\z=\measuredangle CAB. Kita juga dapat mengandaikan bahwa

∡hCAB,∡hABC,∡hBCA,∡ABC,∡BCA≥0.\measuredangle_h CAB, \quad \measuredangle_h ABC, \quad \measuredangle_h BCA, \quad \measuredangle ABC, \quad \measuredangle BCA\ge 0.

Misalkan DD merupakan sebarang titik pada [CB]h[CB]_h yang berbeda dari BB dan CC. Menurut Proposisi di Bab 9, kita mempunyai

∡ABC−∡hABC≡π−∡CDB≡∡BCA−∡hBCA.\measuredangle ABC-\measuredangle_h ABC \equiv \pi-\measuredangle CDB \equiv \measuredangle BCA-\measuredangle_h BCA.

Menurut Latihan ke-9 di Bab 7, kita memperoleh

defek⁡(△hABC)=2⋅(π−∡CDB).\defect(\triangle_hABC)=2\cdot(\pi-\measuredangle CDB).
Oleh karena itu, jika kesamaan berlaku dalam Persamaan di Bab 13, maka ∡CDB=π\measuredangle CDB=\pi. Khususnya, ruas-h [BC]h[BC]_h berimpit dengan ruas Euklides [BC][BC]. Menurut Latihan ke-3 di Bab 12, hal terakhir ini hanya dapat terjadi jika garis-h (BC)h(BC)_h melalui pusat lingkaran absolut (AA); yakni, jika △hABC\triangle_hABC degenerat. ▫\square

Teorema berikut menyatakan, khususnya, bahwa segitiga-segitiga hiperbolik tak degenerat kongruen jika sudut-sudut bersesuaiannya sama. Dengan demikian, dalam geometri hiperbolik, segitiga-segitiga sebangun harus kongruen.

Syarat kekongruenan AAA Dua segitiga-h tak degenerat ABCABC dan A′B′C′A'B'C' kongruen jika ∡hABC=±∡hA′B′C′\measuredangle_hABC\z=\pm\measuredangle_hA'B'C', ∡hBCA=±∡hB′C′A′\measuredangle_hBCA\z=\pm\measuredangle_hB'C'A' dan ∡hCAB=±∡hC′A′B′\measuredangle_hCAB=\pm\measuredangle_hC'A'B'.

Bukti. Jika ABh=A′Bh′AB_h=A'B'_h, maka teorema mengikuti dari ASA. Andaikan ABh≠A′Bh′AB_h\ne A'B'_h. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa ABh<A′Bh′AB_h\z<A'B'_h.

Pemecahan defek dalam bukti AAA

Pilih B″∈[A′B′)hB''\in [A'B')_h dan C″∈[A′C′)hC''\in [A'C')_h sedemikian sehingga A′Bh″=ABhA'B''_h=AB_h dan A′Ch″=AChA'C''_h=AC_h. Menurut SAS, △hA′B″C″≅△hABC\triangle_hA'B''C''\cong\triangle_hABC; akibatnya, ∡hA′B″C″=±∡hA′B′C′\measuredangle_h A'B''C''=\pm\measuredangle_h A'B'C'. Karena sudut-sudut suatu segitiga bertanda sama (Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3), kita mempunyai

∡hA′B″C″=∡hA′B′C′.\measuredangle_h A'B''C''=\measuredangle_h A'B'C'.\label{A'B''C''congA'B'C'}

Mari kita tunjukkan bahwa titik B″B'' dan C″C'' masing-masing terletak pada sisi [A′B′]h[A'B']_h dan [A′C′]h[A'C']_h. Memang, menurut Latihan ke-4 di Bab 11, Persamaan di Bab 13 menyiratkan bahwa (B″C″)h∥(B′C′)h(B''C'')_h\z\parallel(B'C')_h. Khususnya, B″B'' dan C″C'' terletak pada sisi yang sama dari (B′C′)h(B'C')_h. Karena ABh<A′Bh′AB_h<A'B'_h dan B″∈[A′B′)hB''\in [A'B')_h, titik B″B'' dan A′A' terletak pada sisi yang sama dari (B′C′)h(B'C')_h. Akibatnya, C″C'' dan A′A' terletak pada sisi yang sama dari (B′C′)h(B'C')_h; oleh karena itu, C″∈[A′C′]hC''\in [A'C']_h.

Karena △hABC≅△hA′B″C″\triangle_h ABC\cong\triangle_h A'B''C'', kita mempunyai

defek⁡(△hABC)=defek⁡(△hA′B″C″).\defect(\triangle_h ABC)=\defect(\triangle_h A'B''C''). \label{eq:defect=defect}

Dengan menerapkan Latihan ke-8 di Bab 11 dua kali, kita memperoleh

defek⁡(△hA′B′C′)=defek⁡(△hA′B″C″)++defek⁡(△hB″C″C′)+defek⁡(△hB″C′B′).\begin{aligned} \defect(\triangle_h A'B'C') &= \defect(\triangle_h A'B''C'') + \\ &+\defect(\triangle_h B''C''C')+\defect(\triangle_h B''C'B'). \end{aligned} \label{eq:defect+defect}
Menurut Teorema di Bab 13, semua defek harus positif. Oleh karena itu,
defek⁡(△hA′B′C′)>defek⁡(△hABC).\defect(\triangle_h A'B'C') >\defect(\triangle_h ABC).
Di sisi lain, berdasarkan asumsi kita mempunyai
defek⁡(△hA′B′C′)=π−|∡hA′B′C′|−|∡hB′C′A′|−|∡hC′A′B′|==π−|∡hABC|−|∡hBCA|−|∡hCAB|==defek⁡(△hABC)\begin{aligned} \defect(\triangle_h A'B'C') &= \pi -|\measuredangle_hA'B'C'|-|\measuredangle_hB'C'A'|-|\measuredangle_hC'A'B'|= \\ &=\pi -|\measuredangle_hABC|-|\measuredangle_hBCA|-|\measuredangle_hCAB|= \\ &=\defect(\triangle_h ABC) \end{aligned}
— suatu kontradiksi. ▫\square

Ingat bahwa transformasi yang mempertahankan sudut merupakan bijeksi dari suatu bidang-h ke dirinya sendiri sedemikian sehingga

∡hABC=∡hA′B′C′\measuredangle_h ABC= \measuredangle_h A'B'C'
untuk setiap △hABC\triangle_h ABC dan bayangannya △hA′B′C′\triangle_h A'B'C'.

Latihan Tunjukkan bahwa setiap transformasi bidang-h yang mempertahankan sudut merupakan transformasi isometrik.

Petunjuk

Interpretasi konformal

Mari kita berikan interpretasi lain untuk jarak-h.

Lema Tinjau bidang-h dengan lingkaran satuan berpusat di OO sebagai lingkaran absolut. Tetapkan suatu titik PP dan misalkan QQ merupakan titik lain dalam bidang-h. Maka

PQhPQ→21−OP2\frac{PQ_h}{PQ}\to \frac{2}{1-OP^2}
ketika Q→PQ\to P.

Rumus di atas menyatakan bahwa jarak-h dari PP ke suatu titik dekat QQ hampir sebanding dengan jarak Euklides dengan koefisien 21−OP2\tfrac{2}{1-OP^2}. Nilai λ(P)=21−OP2\lambda(P)=\tfrac{2}{1-OP^2} disebut faktor konformal metrik-h.

Nilai 1λ(P)=12⋅(1−OP2)\tfrac1{\lambda(P)}=\tfrac12\cdot(1-OP^2) dapat ditafsirkan sebagai batas kecepatan di titik PP yang diberikan. Dalam interpretasi ini, jarak-h merupakan waktu minimum yang diperlukan untuk bergerak dari satu titik bidang-h ke titik lainnya.

Bukti. Tetapkan x=PQx=PQ dan y=PQhy=PQ_h.

Jika P=OP=O, maka menurut Lema di Bab 12 kita mempunyai

yx=ln⁡1+x1−xx→2\frac{y}{x}=\frac{\ln \tfrac{1+x}{1-x}}{x}\to 2\label{eq:O=P}
ketika x→0x\to0. 2

Andaikan P≠OP\ne O; misalkan ZZ menyatakan bayangan inversi PP terhadap lingkaran absolut. Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran berpusat di ZZ yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut.

Menurut Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12) dan Lema di Bab 12, inversi terhadap Γ\Gamma merupakan transformasi isometrik bidang-h dan memetakan PP ke OO. Khususnya, OQh′=PQhOQ'_h=PQ_h, dengan Q′Q' menyatakan bayangan inversi QQ terhadap Γ\Gamma.

Normalisasi konformal dari P ke pusat cakram

Tetapkan x′=OQ′x'=OQ'. Menurut Lema di Bab 10,

x′x=OZZQ.\frac{x'}{x}=\frac{OZ}{ZQ}.
Karena ZZ merupakan bayangan inversi PP terhadap lingkaran absolut, kita mempunyai PO⋅OZ=1PO\cdot OZ=1. Oleh karena itu,
x′x→OZZP=11−OP2\frac{x'}{x}\to \frac{OZ}{ZP}=\frac{1}{1-OP^2}
ketika x→0x\to 0.

Menurut Persamaan di Bab 13, yx′→2\frac{y}{x'}\to 2 ketika x′→0x'\to 0. Oleh karena itu,

yx=yx′⋅x′x→21−OP2\frac{y}{x}=\frac{y}{x'}\cdot \frac{x'}{x}\to \frac{2}{1-OP^2}
ketika x→0x\to 0.▫\square

Berikut suatu penerapan lema di atas.

Proposisi Keliling suatu lingkaran-h berjari-jari-h rr adalah

2⋅π⋅sinh⁡r,2\cdot\pi\cdot\sinh r,
dengan sinh⁡r\sinh r menyatakan sinus hiperbolik dari rr; yakni,
sinh⁡r:=er−e−r2.\sinh r\df \frac{e^r-e^{-r}}{2}.

Sebelum melanjutkan ke pembuktian, mari kita bahas persoalan yang sama pada bidang Euklides.

Keliling suatu lingkaran pada bidang Euklides dapat didefinisikan sebagai limit keliling segi-nn beraturan yang terinskripsi pada lingkaran ketika n→∞n\to \infty.

Lebih tepatnya, tetapkan r>0r>0. Untuk suatu bilangan bulat positif nn, tinjau △AOB\triangle AOB sedemikian sehingga ∡AOB=2⋅πn\measuredangle AOB=\tfrac{2\cdot\pi}{n} dan OA=OB=rOA=OB=r. Tetapkan xn=ABx_n=AB. Perhatikan bahwa xnx_n merupakan panjang sisi suatu segi-nn beraturan yang terinskripsi pada lingkaran berjari-jari rr. Oleh karena itu, keliling segi-nn tersebut adalah n⋅xnn\cdot x_n.

Segi-n beraturan terinskripsi

Keliling lingkaran berjari-jari rr kemudian dapat didefinisikan sebagai limit

limn→∞n⋅xn=2⋅π⋅r.\lim_{n\to\infty} n\cdot x_n=2\cdot\pi\cdot r.\label{eq:2pir}
(Limit ini dapat digunakan sebagai definisi π\pi.)

Dalam pembuktian berikut, kita akan mengulangi konstruksi yang sama pada bidang-h.

Bukti. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa pusat OO lingkaran tersebut juga merupakan pusat lingkaran absolut.

Menurut Lema di Bab 12, lingkaran-h berjari-jari-h rr merupakan lingkaran Euklides berpusat di OO dan berjari-jari

a=er−1er+1.a=\frac{e^r-1}{e^r+1}.

Misalkan xnx_n dan yny_n berturut-turut menyatakan panjang sisi segi-nn beraturan yang terinskripsi pada lingkaran tersebut di bidang Euklides dan bidang hiperbolik.

Perhatikan bahwa xn→0x_n\to0 ketika n→∞n\to\infty. Menurut Lema di Bab 13,

limn→∞ynxn=21−a2.\begin{align*} \lim_{n\to\infty}\frac{y_n}{x_n} &=\frac{2}{1-a^2}. \end{align*}

Dengan menerapkan Persamaan di Bab 13, kita memperoleh keliling lingkaran-h sebagai berikut:

limn→∞n⋅yn=21−a2⋅limn→∞n⋅xn==4⋅π⋅a1−a2==4⋅π⋅(er−1er+1)1−(er−1er+1)2==2⋅π⋅er−e−r2==2⋅π⋅sinh⁡r.\begin{align*} \lim_{n\to\infty}n\cdot y_n &=\frac{2}{1-a^2}\cdot\lim_{n\to\infty}n\cdot x_n= \\ &=\frac{4\cdot\pi\cdot a}{1-a^2}= \\ &=\frac{4\cdot\pi\cdot\left(\frac{e^r-1}{e^r+1}\right)}{1-\left(\frac{e^r-1}{e^r+1}\right)^2}= \\ &=2\cdot\pi\cdot\frac{e^{r}-e^{-r}}{2}= \\ &=2\cdot\pi\cdot\sinh r. \end{align*}

Latihan Misalkan circum⁡h(r)\circum_h(r) menyatakan keliling lingkaran-h berjari-jari-h rr. Tunjukkan bahwa

circum⁡h(r+1)>2⋅circum⁡h(r)\circum_h(r+1)>2\cdot \circum_h(r)
untuk setiap r>0r>0.

Petunjuk

Teorema Pythagoras

Ingat bahwa cosh\cosh menyatakan kosinus hiperbolik; yakni, fungsi yang didefinisikan oleh

cosh⁡x:=ex+e−x2.\cosh x\df \tfrac{e^x+e^{-x}}2.

Teorema Pythagoras hiperbolik Andaikan segitiga-h ACBACB memiliki sudut siku-siku di CC. Maka

cosh⁡c=cosh⁡a⋅cosh⁡b,\cosh c=\cosh a\cdot\cosh b, \label{eq:thm:pyth-h-poincare}
dengan a=BCha=BC_h, b=CAhb=CA_h, dan c=ABhc=AB_h.

Rumus Persamaan di Bab 13 akan dibuktikan melalui perhitungan langsung. Sebelum memberikan pembuktiannya, mari kita bahas kasus-kasus batas rumus ini.

Perhatikan bahwa cosh⁡x\cosh x dapat ditulis menggunakan deret Taylor

cosh⁡x=1+12⋅x2+124⋅x4+…\cosh x=1+\tfrac1{2}\cdot x^2+\tfrac1{24}\cdot x^4+\dots

Akibatnya, jika aa, bb, dan cc kecil, maka

1+12⋅c2≈cosh⁡c=cosh⁡a⋅cosh⁡b≈≈(1+12⋅a2)⋅(1+12⋅b2)≈≈1+12⋅(a2+b2).\begin{align*} 1+\tfrac1{2}\cdot c^2&\approx \cosh c=\cosh a\cdot\cosh b\approx \\ &\approx(1+\tfrac1{2}\cdot a^2)\cdot (1+\tfrac1{2}\cdot b^2) \approx \\ &\approx 1+\tfrac1{2}\cdot (a^2+b^2). \end{align*}
Dengan kata lain, teorema Pythagoras semula (Teorema di Bab 6) merupakan kasus batas teorema Pythagoras hiperbolik untuk segitiga-segitiga kecil.

Untuk aa dan bb yang besar, suku-suku e−ae^{-a}, e−be^{-b}, dan e−a−b+ln⁡2e^{-a-b+\ln 2} dapat diabaikan. Dalam kasus ini, kita mempunyai hampiran-hampiran berikut:

cosh⁡a⋅cosh⁡b≈ea2⋅eb2==ea+b−ln⁡22≈≈cosh⁡(a+b−ln⁡2).\begin{align*} \cosh a\cdot\cosh b&\approx \tfrac{e^a}2\cdot\tfrac{e^b}2= \\ &=\frac{e^{a+b-\ln 2}}{2}\approx \\ &\approx \cosh(a+b-\ln 2). \end{align*}
Oleh karena itu, c≈a+b−ln⁡2c\approx a+b-\ln 2.

Latihan Andaikan △hACB\triangle_h ACB memiliki sudut siku-siku di CC. Tetapkan a=BCha=BC_h, b=CAhb=CA_h, dan c=ABhc=AB_h. Tunjukkan bahwa

c+ln⁡2>a+b.c+\ln 2>a+b.

Petunjuk

Dalam pembuktian teorema Pythagoras hiperbolik, kita menggunakan rumus berikut dari Latihan ke-13 di Bab 12Latihan ke-17 di Bab 12:

cosh⁡ABh=AB⋅A′B′+AB′⋅A′BAA′⋅BB′,\cosh AB_h=\frac{AB\cdot A'B'+AB'\cdot A'B}{AA'\cdot BB'},
di sini AA dan BB merupakan titik-h yang berbeda dari pusat lingkaran absolut, sedangkan A′A' dan B′B' merupakan bayangan inversinya terhadap lingkaran absolut. Rumus ini diturunkan dalam bagian petunjuk.

Segitiga siku-siku untuk Pythagoras hiperbolik

Bukti Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13. Kita mengandaikan bahwa lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan. Menurut Pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), kita dapat mengandaikan bahwa CC merupakan pusat lingkaran absolut. Misalkan A′A' dan B′B' menyatakan bayangan inversi AA dan BB terhadap lingkaran absolut.

Tetapkan x=BCx=BC, y=ACy=AC. Menurut Lema di Bab 12,

a=ln⁡1+x1−x,b=ln⁡1+y1−y.\begin{align*} a&=\ln \tfrac{1+x}{1-x}, & b&=\ln \tfrac{1+y}{1-y}. \end{align*}
Oleh karena itu,
cosh⁡a=12⋅(1+x1−x+1−x1+x)=cosh⁡b=12⋅(1+y1−y+1−y1+y)==1+x21−x2,=1+y21−y2.\begin{aligned} \cosh a&=\tfrac12\cdot (\tfrac{1+x}{1-x}+\tfrac{1-x}{1+x})= &&&&& \cosh b&=\tfrac12\cdot (\tfrac{1+y}{1-y}+\tfrac{1-y}{1+y})= \\ &=\frac{1+x^2}{1-x^2}, &&&&& &=\frac{1+y^2}{1-y^2}. \end{aligned} \label{cosha+coshb}

Perhatikan bahwa

B′C=1x,A′C=1y.Oleh karena itu,BB′=1x−x,AA′=1y−y.Karena segitiga ABC, A’BC, AB’C, dan A’B’C siku-siku, teorema Pythagoras semula (Teorema Pythagoras) menyiratkanAB=x2+y2,AB′=1x2+y2,A′B=x2+1y2,A′B′=1x2+1y2.\begin{align*} B'C&=\tfrac1x, & A'C&=\tfrac1y. \text{Oleh karena itu,} BB'&=\tfrac1x-x, & AA'&=\tfrac1y-y. \intertext{Karena segitiga $ABC$, $A'BC$, $AB'C$, dan $A'B'C$ siku-siku, teorema Pythagoras semula (\ref{thm:pyth}) menyiratkan} AB&=\sqrt{x^2+y^2}, & AB'&=\sqrt{\tfrac1{x^2}+y^2}, \\ A'B&=\sqrt{x^2+\tfrac1{y^2}}, & A'B'&=\sqrt{\tfrac1{x^2}+\tfrac1{y^2}}. \end{align*}

Menurut Latihan ke-13 di Bab 12Latihan ke-17 di Bab 12,

cosh⁡c=AB⋅A′B′+AB′⋅A′BAA′⋅BB′==x2+y2⋅1x2+1y2+1x2+y2⋅x2+1y2(1y−y)⋅(1x−x)==x2+y2+1+x2⋅y2(1−y2)⋅(1−x2)==1+x21−x2⋅1+y21−y2.\begin{aligned} \cosh c&= \frac{AB\cdot A'B'+AB'\cdot A'B}{AA'\cdot BB'}= \\ &= \frac{\sqrt{x^2+y^2}\cdot \sqrt{\tfrac1{x^2} +\tfrac1{y^2}}+\sqrt{\tfrac1{x^2}+y^2}\cdot \sqrt{x^2+\tfrac1{y^2}}} {(\tfrac1y-y)\cdot (\tfrac1x-x)}= \\ &=\frac{x^2+y^2+1+x^2\cdot y^2} {(1-y^2)\cdot (1-x^2)}= \\ &=\frac{1+x^2} {1-x^2}\cdot \frac{1+y^2} {1-y^2}. \end{aligned} \label{coshc}
Akhirnya, Persamaan di Bab 13 dan Persamaan di Bab 13 menyiratkan Persamaan di Bab 13. ▫\square


  1. Kurva ini juga dapat disebut hipersiklus dengan garis pusat mm.↩︎

  2. Dengan kata lain, fungsi x↦ln⁡1+x1−xx\mapsto \ln \tfrac{1+x}{1-x} memiliki turunan 2 di x=0x=0.↩︎

Geometri afin

Transformasi afin

Geometri afin mempelajari apa yang disebut struktur insidensi bidang Euklides. Struktur insidensi hanya merekam titik mana yang terletak pada garis mana, dan tidak lebih dari itu; struktur ini tidak secara langsung merekam jarak, besar sudut, dan banyak hal lainnya.

Suatu bijeksi dari bidang Euklides ke dirinya sendiri disebut transformasi afin jika memetakan garis ke garis; artinya, citra setiap garis adalah sebuah garis. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa geometri afin mempelajari sifat-sifat bidang Euklides yang dipertahankan oleh transformasi afin.

Latihan kelas Buktikan bahwa transformasi afin pada bidang Euklides memetakan setiap pasangan garis sejajar ke pasangan garis sejajar.

Petunjuk

Pengamatan berikut berlaku karena garis didefinisikan hanya dengan menggunakan metrik.

Pengamatan Setiap transformasi isometrik pada bidang Euklides merupakan transformasi afin.

Latihan berikut memberikan contoh-contoh transformasi afin yang lebih umum.

Latihan Buktikan bahwa pemetaan berikut dari suatu bidang koordinat ke dirinya sendiri mendefinisikan transformasi afin:

  1. Pemetaan geser yang didefinisikan oleh (x,y)↦(x+k⋅y,y)(x,y)\mapsto (x+k\cdot y,y) untuk suatu konstanta kk.

  2. Penskalaan yang didefinisikan oleh (x,y)↦(a⋅x,a⋅y)(x,y)\mapsto (a\cdot x,a\cdot y) untuk suatu konstanta a≠0a\ne 0.

  3. Penskalaan-xx dan penskalaan-yy yang berturut-turut didefinisikan oleh

    (x,y)↦(a⋅x,y),dan(x,y)↦(x,a⋅y)(x,y)\mapsto (a\cdot x,y),\quad\text{dan}\quad(x,y)\mapsto (x,a\cdot y)
    untuk suatu konstanta a≠0a\ne 0.

  4. Transformasi yang didefinisikan oleh

    (x,y)↦(a⋅x+b⋅y+r,c⋅x+d⋅y+s)(x,y)\mapsto(a\cdot x+b\cdot y+r,c\cdot x+d\cdot y+s)
    untuk konstanta-konstanta a,b,c,d,r,sa,b,c,d,r,s sedemikian sehingga matriks (abcd)(\begin{smallmatrix}a&b\\c&d\end{smallmatrix}) invertibel.

Petunjuk

Dari teorema dasar geometri afin (Teorema dasar geometri afin di Bab 14), kelak diperoleh bahwa setiap transformasi afin dapat ditulis dalam bentuk (Persamaan di Bab 14).

Ingat bahwa titik-titik disebut segaris jika terletak pada satu garis.

Latihan Misalkan P↦P′P\mapsto P' adalah bijeksi pada bidang Euklides yang memetakan tripel titik segaris ke tripel titik segaris. Buktikan bahwa P↦P′P\mapsto P' memetakan tripel titik yang tidak segaris ke tripel titik yang tidak segaris.

Simpulkan bahwa P↦P′P\mapsto P' merupakan transformasi afin.

Petunjuk

Latihan Misalkan α\alpha adalah bijeksi pada bidang Euklides yang memetakan setiap lingkaran ke suatu lingkaran. Buktikan bahwa α\alpha merupakan transformasi afin.

Petunjuk

Konstruksi

Alat garis sejajar

Mari kita tinjau konstruksi geometri dengan penggaris dan alat garis sejajar; alat yang kedua memungkinkan kita menggambar garis melalui suatu titik yang sejajar dengan garis yang diberikan. (Alat yang dimaksud dapat dibayangkan seperti pada gambar. Alat tersebut terdiri atas dua sisi lurus yang dihubungkan oleh dua lengan yang dapat bergerak sambil tetap sejajar satu sama lain.)

Menurut Latihan ke-1 di Bab 14, setiap konstruksi dengan kedua alat ini bersifat invarian terhadap transformasi afin. Sebagai contoh, untuk menyelesaikan latihan berikut, cukuplah dibuktikan bahwa titik tengah ruas yang diberikan dapat dikonstruksi dengan penggaris dan alat garis sejajar.

Latihan Misalkan MM adalah titik tengah ruas [AB][AB] pada bidang Euklides. Misalkan suatu transformasi afin memetakan titik-titik AA, BB, dan MM berturut-turut ke A′A', B′B', dan M′M'. Buktikan bahwa M′M' adalah titik tengah [A′B′][A'B'].

Petunjuk

Latihan berikut akan digunakan dalam pembuktian Proposisi di Bab 14.

Latihan Misalkan diberikan titik-titik dengan koordinat (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (a,0)(a,0), dan (b,0)(b,0) dengan b≠0b\ne0. Dengan menggunakan penggaris dan alat garis sejajar, konstruksilah titik-titik dengan koordinat (a+b,0)(a+b,0), (a−b,0)(a-b,0), (a⋅b,0)(a\cdot b,0), dan (ab,0)(\tfrac a b,0).

Petunjuk

Latihan Konstruksilah pusat lingkaran yang diberikan dengan menggunakan penggaris dan alat garis sejajar.

Petunjuk

Pemetaan geser (yang dijelaskan dalam Latihan ke-2 di Bab 14Persamaan di Bab 14) dapat mengubah sudut antara garis-garis dengan hampir sebarang cara. Pengamatan ini dapat digunakan untuk membuktikan kemustahilan beberapa konstruksi; berikut salah satu contohnya:

Latihan Buktikan bahwa garis yang tegak lurus terhadap garis yang diberikan tidak dapat dikonstruksi dengan penggaris dan alat garis sejajar.

Petunjuk

Teorema dasar geometri afin

Pada bagian ini, kita mengandaikan pembaca telah mengenal aljabar vektor; yakni perkalian dengan bilangan real, penjumlahan, dan aturan jajar genjang.

Latihan Buktikan bahwa transformasi afin memetakan jajar genjang ke jajar genjang. Simpulkan bahwa jika P↦P′P\mapsto P' merupakan transformasi afin, maka

XY→=AB→,jika dan hanya jikaX′Y′→=A′B′→.\overrightarrow{XY}=\overrightarrow{AB}, \quad\text{jika dan hanya jika}\quad \overrightarrow{X'Y'}=\overrightarrow{A'B'}.

Petunjuk

Proposisi Misalkan P↦P′P\mapsto P' merupakan transformasi afin pada bidang Euklides. Maka, untuk setiap tripel titik OO, XX, PP, dan setiap t∈ℝt\in\mathbb{R}, berlaku

OP→=t⋅OX→jika dan hanya jikaO′P′→=t⋅O′X′→.\overrightarrow{OP}=t\cdot \overrightarrow{OX} \quad\text{jika dan hanya jika}\quad \overrightarrow{O'P'}=t\cdot \overrightarrow{O'X'}. \label{eq:OP=tOX}

Bukti. Perhatikan bahwa transformasi afin yang dijelaskan dalam Latihan ke-2 di Bab 14, serta semua transformasi isometrik, memenuhi syarat Persamaan di Bab 14. Oleh karena itu, suatu transformasi afin P↦P′P\mapsto P' memenuhi Persamaan di Bab 14 jika dan hanya jika komposisinya dengan transformasi isometrik dan penskalaan memenuhi Persamaan di Bab 14.

Dengan menerapkan pengamatan ini, kita dapat mereduksi masalah tersebut menjadi suatu kasus khusus. Yakni, kita boleh mengandaikan bahwa O′=OO'=O, X′=XX'=X, titik OO merupakan titik asal suatu sistem koordinat, dan XX memiliki koordinat (1,0)(1,0).

Dalam kasus ini, OP→=t⋅OX→\overrightarrow{OP}=t\cdot \overrightarrow{OX} jika dan hanya jika P=(t,0)P=(t,0). Karena OO dan XX tetap, transformasi tersebut memetakan sumbu-xx ke dirinya sendiri. Dengan demikian, P′=(f(t),0)P'=(f(t),0) untuk suatu fungsi t↦f(t)t\mapsto f(t), atau, secara ekuivalen,

O′P′→=f(t)⋅O′X′→.\overrightarrow{O'P'}=f(t)\cdot \overrightarrow{O'X'}.

Karena O′=OO'=O dan X′=XX'=X, diperoleh f(0)=0f(0)=0 dan f(1)=1f(1)=1. Selanjutnya, menurut Latihan ke-6 di Bab 14, berlaku f(x⋅y)=f(x)⋅f(y)f(x\cdot y)=f(x)\cdot f(y) dan f(x+y)=f(x)+f(y)f(x+y)=f(x)+f(y) untuk setiap x,y∈ℝx,y\in\mathbb{R}. Menurut lema aljabar (yang dibuktikan di bawah; lihat Lema di Bab 14), syarat-syarat ini mengakibatkan f(t)=tf(t)=t untuk setiap tt, sehingga pembuktian selesai. ▫\square

Teorema dasar geometri afin Misalkan suatu transformasi afin P↦P′P\mapsto P' memetakan segitiga tak degenerat OXYOXY ke segitiga O′X′Y′O'X'Y'. Maka △O′X′Y′\triangle O'X'Y' tak degenerat dan, untuk setiap titik PP serta setiap x,y∈ℝx,y\in\mathbb{R}, berlaku

OP→=x⋅OX→+y⋅OY→jika dan hanya jikaO′P′→=x⋅O′X′→+y⋅O′Y′→.\overrightarrow{OP}=x\cdot\overrightarrow{OX}+y\cdot\overrightarrow{OY}\quad\text{jika dan hanya jika}\quad\overrightarrow{O'P'}=x\cdot\overrightarrow{O'X'}+y\cdot\overrightarrow{O'Y'}.

Bukti. Karena transformasi afin memetakan garis ke garis, segitiga O′X′Y′O'X'Y' tak degenerat.

Tinjau titik-titik VV dan WW yang didefinisikan oleh

OV→=x⋅OX→,OW→=y⋅OY→.\overrightarrow{OV}=x\cdot\overrightarrow{OX}, \qquad \overrightarrow{OW}=y\cdot\overrightarrow{OY}.

Koordinat vektor dalam jajar genjang

Perhatikan bahwa WP→=OV→\overrightarrow{WP}=\overrightarrow{OV}. Dengan menerapkan Latihan ke-9 di Bab 14 dan proposisi tersebut, diperoleh

O′P′→=O′W′→+W′P′→==O′W′→+O′V′→==x⋅O′X′→+y⋅O′Y′→.\begin{align*} \overrightarrow{O'P'}&=\overrightarrow{O'W'}+\overrightarrow{W'P'}= \\ &=\overrightarrow{O'W'}+\overrightarrow{O'V'}= \\ &=x\cdot\overrightarrow{O'X'}+y\cdot\overrightarrow{O'Y'}. \end{align*}
Implikasi sebaliknya diperoleh dengan menerapkan argumen yang sama pada transformasi afin invers.

Latihan Buktikan bahwa setiap transformasi afin bersifat kontinu.

Petunjuk seluruh latihan

Latihan berikut memberikan kebalikan dari Latihan ke-2 di Bab 14Persamaan di Bab 14.

Latihan Buktikan bahwa setiap transformasi afin dapat ditulis dalam koordinat sebagai (x,y)↦(a⋅x+b⋅y+r,c⋅x+d⋅y+s)(x,y)\mapsto(a\cdot x+b\cdot y+r,\ c\cdot x+d\cdot y+s) untuk konstanta-konstanta a,b,c,d,r,sa,b,c,d,r,s sedemikian sehingga matriks (abcd)(\begin{smallmatrix}a&b\\c&d\end{smallmatrix}) invertibel.

Petunjuk seluruh latihan

Latihan Misalkan Γ\Gamma adalah lingkaran berpusat di OO. Misalkan αP↦P′\alpha\:P\mapsto P' merupakan transformasi afin yang memetakan Γ\Gamma ke dirinya sendiri. Buktikan bahwa α\alpha merupakan transformasi isometrik yang memiliki OO sebagai titik tetap; artinya, O′=OO'=O.

Petunjuk

Suatu bijeksi dari bidang inversif ke dirinya sendiri disebut transformasi inversif jika memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum. Menurut Teorema di Bab 10, inversi merupakan transformasi inversif.

Latihan lanjutan Buktikan bahwa setiap transformasi inversif merupakan komposisi sejumlah inversi dan pencerminan.

Petunjuk

Sebuah lema aljabar

Lema berikut telah digunakan dalam pembuktian Proposisi di Bab 14.

Lema Misalkan fℝ→ℝf\:\mathbb{R}\to\mathbb{R} adalah fungsi sedemikian sehingga untuk setiap x,y∈ℝx,y\in\mathbb{R} berlaku

  1. f(1)=1f(1)=1,

  2. f(x+y)=f(x)+f(y)f(x+y)=f(x)+f(y),

  3. f(x⋅y)=f(x)⋅f(y)f(x\cdot y)=f(x)\cdot f(y).

Maka ff merupakan fungsi identitas; artinya, f(x)=xf(x)=x untuk setiap x∈ℝx\in \mathbb{R}.

Perhatikan bahwa kita tidak mengandaikan ff kontinu.

Fungsi ff yang memenuhi ketiga syarat tersebut disebut automorfisme lapangan. Dengan demikian, lema tersebut menyatakan bahwa fungsi identitas merupakan satu-satunya automorfisme pada lapangan bilangan real. Untuk lapangan bilangan kompleks, konjugasi z↦z‾z\mapsto\bar z (lihat Bagian ke-3 di Bab 18) memberikan contoh automorfisme nontrivial.

Latihan Misalkan fℝ→ℝf\:\mathbb{R}\to\mathbb{R} memenuhi syarat (Persamaan di Bab 14) dalam lema tersebut. Buktikan bahwa

  1. jika f(1)≠1f(1)\ne 1, maka f(x)=0f(x)=0 untuk setiap xx;

  2. jika f(0)≠0f(0)\ne 0, maka f(x)=1f(x)=1 untuk setiap xx.

Petunjuk

Bukti untuk Lema di Bab 14. Menurut (Persamaan di Bab 14), berlaku f(0)+f(0)=f(0+0)=f(0)f(0)+f(0)=f(0+0)=f(0). Oleh karena itu,

f(0)=0.f(0)=0. \label{eq:0=0}

Dengan menerapkan (Persamaan di Bab 14) sekali lagi, diperoleh 0=f(0)=f(x)+f(−x)0=f(0)=f(x)+f(-x). Oleh karena itu,

f(−x)=−f(x)untuk setiapx∈ℝ.f(-x)=-f(x) \quad \text{untuk setiap} \quad x\in \mathbb{R}. \label{eq:f-x}

Dengan menerapkan (Persamaan di Bab 14) dan (Persamaan di Bab 14) secara berulang, diperoleh

f(2)=f(1)+f(1)=1+1=2;f(3)=f(2)+f(1)=2+1=3;…\begin{align*} f(2)&=f(1)+f(1)=1+1=2;\\ f(3)&=f(2)+f(1)=2+1=3;\\ &\dots \end{align*}
Bersama dengan Persamaan di Bab 14, hasil ini mengakibatkan bahwa f(n)=nf(n)=n untuk setiap bilangan bulat nn. Menurut (Persamaan di Bab 14), f(m)=f(mn)⋅f(n)f(m)=f(\tfrac mn)\cdot f(n). Oleh karena itu,
f(mn)=mnf(\tfrac mn)=\tfrac mn \label{eq:m/n}
untuk setiap bilangan rasional mn\tfrac mn.

Misalkan a≥0a\ge 0. Maka persamaan x2=ax^2=a memiliki solusi real x=ax\z=\sqrt{a}. Misalkan y=f(x)y=f(x). Menurut (Persamaan di Bab 14), f(a)=y2f(a)=y^2, sehingga f(a)≥0f(a)\ge 0.

2 Secara khusus,

a≥0⇒f(a)≥0.a\ge 0\quad\Longrightarrow\quad f(a)\ge 0.\label{a>0=>b>0}

Menurut Persamaan di Bab 14, juga diperoleh

a≤0⇒f(a)≤0.a\le 0\quad \Longrightarrow\quad f(a)\le 0.\label{a<0=>b<0}

Sekarang, andaikan f(a)≠af(a)\ne a untuk suatu a∈ℝa\in\mathbb{R}. Maka terdapat bilangan rasional mn\tfrac{m}{n} yang terletak di antara aa dan f(a)f(a); artinya, bilangan-bilangan

x=a−mndany=f(a)−mnx\z=a-\tfrac{m}{n}\quad\text{dan}\quad y=f(a)-\tfrac{m}{n}
bertanda berlawanan.

Menurut Persamaan di Bab 14,

y+mn=f(a)==f(x+mn)==f(x)+f(mn)==f(x)+mn;\begin{align*} y+\tfrac{m}{n}&=f(a)= \\ &=f(x+\tfrac{m}{n})= \\ &=f(x)+f(\tfrac{m}{n})= \\ &=f(x)+\tfrac{m}{n}; \end{align*}
artinya, f(x)=yf(x)=y. Menurut Persamaan di Bab 14 dan Persamaan di Bab 14, nilai xx dan yy tidak mungkin bertanda berlawanan — suatu kontradiksi. ▫\square

Tiga teorema

Kita telah membahas beberapa pernyataan dalam geometri Euklides yang bersifat afin; artinya, asumsi dan kesimpulannya tetap berlaku di bawah transformasi afin. Contohnya mencakup Teorema di Bab 7, Lema di Bab 7Lema di Bab 7, Latihan ke-13 di Bab 7, Teorema di Bab 8, dan Latihan ke-4 di Bab 8. Pada bagian ini, kita menyajikan tiga contoh lain dari jenis tersebut.

Misalkan AA, BB, dan XX merupakan titik-titik berbeda pada satu garis. Perhatikan bahwa

AX→=t⋅BX→,\overrightarrow{AX}=t\cdot \overrightarrow{BX},
dengan t=±AXBXt=\pm\frac{AX}{BX}.

Pilih suatu transformasi afin P↦P′P\mapsto P'. Menurut Proposisi di Bab 14, berlaku

A′X′→=t⋅B′X′→.\overrightarrow{A'X'}=t\cdot \overrightarrow{B'X'}.
Akibatnya, A′X′B′X′=AXBX\frac{A'X'}{B'X'}=\frac{AX}{BX}; artinya, jika AA, BB, dan XX merupakan titik-titik berbeda pada satu garis, maka rasio AXBX\frac{AX}{BX} dipertahankan oleh transformasi afin.

Teorema Menelaus Misalkan ABCABC merupakan segitiga tak degenerat. Misalkan suatu garis ℓ\ell memotong garis-garis (BC)(BC), (CA)(CA), dan (AB)(AB) pada tiga titik berbeda A′A', B′B', dan C′C'. Maka

AC′BC′⋅BA′CA′⋅CB′AB′=1.\frac{AC'}{BC'}\cdot\frac{BA'}{CA'}\cdot \frac{CB'}{AB'}=1.

Sebagaimana telah kita lihat, rasio-rasio AC′BC′\frac{AC'}{BC'}, BA′CA′\frac{BA'}{CA'}, CB′AB′\frac{CB'}{AB'} dipertahankan oleh transformasi afin. Oleh karena itu, teorema Menelaus termasuk dalam geometri afin. Namun, dalam pembuktiannya kita dapat (dan akan) menggunakan argumen yang bersifat Euklides.

Bukti. Misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan titik kaki tegak lurus dari AA, BB, dan CC pada ℓ\ell. Menurut syarat kesebangunan AA, △AXC′∼△BYC′\triangle AXC'\sim \triangle BYC'.

Konfigurasi teorema Menelaus

Oleh karena itu,

AC′BC′=AXBY.\frac{AC'}{BC'}=\frac{AX}{BY}.
Dengan cara yang sama, diperoleh
BA′CA′=BYCZdanCB′AB′=CZAX.\frac{BA'}{CA'}=\frac{BY}{CZ} \quad\text{dan}\quad \frac{CB'}{AB'}=\frac{CZ}{AX}.
Oleh karena itu,
AC′BC′⋅BA′CA′⋅CB′AB′=AXBY⋅BYCZ⋅CZAX=1.\frac{AC'}{BC'}\cdot\frac{BA'}{CA'}\cdot \frac{CB'}{AB'}=\frac{AX}{BY}\cdot \frac{BY}{CZ}\cdot \frac{CZ}{AX}=1.

Latihan Misalkan ABCABC merupakan segitiga tak degenerat. Misalkan tiga titik berbeda A′A', B′B', dan C′C' berturut-turut terletak pada garis (BC)(BC), (CA)(CA), dan (AB)(AB). Andaikan bahwa garis-garis (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') berpotongan di suatu titik XX.

Garis-garis sepusat untuk Ceva dan Van Aubel

Gunakan teorema Menelaus untuk membuktikan pernyataan berikut.

  1. Teorema Ceva:

    AC′BC′⋅BA′CA′⋅CB′AB′=1.\frac{AC'}{BC'}\cdot\frac{BA'}{CA'}\cdot \frac{CB'}{AB'}=1.

  2. Teorema Van Aubel: Jika A′A' terletak di antara BB dan CC, maka

    AC′BC′+AB′CB′=AXA′X.\frac{AC'}{BC'}+\frac{AB'}{CB'}=\frac{AX}{A'X}.

Petunjuk

Versi bertanda. Ketiga teorema ini dapat dirumuskan secara lebih tepat dengan menyertakan tanda pada rasio AC′BC′\frac{AC'}{BC'}, BA′CA′\frac{BA'}{CA'}, dan CB′AB′\frac{CB'}{AB'}. Secara khusus, untuk titik-titik berbeda AA, BB, dan XX pada suatu garis, kita definisikan rasio bertanda (AXBX):=±AXBX(\frac{AX}{BX})\df\pm\frac{AX}{BX}, dengan tanda dipilih sedemikian sehingga AX→=(AXBX)⋅BX→\overrightarrow{AX}=\left(\frac{AX}{BX}\right)\cdot \overrightarrow{BX}. Secara ekuivalen, (AXBX)<0(\frac{AX}{BX})<0 jika dan hanya jika XX terletak di antara AA dan BB.

Identitas yang lebih tepat untuk teorema Menelaus dan Ceva adalah

(AC′BC′)⋅(BA′CA′)⋅(CB′AB′)=1dan(AC′BC′)⋅(BA′CA′)⋅(CB′AB′)=−1\left(\tfrac{AC'}{BC'}\right)\cdot\left(\tfrac{BA'}{CA'}\right)\cdot \left(\tfrac{CB'}{AB'}\right)=1 \quad\text{dan}\quad \left(\tfrac{AC'}{BC'}\right)\cdot\left(\tfrac{BA'}{CA'}\right)\cdot \left(\tfrac{CB'}{AB'}\right)=-1
berturut-turut. Dalam teorema Van Aubel, berlaku
(AC′BC′)+(AB′CB′)=(AXA′X)\left(\tfrac{AC'}{BC'}\right)+\left(\tfrac{AB'}{CB'}\right)=\left(\tfrac{AX}{A'X}\right)
dan identitas ini berlaku tanpa asumsi bahwa A′A' terletak di antara BB dan CC.

Selain itu, kebalikan dari ketiga versi bertanda tersebut masing-masing juga berlaku.

Geometri proyektif

Perluasan proyektif

Pada bidang Euklides, dua garis berbeda dapat memiliki satu titik potong atau tidak memiliki titik potong (dalam kasus kedua, kedua garis itu sejajar). Kita hendak memperluas bidang Euklides dengan titik-titik ideal sehingga setiap dua garis berbeda memiliki tepat satu titik potong.

Berkas garis berpusat
Berkas garis sejajar

Suatu kumpulan garis pada bidang Euklides disebut konkuren jika semuanya berpotongan di satu titik atau jika setiap pasang garis di dalamnya sejajar. Suatu himpunan maksimal garis-garis konkuren pada bidang disebut berkas garis. Ada dua jenis berkas garis: berkas berpusat memuat semua garis yang melalui suatu titik tetap yang disebut pusat berkas garis, sedangkan berkas sejajar memuat garis-garis yang setiap pasangnya sejajar.

Sebarang dua garis sepenuhnya menentukan berkas garis yang memuat keduanya.

Suatu titik PP pada bidang Euklides secara tunggal menentukan berkas berpusat dengan pusat PP. Mari kita tambahkan satu titik ideal untuk setiap berkas sejajar, dengan mengandaikan bahwa semua titik ideal ini terletak pada satu garis ideal. Kita juga mengandaikan bahwa garis ideal termasuk dalam setiap berkas sejajar.

Kita memperoleh apa yang disebut bidang proyektif (atau perluasan proyektif dari bidang semula). Bidang ini dilengkapi dengan suatu struktur insidensi—kita mengatakan bahwa tiga titik terletak pada satu garis jika berkas-berkas yang bersesuaian memuat sebuah garis yang sama. Geometri proyektif mempelajari struktur insidensi ini.

Suatu berkas sejajar memuat garis ideal dan garis-garis yang dinyatakan oleh persamaan berbentuk y=m⋅x+by=m\cdot x+b dengan gradien tetap mm. Jika m=∞m=\infty, kita mengandaikan bahwa garis-garisnya dinyatakan oleh persamaan berbentuk x=ax=a. Dengan demikian, perluasan proyektif memuat semua titik pada bidang (x,y)(x,y) beserta garis ideal yang memuat satu titik ideal PmP_m untuk setiap gradien m∈ℝ∪{∞}m\z\in\mathbb{R}\cup\{\infty\}.

Ruang Euklides

Mari kita tinjau kembali konstruksi metrik d2d_2 (Bagian ke-3 di Bab 1), tetapi kali ini dalam ruang berdimensi tiga.

Perhatikan ℝ3\mathbb{R}^3, yang menyatakan himpunan semua tripel (x,y,z)(x,y,z) bilangan real. Misalkan A=(xA,yA,zA)A=(x_A,y_A,z_A) dan B=(xB,yB,zB)B=(x_B,y_B,z_B) merupakan sebarang titik di ℝ3\mathbb{R}^3. Definisikan metrik pada ℝ3\mathbb{R}^3 sebagai berikut:

AB:=(xA−xB)2+(yA−yB)2+(zA−zB)2.AB \df \sqrt{(x_A-x_B)^2+(y_A-y_B)^2+(z_A-z_B)^2}.
Ruang metrik yang diperoleh disebut ruang Euklides.

Suatu himpunan bagian dari titik-titik di ℝ3\mathbb{R}^3 disebut bidang jika dapat dinyatakan oleh persamaan berbentuk

a⋅x+b⋅y+c⋅z+d=0,a\cdot x+b\cdot y+c\cdot z+d=0,
dengan aa, bb, cc, dan dd merupakan konstanta, serta sedikitnya salah satu di antara aa, bb, atau cc tidak nol.

Pernyataan-pernyataan berikut mudah ditunjukkan:

Pernyataan-pernyataan ini memungkinkan kita memperumum banyak hasil geometri bidang Euklides ke ruang Euklides.

Model ruang

Mari kita identifikasi bidang Euklides dengan suatu bidang Π\Pi dalam ruang Euklides ℝ3\mathbb{R}^3 yang tidak melalui titik asal OO. Nyatakan dengan Π̂\hat\Pi perluasan proyektif dari Π\Pi.

Nyatakan dengan Φ\Phi himpunan semua garis di ℝ3\mathbb{R}^3 yang melalui OO. Mari kita definisikan bijeksi P↔ṖP\leftrightarrow \dot P antara Π̂\hat \Pi dan Φ\Phi. Jika P∈ΠP\in \Pi, kita ambil garis Ṗ=(OP)\dot P=(OP); jika PP merupakan titik ideal dari Π̂\hat \Pi yang ditentukan oleh suatu berkas sejajar, kita ambil garis Ṗ\dot P yang melalui OO dan sejajar dengan garis-garis dalam berkas tersebut.

Selanjutnya, misalkan Ψ\Psi merupakan himpunan semua bidang di ℝ3\mathbb{R}^3 yang melalui OO. Dengan cara serupa, kita dapat mendefinisikan bijeksi ℓ↔ℓ̇\ell\leftrightarrow \dot \ell antara garis-garis dalam Π̂\hat \Pi dan Ψ\Psi. Jika garis ℓ\ell bukan garis ideal, kita ambil bidang ℓ̇\dot \ell yang memuat ℓ\ell dan OO; jika ℓ\ell merupakan garis ideal, kita ambil ℓ̇\dot \ell sebagai bidang yang melalui OO dan sejajar dengan Π\Pi (yaitu, ℓ̇∩Π=∅\dot\ell\cap\Pi=\emptyset).

Pengamatan Misalkan PP dan ℓ\ell masing-masing merupakan titik dan garis pada bidang proyektif. Maka

P∈ℓ⇔Ṗ⊂ℓ̇,P\in \ell \quad\iff\quad \dot P\subset \dot \ell,
dengan Ṗ\dot P dan ℓ̇\dot \ell didefinisikan oleh bijeksi-bijeksi yang baru dikonstruksi.

Proyeksi perspektif

Misalkan OO merupakan titik yang tidak terletak pada bidang Π\Pi maupun Π′\Pi' di ℝ3\mathbb{R}^3.

Proyeksi perspektif antara dua bidang

Suatu proyeksi perspektif dari Π\Pi ke Π′\Pi' dengan pusat OO memetakan titik P∈ΠP\z\in \Pi ke titik potong P′P' dari bidang Π′\Pi' dan garis (OP)(OP).

Pada umumnya, proyeksi perspektif bukanlah bijeksi antara kedua bidang. Memang, jika garis (OP)(OP) sejajar dengan Π′\Pi' (yaitu, jika (OP)∩Π′=∅(OP)\cap\Pi'=\emptyset), maka proyeksi perspektif dari P∈ΠP\in \Pi tidak terdefinisi. Selain itu, jika (OP′)∥Π(OP')\parallel \Pi untuk P′∈Π′P'\in \Pi', maka titik P′P' bukan merupakan bayangan di bawah proyeksi perspektif.

Nyatakan dengan Π̂\hat \Pi dan Π̂′\hat \Pi' perluasan proyektif dari Π\Pi dan Π′\Pi' secara berturut-turut. Proyeksi perspektif merupakan pembatasan komposisi dua bijeksi Π̂↔Φ↔Π̂′\hat \Pi\leftrightarrow\Phi \leftrightarrow\hat \Pi' yang dikonstruksi pada bagian sebelumnya. Menurut Pengamatan Pengamatan di Bab 15, proyeksi perspektif dapat diperluas menjadi bijeksi Π̂↔Π̂′\hat \Pi\leftrightarrow\hat \Pi' yang memetakan garis ke garis. 1

Sebagai contoh, andaikan OO merupakan titik asal dari ruang koordinat (x,y,z)(x,y,z), dan bidang Π\Pi dan Π′\Pi' berturut-turut didefinisikan oleh persamaan z=1z=1 dan x=1x=1. Maka proyeksi perspektif dari Π\Pi ke Π′\Pi' dapat dituliskan dalam koordinat sebagai

(x,y,1)↦(1,yx,1x).(x,y,1)\mapsto (1,\tfrac yx,\tfrac 1x).
Memang, koordinat-koordinatnya harus sebanding; titik-titik pada Π\Pi memiliki koordinat zz bernilai satu, sedangkan titik-titik pada Π′\Pi' memiliki koordinat xx bernilai satu.

Proyeksi perspektif memetakan satu bidang ke bidang lain. Namun, kita dapat mengidentifikasi kedua bidang dengan menetapkan suatu sistem koordinat pada masing-masing bidang. Dalam hal ini, kita memperoleh pemetaan dari bidang ke dirinya sendiri yang terdefinisi secara parsial. Untuk pemetaan seperti ini, kita akan tetap menggunakan nama transformasi perspektif.

Untuk proyeksi perspektif yang dijelaskan di atas, kita dapat memperoleh pemetaan

β(x,y)↦(1x,yx).\beta\:(x,y)\mapsto (\tfrac 1x,\tfrac yx). \label{eq:(x,y)-perspective}
Pemetaan ini tidak terdefinisi pada garis x=0x=0. Titik-titik pada garis ini juga bukan bayangan titik mana pun di bawah proyeksi perspektif.

Sebagai contoh, untuk mendefinisikan perluasan proyeksi perspektif β\beta dalam Persamaan di Bab 15, kita perlu mengamati bahwa

Transformasi proyektif

Suatu bijeksi dari bidang proyektif ke dirinya sendiri yang memetakan garis ke garis disebut transformasi proyektif.

Setiap transformasi afin mendefinisikan suatu transformasi proyektif pada bidang proyektif yang bersesuaian. Kita akan menyebut transformasi proyektif semacam ini afin; transformasi-transformasi ini adalah transformasi proyektif yang memetakan garis ideal ke dirinya sendiri.

Perluasan proyeksi perspektif, sebagaimana dibahas pada bagian sebelumnya, memberikan sumber contoh transformasi proyektif yang lain.

Teorema Untuk setiap garis ℓ\ell pada bidang proyektif, terdapat proyeksi perspektif yang memetakan ℓ\ell ke garis ideal.

Selain itu, suatu transformasi proyektif bersifat afin atau, dalam sistem koordinat yang sesuai, dapat dituliskan sebagai komposisi dari perluasan proyeksi perspektif

β(x,y)↦(xy,1y)\beta\:(x,y)\mapsto (\tfrac xy,\tfrac 1y)
dan suatu transformasi afin.

Bukti. Pilih sistem koordinat (x,y)(x,y) sedemikian sehingga garis ℓ\ell didefinisikan oleh persamaan y=0y=0. Maka perluasan β\beta memberikan transformasi yang diperlukan.

Tetapkan suatu transformasi proyektif γ\gamma. Jika γ\gamma memetakan garis ideal ke dirinya sendiri, maka transformasi tersebut harus bersifat afin. Dalam hal ini, teorema telah terbukti.

Andaikan γ\gamma memetakan garis ideal ke suatu garis ℓ\ell. Pilih proyeksi perspektif β\beta seperti di atas. Komposisi β∘γ\beta\circ\gamma memetakan garis ideal ke dirinya sendiri. Artinya, α=β∘γ\alpha=\beta\circ\gamma bersifat afin. Perhatikan bahwa β\beta merupakan invers bagi dirinya sendiri; oleh karena itu,

γ=β∘β∘γ=β∘α\gamma=\beta\circ\beta\circ\gamma=\beta\circ\alpha
—dan hasilnya mengikuti. ▫\square

Latihan Misalkan P↦P′P\mapsto P' merupakan (a) transformasi afin, (b) proyeksi perspektif yang didefinisikan oleh (x,y)↦(xy,1y)(x,y)\mapsto (\tfrac xy,\tfrac 1y), atau (c) sebarang transformasi proyektif. Andaikan P1,P2,P3,P4P_1,P_2,P_3,P_4 merupakan titik-titik berbeda pada satu garis. Buktikan bahwa

P1P2⋅P3P4P2P3⋅P4P1=P1′P2′⋅P3′P4′P2′P3′⋅P4′P1′\frac{P_1P_2\cdot P_3P_4}{P_2P_3\cdot P_4P_1}=\frac{P'_1P'_2\cdot P'_3P'_4}{P'_2P'_3\cdot P'_4P'_1}
jika tidak satu pun dari titik-titik tersebut terletak pada garis ideal. Dengan kata lain, setiap pemetaan ini mempertahankan rasio silang untuk empat titik pada satu garis.

Petunjuk
Konfigurasi rasio silang proyektif

Latihan lanjutan Misalkan AA, BB, CC, PP, QQ, VV, WW, XX, YY seperti pada gambar.

  1. Buktikan bahwa

    AX⋅BYAY⋅BX=AP⋅CQAQ⋅CP.\frac{AX\cdot BY}{AY\cdot BX}=\frac{AP\cdot CQ}{AQ\cdot CP}.

    Petunjuk subbagian
  2. Gunakan bagian (Rujukan di Bab 15) untuk membuktikan bahwa

    AX⋅BY=AY⋅BX.AX\cdot BY=AY\cdot BX.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Memindahkan titik ke tak hingga

Konfigurasi teorema Desargues

Teorema di Bab 15 memungkinkan kita menetapkan suatu garis tertentu sebagai garis ideal. Dengan kata lain, kita dapat memilih bidang afin yang diutamakan dengan menghapus satu garis dari bidang proyektif. Konstruksi ini memberikan metode untuk menyelesaikan masalah-masalah dalam geometri proyektif, yang akan diperagakan melalui contoh klasik berikut:

Teorema Desargues Perhatikan tiga garis konkuren (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') pada bidang proyektif. Misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan titik potong dari (BC)(BC) dan (B′C′)(B'C'), (CA)(CA) dan (C′A′)(C'A'), serta (AB)(AB) dan (A′B′)(A'B'). Maka titik-titik XX, YY, dan ZZ segaris.

Bukti. Kita dapat mengandaikan bahwa garis (XY)(XY) merupakan garis ideal. Jika tidak, terapkan proyeksi perspektif yang memetakan garis (XY)(XY) ke garis ideal.

Reduksi afin teorema Desargues

Artinya, kita dapat mengandaikan bahwa

(BC)∥(B′C′)dan(CA)∥(C′A′),(BC)\z\parallel (B'C')\quad\text{dan}\quad(CA)\z\parallel (C'A'),
dan kita perlu membuktikan bahwa
(AB)∥(A′B′).(AB)\z\parallel(A'B').

Andaikan garis-garis (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') berpotongan di titik OO. Karena (BC)∥(B′C′)(BC)\z\parallel (B'C'), sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7) memberikan ∡OBC=∡OB′C′\measuredangle OBC\z= \measuredangle OB'C' dan ∡OCB=∡OC′B′\measuredangle OCB\z= \measuredangle OC'B'. Menurut syarat kesebangunan AA, △OBC∼△OB′C′\triangle OBC\z\sim\triangle OB'C'. Secara khusus,

OBOB′=OCOC′.\frac{OB}{OB'}=\frac{OC}{OC'}.

Dengan cara yang sama, diperoleh △OAC∼△OA′C′\triangle OAC\z\sim\triangle OA'C' dan

OAOA′=OCOC′.\frac{OA}{OA'}=\frac{OC}{OC'}.
Oleh karena itu,
OAOA′=OBOB′.\frac{OA}{OA'}=\frac{OB}{OB'}.
Menurut syarat kesebangunan SAS, diperoleh △OAB∼△OA′B′\triangle OAB\sim\triangle OA'B'; secara khusus, ∡OAB=±∡OA′B′\measuredangle OAB=\pm\measuredangle OA'B'.

Perhatikan bahwa ∡AOB=∡A′OB′\measuredangle AOB=\measuredangle A'OB'. Oleh karena itu,

∡OAB=∡OA′B′.\measuredangle OAB=\measuredangle OA'B'.
Menurut sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7), berlaku (AB)∥(A′B′)(AB)\parallel (A'B').

Kasus (AA′)∥(BB′)∥(CC′)(AA')\parallel(BB')\parallel(CC') diselesaikan dengan cara serupa. Dalam kasus ini, segi empat B′BCC′B'BCC' dan A′ACC′A'ACC' merupakan jajar genjang. Oleh karena itu,

BB′=CC′=AA′.BB'=CC'=AA'.
Dengan demikian, ▫B′BAA′\square B'BAA' merupakan jajar genjang dan (AB)∥(A′B′)(AB)\parallel (A'B'). ▫\square

Berikut sebuah teorema klasik lain dalam geometri proyektif.

Teorema Pappus Misalkan AA, BB, CC dan A′A', B′B', C′C' merupakan dua tripel titik segaris, serta XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan titik potong dari (BC′)(BC') dan (B′C)(B'C), (CA′)(CA') dan (C′A)(C'A), serta (AB′)(AB') dan (A′B)(A'B). Maka titik-titik XX, YY, dan ZZ segaris.

Teorema Pappus dapat dibuktikan dengan cara yang sama seperti teorema Desargues.

Gagasan bukti. Dengan menerapkan proyeksi perspektif, kita dapat mengandaikan bahwa YY dan ZZ terletak pada garis ideal. Tinggal membuktikan bahwa XX terletak pada garis ideal.

Dengan kata lain, dengan mengandaikan bahwa (AB′)∥(A′B)(AB')\parallel (A'B) dan (AC′)∥(A′C)(AC')\parallel (A'C), kita perlu membuktikan bahwa (BC′)∥(B′C)(BC')\parallel(B'C).

Konfigurasi teorema Pappus
Reduksi afin untuk gagasan bukti Pappus

Latihan Selesaikan pembuktian teorema Pappus dengan menggunakan gagasan di atas.

Petunjuk

Latihan berikut memberikan suatu kebalikan parsial dari teorema Pappus.

Latihan Diberikan dua tripel titik AA, BB, CC, dan A′A', B′B', C′C', andaikan bahwa titik-titik berbeda XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan satu-satunya titik potong dari (BC′)(BC') dan (B′C)(B'C), (CA′)(CA') dan (C′A)(C'A), serta (AB′)(AB') dan (A′B)(A'B). Andaikan bahwa tripel AA, BB, CC, dan tripel XX, YY, ZZ masing-masing segaris. Buktikan bahwa tripel A′A', B′B', C′C' segaris.

Petunjuk

Latihan Selesaikan masalah konstruksi berikut

  1. dengan menggunakan teorema Desargues;

    Petunjuk subbagian
  2. dengan menggunakan teorema Pappus.

    Petunjuk subbagian

Masalah. Andaikan sebuah jajar genjang dan sebuah garis ℓ\ell diberikan. Andaikan bahwa ℓ\ell memotong semua sisi (atau perpanjangannya) dari jajar genjang tersebut di titik-titik yang berbeda. Konstruksikan sebuah garis lain yang sejajar dengan ℓ\ell hanya dengan menggunakan penggaris.

Petunjuk

Dualitas

Andaikan suatu bijeksi P↔pP\leftrightarrow p antara himpunan garis dan himpunan titik pada suatu bidang diberikan.

Konfigurasi insidensi dan garis-garis dualnya
Konfigurasi dual pada segiempat lengkap

Konfigurasi-konfigurasi dual.

Artinya, untuk titik PP yang diberikan, kita nyatakan garis yang bersesuaian dengan pp; dan sebaliknya, untuk garis ℓ\ell yang diberikan, kita nyatakan titik yang bersesuaian dengan LL.

Bijeksi antara titik dan garis disebut dualitas 2 jika

P∈ℓ⇔p∋LP\in \ell \quad \iff \quad p\ni L
untuk setiap titik PP dan garis ℓ\ell.

Latihan konfigurasi dual lengkap

Latihan Perhatikan konfigurasi garis dan titik pada gambar.

  1. Gambar ulang gambar tersebut setelah memindahkan garis qq ke tak hingga; tandai titik-titik dan garis-garisnya secara bersesuaian.

    Petunjuk subbagian
  2. Mulailah dengan suatu segi empat generik KLMNKLMN dan perluas menjadi gambar dual; beri nama garis-garis dan titik-titiknya menggunakan konvensi di atas.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa bidang Euklides tidak memiliki dualitas.

Petunjuk

Teorema Bidang proyektif memiliki suatu dualitas.

Bukti. Perhatikan suatu bidang Π\Pi dan suatu titik O∉ΠO\notin\Pi di dalam ruang; andaikan Π̂\hat \Pi menyatakan bidang proyektif yang bersesuaian.

Ingat bahwa Φ\Phi dan Ψ\Psi menyatakan himpunan semua garis dan semua bidang yang melalui OO. Menurut Pengamatan di Bab 15, terdapat bijeksi P↔ṖP\leftrightarrow\dot P antara titik-titik dari Π̂\hat\Pi dan Φ\Phi, serta ℓ↔ℓ̇\ell\leftrightarrow\dot\ell antara garis-garis dalam Π̂\hat\Pi dan Ψ\Psi, sedemikian sehingga P∈ℓP\in\ell jika dan hanya jika Ṗ⊂ℓ̇\dot P\subset \dot \ell.

Tinggal mengonstruksi suatu bijeksi L̇↔ℓ̇\dot L \leftrightarrow \dot \ell antara Φ\Phi dan Ψ\Psi sedemikian sehingga

Ṗ⊂ℓ̇⇔ṗ⊃L̇\dot P\subset \dot \ell \quad \iff \quad \dot p\supset \dot L \label{iff-dual}
untuk sebarang dua garis Ṗ\dot P dan L̇\dot L yang melalui OO.

Tetapkan ℓ̇\dot \ell sebagai bidang yang melalui OO dan tegak lurus terhadap L̇\dot L. Kedua syarat dalam Persamaan di Bab 15 setara dengan Ṗ⟂L̇\dot P\perp \dot L; dengan demikian hasilnya mengikuti. ▫\square

Latihan Perhatikan bidang Euklides dengan koordinat (x,y)(x,y); andaikan OO menyatakan titik asal. Untuk titik P≠OP\ne O dengan koordinat (a,b)(a,b), perhatikan garis pp yang dinyatakan oleh persamaan a⋅x+b⋅y=1a\cdot x+b\cdot y=1.

Buktikan bahwa korespondensi P↦pP\mapsto p dapat diperluas menjadi suatu dualitas pada bidang proyektif.

Garis manakah yang bersesuaian dengan OO?

Titik manakah yang bersesuaian dengan garis a⋅x+b⋅y=0a\cdot x\z+b\cdot y=0?

Petunjuk

Dualitas menyatakan bahwa garis dan titik memiliki kedudukan yang setara dalam hal insidensi. Secara khusus, untuk setiap pernyataan dalam geometri proyektif, kita dapat merumuskan pernyataan dual yang ekuivalen. Sebagai contoh, pernyataan dual dari “titik-titik XX, YY, dan ZZ terletak pada satu garis ℓ\ell” adalah “garis-garis xx, yy, dan zz berpotongan di satu titik LL”. Mari kita rumuskan pernyataan dual untuk teorema Desargues Teorema Desargues di Bab 15.

Teorema dual Desargues Misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan satu-satunya titik potong dari (BC)(BC) dan (B′C′)(B'C'), (CA)(CA) dan (C′A′)(C'A'), serta (AB)(AB) dan (A′B′)(A'B'). Jika titik-titik XX, YY, dan ZZ segaris, maka garis-garis (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') konkuren.

Dalam teorema ini, titik-titik XX, YY, dan ZZ bersifat dual terhadap garis-garis (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') dalam rumusan semula, dan sebaliknya.

Setelah teorema Desargues dibuktikan, penerapan dualitas (Teorema di Bab 15) memberikan teorema dual Desargues. Perhatikan bahwa teorema dual Desargues merupakan kebalikan dari teorema Desargues semula Teorema Desargues di Bab 15. Jadi, kita memperoleh versi teorema yang lebih kuat tanpa pekerjaan tambahan: titik-titik XX, YY, dan ZZ segaris jika dan hanya jika garis-garis (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') konkuren.

Latihan Rumuskan teorema dual Pappus (lihat Teorema Pappus di Bab 15).

Petunjuk

Latihan Selesaikan masalah konstruksi berikut

  1. dengan menggunakan teorema dual Desargues;

    Petunjuk subbagian
  2. dengan menggunakan teorema Pappus atau bentuk dualnya.

    Petunjuk subbagian

Masalah. Diberikan dua garis sejajar, konstruksikan garis ketiga yang sejajar dan melalui suatu titik yang diberikan, hanya dengan menggunakan penggaris.

Petunjuk

Polar dan kutub

Pada bagian ini, kita menjelaskan sebuah siasat ampuh yang dapat digunakan dalam konstruksi dengan penggaris.

Andaikan Γ\Gamma merupakan lingkaran pada bidang dan P∉ΓP\notin \Gamma.

Konstruksi polar dan kutub terhadap lingkaran

Gambarlah dua garis xx dan yy melalui PP yang memotong Γ\Gamma masing-masing di pasangan titik XX, X′X' dan YY, Y′Y'. Misalkan Z=(XY)∩(X′Y′)Z=(XY)\cap(X'Y') dan Z′=(XY′)∩(X′Y)Z'=(XY')\cap(X'Y). Perhatikan garis p=(ZZ′)p=(ZZ').

Klaim Garis p=(ZZ′)p=(ZZ') yang dikonstruksi tidak bergantung pada pilihan garis xx dan yy.

Selain itu,

  1. P↔pP\leftrightarrow p dapat diperluas menjadi suatu dualitas sedemikian sehingga setiap titik PP pada lingkaran Γ\Gamma bersesuaian dengan garis pp yang menyinggung Γ\Gamma di PP.

  2. Jika OO merupakan pusat Γ\Gamma, maka invers dari PP terhadap Γ\Gamma merupakan titik kaki dari OO pada pp.

Kita tidak akan membuktikan klaim ini, tetapi pembuktiannya tidak sulit. Jika PP terletak di luar Γ\Gamma, klaim dapat dibuktikan dengan memindahkan PP ke tak hingga sambil mempertahankan Γ\Gamma sebagai suatu himpunan. Jika PP terletak di dalam Γ\Gamma, klaim dapat dibuktikan dengan memindahkan PP ke pusat Γ\Gamma. Keberadaan transformasi proyektif yang bersesuaian mengikuti gagasan dalam Latihan ke-7 di Bab 16.

Garis pp disebut polar dari titik PP terhadap Γ\Gamma.

Titik PP disebut kutub dari garis pp terhadap Γ\Gamma.

Latihan Balikkan konstruksi di atas. Artinya, jika diberikan lingkaran Γ\Gamma dan garis pp yang tidak menyinggung Γ\Gamma, konstruksikan titik PP sedemikian sehingga konstruksi di atas untuk PP dan Γ\Gamma menghasilkan garis pp.

Petunjuk

Latihan Misalkan pp merupakan garis polar dari suatu titik PP terhadap lingkaran Γ\Gamma. Andaikan pp memotong Γ\Gamma di titik VV dan WW. Buktikan bahwa garis-garis (PV)(PV) dan (PW)(PW) menyinggung Γ\Gamma.

Berikan konstruksi, hanya dengan penggaris, untuk garis-garis singgung pada lingkaran Γ\Gamma yang melalui titik P∉ΓP\notin\Gamma yang diberikan dan berada di luar lingkaran tersebut.

Petunjuk

Latihan Andaikan diberikan dua lingkaran sepusat Γ\Gamma dan Γ′\Gamma'. Konstruksikan pusat bersama dari Γ\Gamma dan Γ′\Gamma' hanya dengan menggunakan penggaris.

Petunjuk

Latihan Andaikan diberikan sebuah garis ℓ\ell dan lingkaran Γ\Gamma dengan pusat OO. Andaikan O∉ℓO\notin \ell. Konstruksikan garis tegak lurus dari OO ke ℓ\ell hanya dengan menggunakan penggaris.

Petunjuk

  1. Hal serupa terjadi pada inversi. Inversi tidak terdefinisi di pusatnya; selain itu, pusatnya bukan invers dari titik mana pun. Untuk menangani masalah ini, kita memperkenalkan bidang inversif, yaitu bidang Euklides yang diperluas dengan satu titik ideal. Strategi yang sama berlaku untuk proyeksi perspektif Π→Π′\Pi\to\Pi', tetapi kali ini kita perlu menambahkan sebuah garis ideal.↩︎

  2. Definisi baku dualitas lebih umum; kita membahas suatu kasus khusus yang juga disebut polaritas.↩︎

Wawasan geometri sferis

Geometri sferis mempelajari permukaan bola satuan; geometri ini diterapkan dalam kartografi, navigasi, dan astronomi.

Geometri sferis berhubungan erat dengan geometri Euklides maupun hiperbolik. Karena bola lebih mudah divisualisasikan, mempelajari geometri sferis dapat membantu kita memahami geometri hiperbolik. Kita akan membahas beberapa aspek hubungan tersebut, tetapi tidak bermaksud memberikan pembahasan geometri sferis yang lengkap.

Bola

Ingat bahwa ruang Euklides merupakan himpunan ℝ3\mathbb{R}^3 yang terdiri atas semua tripel (x,y,z)(x,y,z) bilangan real, dengan jarak antara dua titik A=(xA,yA,zA)A = (x_A, y_A, z_A) dan B=(xB,yB,zB)B = (x_B, y_B, z_B) diberikan oleh rumus:

AB:=(xA−xB)2+(yA−yB)2+(zA−zB)2.AB \df \sqrt{(x_A - x_B)^2 + (y_A - y_B)^2 + (z_A - z_B)^2}.

Bidang-bidang dalam ruang ini didefinisikan sebagai himpunan penyelesaian persamaan

a⋅x+b⋅y+c⋅z+d=0a \cdot x + b \cdot y + c \cdot z + d = 0
untuk sejumlah konstanta aa, bb, cc, dan dd, dengan sedikitnya salah satu di antara aa, bb, atau cc tidak nol. Setiap bidang semacam ini isometrik dengan bidang Euklides.

Suatu bola dengan pusat OO dan jari-jari rr merupakan himpunan semua titik dalam ruang yang berjarak rr dari OO.

Misalkan Σ\Sigma merupakan bola satuan dengan pusat OO. Suatu lingkaran besar pada Σ\Sigma merupakan irisan bola tersebut dengan suatu bidang yang melalui OO. Dalam geometri sferis, lingkaran besar berperan sebagai analog garis, meskipun tidak memenuhi Definisi Persamaan di Bab 1. Suatu lingkaran besar membagi bola menjadi dua belahan bola, yang beranalogi dengan setengah bidang dalam geometri Euklides.

Misalkan AA dan BB merupakan dua titik berbeda yang tidak antipodal pada bola satuan. Maka terdapat tepat satu lingkaran besar yang melalui AA dan BB, yang kita nyatakan dengan (AB)s(AB)_s. Busur yang lebih pendek di antara kedua busur (AB)s(AB)_s dengan titik ujung AA dan BB akan dinyatakan dengan [AB]s[AB]_s. Jarak sferis antara AA dan BB (disingkat sebagai ABsAB_s) didefinisikan sebagai nilai mutlak ukuran sudut ∡AOB\measuredangle AOB, yang diukur pada bidang yang memuat OO, AA, dan BB.

Konvensi domain: jarak sferis memakai cabang utama dalam [0, π]; untuk dua titik berbeda yang tidak antipodal nilainya berada dalam (0, π).

Perhatikan bahwa setiap lingkaran besar merupakan lingkaran berjari-jari π2\tfrac{\pi}{2} pada Σ\Sigma.

Luas segitiga sferis

Tetapkan suatu bola satuan Σ\Sigma. Seperti pada bidang Euklides, kita dapat mendefinisikan segitiga sferis, yang dinyatakan dengan △sABC\triangle_s ABC, beserta sisi-sisinya [AB]s[AB]_s, [BC]s[BC]_s, dan [CA]s[CA]_s. Kita akan selalu mengandaikan bahwa segitiga tersebut tidak memiliki titik sudut yang antipodal. Ukuran sudut

α=|∡sCAB|,β=|∡sABC|,danγ=|∡sBCA|\alpha = |\measuredangle_s CAB|,\quad \beta = |\measuredangle_s ABC|,\quad \text{dan} \quad \gamma = |\measuredangle_s BCA|
didefinisikan sebagai sudut antara sinar-sinar singgung pada busur-busur yang bersesuaian. Kita hanya akan membahas nilai mutlak ukuran sudut, meskipun tandanya juga dapat didefinisikan.

Konvensi domain: hasil luas dan Pythagoras di bab ini memakai segitiga bola satuan yang tak degenerat dengan sisi-sisi busur minor; nilai mutlak setiap sudut alfa, beta, dan gama berada dalam [0, π].

Suatu segitiga sferis padat ▴sABC\solidtriangle_s ABC didefinisikan sebagai himpunan yang memuat sisi-sisi △sABC\triangle_s ABC beserta daerah di dalamnya; yaitu, irisan tiga belahan bola: yang pertama dibatasi oleh (AB)s(AB)_s dan memuat CC, yang kedua dibatasi oleh (BC)s(BC)_s dan memuat AA, dan yang ketiga dibatasi oleh (CA)s(CA)_s dan memuat BB. Definisi ini mengikuti Bagian ke-1 di Bab 20 dengan saksama.

Konsep luas pada bola akan dibahas secara singkat dalam Bagian ke-9 di Bab 20, tetapi pemahaman intuitif tentang pengukuran luas semestinya memadai untuk pembuktian lema berikut.

Enam irisan sferis dan penutupan rangkap tiga

Lema Untuk setiap segitiga sferis padat Δ\Delta, berlaku

luas⁡Δ=α+β+γ−π,\area\Delta = \alpha + \beta + \gamma - \pi,
dengan α\alpha, β\beta, dan γ\gamma merupakan nilai mutlak ukuran sudut Δ\Delta.

Bukti informal. Kita akan menggunakan fakta bahwa

luas⁡Σ=4⋅π\area\Sigma = 4\cdot\pi \label{eq:area(S2)}
tanpa bukti.

Perhatikan bahwa luas irisan sferis SαS_\alpha di antara dua meridian yang bertemu dengan sudut α\alpha sebanding dengan α\alpha. Karena SπS_\pi merupakan sebuah belahan bola, dari Persamaan di Bab 16 diperoleh luas⁡Sπ=2⋅π\area S_\pi = 2\cdot\pi. Oleh karena itu, koefisien kesebandingannya adalah 2; yaitu,

luas⁡Sα=2⋅α\area S_\alpha = 2\cdot \alpha \label{eq:area(Sa)}
untuk setiap α\alpha.

Dengan memperpanjang sisi-sisi Δ\Delta, kita memperoleh enam irisan: dua SαS_\alpha, dua SβS_\beta, dan dua SγS_\gamma. Irisan-irisan ini menutupi sebagian besar bola satu kali, tetapi segitiga Δ\Delta dan salinannya yang simetris terhadap pusat masing-masing tertutupi tiga kali. Dengan demikian,

2⋅luas⁡Sα+2⋅luas⁡Sβ+2⋅luas⁡Sγ=luas⁡Σ+4⋅luas⁡Δ.\begin{align*} 2\cdot \area S_\alpha + 2\cdot \area S_\beta + 2\cdot \area S_\gamma = \area\Sigma + 4\cdot\area\Delta. \end{align*}
Tinggal menerapkan Persamaan di Bab 16 dan Persamaan di Bab 16. ▫\square

Ingat bahwa defek suatu segitiga dengan nilai mutlak ukuran sudut α\alpha, β\beta, dan γ\gamma didefinisikan sebagai π−α−β−γ\pi - \alpha - \beta - \gamma. Menurut Bagian ke-3 di Bab 11, defek setiap segitiga pada bidang netral tidak negatif.

Latihan Buktikan bahwa defek setiap segitiga sferis tidak positif.

Petunjuk

Proyeksi sentral

Setiap pemetaan dari sebuah bola (atau sebagian darinya) ke suatu bidang mendistorsi permukaannya. Proyeksi sentral atau gnomonik pada belahan terbuka memetakan jejak lingkaran besar tak berparameter ke garis lurus. Dalam konteks navigasi, ini hanya meluruskan gambar rute lingkaran besar; proyeksi tersebut tidak mempertahankan jarak, panjang lintasan, ataupun sudut, dan tidak menyatakan kesetaraan metrik lintasan terpendek.

Proyeksi sentral beranalogi dengan model proyektif bidang hiperbolik yang dibahas dalam Bab 17.

Misalkan Σ\Sigma merupakan bola satuan yang berpusat di titik asal OO. Andaikan Π+\Pi^+ menyatakan bidang yang didefinisikan oleh persamaan z=1z=1. Bidang ini sejajar dengan bidang (x,y)(x,y) dan melalui kutub utara N=(0,0,1)N\z=(0,0,1) dari Σ\Sigma.

Belahan utara Σ\Sigma merupakan himpunan bagian titik-titik (x,y,z)∈Σ(x,y,z)\z\in \Sigma yang memenuhi z>0z>0; himpunan ini akan dinyatakan dengan Σ+\Sigma^+.

Proyeksi gnomonik belahan terbuka

Untuk suatu titik P∈Σ+P\in \Sigma^+, perhatikan sinar [OP)[OP). Andaikan P′P' menyatakan titik potong [OP)[OP) dan Π+\Pi^+. Jika P=(x,y,z)P=(x,y,z), maka P′=(xz,yz,1)P'=(\tfrac xz,\tfrac yz,1). Dengan demikian, P↔P′P\leftrightarrow P' merupakan bijeksi antara Σ+\Sigma^+ dan Π+\Pi^+.

Bijeksi Σ+↔Π+\Sigma^+\leftrightarrow \Pi^+ yang dijelaskan di atas disebut proyeksi sentral dari belahan bola Σ+\Sigma^+.

Proyeksi sentral memetakan irisan lingkaran-lingkaran besar dengan Σ+\Sigma^+ ke garis-garis dalam Π+\Pi^+. Hal ini berlaku karena lingkaran besar merupakan irisan Σ\Sigma dengan bidang-bidang yang melalui titik asal, sedangkan garis-garis dalam Π+\Pi^+ merupakan irisan Π+\Pi^+ dengan bidang-bidang tersebut.

Latihan berikut beranalogi dengan Latihan ke-3 di Bab 17.

Latihan Misalkan △sABC\triangle_sABC merupakan segitiga sferis tak degenerat dengan A,B,C∈Σ+A,B,C\in\Sigma^+. Andaikan bidang Π+\Pi^+ sejajar dengan bidang yang melalui AA, BB, dan CC. Misalkan A′A', B′B', dan C′C' menyatakan proyeksi sentral dari AA, BB, dan CC.

  1. Buktikan bahwa titik-titik tengah [A′B′][A'B'], [B′C′][B'C'], dan [C′A′][C'A'] berturut-turut merupakan proyeksi sentral dari titik-titik tengah [AB]s[AB]_s, [BC]s[BC]_s, dan [CA]s[CA]_s.

    Petunjuk subbagian
  2. Gunakan bagian (Rujukan di Bab 16) untuk membuktikan bahwa garis-garis berat suatu segitiga sferis berpotongan di satu titik.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Latihan Misalkan P,Q∈Σ+P,Q\in\Sigma^+ dengan P≠NP\ne N dan P≠QP\ne Q, serta misalkan P↔P′P\leftrightarrow P' dan Q↔Q′Q\leftrightarrow Q' merupakan proyeksi sentral yang dijelaskan di atas, dan NN merupakan kutub utara; dengan demikian, N′=NN'=N. Buktikan bahwa |∡sNPQ|=π2|\measuredangle_s NPQ|=\tfrac\pi2 jika dan hanya jika |∡N′P′Q′|=π2|\measuredangle N'P'Q'|=\tfrac\pi2.

Petunjuk

Proyeksi stereografik

Pada bagian ini, kita mendefinisikan proyeksi stereografik; proyeksi ini berhubungan erat dengan model konformal bidang hiperbolik, yang dibahas dalam Bab 12.

Garis S–P menuju bidang khatulistiwa

Perhatikan bola satuan Σ\Sigma yang berpusat di titik asal (0,0,0)(0,0,0). Bola ini dapat dinyatakan oleh persamaan x2+y2+z2=1x^2+y^2\z+z^2\z=1.

Andaikan Π\Pi menyatakan bidang (x,y)(x,y); bidang ini didefinisikan oleh persamaan z=0z \z= 0. Jelas bahwa Π\Pi melalui pusat Σ\Sigma.

Misalkan N=(0,0,1)N = (0, 0, 1) dan S=(0,0,−1)S\z=(0, 0, -1) menyatakan kutub “utara” dan “selatan” dari Σ\Sigma; keduanya merupakan titik-titik pada bola yang jaraknya terhadap Π\Pi ekstrem. Andaikan Ω\Omega menyatakan “khatulistiwa” dari Σ\Sigma; himpunan ini merupakan irisan Σ∩Π\Sigma\cap\Pi.

Untuk suatu titik P≠SP\ne S pada Σ\Sigma, perhatikan garis (SP)(SP) di dalam ruang. Garis ini memotong Π\Pi tepat di satu titik, yang dinyatakan dengan P′P'. Tetapkan S′=∞S'=\infty.

Pemetaan ξsΣ→Π∪{∞}\xi_s\:\Sigma\to\Pi\cup\{\infty\}, P↦P′P\mapsto P', disebut proyeksi stereografik dari Σ\Sigma ke Π∪{∞}\Pi\cup\{\infty\} terhadap kutub selatan. Invers pemetaan ini, ξs−1Π∪{∞}→Σ\xi^{-1}_s\:\Pi\cup\{\infty\}\to\Sigma, P′↦PP'\z\mapsto P, disebut proyeksi stereografik dari Π∪{∞}\Pi\cup\{\infty\} ke Σ\Sigma terhadap kutub selatan.

Dengan cara yang sama, kita dapat mendefinisikan proyeksi stereografik ξn\xi_n dan ξn−1\xi^{-1}_n terhadap kutub utara NN.

Perhatikan bahwa P=P′P=P' jika dan hanya jika P∈ΩP\in\Omega.

Latihan ke-4 di Bab 16 di bawah menyatakan bahwa proyeksi stereografik mempertahankan sudut antara busur; lebih tepatnya, nilai mutlak ukuran sudut antara busur-busur pada bola. Sifat ini berguna dalam kartografi; kurva-kurva pada bola bertemu dengan sudut yang sama seperti proyeksi stereografiknya.

Inversi terhadap bola

Inversi terhadap bola didefinisikan dengan cara yang sama seperti inversi terhadap lingkaran.

Secara formal, misalkan Σ\Sigma merupakan bola dengan pusat OO dan jari-jari rr. Invers terhadap Σ\Sigma dari suatu titik PP merupakan titik P′∈[OP)P'\in[OP) yang memenuhi

OP⋅OP′=r2.OP\cdot OP'=r^2.
Dalam hal ini, bola Σ\Sigma akan disebut bola inversi, dan pusatnya disebut pusat inversi.

Kita juga menambahkan ∞\infty ke dalam ruang dan mengandaikan bahwa pusat inversi dipetakan ke ∞\infty, dan sebaliknya. Ruang ℝ3\mathbb{R}^3 beserta titik ∞\infty akan disebut ruang inversif.

Inversi ruang memiliki banyak sifat yang sama dengan inversi bidang. Yang terpenting, analog dari teorema-teorema di Bab 10, Teorema di Bab 10, dan Teorema di Bab 10 dapat dirangkum sebagai berikut:

Teorema Inversi terhadap bola memiliki sifat-sifat berikut:

  1. Inversi memetakan bola atau bidang ke bola atau bidang.

  2. Inversi memetakan lingkaran umum (circline) ke lingkaran umum.

  3. Inversi mempertahankan rasio silang; yaitu, jika A′A', B′B', C′C', dan D′D' berturut-turut merupakan invers dari titik-titik AA, BB, CC, dan DD, maka

    AB⋅CDBC⋅DA=A′B′⋅C′D′B′C′⋅D′A′.\frac{AB\cdot CD}{BC\cdot DA}= \frac{A'B'\cdot C'D'}{B'C'\cdot D'A'}.

    Domain rumus: rasio ini memakai jarak metrik tak bertanda, bukan rasio silang berorientasi. Semua titik dan inversnya harus hingga dan menjauhi pusat inversi serta tak hingga; titik-titik yang membentuk faktor penyebut harus berbeda sehingga BC, DA, B′C′, dan D′A′ semuanya tak nol.

  4. Inversi memetakan busur ke busur.

  5. Inversi mempertahankan nilai mutlak ukuran sudut antara sinar-sinar singgung pada busur-busur tersebut.

Dalam latihan-latihan berikut, kita menerapkan teorema di atas untuk menghubungkan proyeksi stereografik dengan inversi. Kita mengandaikan bahwa Σ\Sigma, Π\Pi, Ω\Omega, OO, SS, NN, dan ξs\xi_s didefinisikan seperti pada bagian sebelumnya.

Proyeksi stereografik sebagai inversi berdaya dua

Latihan Buktikan bahwa proyeksi-proyeksi stereografik ξsΣ→Π∪{∞}\xi_s\: \Sigma\to\Pi\cup\{\infty\} dan ξs−1Π∪{∞}→Σ\xi^{-1}_s\: \Pi\cup\{\infty\}\to\Sigma berturut-turut merupakan pembatasan pada Σ\Sigma dan Π∪{∞}\Pi\cup\{\infty\} dari inversi terhadap bola Υ\Upsilon yang berpusat di SS dan berjari-jari 2\sqrt{2}.

Simpulkan bahwa proyeksi stereografik mempertahankan sudut antara busur; lebih tepatnya, nilai mutlak ukuran sudut antara busur-busur pada bola.

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa proyeksi stereografik ξsΣ→Π∪{∞}\xi_s\:\Sigma\to\Pi\cup\{\infty\} memetakan setiap lingkaran besar selain Ω\Omega ke lingkaran umum pada bidang yang memotong Ω\Omega di titik-titik yang berseberangan, sedangkan Ω\Omega dipetakan ke dirinya sendiri.

Petunjuk

Latihan Tetapkan titik P∈ΠP\in \Pi dan misalkan QQ merupakan titik lain dalam Π\Pi. Misalkan P′P' dan Q′Q' menyatakan proyeksi stereografik keduanya pada Σ\Sigma. Tetapkan x=PQx=PQ dan y=P′Qs′y=P'Q'_s. Buktikan bahwa

limx→0yx=21+OP2.\lim_{x\to 0}\, \frac{y}{x}=\frac{2}{1+OP^2}.

Petunjuk

Latihan terakhir beranalogi dengan Lema di Bab 13.

Pembuktian Teorema di Bab 16 menyerupai pembuktian-pembuktian yang bersesuaian dalam geometri bidang. Mari kita berikan beberapa petunjuk kepada pembaca yang hendak merekonstruksi pembuktiannya. Untuk membuktikan Teorema di Bab 16Hasil di Bab 16, diperlukan lema berikut; pembuktiannya diserahkan kepada pembaca.

Lema Misalkan Σ\Sigma merupakan himpunan bagian dari ruang Euklides yang memuat sedikitnya dua titik. Tetapkan suatu titik OO dalam ruang tersebut.

Maka Σ\Sigma merupakan sebuah bola jika dan hanya jika untuk setiap bidang Π\Pi yang melalui OO, irisan Π∩Σ\Pi\cap \Sigma merupakan himpunan kosong, himpunan satu titik, atau sebuah lingkaran.

Pengamatan berikut mereduksi bagian (Hasil di Bab 16) menjadi bagian (Hasil di Bab 16).

Pengamatan Setiap lingkaran dalam ruang merupakan irisan dua bola.

Kerucut miring dengan penampang lingkaran

Kita mendefinisikan kerucut lingkaran sebagai himpunan yang dibentuk oleh ruas-ruas garis dari suatu titik tetap, yang disebut puncak kerucut, ke semua titik pada suatu lingkaran tetap, yang disebut alas kerucut; kita selalu mengandaikan bahwa alas tidak terletak pada bidang yang sama dengan puncak. Kerucut tersebut disebut tegak jika pusat lingkaran alas merupakan titik kaki puncak pada bidang alas; jika tidak, kerucut itu disebut miring.

Latihan Misalkan KK merupakan kerucut lingkaran miring. Buktikan bahwa terdapat suatu bidang Π\Pi yang tidak sejajar dengan bidang alas KK sedemikian sehingga irisan Π∩K\Pi\cap K merupakan sebuah lingkaran.

Petunjuk

Teorema Pythagoras

Berikut analog dari teorema-teorema Pythagoras (Teorema di Bab 6 dan Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13) dalam geometri sferis.

Teorema Pythagoras sferis Misalkan △sABC\triangle_sABC merupakan segitiga sferis dengan sudut siku-siku di CC. Tetapkan a=BCsa=BC_s, b=CAsb=CA_s, dan c=ABsc=AB_s. Maka

cos⁡c=cos⁡a⋅cos⁡b.\cos c=\cos a\cdot\cos b.

Domain teorema: segitiga berada pada bola satuan, tak degenerat, dan semua sisi memakai busur minor pada cabang jarak utama [0, π].

Dalam pembuktian, kita akan menggunakan konsep hasil kali skalar yang akan dibahas berikut ini.

Misalkan vA=(xA,yA,zA)v_A\z=(x_A,y_A,z_A) dan vB=(xB,yB,zB)v_B=(x_B,y_B,z_B) menyatakan vektor posisi titik AA dan BB. Hasil kali skalar kedua vektor vAv_A dan vBv_B dalam ℝ3\mathbb{R}^3 didefinisikan sebagai

⟨vA,vB⟩:=xA⋅xB+yA⋅yB+zA⋅zB.\langle v_A,v_B\rangle \df x_A\cdot x_B+y_A\cdot y_B+z_A\cdot z_B.\label{eq:scal-def}

Andaikan kedua vektor vAv_A dan vBv_B tidak nol; misalkan ϕ\phi menyatakan ukuran sudut di antara keduanya. Maka hasil kali skalar dapat dinyatakan sebagai berikut:

⟨vA,vB⟩=|vA|⋅|vB|⋅cos⁡ϕ,\langle v_A,v_B\rangle=|v_A|\cdot|v_B|\cdot\cos\phi, \label{eq:scal-angle}
dengan
|vA|=xA2+yA2+zA2,|vB|=xB2+yB2+zB2.\begin{align*} |v_A|&=\sqrt{x_A^2+y_A^2+z_A^2}, & |v_B|&=\sqrt{x_B^2+y_B^2+z_B^2}. \end{align*}

Sekarang, andaikan titik AA dan BB terletak pada bola satuan Σ\Sigma dalam ℝ3\mathbb{R}^3 yang berpusat di titik asal. Dalam hal ini, |vA|=|vB|=1|v_A|=|v_B|=1. Menurut Persamaan di Bab 16, diperoleh

cos⁡ABs=⟨vA,vB⟩.\cos AB_s=\langle v_A,v_B\rangle. \label{eq:scalar-s-dist}

Bukti teorema Pythagoras sferis. Karena sudut di CC siku-siku, kita dapat memilih koordinat dalam ℝ3\mathbb{R}^3 sedemikian sehingga vC=(0,0,1)v_C\z=(0,0,1), vAv_A terletak pada bidang (x,z)(x,z), sehingga vA=(xA,0,zA)v_A\z=(x_A,0,z_A), dan vBv_B terletak pada bidang (y,z)(y,z), sehingga vB=(0,yB,zB)v_B=(0,y_B,z_B).

Segitiga sferis siku-siku dan bidang koordinat

Dengan menerapkan Persamaan di Bab 16, diperoleh

zA=⟨vC,vA⟩=cos⁡b,zB=⟨vC,vB⟩=cos⁡a.\begin{align*} z_A&=\langle v_C,v_A\rangle =\cos b, \\ z_B&=\langle v_C,v_B\rangle =\cos a. \end{align*}

Dengan menerapkan Persamaan di Bab 16 dan Persamaan di Bab 16, diperoleh

cos⁡c=⟨vA,vB⟩==xA⋅0+0⋅yB+zA⋅zB==cos⁡b⋅cos⁡a.\begin{align*} \cos c &=\langle v_A,v_B\rangle= \\ &=x_A\cdot 0+0\cdot y_B+z_A\cdot z_B= \\ &=\cos b\cdot\cos a. \end{align*}

Latihan Buktikan bahwa jika △sABC\triangle_sABC merupakan segitiga sferis dengan sudut siku-siku di CC, dan ACs=BCs=π4AC_s=BC_s=\tfrac\pi4, maka ABs=π3AB_s=\tfrac\pi3.

Petunjuk

Karena sisi minor AB mempunyai c dalam [0, π], kosinus injektif pada cabang ini; jadi cos c = 1/2 benar-benar memberi c = π/3.

Jarak imajiner

Ingat bahwa

cosh⁡x=ex+e−x2dancos⁡x=ei⋅x+e−i⋅x2.\cosh x=\frac {e^{x}+e^{-x}}2 \qquad\text{dan}\qquad \cos x=\frac {e^{i\cdot x}+e^{-i\cdot x}}2.
Rumus pertama merupakan definisi kosinus hiperbolik (lihat Bagian ke-5 di Bab 12); rumus kedua disebut rumus Euler (lihat Bagian ke-4 di Bab 18). Dengan demikian,
cosh⁡x=cos⁡(i⋅x)dancos⁡x=cosh⁡(i⋅x).\cosh x=\cos (i\cdot x) \qquad\text{dan}\qquad \cos x=\cosh (i\cdot x).

Mari kita bandingkan rumus-rumus dalam teorema Pythagoras hiperbolik dan sferis (lihat Teorema Pythagoras sferis di Bab 16 dan Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13):

cosh⁡c=cosh⁡a⋅cosh⁡b,cos⁡c=cos⁡a⋅cos⁡b.\begin{align*} \cosh c&=\cosh a\cdot \cosh b, & \cos c&=\cos a\cdot \cos b. \end{align*}
Perhatikan bahwa jika aa, bb, dan cc diganti dengan i⋅ai\cdot a, i⋅bi\cdot b, dan i⋅ci\cdot c, maka rumus pertama berubah menjadi rumus kedua, dan sebaliknya.

Status: heuristik formal kelanjutan analitik yang tidak dibuktikan, bukan teorema. Hal ini bukan suatu kebetulan; hal yang sama berlaku untuk semua rumus analitik: mengganti setiap jarak dd dengan i⋅di\cdot d mengubah rumus sferis yang sah menjadi rumus hiperbolik yang sah (ukuran sudut harus tetap sama). Substitusi ajaib ini ditemukan oleh Franz Taurinus ; kita tidak akan membuktikannya.

Latihan lanjutan Perhatikan segitiga sferis ABCABC; tetapkan

a=BCs,b=CAs,c=ABs,α=|∡sCAB|,β=|∡sABC|,γ=|∡sBCA|.\begin{align*} a&=BC_s,& b&=CA_s,& c&=AB_s, \\ \alpha&=|\measuredangle_sCAB|,& \beta&=|\measuredangle_sABC|,& \gamma&=|\measuredangle_sBCA|. \end{align*}
Gunakan substitusi Taurinus untuk menuliskan analog hiperbolik dari rumus-rumus geometri sferis berikut:

  1. Aturan kosinus sferis:

    cos⁡c=cos⁡a⋅cos⁡b+sin⁡a⋅sin⁡b⋅cos⁡γ.\cos c=\cos a \cdot \cos b+\sin a\cdot \sin b\cdot \cos\gamma.

    Petunjuk subbagian
  2. Aturan kosinus sferis dual:

    cos⁡γ=−cos⁡α⋅cos⁡β+sin⁡α⋅sin⁡β⋅cos⁡c.\cos \gamma=-\cos \alpha \cdot \cos \beta+\sin \alpha\cdot \sin \beta \cdot \cos c.

    Petunjuk subbagian
  3. Aturan sinus sferis:

    sin⁡αsin⁡a=sin⁡βsin⁡b=sin⁡γsin⁡c.\frac{\sin \alpha}{\sin a}=\frac{\sin \beta}{\sin b}=\frac{\sin \gamma}{\sin c}.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Model proyektif

Model proyektif merupakan model lain dari bidang hiperbolik yang ditemukan oleh Eugenio Beltrami; model ini sering disebut model Klein. Model proyektif dan model konformal menyatakan hal yang persis sama, tetapi dalam dua bahasa yang berbeda. Sebagian masalah lebih mudah dalam model proyektif, sedangkan sebagian lainnya lebih mudah dalam model konformal. Oleh karena itu, keduanya patut dipahami.

Bijeksi khusus pada bidang-h

Tinjau model cakram konformal. Andaikan lingkaran absolutnya merupakan lingkaran satuan Ω\Omega yang berpusat di OO. Pilih sistem koordinat (x,y)(x,y) pada bidang dengan titik asal OO, sehingga lingkaran Ω\Omega dinyatakan oleh persamaan x2+y2=1x^2+y^2=1.

Proyeksi stereografik dan titik kaki

Bayangkan bidang kita sebagai bidang koordinat (x,y)(x,y) dalam ruang Euklides; nyatakan bidang tersebut dengan Π\Pi. Misalkan Σ\Sigma merupakan bola satuan yang berpusat di OO; bola ini dinyatakan oleh persamaan x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1. Tetapkan S=(0,0,−1)S\z=(0,0,-1) dan N=(0,0,1)N\z=(0,0,1); keduanya merupakan kutub selatan dan kutub utara Σ\Sigma.

Tinjau proyeksi stereografik Π→Σ\Pi\to\Sigma dari SS; untuk suatu titik P∈ΠP\in\Pi, nyatakan dengan P′P' bayangannya dalam Σ\Sigma. Perhatikan bahwa bidang-h dipetakan ke belahan bola utara, yaitu himpunan titik (x,y,z)(x,y,z) dalam Σ\Sigma yang dinyatakan oleh pertidaksamaan z>0z>0.

Untuk suatu titik P′∈ΣP'\in \Sigma, tinjau titik kakinya P̂\hat P pada Π\Pi; titik ini merupakan titik terdekat ke P′P'.

Komposisi kedua pemetaan P↔P′↔P̂P\z\leftrightarrow P'\z\leftrightarrow\hat P memberikan suatu bijeksi dari bidang-h ke dirinya sendiri. Selain itu, P=P̂P=\hat P jika dan hanya jika P∈ΩP\in \Omega atau P=OP=O.

Lema Misalkan P↔P̂P\leftrightarrow\hat P merupakan bijeksi bidang-h yang dijelaskan di atas. Andaikan (PQ)h(PQ)_h merupakan garis-h dengan titik-titik ideal AA dan BB. Maka P̂,Q̂∈[AB]\hat P,\hat Q\in[AB].

Selain itu,

AQ̂⋅BP̂Q̂B⋅P̂A=(AQ⋅BPQB⋅PA)2.\frac{A\hat Q\cdot B\hat P}{\hat QB\cdot \hat PA} = \left(\frac{AQ\cdot BP}{QB\cdot PA}\right)^2. \label{eq:lem:P-hat-chord}
Khususnya, jika A,P,Q,BA,P,Q,B muncul dalam urutan yang sama, maka
PQh=12⋅ln⁡AQ̂⋅BP̂Q̂B⋅P̂A.PQ_h=\tfrac12\cdot\ln\frac{A\hat Q\cdot B\hat P}{\hat QB\cdot \hat PA}.

Domain rumus jarak: A dan B adalah dua titik ideal berbeda pada tali busur, sedangkan P dan Q merupakan titik hingga di bagian dalam. Panjang seperti AQ, BP, QB, dan PA adalah jarak Euklides tak bertanda dan penyebutnya harus tak nol. Simpulan jarak-h memakai urutan A, P, Q, B yang dinyatakan sumber; identitas rasio sebelumnya tidak dengan sendirinya menjadi rumus jarak bertanda untuk urutan lain.

Status ketergantungan: bukti lema ini memakai Teorema inversi ruang Bab 16. Teorema tersebut tetap berstatus bukti tidak lengkap dengan satu lema pembantu yang diserahkan kepada pembaca; pemakaiannya di sini tidak menutup celah itu.

Bukti. Tinjau proyeksi stereografik Π→Σ\Pi\to \Sigma dari kutub selatan SS. Proyeksi ini mempertahankan AA dan BB sebagai titik tetap; nyatakan dengan P′P' dan Q′Q' bayangan dari PP dan QQ.

Menurut Teorema di Bab 16Hasil di Bab 16,

AQ⋅BPQB⋅PA=AQ′⋅BP′Q′B⋅P′A.\frac{AQ\cdot BP}{QB\cdot PA}=\frac{AQ'\cdot BP'}{Q'B\cdot P'A}.\label{eq:(AB;PQ)=(AB;P'Q')}

Menurut Teorema di Bab 16Hasil di Bab 16, setiap lingkaran umum dalam Π\Pi yang tegak lurus terhadap Ω\Omega dipetakan ke suatu lingkaran dalam Σ\Sigma yang tetap tegak lurus terhadap Ω\Omega. Dengan demikian, proyeksi stereografik memetakan (PQ)h(PQ)_h ke irisan belahan bola utara Σ\Sigma dengan suatu bidang yang tegak lurus terhadap Π\Pi.

Nyatakan bidang ini dengan Λ\Lambda; bidang tersebut memuat titik-titik AA, BB, P′P', P̂\hat P, dan lingkaran Γ=Σ∩Λ\Gamma=\Sigma\cap\Lambda. (Bidang ini juga memuat Q′Q' dan Q̂\hat Q, tetapi kedua titik itu belum akan kita gunakan.)

Penampang bidang Lambda

Perhatikan bahwa

Karena [AB][AB] merupakan diameter Γ\Gamma, menurut Akibat di Bab 9, sudut AP′BAP'B siku-siku. Oleh karena itu, △AP̂P′∼△AP′B∼△P′P̂B\triangle A\hat PP'\z\sim \triangle AP'B\z\sim \triangle P'\hat PB. Khususnya,

AP′BP′=AP̂P′P̂=P′P̂BP̂.\frac{AP'}{BP'}=\frac{A\hat P}{P'\hat P}=\frac{P'\hat P}{B\hat P}.
Dengan demikian,
AP̂BP̂=(AP′BP′)2dan serupa dengan ituAQ̂BQ̂=(AQ′BQ′)2.\frac{A\hat P}{B\hat P}=\left(\frac{AP'}{BP'}\right)^2 \quad\text{dan serupa dengan itu}\quad \frac{A\hat Q}{B\hat Q}=\left(\frac{AQ'}{BQ'}\right)^2. \label{eq:AP/BP}
Akhirnya, Persamaan di Bab 17+Persamaan di Bab 17 menyiratkan Persamaan di Bab 17.

Pernyataan terakhir mengikuti dari Persamaan di Bab 17 dan definisi jarak-h. Memang,

PQh:=ln⁡AQ⋅BPQB⋅PA==ln⁡(AQ̂⋅BP̂Q̂B⋅P̂A)12==12⋅ln⁡AQ̂⋅BP̂Q̂B⋅P̂A.\begin{align*} PQ_h&\df\ln\frac{A Q\cdot B P}{QB\cdot PA}= \\ &=\ln\left(\frac{A \hat Q\cdot B \hat P}{\hat QB\cdot \hat PA}\right)^{\frac12}= \\ &=\tfrac12\cdot\ln\frac{A \hat Q\cdot B \hat P}{\hat QB\cdot \hat PA}. \end{align*}

Tiga lingkaran ortogonal dan tali busurnya

Latihan Misalkan Γ1\Gamma_1, Γ2\Gamma_2, dan Γ3\Gamma_3 merupakan tiga lingkaran yang tegak lurus terhadap suatu lingkaran Ω\Omega. Misalkan [A1B1][A_1B_1], [A2B2][A_2B_2], dan [A3B3][A_3B_3] menyatakan tali busur persekutuan Ω\Omega dengan Γ1\Gamma_1, Γ2\Gamma_2, dan Γ3\Gamma_3 secara berturut-turut. Buktikan bahwa tali busur [A1B1][A_1B_1], [A2B2][A_2B_2], dan [A3B3][A_3B_3] berpotongan di satu titik di dalam Ω\Omega jika dan hanya jika Γ1\Gamma_1, Γ2\Gamma_2, dan Γ3\Gamma_3 berpotongan di dua titik.

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa 2⋅OPh=OP̂h2\cdot OP_h=O\hat P_h, dengan OO merupakan pusat lingkaran absolut dan P↔P̂P\leftrightarrow \hat P merupakan bijeksi bidang-h yang dijelaskan di atas.

Petunjuk

Model proyektif

Gambar berikut memperlihatkan bijeksi P↦P̂P\mapsto \hat P pada bidang-h yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya —

Perbandingan model konformal dan proyektif

jika gambar di sebelah kiri dikenai pemetaan P↦P̂P\z\mapsto \hat P, kita memperoleh gambar di sebelah kanan. Kedua gambar tersebut berturut-turut merupakan model konformal dan proyektif dari bidang hiperbolik. Pemetaan P↦P̂P\mapsto \hat P berfungsi sebagai penerjemah di antara kedua model.

Dalam model proyektif, segala sesuatu tampak berbeda; sebagian menjadi lebih sederhana, sedangkan sebagian lainnya menjadi lebih rumit.

Garis. Dalam model proyektif, garis-h direpresentasikan sebagai tali busur lingkaran absolut, lebih tepatnya tali busur tanpa titik-titik ujungnya.

Pengamatan ini dapat digunakan untuk memindahkan pernyataan tentang garis dan titik dari bidang Euklides ke bidang-h. Sebagai contoh, mari kita nyatakan suatu versi teorema Pappus untuk bidang-h.

Teorema Pappus hiperbolik Misalkan AA, BB, CC dan A′A', B′B', C′C' merupakan dua tripel titik-h yang masing-masing kolinear-h, dan misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut merupakan titik potong (BC′)h(BC')_h dengan (B′C)h(B'C)_h, (CA′)h(CA')_h dengan (C′A)h(C'A)_h, serta (AB′)h(AB')_h dengan (A′B)h(A'B)_h. Maka titik-titik XX, YY, dan ZZ kolinear-h.

Batas konfigurasi: pemindahan Pappus dan Desargues ke model proyektif mengandaikan semua garis serta titik potong yang disebut terdefinisi, unik, dan berada sebagai titik-h yang dimaksud. Kasus berimpit atau degenerat tidak dipisahkan oleh sumber dan tidak dinyatakan tertutup oleh pembaca ini.

Dalam model proyektif, pernyataan ini langsung mengikuti dari teorema Pappus asli Teorema Pappus di Bab 15. Hal yang sama dapat dilakukan untuk teorema Desargues Teorema Desargues di Bab 15. Argumen yang sama menunjukkan bahwa konstruksi garis singgung hanya dengan penggaris yang dijelaskan dalam Latihan ke-12 di Bab 15 juga berlaku pada bidang-h. Pernyataan-pernyataan ini sama sekali tidak tampak jelas dalam model konformal.

Lingkaran dan ekuidistan. Dalam model proyektif, lingkaran-h dan ekuidistan merupakan elips dan busur-busur terbukanya. Hal ini berlaku karena proyeksi stereografik memetakan lingkaran pada bidang ke lingkaran pada bola satuan, sedangkan proyeksi titik kaki dari lingkaran itu kembali ke bidang merupakan suatu elips. (Suatu elips dapat didefinisikan sebagai proyeksi titik kaki suatu lingkaran.)

Jarak. Tinjau sepasang titik-h PP dan QQ. Misalkan AA dan BB merupakan titik-titik ideal garis-h dalam model proyektif; yakni, AA dan BB merupakan titik-titik potong garis Euklides (PQ)(PQ) dengan lingkaran absolut.

Rumus jarak-h dalam model proyektif

Maka menurut Lema di Bab 17,

PQh=12⋅ln⁡AQ⋅BPQB⋅PA,PQ_h=\tfrac12\cdot\ln\frac{AQ\cdot BP}{QB\cdot PA},\label{eq:proj-h-dist}
dengan mengandaikan bahwa titik-titik A,P,Q,BA, P, Q, B muncul pada garis tersebut dalam urutan yang sama.

Sudut. Ukuran sudut hiperbolik dalam model proyektif sangat berbeda dari ukuran sudut Euklides sehingga sulit ditentukan dari gambar. Sebagai contoh, semua garis-h yang berpotongan pada gambar saling tegak lurus.

Untuk menentukan ukuran sudut, kita dapat menerapkan suatu transformasi isometrik bidang-h yang memindahkan titik sudutnya ke pusat lingkaran absolut; setelah itu, sudut hiperbolik dan sudut Euklides mempunyai ukuran yang sama. Khususnya, jika OO merupakan pusat lingkaran absolut, maka

∡hAOB=∡AOB.\measuredangle_hAOB=\measuredangle AOB.

Pengamatan Jika OO merupakan pusat lingkaran absolut, maka

(OA)⟂(AB)⇔(OA)h⟂(AB)h.(OA)\z\perp (AB)\qquad\Longleftrightarrow\qquad(OA)_h\perp (AB)_h.

Bukti. Pencerminan Euklides terhadap (OA)(OA) menginduksi pencerminan-h terhadap (OA)h(OA)_h. Misalkan B′B' merupakan bayangan pencerminan BB. Perhatikan bahwa (OA)⟂(AB)(OA)\perp (AB) ⇔\Longleftrightarrow A∈(BB′)A\in(BB') ⇔\Longleftrightarrow A∈(BB′)hA\in(BB')_h ⇔\Longleftrightarrow (OA)h⟂(AB)h(OA)_h\perp (AB)_h. ▫\square

Transformasi isometrik. Transformasi isometrik bidang-h dalam model konformal dan model proyektif masing-masing berkaitan dengan transformasi inversif dan transformasi proyektif dengan cara yang sama. Yakni:

Latihan berikut merupakan analog hiperbolik dari Latihan ke-2 di Bab 16.

Latihan Misalkan PP dan QQ merupakan titik-titik dalam bidang-h yang terletak pada jarak yang sama dari pusat lingkaran absolut. Perhatikan bahwa dalam model proyektif, titik tengah-h [PQ]h[PQ]_h berimpit dengan titik tengah Euklides [PQ][PQ].

Simpulkan bahwa jika suatu segitiga-h terinskripsi pada suatu lingkaran-h, maka garis-garis beratnya berpotongan di satu titik.

Ingat bahwa suatu segitiga-h juga dapat terinskripsi pada horosiklus atau ekuidistan. Pikirkan cara membuktikan pernyataan tersebut dalam kasus ini.

Petunjuk

Cakupan petunjuk: simpulan yang dibuktikan oleh petunjuk sumber adalah kasus segitiga-h pada lingkaran-h. Kalimat berikutnya tentang horosiklus atau ekuidistan merupakan perluasan opsional untuk dipikirkan; sumber tidak memberikan pembuktiannya di sini.

Latihan Buktikan bahwa garis-garis tinggi suatu segitiga hiperbolik berpotongan di satu titik atau saling lepas berpasangan.

Petunjuk
Kriteria tegak lurus dalam model proyektif

Latihan Misalkan ℓ\ell dan mm merupakan garis-h dalam model proyektif. Misalkan ss dan tt menyatakan garis-garis Euklides yang menyinggung lingkaran absolut di titik-titik ideal ℓ\ell. Buktikan bahwa jika garis-garis ss, tt, dan perpanjangan mm berpotongan di satu titik, maka ℓ⟂m\ell\perp m.

Petunjuk

Latihan Gunakan model proyektif untuk menurunkan rumus sudut paralelisme (Proposisi di Bab 13).

Petunjuk

Latihan Gunakan model proyektif untuk menentukan jari-jari dalam suatu segitiga ideal.

Petunjuk

Latihan lanjutan Buktikan teorema Pythagoras hiperbolik (Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13) dengan menggunakan gagasan berikut.

Petunjuk

Ingat bahwa teorema Pythagoras hiperbolik (Teorema Pythagoras hiperbolik di Bab 13) menyatakan bahwa jika △hACB\triangle_hACB merupakan segitiga-h dengan sudut siku-siku di CC, maka

cosh⁡c=cosh⁡a⋅cosh⁡b,\cosh c=\cosh a\cdot\cosh b, \label{eq:hyp-pyth-proj}
dengan a=BCha\z=BC_h, b=CAhb=CA_h, dan c=ABhc=AB_h.

Segitiga siku-siku untuk teorema Pythagoras hiperbolik

Gagasan. Kita dapat mengandaikan bahwa AA merupakan pusat lingkaran absolut. Menurut Pengamatan di Bab 17, segitiga Euklides ABCABC siku-siku. Tetapkan s=BCs=BC, t=CAt =CA, u=ABu\z= AB. Menurut teorema Pythagoras Euklides (Teorema di Bab 6), berlaku

u2=s2+t2.u^2=s^2+t^2.\label{eq:hyp-proj}
Tinggal menyatakan aa, bb, dan cc dengan menggunakan ss, uu, dan tt, lalu membuktikan bahwa Persamaan di Bab 17 menyiratkan Persamaan di Bab 17.

Konstruksi Bolyai

Andaikan kita perlu mengonstruksi suatu garis melalui PP yang sejajar asimtotik dengan garis ℓ\ell yang diberikan dalam bidang-h.

Jika AA dan BB merupakan titik-titik ideal ℓ\ell dalam model proyektif, kita cukup menggambar garis Euklides (PA)(PA). Namun, titik-titik ideal tidak terletak dalam bidang-h; oleh karena itu, titik-titik tersebut tidak dapat digunakan dalam konstruksi.

Dalam konstruksi berikut, kita mengandaikan bahwa Anda mengetahui konstruksi garis tegak lurus dengan penggaris dan jangka; lihat Latihan ke-5 di Bab 5.

Konstruksi Bolyai

  1. Tarik garis tegak lurus dari PP ke ℓ\ell; nyatakan garis tersebut dengan mm. Misalkan QQ merupakan titik kaki PP pada ℓ\ell.

  2. Tarik garis melalui PP yang tegak lurus terhadap mm; nyatakan garis tersebut dengan nn.

  3. Tandai suatu titik RR pada ℓ\ell yang berbeda dari QQ.

  4. Tarik garis tegak lurus dari RR ke nn; nyatakan garis tersebut dengan kk.

  5. Gambar lingkaran Γ\Gamma yang berpusat di PP dan berjari-jari QRQR. Tandai salah satu titik potong Γ\Gamma dengan kk; nyatakan titik tersebut dengan TT.

  6. Garis (PT)h(PT)_h sejajar asimtotik dengan ℓ\ell.

Celah kecukupan: proposisi mengasumsikan garis PT dan QR sejajar asimtotik lalu menurunkan QR_h = PT_h, sedangkan konstruksi memilih T dari kesamaan panjang dan memerlukan arah balik. Sumber tidak membuktikan bahwa dua kandidat asimtotik tepat menghabiskan titik potong garis k dengan lingkaran Gamma; pembaca ini tidak membalik implikasi tersebut.

Latihan Jelaskan apa yang terjadi jika konstruksi Bolyai dilakukan pada bidang Euklides.

Petunjuk

Proposisi berikut menyiratkan bahwa konstruksi Bolyai berlaku.

Proposisi Andaikan PP, QQ, RR, SS, TT merupakan titik-titik dalam bidang-h sedemikian sehingga S∈(RT)hS\in (RT)_h, (PQ)h⟂(QR)h(PQ)_h\perp (QR)_h, (PS)h⟂(PQ)h(PS)_h\perp(PQ)_h, (RT)h⟂(PS)h(RT)_h\perp (PS)_h, serta (PT)h(PT)_h dan (QR)h(QR)_h sejajar asimtotik. Maka QRh=PThQR_h=PT_h.

Bukti. Kita akan menggunakan model proyektif. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa PP merupakan pusat lingkaran absolut. Menurut Pengamatan di Bab 17, garis-garis Euklides yang bersesuaian juga tegak lurus; yakni, (PQ)⟂(QR)(PQ)\perp (QR), (PS)⟂(PQ)(PS)\perp(PQ), dan (RT)⟂(PS)(RT)\z\perp (PS).

Misalkan AA merupakan titik ideal bersama dari (QR)h(QR)_h dan (PT)h(PT)_h. Misalkan BB dan CC berturut-turut menyatakan titik-titik ideal lainnya dari (QR)h(QR)_h dan (PT)h(PT)_h.

Garis-garis Euklides (PQ)(PQ), (TR)(TR), dan (CB)(CB) sejajar. Oleh karena itu,

△AQP∼△ART∼△ABC.\triangle AQP\sim \triangle ART \sim\triangle ABC.

Konfigurasi pembuktian konstruksi Bolyai

Khususnya,

ACAB=ATAR=APAQ.\frac{AC}{AB}=\frac{AT}{AR}=\frac{AP}{AQ}.
Dengan demikian,
ATAR=APAQ=BRCT=BQCP.\frac{AT}{AR}=\frac{AP}{AQ}=\frac{BR}{CT}=\frac{BQ}{CP}.
Khususnya,
AT⋅CPTC⋅PA=AR⋅BQRB⋅QA.\frac{AT\cdot CP}{TC\cdot PA}=\frac{AR\cdot BQ}{RB\cdot QA}.
Dengan menerapkan rumus jarak-h Persamaan di Bab 17, diperoleh QRh=PThQR_h=PT_h. ▫\square

Konstruksi garis tegak lurus bersama

Latihan lanjutan Perhatikan gambar dan rekonstruksikan konstruksi garis tegak lurus bersama nn bagi garis-h ℓ\ell dan mm.

Buktikan bahwa konstruksi tersebut berlaku.

Petunjuk

  1. Latihan ke-7 di Bab 16 memberikan sumber yang kaya akan transformasi proyektif semacam ini, yang akan digunakan dalam pembuktian Teorema di Bab 19.↩︎

Koordinat kompleks

Dalam bab ini, kita memberikan interpretasi geometri inversif dengan menggunakan koordinat kompleks. Hasil-hasil bab ini mengantar pada pemahaman yang lebih mendalam mengenai kedua konsep tersebut.

Bilangan kompleks

Secara informal, suatu bilangan kompleks berbentuk

z=x+i⋅y,z=x+i\cdot y, \label{eq:z=x+iy}
dengan xx dan yy merupakan bilangan real dan i2=−1i^2=-1.

Himpunan bilangan kompleks akan dinyatakan dengan ℂ\mathbb{C}. Jika xx, yy, dan zz seperti pada Persamaan di Bab 18, maka xx disebut bagian real dan yy disebut bagian imajiner dari bilangan kompleks zz. Secara ringkas, hal ini ditulis sebagai

x=ℜzdany=ℑz.x=\Re z \quad \text{dan} \quad y=\Im z.

Pada tataran yang lebih formal, bentuk x+i⋅yx + i\cdot y hanyalah cara yang praktis untuk menuliskan pasangan (x,y)(x,y). Selanjutnya, penjumlahan dan perkalian pasangan-pasangan tersebut didefinisikan sebagai berikut:

(x1+i⋅y1)+(x2+i⋅y2):=(x1+x2)+i⋅(y1+y2);(x1+i⋅y1)⋅(x2+i⋅y2):=(x1⋅x2−y1⋅y2)+i⋅(x1⋅y2+y1⋅x2).\begin{aligned} (x_1+i\cdot y_1) + (x_2+i\cdot y_2) &\df (x_1+x_2) + i\cdot(y_1+y_2); \\ (x_1+i\cdot y_1)\cdot(x_2+i\cdot y_2) &\df (x_1\cdot x_2-y_1\cdot y_2) + i\cdot(x_1\cdot y_2+y_1\cdot x_2). \end{aligned} \label{eq:comlex+x}

Koordinat kompleks

Ingat bahwa bidang Euklides dapat dipandang sebagai himpunan semua pasangan bilangan real (x,y)(x,y) yang dilengkapi dengan metrik

AB=(xA−xB)2+(yA−yB)2,AB=\sqrt{(x_A-x_B)^2+(y_A-y_B)^2},
dengan A=(xA,yA)A=(x_A,y_A) dan B=(xB,yB)B=(x_B,y_B).

Kita dapat mengemas koordinat (x,y)(x,y) suatu titik menjadi satu bilangan kompleks z=x+i⋅yz=x+i\cdot y. Hal ini membentuk hubungan langsung antara titik-titik pada bidang Euklides dan ℂ\mathbb{C} (himpunan bilangan kompleks). Untuk suatu titik Z=(x,y)Z=(x,y), bilangan kompleks z=x+i⋅yz=x+ i\cdot y disebut koordinat kompleks dari ZZ.

Jika OO, EE, dan II merupakan titik-titik pada bidang dengan koordinat kompleks masing-masing 00, 11, dan ii, maka ∡EOI=±π2\measuredangle EOI=\pm\tfrac\pi2. Kita akan mengandaikan bahwa ∡EOI=π2\measuredangle EOI=\tfrac\pi2; jika tidak, arah koordinat-yy perlu disesuaikan.

Konjugasi dan nilai mutlak

Misalkan z=x+i⋅yz=x+i\cdot y; artinya, zz merupakan bilangan kompleks dengan bagian real xx dan bagian imajiner yy. Jika y=0y=0, kita mengatakan bahwa bilangan kompleks zz bersifat real; jika x=0x=0, kita mengatakan bahwa zz bersifat imajiner. Himpunan titik-titik dengan koordinat kompleks real (imajiner) membentuk suatu garis pada bidang, yang disebut garis real (atau garis imajiner). Garis real akan dinyatakan dengan ℝ\mathbb{R}.

Bilangan kompleks

z‾:=x−i⋅y\bar z\df x-i\cdot y
disebut konjugat kompleks dari z=x+i⋅yz=x+i\cdot y. Misalkan ZZ dan Z‾\bar Z merupakan titik-titik pada bidang dengan koordinat kompleks masing-masing zz dan z‾\bar z. Titik Z‾\bar Z merupakan pencerminan ZZ terhadap garis real.

Mudah diperiksa bahwa

x=ℜz=z+z‾2,y=ℑz=z−z‾i⋅2,danx2+y2=z⋅z‾.\begin{aligned} x&=\Re z=\frac{z+\bar z}2, & y&=\Im z=\frac{z-\bar z}{i\cdot2}, \quad\text{dan} & x^2+y^2&=z\cdot\bar z. \end{aligned}\label{eq:conj-1}

Rumus terakhir dalam Persamaan di Bab 18 memungkinkan kita menyatakan hasil bagi wz\tfrac{w}{z} dari dua bilangan kompleks ww dan z=x+i⋅yz=x+i\cdot y:

wz=1z⋅z‾⋅w⋅z‾=1x2+y2⋅w⋅z‾.\frac{w}{z}=\tfrac{1}{z\cdot\bar z}\cdot w\cdot\bar z=\tfrac{1}{x^2+y^2}\cdot w\cdot\bar z.

Perhatikan bahwa

z+w¯=z‾+w‾,z−w¯=z‾−w‾,z⋅w¯=z‾⋅w‾,z/w¯=z‾/w‾.\begin{align*} \overline {z+ w}&=\bar z+\bar w, & \overline {z- w}&=\bar z-\bar w, & \overline {z\cdot w}&=\bar z\cdot\bar w, & \overline {z/w}&=\bar z/\bar w. \end{align*}
Artinya, konjugasi kompleks mempertahankan semua operasi aritmetika.

Nilai

|z|:=x2+y2=(x+i⋅y)⋅(x−i⋅y)=z⋅z‾\begin{align*} |z|&\df\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{(x+i\cdot y)\cdot(x-i\cdot y)} = \sqrt{z\cdot\bar z} \end{align*}
disebut nilai mutlak dari zz. Jika |z|=1|z|=1, maka zz disebut bilangan kompleks satuan.

Latihan Buktikan bahwa |v⋅w|=|v|⋅|w||v\cdot w|=|v|\cdot |w| untuk semua v,w∈ℂv,w\in\mathbb{C}.

Petunjuk

Andaikan ZZ dan WW merupakan titik-titik dengan koordinat kompleks zz dan ww. Perhatikan bahwa

ZW=|z−w|.ZW=|z-w|.\label{eq:C-dist}
Ketaksamaan segitiga untuk titik-titik dengan koordinat kompleks 00, vv, dan v+wv+w menyiratkan bahwa
|v+w|≤|v|+|w||v+w|\le |v|+|w|
untuk semua v,w∈ℂv,w\in\mathbb{C}; ketaksamaan ini juga disebut ketaksamaan segitiga.

Latihan Gunakan identitas

u⋅(v−w)+v⋅(w−u)+w⋅(u−v)=0u\cdot (v-w)+v\cdot (w-u)+w\cdot(u-v)=0
untuk u,v,w∈ℂu,v,w\in\mathbb{C} dan ketaksamaan segitiga untuk membuktikan ketaksamaan Ptolemy (Ketaksamaan Ptolemy di Bab 6).

Petunjuk

Rumus Euler

Rumus Euler pada lingkaran satuan

Misalkan α\alpha merupakan suatu bilangan real. Identitas berikut

ei⋅α=cos⁡α+i⋅sin⁡αe^{i\cdot\alpha}=\cos\alpha+i\cdot\sin\alpha \label{eq:euler}
disebut rumus Euler. Secara khusus, ei⋅π=−1e^{i\cdot\pi}\z=-1 dan ei⋅π2=ie^{i\cdot\frac\pi2}\z=i.

Secara geometris, rumus Euler dapat dipahami sebagai berikut: Bayangkan OO dan EE sebagai titik-titik dengan koordinat kompleks masing-masing 00 dan 11. Andaikan

OZ=1dan∡EOZ≡α,OZ=1\quad \text{dan}\quad \measuredangle EOZ\z\equiv \alpha,
maka ei⋅αe^{i\cdot\alpha} merupakan koordinat kompleks dari ZZ. Secara khusus, koordinat kompleks setiap titik pada lingkaran satuan yang berpusat di OO dapat dinyatakan secara tunggal sebagai ei⋅αe^{i\cdot\alpha} untuk suatu α∈(−π,π]\alpha\in(-\pi,\pi].

Mengapa hal ini benar? Bukti identitas Euler bergantung pada cara kita mendefinisikan fungsi eksponensial.

Jika Anda belum pernah menerapkan fungsi eksponensial pada suatu bilangan imajiner, Anda dapat mengambil ruas kanan dalam Persamaan di Bab 18 sebagai definisi ei⋅αe^{i\cdot\alpha}. Dalam hal ini, tidak ada yang perlu dibuktikan, tetapi sebaiknya diperiksa bahwa ei⋅αe^{i\cdot\alpha} memenuhi identitas-identitas yang lazim. Terutama,

ei⋅α⋅ei⋅β=ei⋅(α+β).e^{i\cdot \alpha}\cdot e^{i\cdot \beta}= e^{i\cdot(\alpha+\beta)}.
Identitas terakhir dapat dibuktikan menggunakan Persamaan di Bab 18 dan rumus-rumus trigonometri yang terkenal berikut:
cos⁡(α+β)=cos⁡α⋅cos⁡β−sin⁡α⋅sin⁡β,sin⁡(α+β)=sin⁡α⋅cos⁡β+cos⁡α⋅sin⁡β.\begin{align*} \cos(\alpha+\beta)&=\cos\alpha\cdot\cos\beta-\sin\alpha\cdot\sin\beta, \\ \sin(\alpha+\beta)&=\sin\alpha\cdot\cos\beta+\cos\alpha\cdot\sin\beta. \end{align*}

Jika Anda mengenal deret pangkat untuk sinus, kosinus, dan fungsi eksponensial, maka perhitungan berikut dapat meyakinkan Anda bahwa identitas di Bab 18 berlaku:

ei⋅α=1+i⋅α+(i⋅α)22!+(i⋅α)33!+(i⋅α)44!+(i⋅α)55!+⋯==1+i⋅α−α22!−i⋅α33!+α44!+i⋅α55!−⋯==(1−α22!+α44!−⋯)+i⋅(α−α33!+α55!−⋯)==cos⁡α+i⋅sin⁡α.\begin{align*} e^{i\cdot \alpha } &{}= 1 + i\cdot \alpha + \frac{(i\cdot \alpha )^2}{2!} + \frac{(i\cdot \alpha )^3}{3!} + \frac{(i\cdot \alpha )^4}{4!} + \frac{(i\cdot \alpha )^5}{5!} + \cdots = \\ &= 1 + i\cdot \alpha - \frac{\alpha ^2}{2!} - i\cdot\frac{ \alpha ^3}{3!} + \frac{\alpha ^4}{4!} + i\cdot\frac{ \alpha ^5}{5!} - \cdots = \\ &= \left( 1 - \frac{\alpha ^2}{2!} + \frac{\alpha ^4}{4!} - \cdots \right) + i\cdot\left( \alpha - \frac{\alpha ^3}{3!} + \frac{\alpha ^5}{5!} - \cdots \right) = \\ &= \cos \alpha + i\cdot\sin \alpha. \end{align*}

Argumen dan koordinat polar

Seperti sebelumnya, kita mengandaikan bahwa OO dan EE merupakan titik-titik dengan koordinat kompleks masing-masing 00 dan 11.

Misalkan ZZ merupakan suatu titik yang berbeda dari OO. Tetapkan ρ=OZ\rho=OZ dan θ=∡EOZ\theta=\measuredangle EOZ; keduanya disebut koordinat polar titik ZZ.

Jika zz merupakan koordinat kompleks dari ZZ, maka ρ=|z|\rho=|z|. Nilai θ\theta disebut argumen dari zz (secara ringkas, θ=arg⁡z\theta=\arg z). Dalam hal ini,

z=ρ⋅ei⋅θ=ρ⋅(cos⁡θ+i⋅sin⁡θ).z=\rho\cdot e^{i\cdot\theta}=\rho\cdot(\cos\theta+i\cdot\sin\theta).\qquad\qquad\qquad\qquad

Argumen dan koordinat polar

Perhatikan bahwa

arg⁡(z⋅w)≡arg⁡z+arg⁡w,danarg⁡zw≡arg⁡z−arg⁡w\begin{align*} \arg (z\cdot w)&\equiv \arg z+\arg w, \text{dan} \arg \tfrac z w&\equiv \arg z-\arg w \end{align*}
jika z≠0z\ne0 dan w≠0w\ne0. Secara khusus, jika ZZ, VV, dan WW merupakan titik-titik dengan koordinat kompleks masing-masing zz, vv, dan ww, maka
∡VZW=arg⁡(w−zv−z)≡≡arg⁡(w−z)−arg⁡(v−z)\begin{aligned} \measuredangle VZW &=\arg\left(\frac{w-z}{v-z}\right)\equiv \\ &\equiv \arg(w-z)-\arg(v-z) \end{aligned} \label{eq:angle-arg}
jika ∡VZW\measuredangle VZW terdefinisi.

Latihan Gunakan rumus Persamaan di Bab 18 untuk menunjukkan bahwa

∡ZVW+∡VWZ+∡WZV≡π\measuredangle ZVW+\measuredangle VWZ+\measuredangle WZV\equiv \pi
untuk setiap segitiga ZVWZVW pada bidang Euklides.

Petunjuk

Latihan Andaikan titik-titik OO, EE, VV, WW, dan ZZ memiliki koordinat kompleks masing-masing 00, 11, vv, ww, dan z=v⋅wz=v\cdot w. Buktikan bahwa

△OEV∼△OWZ.\triangle OEV\sim \triangle OWZ.

Petunjuk

Teorema berikut merupakan terjemahan Akibat di Bab 9 ke dalam bahasa bilangan kompleks.

Teorema Misalkan aa, bb, cc, dan dd merupakan koordinat kompleks titik-titik sudut ▫ABCD\square ABCD. Maka ▫ABCD\square ABCD terinskripsi jika dan hanya jika bilangan

(a−b)⋅(c−d)(a−d)⋅(c−b)\frac{(a-b)\cdot(c-d)}{(a-d)\cdot(c-b)}
bersifat real.

Nilai (a−b)⋅(c−d)(a−d)⋅(c−b)\frac{(a-b)\cdot(c-d)}{(a-d)\cdot(c-b)} disebut rasio silang kompleks dari aa, cc, bb, dan dd; nilai ini akan dinyatakan dengan (a,c;b,d)(a,c;b,d).

Latihan Perhatikan bahwa bilangan kompleks z≠0z\ne 0 bersifat real jika dan hanya jika arg⁡z=0\arg z=0 atau π\pi; dengan kata lain, 2⋅arg⁡z≡02\cdot\arg z\equiv 0.

Gunakan pengamatan ini untuk menunjukkan bahwa Teorema di Bab 18 memang merupakan perumusan ulang Akibat di Bab 9.

Petunjuk

Metode koordinat kompleks

Soal berikut mengilustrasikan metode koordinat kompleks.

Soal Misalkan △OPV\triangle OPV dan △OQW\triangle OQW merupakan segitiga siku-siku sama kaki sedemikian sehingga

∡VPO=∡OQW=π2\measuredangle VPO=\measuredangle OQW=\tfrac\pi2
dan misalkan MM merupakan titik tengah [VW][VW]. Andaikan PP, QQ, dan MM merupakan titik-titik berbeda. Buktikan bahwa △PMQ\triangle PMQ merupakan segitiga siku-siku sama kaki.

Penyelesaian. Pilih koordinat kompleks sedemikian sehingga OO merupakan titik asal. Nyatakan koordinat kompleks titik-titik lainnya berturut-turut dengan v,w,p,q,mv, w, p, q, m.

Karena △OPV\triangle OPV dan △OQW\triangle OQW sama kaki dan ∡VPO=∡OQW=π2\measuredangle VPO=\measuredangle OQW=\tfrac\pi2, Persamaan di Bab 18 dan Persamaan di Bab 18 menyiratkan bahwa

v−p=i⋅p,q−w=i⋅q.\begin{align*} v-p&=i\cdot p, & q-w&=i\cdot q. \end{align*}

Dua segitiga siku-siku sama kaki

Oleh karena itu,

m=12⋅(v+w)==1+i2⋅p+1−i2⋅q.\begin{align*} m &=\tfrac12\cdot(v+w)= \\ &=\tfrac{1+i}2\cdot p+\tfrac{1-i}2\cdot q. \end{align*}

Dengan perhitungan langsung, kita memperoleh

p−m=i⋅(q−m).p-m=i\cdot (q-m).
Secara khusus, |p−m|=|q−m||p-m|=|q-m| dan arg⁡p−mq−m=π2\arg\frac{p-m}{q-m}=\tfrac\pi2; artinya, PM=QMPM=QM dan ∡QMP=π2\measuredangle QMP =\tfrac\pi2. ▫\square

Tiga persegi dengan sisi bersama

Latihan Tinjau tiga persegi dengan sisi-sisi bersama seperti yang ditunjukkan pada gambar. Gunakan metode koordinat kompleks untuk menunjukkan bahwa

∡EOA+∡EOB+∡EOC=±π2.\measuredangle EOA+\measuredangle EOB+\measuredangle EOC=\pm\tfrac\pi2.

Petunjuk

Latihan Periksa identitas berikut yang memuat enam rasio silang kompleks:

(u,w;v,z)⋅(u′,w′;v′,z′)=(v,w′;v′,w)⋅(z,u′;z′,u)(u,v′;u′,v)⋅(w,z′;w′,z).(u,w;v,z)\cdot(u',w';v',z')=\frac{(v,w';v',w)\cdot(z,u';z',u)}{(u,v';u',v)\cdot(w,z';w',z)}.
Gunakan identitas ini bersama Teorema di Bab 18 untuk membuktikan bahwa jika ▫UVWZ\square UVWZ, ▫UVV′U′\square UVV'U', ▫VWW′V′\square VWW'V', ▫WZZ′W′\square WZZ'W', dan ▫ZUU′Z′\square ZUU'Z' merupakan segiempat terinskripsi, maka ▫U′V′W′Z′\square U'V'W'Z' juga merupakan segiempat terinskripsi.

Petunjuk
Konfigurasi enam rasio silang kompleks
Empat segitiga sebangun

Latihan Andaikan titik-titik UU, VV, dan WW terletak pada sisi yang sama dari garis (AB)(AB) dan △UAB∼△BVA∼△ABW\triangle UAB\sim \triangle BVA \sim \triangle ABW. Nyatakan dengan aa, bb, uu, vv, dan ww koordinat kompleks dari AA, BB, UU, VV, dan WW secara berturut-turut.

  1. Buktikan bahwa u−ab−a=b−va−v=a−bw−b=u−vw−v\tfrac{u-a}{b-a}=\tfrac{b-v}{a-v}=\tfrac{a-b}{w-b}=\tfrac{u-v}{w-v}.

  2. Simpulkan bahwa △UAB∼△BVA∼△ABW∼△UVW\triangle UAB\sim \triangle BVA \sim \triangle ABW\sim \triangle UVW.

Petunjuk

Transformasi linear fraksional

Latihan Tonton video berjudul “Möbius transformations revealed” karya Douglas Arnold dan Jonathan Rogness. (Video ini tersedia di YouTube.)

Fakta sumber: latihan ini bergantung pada video YouTube dan tidak mempunyai petunjuk atau padanan statis/luring yang ditulis penulis. Suplemen orisinal edisi di bawah ini menyediakan jalur luring terpisah tanpa menyamar sebagai petunjuk sumber.

Bidang kompleks ℂ\mathbb{C} yang diperluas dengan satu bilangan ideal ∞\infty disebut bidang kompleks diperluas. Bidang ini dinyatakan dengan ℂ̂\hat{\mathbb{C}}, sehingga ℂ̂=ℂ∪{∞}\hat{\mathbb{C}}=\mathbb{C}\cup\{\infty\}.

Suatu transformasi linear fraksional atau transformasi Möbius pada ℂ̂\hat{\mathbb{C}} merupakan fungsi dalam satu variabel kompleks zz yang dapat ditulis sebagai

f(z)=a⋅z+bc⋅z+d,f(z) = \frac{a\cdot z + b}{c\cdot z + d},
dengan koefisien aa, bb, cc, dd merupakan bilangan kompleks yang memenuhi a⋅d−b⋅c≠0a\cdot d \z- b\cdot c \not= 0. (Jika a⋅d−b⋅c=0a\cdot d - b\cdot c = 0, fungsi yang didefinisikan di atas merupakan fungsi konstan; fungsi itu bukan transformasi linear fraksional.)

Dalam hal c≠0c\not=0, kita mengandaikan bahwa

f(−d/c)=∞danf(∞)=a/c;f(-d/c) = \infty \quad \text{dan} \quad f(\infty) = a/c;
dan jika c=0c=0, kita mengandaikan f(∞)=∞f(\infty) = \infty.

Transformasi elementer

Ketiga jenis transformasi linear fraksional berikut disebut elementer:

  1. z↦z+w,z\mapsto z+w,

  2. z↦w⋅zz\mapsto w\cdot z untuk w≠0,w\ne0,

  3. z↦1z.z\mapsto \frac1z.

Interpretasi geometris. Andaikan OO menyatakan titik dengan koordinat kompleks 00.

Pemetaan pertama z↦z+wz\mapsto z+w bersesuaian dengan apa yang disebut translasi sejajar pada bidang Euklides; makna geometrisnya semestinya jelas.

Pemetaan kedua disebut homoteti rotasional dengan pusat OO. Artinya, titik OO dipetakan ke dirinya sendiri, dan setiap titik lain ZZ dipetakan ke titik Z′Z' sedemikian sehingga OZ′=|w|⋅OZOZ'=|w|\cdot OZ dan ∡ZOZ′=arg⁡w\measuredangle ZOZ'=\arg w.

Pemetaan ketiga dapat dijelaskan sebagai komposisi inversi terhadap lingkaran satuan yang berpusat di OO dan pencerminan terhadap ℝ\mathbb{R} (komposisinya dapat dilakukan dalam urutan mana pun).

Memang, arg⁡z≡−arg⁡1z\arg z\equiv -\arg \tfrac1z. Oleh karena itu,

arg⁡z=arg⁡(1/z‾);\arg z=\arg (1/\bar z);
artinya, jika titik-titik ZZ dan Z′Z' memiliki koordinat kompleks masing-masing zz dan 1/z‾1/\bar z, maka Z′∈[OZ)Z'\in[OZ). Jelas bahwa OZ=|z|OZ=|z| dan OZ′=|1/z‾|=1|z|OZ'=|1/\bar z|=\tfrac{1}{|z|}. Oleh karena itu, Z′Z' merupakan invers dari ZZ terhadap lingkaran satuan yang berpusat di OO. Terakhir, 1z=(1/z‾)¯\tfrac1z\z=\overline{(1/\bar z)} merupakan koordinat kompleks dari pencerminan Z′Z' terhadap ℝ\mathbb{R}.

Proposisi Suatu pemetaan fℂ̂→ℂ̂f\:\hat{\mathbb{C}}\to\hat{\mathbb{C}} merupakan transformasi linear fraksional jika dan hanya jika ff dapat dinyatakan sebagai komposisi transformasi-transformasi elementer.

Bukti; bagian “hanya jika”. Tetapkan suatu transformasi linear fraksional

f(z)=a⋅z+bc⋅z+d.Andaikan c≠0. Makaf(z)=ac−a⋅d−b⋅cc⋅(c⋅z+d)==ac−a⋅d−b⋅cc2⋅1z+dc.\begin{align*} f(z) &= \frac{a\cdot z + b}{c\cdot z + d}. \text{Andaikan $c\ne 0$. Maka} f(z) &= \frac ac-\frac{a\cdot d-b\cdot c}{c\cdot(c\cdot z + d)} = \\ &= \frac ac-\frac{a\cdot d-b\cdot c}{c^2}\cdot \frac1{z + \frac dc}. \end{align*}
Artinya,
f(z)=f4∘f3∘f2∘f1(z),f(z)=f_4\circ f_3\circ f_2\circ f_1 (z), \label{eq:moebius-compose}
dengan f1f_1, f2f_2, f3f_3, dan f4f_4 merupakan transformasi-transformasi elementer berikut:
f1(z)=z+dc,f2(z)=1z,f3(z)=−a⋅d−b⋅cc2⋅z,f4(z)=z+ac.\begin{align*} f_1(z)&= z+\tfrac dc, & f_2(z)&= \tfrac1z, \\ f_3(z)&= - \tfrac{a\cdot d-b\cdot c}{c^2} \cdot z, & f_4(z)&= z+\tfrac ac. \end{align*}

Jika c=0c=0, maka

f(z)=a⋅z+bd.f(z) = \frac{a\cdot z + b}{ d}.
Dalam hal ini, f(z)=f2∘f1(z)f(z)=f_2\circ f_1 (z), dengan
f1(z)=ad⋅z,f2(z)=z+bd.\begin{align*} f_1(z)&= \tfrac ad\cdot z, & f_2(z)= z+\tfrac bd. \end{align*}

Bagian “jika”. Kita perlu menunjukkan bahwa dengan mengomposisikan transformasi-transformasi elementer, kita hanya dapat memperoleh transformasi linear fraksional. Cukup diperiksa bahwa komposisi suatu transformasi linear fraksional

f(z)=a⋅z+bc⋅z+d.f(z) = \frac{a\cdot z + b}{c\cdot z + d}.
dengan setiap transformasi elementer z↦z+wz\mapsto z+w, z↦w⋅zz\mapsto w\cdot z, atau z↦1zz\mapsto \tfrac1z merupakan transformasi linear fraksional.

Hal terakhir dilakukan melalui perhitungan langsung.

a⋅(z+w)+bc⋅(z+w)+d=a⋅z+(b+a⋅w)c⋅z+(d+c⋅w),a⋅(w⋅z)+bc⋅(w⋅z)+d=(a⋅w)⋅z+b(c⋅w)⋅z+d,a⋅1z+bc⋅1z+d=b⋅z+ad⋅z+c.\begin{align*} \frac{a\cdot (z+w) + b}{c\cdot (z+w) + d} &= \frac{a\cdot z + (b+a\cdot w)}{c\cdot z + (d+c\cdot w)}, \\ \frac{a\cdot (w\cdot z) + b}{c\cdot (w\cdot z) + d} &= \frac{(a\cdot w)\cdot z + b}{(c\cdot w)\cdot z + d}, \\ \frac{a\cdot \frac1z + b}{c\cdot \frac1z + d} &= \frac{b\cdot z + a}{d\cdot z + c}. \end{align*}

Akibat Transformasi linear fraksional memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum.

Bukti. Menurut Proposisi di Bab 18, cukup diperiksa bahwa setiap transformasi elementer memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum.

Untuk transformasi elementer pertama dan kedua, hal ini jelas.

Seperti telah diperhatikan di atas, pemetaan z↦1zz\mapsto\tfrac1z merupakan komposisi inversi dan pencerminan. Menurut Teorema di Bab 10, inversi memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum. Dengan demikian, hasilnya terbukti. ▫\square

Latihan Buktikan bahwa jika ff merupakan transformasi linear fraksional, maka inversnya f−1f^{-1} juga demikian.

Petunjuk

Latihan Untuk nilai-nilai berbeda z0,z1,z∞∈ℂ̂z_0,z_1,z_\infty\in \hat{\mathbb{C}}, konstruksikan suatu transformasi linear fraksional ff sedemikian sehingga f(z0)=0f(z_0)=0, f(z1)=1f(z_1)=1, dan f(z∞)=∞f(z_\infty)\z=\infty. Buktikan bahwa transformasi tersebut tunggal.

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa setiap inversi merupakan komposisi konjugasi kompleks dan suatu transformasi linear fraksional.

Gunakan Latihan ke-13 di Bab 14 untuk menyimpulkan bahwa setiap transformasi inversif merupakan transformasi linear fraksional atau konjugat kompleks dari suatu transformasi linear fraksional.

Petunjuk

Rasio silang kompleks

Misalkan uu, vv, ww, dan zz merupakan empat bilangan kompleks berbeda. Ingat bahwa bilangan kompleks

(u−w)⋅(v−z)(v−w)⋅(u−z)\frac{(u-w)\cdot(v-z)}{(v-w)\cdot(u-z)}
disebut rasio silang kompleks dari uu, vv, ww, dan zz; bilangan ini dinyatakan dengan (u,v;w,z)(u,v;w,z).

Jika salah satu bilangan uu, vv, ww, zz adalah ∞\infty, maka rasio silang kompleks harus didefinisikan dengan mengambil limit yang sesuai; dengan kata lain, kita mengandaikan bahwa ∞∞=1\frac\infty\infty=1. Sebagai contoh,

(u,v;w,∞)=(u−w)(v−w).(u, v; w, \infty)=\frac{(u-w)}{(v-w)}.

Andaikan UU, VV, WW, dan ZZ merupakan titik-titik dengan koordinat kompleks masing-masing uu, vv, ww, dan zz. Perhatikan bahwa

UW⋅VZVW⋅UZ=|(u,v;w,z)|,∡WUZ+∡ZVW=arg⁡u−wu−z+arg⁡v−zv−w≡arg⁡(u,v;w,z).\begin{align*} \frac{UW\cdot VZ}{VW\cdot UZ}&=|(u,v;w,z)|, \\ \measuredangle WUZ +\measuredangle ZVW&=\arg\frac{u-w}{u-z}+\arg\frac{v-z}{v-w}\equiv \arg(u,v;w,z). \end{align*}
Persamaan-persamaan ini memberikan perumusan ulang Teorema di Bab 10 berikut.

Teorema Misalkan UWVZUWVZ dan U′W′V′Z′U'W'V'Z' merupakan dua segiempat sedemikian sehingga titik-titik U′U', W′W', V′V', dan Z′Z' berturut-turut merupakan invers dari UU, WW, VV, dan ZZ. Andaikan uu, ww, vv, zz, u′u', w′w', v′v', dan z′z' merupakan koordinat kompleks masing-masing dari UU, WW, VV, ZZ, U′U', W′W', V′V', dan Z′Z'.

Maka

(u′,v′;w′,z′)=(u,v;w,z)¯.(u',v';w',z')=\overline{(u,v;w,z)}.

Latihan berikut merupakan generalisasi teorema di atas. Latihan ini memiliki penyelesaian singkat yang menggunakan Proposisi di Bab 18.

Latihan Buktikan bahwa rasio silang kompleks bersifat invarian terhadap transformasi linear fraksional.

Artinya, jika suatu transformasi linear fraksional memetakan empat bilangan kompleks berbeda u,v,w,zu, v, w, z berturut-turut ke bilangan kompleks u′,v′,w′,z′u', v', w', z', maka

(u′,v′;w′,z′)=(u,v;w,z).(u',v';w',z') = (u,v;w,z).

Petunjuk

Teorema Schwarz–Pick

Teorema berikut menunjukkan bahwa metrik dalam model cakram konformal muncul secara alami dalam cabang-cabang matematika lain. Kita tidak memberikan buktinya, tetapi bukti tersebut dapat ditemukan dalam buku teks mana pun tentang analisis kompleks geometris.

Misalkan 𝔻\mathbb{D} merupakan cakram satuan terbuka pada bidang kompleks yang berpusat di 00; artinya, suatu bilangan kompleks zz termasuk dalam 𝔻\mathbb{D} jika dan hanya jika |z|<1|z|<1.

Mari gunakan cakram 𝔻\mathbb{D} sebagai bidang-h dalam model cakram konformal; jarak-h antara z,w∈𝔻z, w\in\mathbb{D} akan dinyatakan dengan dh(z,w)d_h(z,w); artinya,

dh(z,w):=ZWh,d_h(z,w)\df ZW_h,
dengan ZZ dan WW merupakan titik-h dengan koordinat kompleks masing-masing zz dan ww.

Suatu fungsi f𝔻→ℂf\:\mathbb{D}\to \mathbb{C} disebut holomorfik jika untuk setiap z∈𝔻z\in \mathbb{D} terdapat suatu bilangan kompleks ss sedemikian sehingga

f(z+w)=f(z)+s⋅w+o(|w|).f(z+w)=f(z)+s\cdot w+o(|w|).
Dengan kata lain, ff terdiferensialkan secara kompleks di setiap z∈𝔻z\in\mathbb{D}. Bilangan kompleks ss disebut turunan ff di zz (secara ringkas, s=f′(z)s=f'(z)).

Teorema Schwarz–Pick Andaikan f𝔻→𝔻f\: \mathbb{D}\to \mathbb{D} merupakan suatu fungsi holomorfik. Maka

dh(f(z),f(w))≤dh(z,w)d_h(f(z),f(w))\le d_h(z,w)
untuk semua z,w∈𝔻z,w\in \mathbb{D}.

Jika kesamaan berlaku untuk satu pasangan bilangan berbeda z,w∈𝔻z,w\in \mathbb{D}, maka kesamaan itu berlaku untuk setiap pasangan. Dalam hal ini, ff merupakan transformasi linear fraksional sekaligus transformasi isometrik bidang-h.

Latihan Buktikan bahwa jika suatu transformasi linear fraksional ff muncul dalam kasus kesamaan Teorema Schwarz–Pick, maka transformasi itu dapat ditulis sebagai

f(z)=v⋅z+w‾w⋅z+v‾.f(z)=\frac{v\cdot z+\bar w}{w\cdot z+\bar v}.
dengan vv dan ww merupakan konstanta kompleks yang memenuhi |v|>|w||v|>|w|.

Petunjuk

Ingat bahwa tangen hiperbolik tanh\tanh didefinisikan dalam Bagian ke-5 di Bab 12.

Latihan Buktikan bahwa

tanh⁡[12⋅dh(z,w)]=|z−w1−z⋅w‾|.\tanh [\tfrac12\cdot d_h(z,w)]=\left|\frac{z-w}{1-z\cdot\bar w}\right|.
Simpulkan bahwa ketaksamaan dalam Teorema Schwarz–Pick dapat ditulis ulang sebagai
|z′−w′1−z′⋅w‾′|≤|z−w1−z⋅w‾|,\left|\frac{z'-w'}{1-z'\cdot\bar w'}\right|\le\left|\frac{z-w}{1-z\cdot\bar w}\right|,
dengan z′=f(z)z'=f(z) dan w′=f(w)w'=f(w).

Petunjuk

Latihan Buktikan bahwa Lema Schwarz yang dinyatakan di bawah ini mengikuti dari Teorema Schwarz–Pick.

Petunjuk

Lema Schwarz Misalkan f𝔻→𝔻f\: \mathbb{D}\to \mathbb{D} merupakan suatu fungsi holomorfik dan f(0)=0f(0)=0. Maka |f(z)|≤|z||f(z)|\le |z| untuk setiap z∈𝔻z\in \mathbb{D}.

Lebih lanjut, jika kesamaan berlaku untuk suatu z≠0z\ne 0, maka terdapat suatu bilangan kompleks satuan uu sedemikian sehingga f(z)=u⋅zf(z)=u\cdot z untuk setiap z∈𝔻z\in\mathbb{D}.

Konstruksi geometri

Konstruksi geometri telah diperkenalkan pada akhir Bab 5 dan digunakan di sepanjang buku ini. Konstruksi semacam ini memiliki nilai pedagogis yang penting sebagai pengantar pembuktian matematika.

Dalam bab ini, kita menelaah secara singkat teori yang mendasari konstruksi geometri. Perlu disebutkan pula permainan komputer “Euclidea” ; permainan ini merupakan cara yang sangat menarik untuk menjadi mahir dalam bidang tersebut.

Soal-soal klasik

Penyelesaian kedua soal berikut tidaklah sederhana.

Soal Brahmagupta Konstruksikan suatu segiempat terinskripsi dengan panjang sisi-sisi yang diberikan.

Konfigurasi tiga lingkaran Apollonius

Beberapa penyelesaian soal berikut disajikan dalam .

Soal Apollonius Konstruksikan suatu lingkaran yang menyinggung tiga lingkaran yang diberikan.

Konstruksi yang mustahil

Soal konstruksi yang mustahil pada prinsipnya tidak dapat diselesaikan; artinya, konstruksi dengan penggaris dan jangka yang diminta tidak ada. Soal-soal berikut telah dikenal selama sekitar dua ribu tahun; kemustahilannya baru dibuktikan pada abad ke-1919^\text{}. Metode yang digunakan dalam pembuktian tersebut akan diuraikan pada bagian berikutnya.

Penggandaan kubus Jika diberikan suatu kubus, konstruksikan panjang sisi kubus yang volumenya dua kali lipat.

Jika diberikan suatu ruas yang panjangnya aa, konstruksikan suatu ruas yang panjangnya 23⋅a\sqrt[3]{2}\cdot a.

Menguadratkan lingkaran Konstruksikan suatu persegi yang luasnya sama dengan cakram yang diberikan.

Jika rr merupakan jari-jari lingkaran yang diberikan, kita perlu mengonstruksi suatu ruas yang panjangnya π⋅r\sqrt{\pi}\cdot r.

Triseksi sudut Bagilah suatu sudut yang diberikan menjadi tiga sudut sama besar.

Lebih lanjut, konstruksi dengan penggaris dan jangka tidak dapat membagi tiga sama besar suatu sudut yang ukurannya π3\tfrac\pi3. Adanya konstruksi semacam itu akan menyiratkan bahwa segi-9 beraturan dapat dikonstruksi, padahal hal tersebut dilarang oleh hasil terkenal berikut:

Suatu segi-nn beraturan yang terinskripsi pada lingkaran berpusat di OO merupakan urutan titik A1…AnA_1\dots A_n pada lingkaran tersebut sedemikian sehingga

∡AnOA1=∡A1OA2=…=∡An−1OAn=±2n⋅π.\measuredangle A_nOA_1=\measuredangle A_1OA_2=\dots=\measuredangle A_{n-1}OA_n=\pm\tfrac2n\cdot \pi.
Titik-titik A1,…,AnA_1,\dots, A_n merupakan titik-titik sudut, ruas-ruas [A1A2],…,[AnA1][A_1A_2], \z\dots, [A_nA_1] merupakan sisi-sisi, dan ruas-ruas lainnya [AiAj][A_iA_j] merupakan diagonal-diagonal segi-nn tersebut.

Dengan demikian, konstruksi segi-nn beraturan direduksi menjadi konstruksi suatu sudut yang ukurannya 2n⋅π\tfrac2n\cdot \pi.

Teorema Gauss–Wantzel Suatu segi-nn beraturan dapat dikonstruksi dengan penggaris dan jangka jika dan hanya jika nn merupakan hasil kali suatu pangkat dari 22 dan bilangan-bilangan prima Fermat yang berbeda.

Suatu bilangan prima Fermat merupakan bilangan prima berbentuk 22m+12^{2^m}+1 untuk suatu bilangan bulat tak negatif mm. Hanya lima bilangan prima Fermat yang diketahui hingga kini: 33, 55, 1717, 257257, dan 6553765537. Sebagai contoh,

Bilangan yang dapat dikonstruksi

Mari kita berikan definisi intuitif mengenai konstruksi dengan penggaris dan jangka; definisi formalnya lebih rumit daripada yang mungkin dibayangkan .

Dalam konstruksi klasik dengan penggaris dan jangka, konfigurasi awal dapat dideskripsikan sepenuhnya oleh sejumlah berhingga titik; setiap garis ditentukan oleh dua titik padanya dan setiap lingkaran dideskripsikan oleh pusatnya serta satu titik padanya.

Demikian pula, hasil suatu konstruksi dapat dideskripsikan oleh suatu himpunan berhingga titik.

Kita selalu dapat mengandaikan bahwa konfigurasi awal memuat sedikitnya dua titik; jika tidak, kita dapat menambahkan satu atau dua titik ke dalam konfigurasi tersebut. Lebih lanjut, dengan menskalakan seluruh bidang, kita dapat mengandaikan bahwa jarak antara dua titik pertama dalam konfigurasi awal adalah satu satuan.

Dalam hal ini, kita dapat memilih suatu sistem koordinat sedemikian sehingga titik-titik (0,0)(0,0) dan (1,0)(1,0) termasuk di antara titik-titik awal; dengan demikian, konfigurasi awal yang terdiri atas nn titik dideskripsikan oleh 2⋅n−42\cdot n-4 bilangan — yaitu koordinat-koordinatnya x3,y3,…,xn,ynx_3,y_3,\z\dots,x_n,y_n.

Ternyata koordinat setiap titik yang dikonstruksi dengan penggaris dan jangka dapat ditulis menggunakan bilangan-bilangan x3,y3,…,xn,ynx_3,y_3,\z\dots,x_n,y_n dan empat operasi aritmetika “++”, “−-”, “⋅\cdot”, “//\,” beserta akar kuadrat “a\sqrt{\phantom{a}}\,”.

Sebagai contoh, andaikan kita ingin menentukan titik-titik X1=(x1,y1)X_1=(x_1,y_1) dan X2=(x2,y2)X_2\z=(x_2,y_2) pada perpotongan suatu garis yang melalui A=(xA,yA)A=(x_A,y_A) dan B=(xB,yB)B\z=(x_B,y_B) dengan lingkaran berpusat di O=(xO,yO)O=(x_O,y_O) yang melalui titik W=(xW,yW)W=(x_W,y_W). Mari kita tuliskan persamaan lingkaran dan garis tersebut dalam koordinat (x,y)(x,y):

{(x−xO)2+(y−yO)2=(xW−xO)2+(yW−yO)2,(x−xA)⋅(yB−yA)=(y−yA)⋅(xB−xA).\left\{ \begin{aligned} (x-x_O)^2+(y-y_O)^2&=(x_W-x_O)^2+(y_W-y_O)^2, \\ (x-x_A)\cdot(y_B-y_A)&=(y-y_A)\cdot(x_B-x_A). \end{aligned} \right.
Koordinat (x1,y1)(x_1,y_1) dan (x2,y2)(x_2,y_2) dari titik-titik X1X_1 dan X2X_2 menyelesaikan sistem ini. Dengan menyatakan yy dari persamaan kedua dan menyubstitusikan hasilnya ke persamaan pertama, kita memperoleh suatu persamaan kuadrat dalam xx, yang dapat diselesaikan hanya dengan menggunakan “++”, “−-”, “⋅\cdot”, “//\,”, dan “a\sqrt{\phantom{a}}\,”.

Hal yang sama dapat dilakukan untuk perpotongan dua lingkaran. Perpotongan dua garis bahkan lebih sederhana; perpotongan tersebut dideskripsikan sebagai penyelesaian dua persamaan linear dan dapat dinyatakan hanya dengan empat operasi aritmetika; akar kuadrat “a\sqrt{\phantom{a}}\,” tidak diperlukan.

Di pihak lain, ruas-ruas dengan panjang a+ba+b dan a−ba-b mudah dikonstruksi dari dua ruas yang diberikan dengan panjang a>ba>b.

Konstruksi rerata geometri pada setengah lingkaran

Untuk melakukan operasi “⋅\cdot”, “//\,”, dan “a\sqrt{\phantom{a}}\,”, perhatikan gambar berikut: misalkan [AB][AB] merupakan diameter suatu lingkaran; tetapkan suatu titik CC pada lingkaran itu dan misalkan DD merupakan kaki tegak lurus dari CC pada [AB][AB]. Menurut Akibat di Bab 9, sudut ACBACB siku-siku. Oleh karena itu,

△ABC∼△ACD∼△CBD.\triangle ABC\sim\triangle ACD\sim \triangle CBD.
Akibatnya, AD⋅BD=CD2AD\cdot BD=CD^2.

Dengan menggunakan gambar ini, Anda semestinya dapat menerka penyelesaian latihan berikut.

Latihan Jika diberikan dua ruas garis dengan panjang aa dan bb, berikan konstruksi dengan penggaris dan jangka untuk ruas-ruas yang panjangnya a2b\tfrac {a^2}b dan a⋅b\sqrt{a\cdot b}.

Petunjuk

Dengan mengambil 11 sebagai aa atau bb di atas, kita dapat menghasilkan a\sqrt a, a2a^2, 1b\tfrac1b. Dengan menggabungkan konstruksi-konstruksi tersebut, kita dapat menghasilkan a⋅b=(a⋅b)2a\cdot b=(\sqrt{a\cdot b})^2, ab=a⋅1b\tfrac ab=a\cdot\tfrac 1b. Dengan kata lain, kita telah menghasilkan suatu kalkulator penggaris dan jangka yang dapat melakukan operasi “++”, “−-”, “⋅\cdot”, “//\,”, dan akar kuadrat “a\sqrt{\phantom{a}}\,”.

Pembahasan di atas memberikan garis besar bukti teorema berikut:

Teorema Andaikan A1=(0,0)A_1=(0,0), A2=(1,0)A_2=(1,0), A3=(x3,y3),…,An=(xn,yn)A_3\z=(x_3,y_3),\z\dots,A_n\z=(x_n,y_n) merupakan suatu konfigurasi awal titik-titik. Suatu titik X=(x,y)X\z=(x,y) dapat diperoleh melalui konstruksi dengan penggaris dan jangka jika dan hanya jika kedua koordinat xx dan yy dapat dinyatakan dari bilangan-bilangan bulat serta x3x_3, y3y_3, x4x_4, y4,…,xn,yny_4,\z\dots,x_n,y_n dengan menggunakan operasi aritmetika “++”, “−-”, “⋅\cdot”, “//\,”, dan “a\sqrt{\phantom{a}}\,”.

Bilangan-bilangan yang dapat dinyatakan dari bilangan-bilangan yang diberikan dengan menggunakan operasi aritmetika dan akar kuadrat “a\sqrt{\phantom{a}}\,” dikatakan dapat dikonstruksi; jika daftar bilangan yang diberikan tidak ditentukan, maka kita hanya boleh menggunakan bilangan bulat.

Teorema di atas menerjemahkan setiap soal konstruksi dengan penggaris dan jangka ke dalam bahasa yang murni bersifat aljabar. Mari kita berikan beberapa contoh.

Sebagian pernyataan ini mungkin tampak jelas, tetapi pembuktian yang ketat memerlukan pengetahuan tentang aljabar abstrak (yakni, teori medan) yang berada di luar cakupan buku ini. Pada bagian berikutnya, kita membahas contoh serupa tetapi lebih sederhana mengenai konstruksi mustahil dengan suatu alat yang tidak lazim.

Latihan

  1. Buktikan bahwa panjang diagonal suatu segilima beraturan adalah 1+52\tfrac{1+\sqrt5}2 kali panjang sisinya.

    Petunjuk subbagian
  2. Berdasarkan (Rujukan di Bab 19), uraikan konstruksi dengan penggaris dan jangka untuk membuat suatu segilima beraturan.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Konstruksi dengan penggaris segitiga

Suatu penggaris segitiga (atau penggaris segitiga 45°) merupakan alat konstruksi yang ditunjukkan pada gambar — alat ini dapat menghasilkan suatu garis yang melalui titik yang diberikan dan membentuk sudut π2\tfrac\pi2 atau ±π4\pm\tfrac\pi4 dengan garis yang diberikan, serta dapat pula digunakan sebagai penggaris.

Latihan Bagilah suatu ruas yang diberikan menjadi tiga bagian sama panjang dengan penggaris segitiga.

Petunjuk

Teorema berikut merupakan analog Teorema di Bab 19 untuk konstruksi dengan penggaris segitiga.

Teorema Andaikan A1=(0,0)A_1 = (0, 0), A2=(1,0)A_2 = (1, 0), A3=(x3,y3),…,An=(xn,yn)A_3 = (x_3, y_3), \z\dots, A_n = (x_n, y_n) merupakan suatu konfigurasi awal titik-titik. Maka suatu titik X=(x,y)X \z= (x, y) dapat dikonstruksi dengan penggaris segitiga jika dan hanya jika kedua koordinat xx dan yy dapat dinyatakan hanya dengan menggunakan bilangan bulat dan bilangan-bilangan x3x_3, y3y_3, x4x_4, y4y_4, …\dots, xnx_n, yny_n, beserta operasi aritmetika “++”, “−-”, “⋅\cdot”, dan “//”.

Penggaris segitiga 45 derajat

Bukti teorema ini serupa dengan Teorema di Bab 19. (Bagian “jika” hampir langsung mengikuti dari Latihan ke-6 di Bab 14. Bagian “hanya jika” dibuktikan dengan induksi pada banyaknya konstruksi elementer; kita perlu menuliskan persamaan untuk setiap garis dalam konstruksi dengan penggaris segitiga dan memeriksa bahwa titik perpotongan garis-garis tersebut memenuhi teorema.)

Berbeda dengan Teorema di Bab 19, teorema ini dapat diterapkan secara langsung untuk menunjukkan kemustahilan beberapa konstruksi dengan penggaris segitiga — tanpa perlu mendalami teori medan.

Jika semua koordinat x3,y3,…,xn,ynx_3,y_3,\dots,x_n,y_n merupakan bilangan rasional, maka teorema di atas menyiratkan bahwa dengan penggaris segitiga, kita hanya dapat mengonstruksi titik-titik dengan koordinat rasional. Suatu titik yang kedua koordinatnya rasional disebut rasional, dan jika sedikitnya salah satu koordinatnya irasional, maka titik tersebut disebut irasional.

Latihan Buktikan bahwa mustahil mengonstruksi segitiga sama sisi dengan alas yang diberikan hanya dengan menggunakan penggaris segitiga.

Petunjuk
Penggaris segitiga 30 derajat

Latihan Buktikan bahwa mustahil membagi dua sama besar suatu sudut yang diberikan hanya dengan penggaris segitiga.

Petunjuk

Latihan lanjutan Tinjau alat lain — penggaris segitiga 30° yang dapat menghasilkan suatu garis melalui titik yang diberikan dan membentuk sudut π2\tfrac\pi2, ±π3\pm\tfrac\pi3, ±π6\pm\tfrac\pi6 dengan garis yang diberikan serta dapat digunakan sebagai penggaris.

Buktikan bahwa mustahil mengonstruksi suatu persegi dengan penggaris segitiga 30°.

Petunjuk

Verifikasi

Andaikan kita perlu memverifikasi bahwa suatu konfigurasi yang diberikan ditentukan oleh sifat tertentu. Apakah tugas ini dapat dilakukan melalui konstruksi geometri dengan alat-alat yang diberikan? Kita mengandaikan bahwa kita dapat memverifikasi bahwa dua titik yang dikonstruksi berimpit.

Jelas bahwa jika suatu konfigurasi dapat dikonstruksi, maka konfigurasi itu dapat diverifikasi 1 — cukup ulangi konstruksinya dan periksa apakah hasilnya sama. Sebagian konfigurasi yang tidak dapat dikonstruksi tetap dapat diverifikasi. Sebagai contoh, tidaklah sulit untuk memverifikasi bahwa sudut yang diberikan telah dibagi menjadi tiga sama besar, meskipun mustahil membagi tiga sama besar suatu sudut yang diberikan dengan penggaris dan jangka. Segi-7 beraturan memberikan contoh lain dari jenis ini — bentuk tersebut mudah diverifikasi, sedangkan Teorema Gauss–Wantzel menyatakan bahwa bentuk itu mustahil dikonstruksi dengan penggaris dan jangka.

Karena kita tidak membuktikan kemustahilan triseksi sudut maupun Teorema Gauss–Wantzel, contoh berikut mungkin lebih memuaskan. Contoh ini didasarkan pada Latihan ke-4 di Bab 19, yang menyatakan bahwa mustahil mengonstruksi segitiga sama sisi hanya dengan penggaris segitiga.

Latihan Uraikan konstruksi dengan penggaris segitiga yang memverifikasi bahwa

  1. suatu segitiga merupakan segitiga sama sisi.

    Petunjuk subbagian
  2. suatu garis membagi dua sama besar suatu sudut.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Pengamatan ini mengantar pada sumber konstruksi mustahil dalam arti yang lebih kuat — yakni konstruksi yang bahkan tidak dapat diverifikasi.

Contoh berikut berkaitan erat dengan Latihan ke-6 di Bab 10. Ingat bahwa suatu alat lingkaran umum menghasilkan lingkaran yang melalui tiga titik yang diberikan atau suatu garis jika ketiga titik tersebut terletak pada satu garis; inversor merupakan alat yang mengonstruksi invers suatu titik yang diberikan terhadap suatu lingkaran umum yang diberikan.

Soal Buktikan bahwa dengan alat lingkaran umum dan inversor, mustahil memverifikasi bahwa suatu titik yang diberikan merupakan pusat lingkaran Γ\Gamma yang diberikan. Secara khusus, mustahil mengonstruksi pusat tersebut hanya dengan alat lingkaran umum.

Catatan. Dalam konstruksi geometri, kita memperbolehkan pemilihan titik bebas, seperti sebarang titik pada bidang, suatu titik pada garis yang telah dikonstruksi, suatu titik yang tidak terletak pada garis yang telah dikonstruksi, suatu titik pada garis yang diberikan tetapi tidak terletak pada lingkaran yang diberikan, dan seterusnya.

Pada prinsipnya, ketika Anda membuat pilihan bebas semacam itu, konstruksi yang benar mungkin diperoleh secara kebetulan. Meskipun demikian, kebetulan semacam itu tidak kita terima sebagai konstruksi yang sah. Hasilnya tidak boleh bergantung pada kebetulan.

Penyelesaian. Dengan berargumen melalui kontradiksi, andaikan kita memiliki konstruksi yang memverifikasi sifat tersebut.

Terapkan inversi terhadap suatu lingkaran yang tegak lurus terhadap Γ\Gamma pada seluruh konstruksi. Menurut Akibat di Bab 10, lingkaran Γ\Gamma dipetakan ke dirinya sendiri. Ingat bahwa inversi memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum (Teorema di Bab 10) dan mempertahankan hubungan inversi (Akibat di Bab 10). Oleh karena itu, seluruh konstruksi dipetakan menjadi konstruksi yang ekuivalen; artinya, konstruksi dengan pilihan titik-titik bebas yang berbeda.

Menurut Latihan ke-5 di Bab 10, inversi memetakan pusat Γ\Gamma ke titik lain. Namun, konstruksi ini menyatakan bahwa titik baru tersebut juga merupakan pusat — suatu kontradiksi. ▫\square

Contoh serupa mengenai konstruksi mustahil dengan penggaris dan alat sejajar diberikan dalam Latihan ke-8 di Bab 14.

Mari kita bahas contoh lain mengenai konstruksi hanya dengan penggaris. Perhatikan bahwa konstruksi hanya dengan penggaris bersifat invarian terhadap transformasi proyektif. Secara khusus, untuk menyelesaikan latihan berikut, cukup mengonstruksi suatu transformasi proyektif yang menetapkan dua titik dan memindahkan titik tengahnya.

Latihan Buktikan bahwa tidak ada konstruksi hanya dengan penggaris yang memverifikasi bahwa suatu titik yang diberikan merupakan titik tengah suatu ruas yang diberikan. Secara khusus, mustahil mengonstruksi titik tengah hanya dengan penggaris.

Petunjuk

Teorema berikut merupakan versi yang lebih kuat dari latihan di atas.

Teorema Tidak ada konstruksi hanya dengan penggaris yang memverifikasi bahwa suatu titik yang diberikan merupakan pusat suatu lingkaran yang diberikan. Secara khusus, mustahil mengonstruksi pusat tersebut hanya dengan penggaris.

Bukti tersebut menggunakan konstruksi dalam Latihan ke-7 di Bab 16.

Sketsa bukti. Argumen yang sama seperti dalam soal di atas menunjukkan bahwa cukup mengonstruksi suatu transformasi proyektif yang memetakan lingkaran Γ\Gamma yang diberikan ke suatu lingkaran Γ′\Gamma' sedemikian sehingga pusat Γ′\Gamma' bukan bayangan pusat Γ\Gamma.

Pilih suatu lingkaran Γ\Gamma yang terletak pada bidang Π\Pi dalam ruang Euklides. Menurut Teorema di Bab 16, invers suatu lingkaran terhadap bola merupakan lingkaran atau garis. Tetapkan suatu bola Σ\Sigma yang berpusat di OO sedemikian sehingga invers Γ′\Gamma' dari Γ\Gamma merupakan lingkaran dan bidang Π′\Pi' yang memuat Γ′\Gamma' tidak sejajar dengan Π\Pi; sebarang bola Σ\Sigma dalam posisi umum dapat digunakan.

Misalkan ZZ dan Z′Z' menyatakan pusat-pusat Γ\Gamma dan Γ′\Gamma'. Perhatikan bahwa Z′∉(OZ)Z'\z\notin(OZ). Akibatnya, proyeksi perspektif Π→Π′\Pi\to \Pi' dengan pusat OO memetakan Γ\Gamma ke Γ′\Gamma', tetapi Z′Z' bukan bayangan ZZ. ▫\square

Perbandingan alat konstruksi

Kita mengatakan bahwa satu himpunan alat lebih kuat daripada himpunan lain jika setiap konfigurasi titik yang dapat dikonstruksi dengan himpunan kedua juga dapat dikonstruksi dengan himpunan pertama. Jika, selain itu, terdapat suatu konfigurasi yang dapat dikonstruksi dengan himpunan pertama tetapi tidak dengan himpunan kedua, maka kita mengatakan bahwa himpunan pertama lebih kuat secara ketat daripada himpunan kedua. Jika tidak (artinya, jika setiap konfigurasi yang dapat dikonstruksi dengan himpunan pertama juga dapat dikonstruksi dengan himpunan kedua), kita mengatakan bahwa kedua himpunan alat tersebut ekuivalen. Dua himpunan alat juga dapat tidak terbandingkan; artinya, terdapat konstruksi yang mungkin dilakukan dengan himpunan alat pertama tetapi mustahil dengan himpunan kedua, dan demikian pula sebaliknya.

Sebagai contoh, perhatikan hasil klasik berikut:

Teorema Mohr–Mascheroni Jangka saja ekuivalen dengan penggaris dan jangka.

Teorema tersebut tidak menyatakan bahwa suatu garis utuh dapat dikonstruksi hanya dengan jangka! — karena kita hanya meninjau konfigurasi titik, hal itu tidak perlu dilakukan. Kita dapat menganggap bahwa suatu garis telah dikonstruksi jika kita mengonstruksi dua titik padanya.

Jelas bahwa penggaris dan jangka membentuk himpunan alat yang lebih kuat daripada jangka saja. Oleh karena itu, Teorema Mohr–Mascheroni akan mengikuti setelah kita menyelesaikan dua soal konstruksi berikut:

  1. Jika diberikan empat titik XX, YY, PP, dan QQ, konstruksikan perpotongan garis (XY)(XY) dan (PQ)(PQ) hanya dengan jangka.

  2. Jika diberikan dua titik XX, YY, dan suatu lingkaran Γ\Gamma, konstruksikan perpotongan garis (XY)(XY) dan Γ\Gamma hanya dengan jangka.

Memang, setelah memiliki kedua konstruksi ini, kita dapat melakukan setiap langkah konstruksi dengan penggaris dan jangka hanya dengan menggunakan jangka.

Jika Anda ingin mengetahui bagaimana teorema semacam itu dapat dibuktikan, bacalah tentang inversor Peaucellier–Lipkin; alat tersebut merupakan mekanisme batang hubung datar yang dapat mengubah gerak rotasi menjadi gerak lurus sempurna. Teorema klasik lain yang dapat dibuktikan dengan mekanisme ini adalah apa yang disebut Teorema Poncelet–Steiner; teorema itu menyatakan bahwa himpunan penggaris dan jangka ekuivalen dengan penggaris saja, asalkan satu lingkaran beserta pusatnya diberikan.

Latihan Bandingkan himpunan-himpunan alat berikut: (a) penggaris dan jangka, (b) penggaris segitiga, (c) penggaris dan alat sejajar, dan (d) alat lingkaran umum dan inversor.

Petunjuk

  1. Dengan mengadopsi istilah teori komputabilitas, kita juga dapat mengatakan bahwa konstruksi semacam itu dapat diputuskan.↩︎

Luas

Kita akan mendefinisikan luas sebagai suatu fungsi yang memenuhi syarat-syarat tertentu (Bagian ke-3 di Bab 20). Apa yang disebut ukuran Lebesgue memberikan satu contoh fungsi semacam itu. Secara khusus, keberadaan ukuran Lebesgue menyiratkan keberadaan fungsi luas. Konstruksi ini dapat ditemukan dalam sembarang buku teks analisis real.

Dengan hanya mengandalkan hasil keberadaan tersebut, kita mengembangkan konsep luas tanpa jalan pintas. Kita memilih pendekatan ini karena setiap pengantar yang teliti tentang luas cenderung melelahkan. (Jika Anda belum menjumpai ukuran Lebesgue, cepat atau lambat Anda akan menjumpainya.)

Segitiga padat

Segitiga padat dengan titik interior

Kita katakan bahwa titik XX terletak di dalam segitiga tak degenerat ABCABC jika ketiga syarat berikut terpenuhi:

Himpunan semua titik di dalam △ABC\triangle ABC dan pada sisi-sisinya [AB][AB], [BC][BC], [CA][CA] akan disebut segitiga padat ABCABC dan dinyatakan dengan ▴ABC\solidtriangle ABC.

Latihan Tunjukkan bahwa setiap segitiga padat merupakan himpunan konveks; yakni, untuk setiap pasangan titik X,Y∈▴ABCX,Y\z\in\solidtriangle ABC, ruas garis [XY][XY] termuat di dalam ▴ABC\solidtriangle ABC.

Petunjuk

Notasi △ABC\triangle ABC dan ▴ABC\solidtriangle ABC tampak serupa, dan keduanya juga memiliki makna yang berkaitan erat tetapi berbeda; sebaiknya keduanya tidak dicampuradukkan. Ingat bahwa △ABC\triangle ABC merupakan tripel terurut dari titik-titik yang berbeda (lihat Bagian ke-10 di Bab 1), sedangkan ▴ABC\solidtriangle ABC merupakan himpunan tak hingga dari titik-titik.

Secara khusus, ▴ABC=▴BAC\solidtriangle ABC=\solidtriangle BAC untuk setiap segitiga ABCABC. Memang, setiap titik yang termasuk dalam himpunan ▴ABC\solidtriangle ABC juga termasuk dalam himpunan ▴BAC\solidtriangle BAC, dan sebaliknya. Di sisi lain, △ABC≠△BAC\triangle ABC\ne\triangle BAC hanya karena tripel terurut titik (A,B,C)(A,B,C) berbeda dari tripel terurut (B,A,C)(B,A,C).

Perhatikan bahwa ▴ABC≅▴BAC\solidtriangle ABC\cong\solidtriangle BAC sekalipun △ABC≇△BAC\triangle ABC\ncong\triangle BAC; kekongruenan himpunan ▴ABC\solidtriangle ABC dan ▴BAC\solidtriangle BAC dipahami sebagai berikut:

Definisi Dua himpunan 𝒮\mathcal{S} dan 𝒯\mathcal{T} pada bidang disebut kongruen (secara ringkas 𝒮≅𝒯\mathcal{S}\cong \mathcal{T}) jika 𝒯=f(𝒮)\mathcal{T}=f(\mathcal{S}) untuk suatu transformasi isometrik ff pada bidang.

Jika △ABC\triangle ABC tak degenerat dan

▴ABC≅▴A′B′C′,\solidtriangle ABC\cong \solidtriangle A'B'C',
maka setelah titik-titik sudut △ABC\triangle ABC diberi label ulang, kita akan memperoleh
△ABC≅△A′B′C′.\triangle ABC\cong \triangle A'B'C'.

Memang, cukup ditunjukkan bahwa jika ff merupakan transformasi isometrik yang memetakan ▴ABC\solidtriangle ABC ke ▴A′B′C′\solidtriangle A'B'C', maka ff memetakan setiap titik sudut △ABC\triangle ABC ke suatu titik sudut △A′B′C′\triangle A'B'C'. Hal terakhir ini mengikuti karakterisasi titik sudut segitiga padat dalam latihan berikut:

Latihan Misalkan △ABC\triangle ABC tak degenerat dan X∈▴ABCX\z\in \solidtriangle ABC. Tunjukkan bahwa XX merupakan titik sudut △ABC\triangle ABC jika dan hanya jika terdapat garis ℓ\ell yang berpotongan dengan ▴ABC\solidtriangle ABC hanya di titik XX.

Petunjuk

Himpunan poligonal

Suatu himpunan elementer pada bidang adalah himpunan dari salah satu di antara tiga jenis berikut:

Gabungan dan irisan himpunan poligonal

Suatu himpunan pada bidang disebut poligonal jika dapat disajikan sebagai gabungan suatu koleksi hingga dari himpunan-himpunan elementer.

Menurut definisi ini, himpunan kosong ∅\emptyset merupakan himpunan poligonal. Memang, ∅\emptyset merupakan gabungan dari koleksi kosong himpunan-himpunan elementer.

Suatu himpunan poligonal disebut degenerat jika dapat disajikan sebagai gabungan suatu koleksi hingga dari himpunan-himpunan satu titik dan ruas-ruas.

Jika XX dan YY terletak pada sisi-sisi yang berlawanan terhadap garis (AB)(AB), maka himpunan poligonal ▴AXB∪▴BYA\solidtriangle AXB\cup \solidtriangle BYA disebut segiempat padat AXBYAXBY dan dinyatakan dengan ◼AXBY\solidsquare AXBY. Secara khusus, kita dapat membicarakan jajar genjang padat, persegi panjang, dan persegi.

Dua persegi padat dengan diagonal

Biasanya, suatu himpunan poligonal memiliki banyak penyajian sebagai gabungan suatu koleksi hingga dari himpunan-himpunan elementer. Sebagai contoh, jika ▫AXBY\square AXBY merupakan jajar genjang, maka

◼AXBY=▴AXB∪▴AYB=▴XAY∪▴XBY.\solidsquare AXBY=\solidtriangle AXB\cup \solidtriangle AYB=\solidtriangle XAY\cup \solidtriangle XBY.

Latihan Tunjukkan bahwa suatu persegi padat tak degenerat.

Petunjuk

Latihan kelas Tunjukkan bahwa suatu lingkaran bukan himpunan poligonal.

Petunjuk

Klaim Untuk sebarang dua himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan 𝒬\mathcal{Q}, gabungan 𝒫∪𝒬\mathcal{P}\cup\mathcal{Q}, serta irisan 𝒫∩𝒬\mathcal{P}\cap\mathcal{Q}, juga merupakan himpunan poligonal.

Suatu kelas himpunan yang tertutup terhadap operasi gabungan dan irisan disebut gelanggang himpunan. Dengan demikian, klaim di atas menyatakan bahwa himpunan-himpunan poligonal pada bidang membentuk suatu gelanggang himpunan.

Bukti informal. Sajikan 𝒫\mathcal{P} dan 𝒬\mathcal{Q} berturut-turut sebagai gabungan koleksi hingga himpunan-himpunan elementer 𝒫1,…,𝒫k\mathcal{P}_1,\dots,\mathcal{P}_k dan 𝒬1,…,𝒬n\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n.

Irisan tiga segitiga poligonal

Perhatikan bahwa

𝒫∪𝒬=𝒫1∪…∪𝒫k∪𝒬1∪…∪𝒬n.\mathcal{P}\cup\mathcal{Q} = \mathcal{P}_1 \cup \dots \cup \mathcal{P}_k \cup \mathcal{Q}_1 \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n.
Oleh karena itu, 𝒫∪𝒬\mathcal{P}\cup\mathcal{Q} bersifat poligonal.

Perhatikan bahwa 𝒫∩𝒬\mathcal{P}\cap \mathcal{Q} merupakan gabungan dari 𝒫i∩𝒬j\mathcal{P}_i\cap \mathcal{Q}_j untuk semua ii dan jj. Oleh karena itu, untuk menunjukkan bahwa 𝒫∩𝒬\mathcal{P}\cap \mathcal{Q} bersifat poligonal, cukup ditunjukkan bahwa 𝒫i∩𝒬j\mathcal{P}_i\cap \mathcal{Q}_j bersifat poligonal untuk semua ii dan jj.

Gambar tersebut mengisyaratkan bukti pernyataan terakhir untuk segitiga padat 𝒫i\mathcal{P}_i dan 𝒬j\mathcal{Q}_j. Kasus-kasus lainnya lebih sederhana; suatu bukti formal dapat dibangun berdasarkan Latihan ke-1 di Bab 20. ▫\square

Definisi luas

Luas didefinisikan sebagai suatu fungsi 𝒫↦luas⁡𝒫\mathcal{P}\mapsto \area\mathcal{P} yang menghasilkan bilangan real tak negatif luas⁡𝒫\area\mathcal{P} untuk setiap himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan memenuhi syarat-syarat berikut:

  1. luas⁡𝒦1=1\area\mathcal{K}_1=1 di mana 𝒦1\mathcal{K}_1 merupakan persegi satuan padat;

  2. syarat-syarat

    𝒫≅𝒬⇒luas⁡𝒫=luas⁡𝒬;𝒫⊂𝒬⇒luas⁡𝒫≤luas⁡𝒬;luas⁡𝒫+luas⁡𝒬=luas⁡(𝒫∪𝒬)+luas⁡(𝒫∩𝒬)\begin{align*} \mathcal{P}\cong\mathcal{Q} \quad &\Rightarrow \quad \area\mathcal{P}=\area\mathcal{Q}; \\ \mathcal{P}\subset\mathcal{Q} \quad &\Rightarrow \quad \area\mathcal{P}\le\area\mathcal{Q}; \\ \area\mathcal{P}+\area\mathcal{Q} &= \area(\mathcal{P}\cup\mathcal{Q})+\area(\mathcal{P}\cap\mathcal{Q}) \end{align*}
    berlaku untuk sebarang dua himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan 𝒬\mathcal{Q}.

Syarat pertama disebut normalisasi; pada dasarnya, syarat ini menyatakan bahwa persegi satuan padat digunakan sebagai satuan luas. Ketiga syarat dalam (Persamaan di Bab 20) disebut invariansi, monotonisitas, dan aditivitas.

Ukuran Lebesgue merupakan salah satu contoh fungsi luas. Tepatnya, jika luas 𝒫\mathcal{P} diambil sebagai ukuran Lebesgue-nya, maka fungsi 𝒫↦luas⁡𝒫\mathcal{P} \mapsto \area\mathcal{P} memenuhi syarat-syarat di atas.

Konstruksi ukuran Lebesgue dapat ditemukan dalam sembarang buku teks analisis real. Kita tidak membahasnya di sini.

Jika pembaca belum mengenal ukuran Lebesgue, keberadaan fungsi luas dapat diterima begitu saja; keberadaan itu dapat ditambahkan ke dalam aksioma, meskipun sebenarnya mengikuti aksioma I–Aksioma V. Bagaimanapun, kita akan menggunakan pernyataan berikut tanpa bukti.

Klaim Suatu fungsi luas ada.

Luas nol dan subdivisi

Proposisi Untuk sebarang dua titik AA dan BB, berlaku

luas⁡[AB]=0danluas⁡{A}=0.\area[AB]=0\quad\text{dan}\quad\area\{A\}=0.

Bukti. Tetapkan suatu ruas garis [AB][AB]. Perhatikan suatu persegi padat ◼ABCD\solidsquare ABCD.

Untuk setiap bilangan bulat positif nn, terdapat nn ruas saling lepas [A1B1],…,[AnBn][A_1B_1],\z\dots,[A_nB_n] di dalam ◼ABCD\solidsquare ABCD, sedemikian sehingga setiap [AiBi][A_iB_i] kongruen dengan [AB][AB] dalam pengertian Definisi Definisi di Bab 20.

Subdivisi persegi panjang menjadi pita

Dengan menerapkan invariansi, aditivitas, dan monotonisitas fungsi luas, kita memperoleh

n⋅luas⁡[AB]=luas⁡([A1B1]∪…∪[AnBn])≤≤luas⁡(◼ABCD)\begin{align*} n\cdot \area[AB] &=\area\left([A_1B_1]\cup\dots\cup[A_nB_n]\right)\le \\ &\le \area(\solidsquare ABCD) \end{align*}
Dengan kata lain,
luas⁡[AB]≤1n⋅luas⁡(◼ABCD)\area[AB]\le \tfrac1n\cdot\area(\solidsquare ABCD)
untuk setiap bilangan bulat positif nn. Akibatnya, luas⁡[AB]≤0\area[AB]\le 0. Karena luas tidak mungkin negatif, kita memperoleh
luas⁡[AB]=0.\area[AB]= 0.

Untuk setiap himpunan satu titik {A}\{A\}, berlaku {A}⊂[AB]\{A\}\subset [AB]. Oleh karena itu,

0≤luas⁡{A}≤luas⁡[AB]=0.0\le \area\{A\}\le \area[AB]=0.
Jadi, luas⁡{A}=0\area\{A\}=0. ▫\square

Akibat Setiap himpunan poligonal degenerat memiliki luas nol.

Bukti. Misalkan 𝒫\mathcal P merupakan suatu himpunan degenerat, katakanlah

𝒫=[A1B1]∪…∪[AnBn]∪{C1,…,Ck}.\mathcal{P}=[A_1B_1]\cup\dots\cup[A_nB_n]\cup\{C_1,\dots,C_k\}.
Karena menurut definisi luas bersifat tak negatif, penerapan aditivitas beberapa kali memberikan
luas⁡𝒫≤luas⁡[A1B1]+…+luas⁡[AnBn]++luas⁡{C1}+…+luas⁡{Ck}.\begin{align*} \area\mathcal{P}\le & \area[A_1B_1]+\dots+\area[A_nB_n]+ \\ &+\area\{C_1\}+\dots+\area\{C_k\}. \end{align*}
Menurut Proposisi di Bab 20, ruas kanan bernilai nol.

Di sisi lain, luas⁡𝒫≥0\area\mathcal{P}\ge 0, sehingga diperoleh hasil yang dimaksud. ▫\square

Kita katakan bahwa suatu himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} disubdivisi menjadi himpunan-himpunan poligonal 𝒬1,…,𝒬n\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n jika 𝒫=𝒬1∪…∪𝒬n\mathcal{P}=\mathcal{Q}_1\cup\dots\cup \mathcal{Q}_n dan setiap irisan 𝒬i∩𝒬j\mathcal{Q}_i\cap\mathcal{Q}_j bersifat degenerat apabila i≠ji\ne j. (Ingat bahwa menurut Klaim Klaim di Bab 20, irisan-irisan 𝒬i∩𝒬j\mathcal{Q}_i\cap\mathcal{Q}_j bersifat poligonal.)

Proposisi Andaikan suatu himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} disubdivisi menjadi himpunan-himpunan poligonal 𝒬1,…,𝒬n\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n. Maka

luas⁡𝒫=luas⁡𝒬1+…+luas⁡𝒬n.\area\mathcal{P}=\area\mathcal{Q}_1+\dots+\area\mathcal{Q}_n.

Subdivisi poligonal menjadi tiga bagian

Bukti. Andaikan n=2n = 2. Karena 𝒬1∩𝒬2\mathcal{Q}_1 \cap \mathcal{Q}_2 bersifat degenerat, Akibat di Bab 20 menyiratkan bahwa luas⁡(𝒬1∩𝒬2)=0\area(\mathcal{Q}_1 \cap \mathcal{Q}_2) = 0. Berdasarkan aditivitas luas,

luas⁡𝒫=luas⁡𝒬1+luas⁡𝒬2−luas⁡(𝒬1∩𝒬2)=luas⁡𝒬1+luas⁡𝒬2.\begin{align*} \area \mathcal{P} &= \area \mathcal{Q}_1 + \area \mathcal{Q}_2 - \area (\mathcal{Q}_1 \cap \mathcal{Q}_2) \\ &= \area \mathcal{Q}_1 + \area \mathcal{Q}_2. \end{align*}

Dengan menerapkan rumus ini berulang kali, kita memperoleh kasus umum. Memang, andaikan 𝒫\mathcal{P} disubdivisi menjadi 𝒬1,…,𝒬n\mathcal{Q}_1, \dots, \mathcal{Q}_n. Perhatikan bahwa

𝒬i∩(𝒬i+1∪…∪𝒬n)=(𝒬i∩𝒬i+1)∪…∪(𝒬i∩𝒬n)\mathcal{Q}_i \cap (\mathcal{Q}_{i+1} \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n) = (\mathcal{Q}_i \cap \mathcal{Q}_{i+1}) \cup \dots \cup (\mathcal{Q}_i \cap \mathcal{Q}_n)
untuk setiap ii. Karena setiap irisan 𝒬i∩𝒬j\mathcal{Q}_i \cap \mathcal{Q}_j bersifat degenerat, irisan 𝒬i∩(𝒬i+1∪…∪𝒬n)\mathcal{Q}_i \cap (\mathcal{Q}_{i+1} \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n) juga bersifat degenerat. Akibatnya,
luas⁡(𝒬i∩(𝒬i+1∪…∪𝒬n))=0\area(\mathcal{Q}_i \cap (\mathcal{Q}_{i+1} \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n)) = 0
untuk setiap ii. Oleh karena itu,
luas⁡𝒫=luas⁡𝒬1+luas⁡(𝒬2∪…∪𝒬n)=luas⁡𝒬1+luas⁡𝒬2+luas⁡(𝒬3∪…∪𝒬n)⋮=luas⁡𝒬1+luas⁡𝒬2+…+luas⁡𝒬n.\begin{align*} \area \mathcal{P} &= \area \mathcal{Q}_1 + \area (\mathcal{Q}_2 \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n) \\ &= \area \mathcal{Q}_1 + \area \mathcal{Q}_2 + \area (\mathcal{Q}_3 \cup \dots \cup \mathcal{Q}_n) \\ &\ \ \ \vdots \\ &= \area \mathcal{Q}_1 + \area \mathcal{Q}_2 + \dots + \area \mathcal{Q}_n. \end{align*}

Catatan. Dua himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan 𝒫′\mathcal{P}' disebut ekuidekomposabel jika keduanya memiliki subdivisi menjadi himpunan-himpunan poligonal 𝒬1,…,𝒬n\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n dan 𝒬1′,…,𝒬n′\mathcal{Q}'_1,\dots,\mathcal{Q}'_n sedemikian sehingga 𝒬i≅𝒬i′\mathcal{Q}_i\cong\mathcal{Q}'_i untuk setiap ii.

Menurut proposisi tersebut, jika 𝒫\mathcal{P} dan 𝒫′\mathcal{P}' ekuidekomposabel, maka luas⁡𝒫=luas⁡𝒫′\area \mathcal{P}=\area\mathcal{P}'. Kebalikan pernyataan ini juga berlaku; yakni, jika dua himpunan poligonal tak degenerat memiliki luas yang sama, maka keduanya ekuidekomposabel.

Pernyataan terakhir dibuktikan oleh William Wallace, Farkas Bolyai, dan Paul Gerwien. Pernyataan yang serupa dalam tiga dimensi, yang dikenal sebagai masalah ketiga Hilbert, tidak benar; hal ini dibuktikan oleh Max Dehn.

Persegi panjang

Teorema Luas suatu persegi panjang padat adalah hasil kali kedua sisi yang berdekatan.

Bukti. Misalkan ℛa,b\mathcal{R}_{a,b} menyatakan persegi panjang padat dengan sisi-sisi berdekatan aa dan bb, dan tetapkan s(a,b):=luas⁡ℛa,bs(a,b)\df\area \mathcal{R}_{a,b}. Kita perlu menunjukkan bahwa

s(a,b)=a⋅bs(a,b)=a\cdot b
untuk sebarang a>0a>0 dan b>0b>0.

Karena ℛ1,1\mathcal{R}_{1,1} merupakan persegi satuan padat, berlaku

s(1,1)=1.s(1,1)=1.

Diberikan suatu bilangan bulat positif nn, kita dapat membagi suatu persegi satuan padat menjadi n2n^2 persegi dengan panjang sisi 1n\tfrac1n. Menurut Proposisi di Bab 20 dan invariansi luas, kita memperoleh n2⋅s(1n,1n)=1n^2\cdot s(\tfrac1n,\tfrac1n)=1 serta

s(1n,1n)=1n⋅1n.s(\tfrac1n,\tfrac1n)=\tfrac1n\cdot\tfrac1n.

Selanjutnya, untuk bilangan-bilangan bulat positif kk, mm, dan nn, persegi panjang ℛkn,mn\mathcal{R}_{\frac kn,\frac mn} dapat dibagi menjadi k⋅mk\cdot m persegi dengan panjang sisi 1n\tfrac1n. Oleh karena itu,

s(kn,mn)=kn⋅mn,s(\tfrac kn,\tfrac mn)=\tfrac kn\cdot \tfrac mn,\label{eq:a(a,b)=ab-}
yang merupakan kasus khusus teorema tersebut.

Andaikan a≤a′a\le a' dan b≤b′b\le b'. Kita dapat mengandaikan bahwa ℛa,b⊂ℛa′,b′\mathcal{R}_{a,b}\subset \mathcal{R}_{a',b'}, dan berdasarkan monotonisitas luas, berlaku

s(a,b)≤s(a′,b′).s(a,b)\le s(a',b').\label{s(a,b)>s(a',b')}

Sekarang kita bernalar dengan kontradiksi. Andaikan s(a,b)≠a⋅bs(a,b)\ne a\cdot b untuk suatu a>0a>0 dan b>0b>0. Maka s(a,b)>a⋅bs(a,b)> a\cdot b atau s(a,b)<a⋅bs(a,b) <a\cdot b.

2 Jika s(a,b)>a⋅bs(a,b)> a\cdot b, kita dapat memilih bilangan bulat positif nn sedemikian sehingga

s(a,b)>(a+1n)⋅(b+1n).s(a,b)> (a+\tfrac1n)\cdot (b+\tfrac1n).\label{s(a,b)>}
Pilih bilangan-bilangan bulat positif kk dan mm sedemikian sehingga
a<kn≤a+1n,b<mn≤b+1n.\begin{align*} a< \tfrac kn&\le a+\tfrac1n, \\ b<\tfrac mn&\le b+\tfrac1n. \end{align*}
Menurut Persamaan di Bab 20 dan Persamaan di Bab 20, kita memperoleh
s(a,b)≤s(kn,mn)==kn⋅mn≤≤(a+1n)⋅(b+1n),\begin{align*} s(a,b)&\le s(\tfrac kn,\tfrac mn)= \\ &=\tfrac kn\cdot\tfrac mn\le \\ &\le (a+\tfrac1n)\cdot(b+\tfrac1n), \end{align*}
yang bertentangan dengan Persamaan di Bab 20.

Kasus s(a,b)<a⋅bs(a,b)< a\cdot b serupa. Pilih nn sedemikian sehingga a>1na>\tfrac1n, b>1nb>\tfrac1n, dan

s(a,b)<(a−1n)⋅(b−1n).s(a,b)< (a-\tfrac1n)\cdot (b-\tfrac1n).\label{s(a,b)<}
Pilih kk dan mm sedemikian sehingga
a>kn≥a−1n,b>mn≥b−1n.\begin{align*} a> \tfrac kn&\ge a-\tfrac1n, \\ b>\tfrac mn&\ge b-\tfrac1n. \end{align*}
Menurut Persamaan di Bab 20 dan Persamaan di Bab 20, kita memperoleh
s(a,b)≥s(kn,mn)==kn⋅mn≥≥(a−1n)⋅(b−1n),\begin{align*} s(a,b)&\ge s(\tfrac kn,\tfrac mn)= \\ &=\tfrac kn\cdot\tfrac mn\ge \\ &\ge (a-\tfrac1n)\cdot(b-\tfrac1n), \end{align*}
yang bertentangan dengan Persamaan di Bab 20. ▫\square

Jajar genjang

Proposisi Misalkan ▫ABCD\square ABCD merupakan suatu jajar genjang pada bidang Euklides. Maka

luas⁡(◼ABCD)=a⋅h,\area(\solidsquare ABCD)=a\cdot h,
di mana a=ABa=AB, dan hh merupakan jarak antara garis (AB)(AB) dan (CD)(CD).

Jajar genjang dan garis tinggi

Bukti. Misalkan A′A' dan B′B' menyatakan titik-titik kaki tegak lurus dari AA dan BB pada garis (CD)(CD).

Perhatikan bahwa ABB′A′ABB'A' merupakan persegi panjang dengan sisi-sisi aa dan hh. Menurut Teorema di Bab 20,

luas⁡(◼ABB′A′)=h⋅a.\area( \solidsquare ABB'A')=h\cdot a. \label{eq:ABBA}

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa ◼ABCA′\solidsquare ABCA' memuat ◼ABCD\solidsquare ABCD dan ◼ABB′A′\solidsquare ABB'A'. Dalam kasus ini, ◼ABCA′\solidsquare ABCA' memiliki dua subdivisi:

◼ABCA′=◼ABCD∪▴AA′D=◼ABB′A′∪▴BB′C.\solidsquare ABCA'=\solidsquare ABCD\cup\solidtriangle AA'D=\solidsquare ABB'A'\cup\solidtriangle BB'C.

Menurut Proposisi di Bab 20,

luas⁡(◼ABCD)+luas⁡(▴AA′D)==luas⁡(◼ABB′A′)+luas⁡(▴BB′C).\begin{aligned} \area( \solidsquare ABCD)&+\area(\solidtriangle AA'D)= \\ &= \area(\solidsquare ABB'A')+ \area (\solidtriangle BB'C). \end{aligned} \label{eq:area-sum}

Perhatikan bahwa

△AA′D≅△BB′C.\triangle AA'D\cong \triangle BB'C.\label{eq:cong-area}
Memang, karena segiempat ABB′A′ABB'A' dan ABCDABCD merupakan jajar genjang, menurut Lema di Bab 7, berlaku AA′=BB′AA'=BB', AD=BCAD=BC, dan DC=AB=A′B′DC=AB\z=A'B'. Akibatnya, A′D=B′CA'D=B'C. Dengan menerapkan syarat kekongruenan SSS, kita memperoleh Persamaan di Bab 20.

Secara khusus,

luas⁡(▴BB′C)=luas⁡(▴AA′D).\area(\solidtriangle BB'C)=\area (\solidtriangle AA'D). \label{eq:area-trinagles}

Dengan mengurangkan Persamaan di Bab 20 dari Persamaan di Bab 20, kita memperoleh

luas⁡(◼ABCD)=luas⁡(◼ABB′A′).\area (\solidsquare ABCD)=\area(\solidsquare ABB'A').
Tinggal menerapkan Persamaan di Bab 20. ▫\square

Dua jajar genjang dengan sisi bersama

Latihan Andaikan ▫ABCD\square ABCD dan ▫AB′C′D′\square AB'C'D' merupakan dua jajar genjang sedemikian sehingga B′∈[BC]B'\in[BC] dan D∈[C′D′]D\z\in [C'D']. Tunjukkan bahwa

luas⁡(◼ABCD)=luas⁡(◼AB′C′D′).\area(\solidsquare ABCD)=\area(\solidsquare AB'C'D').

Petunjuk

Segitiga

Teorema Misalkan hAh_A merupakan tinggi dari AA pada △ABC\triangle ABC dan a=BCa=BC. Maka

luas⁡(▴ABC)=12⋅a⋅hA.\area(\solidtriangle ABC)=\tfrac12\cdot a\cdot h_A.

Bukti. Tarik garis mm melalui AA yang sejajar dengan (BC)(BC) dan garis nn melalui CC yang sejajar dengan (AB)(AB). Perhatikan bahwa garis mm dan nn tidak sejajar; nyatakan titik potong keduanya dengan DD. Menurut konstruksi, ▫ABCD\square ABCD merupakan jajar genjang.

Perhatikan bahwa ◼ABCD\solidsquare ABCD memiliki subdivisi menjadi ▴ABC\solidtriangle ABC dan ▴CDA\solidtriangle CDA. Oleh karena itu,

luas⁡(◼ABCD)=luas⁡(▴ABC)+luas⁡(▴CDA).\area(\solidsquare ABCD) = \area(\solidtriangle ABC) + \area(\solidtriangle CDA).

Jajar genjang dengan diagonal

Karena ▫ABCD\square ABCD merupakan jajar genjang, Lema di Bab 7 menyiratkan bahwa

AB=CDdanBC=DA.AB=CD \quad \text{dan} \quad BC=DA.
Oleh karena itu, berdasarkan syarat kekongruenan SSS, berlaku △ABC≅△CDA\triangle ABC\z\cong\triangle CDA. Secara khusus,
luas⁡(▴ABC)=luas⁡(▴CDA).\area(\solidtriangle ABC) = \area(\solidtriangle CDA).

Berdasarkan uraian di atas dan Proposisi di Bab 20, kita memperoleh

luas⁡(▴ABC)=12⋅luas⁡(◼ABCD)==12⋅hA⋅a.\begin{align*} \area(\solidtriangle ABC) &=\tfrac12\cdot\area(\solidsquare ABCD)= \\ &=\tfrac12\cdot h_A\cdot a. \end{align*}

Latihan Misalkan hAh_A, hBh_B, dan hCh_C berturut-turut menyatakan tinggi △ABC\triangle ABC dari titik sudut AA, BB, dan CC. Perhatikan bahwa Teorema di Bab 20 menyiratkan

hA⋅BC=hB⋅CA=hC⋅AB.h_A\cdot BC=h_B\cdot CA=h_C\cdot AB.

Berikan bukti pernyataan ini tanpa menggunakan Teorema di Bab 20.

Petunjuk

Latihan Andaikan MM terletak di dalam jajar genjang ABCDABCD; yakni, MM termasuk dalam jajar genjang padat ◼ABCD\solidsquare ABCD, tetapi tidak terletak pada sisi-sisinya. Tunjukkan bahwa

luas⁡(▴ABM)+luas⁡(▴CDM)=12⋅luas⁡(◼ABCD).\area(\solidtriangle ABM)+\area(\solidtriangle CDM) =\tfrac12\cdot \area(\solidsquare ABCD).

Petunjuk

Latihan Andaikan diagonal-diagonal suatu segiempat tak degenerat ABCDABCD berpotongan di titik MM. Tunjukkan bahwa

luas⁡(▴ABM)⋅luas⁡(▴CDM)=luas⁡(▴BCM)⋅luas⁡(▴DAM).\area(\solidtriangle ABM)\cdot\area(\solidtriangle CDM) = \area(\solidtriangle BCM)\cdot\area(\solidtriangle DAM).

Petunjuk

Latihan Misalkan rr merupakan jari-jari lingkaran dalam segitiga tak degenerat ABCABC, dan misalkan pp merupakan setengah kelilingnya; yakni, p=12⋅(AB+BC+CA)p=\tfrac12\cdot(AB+BC+CA). Tunjukkan bahwa

luas⁡(▴ABC)=p⋅r.\area(\solidtriangle ABC)=p\cdot r.

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa setiap himpunan poligonal memiliki subdivisi menjadi suatu koleksi hingga segitiga padat dan suatu himpunan degenerat. Simpulkan bahwa luas setiap himpunan poligonal terdefinisi secara tunggal.

Petunjuk

Metode luas

Dalam bagian ini, kita memberikan contoh-contoh bukti yang menggunakan sifat-sifat fungsi luas. Bukti-bukti ini tidak benar-benar elementer — harga yang harus dibayar untuk keberadaan fungsi luas cukup tinggi.

Dekomposisi persegi dan segitiga

Kita mulai dengan bukti teorema Pythagoras. Dalam Elemen karya Euklides, teorema Pythagoras dirumuskan sebagai persamaan di Bab 20 di bawah, dan buktinya menggunakan teknik yang serupa.

Bukti. Kita perlu menunjukkan bahwa

a2+b2=c2,a^2+b^2=c^2,
di mana aa dan bb merupakan sisi-sisi siku-siku dan cc merupakan hipotenusa suatu segitiga siku-siku.

Misalkan 𝒦x\mathcal{K}_{x} merupakan persegi padat dengan sisi xx. Nyatakan dengan 𝒯\mathcal{T} segitiga siku-siku padat dengan sisi-sisi siku-siku aa dan bb.

Konstruksikan dua subdivisi 𝒦a+b\mathcal{K}_{a+b}:

  1. Subdivisikan 𝒦a+b\mathcal{K}_{a+b} menjadi dua persegi padat yang kongruen dengan 𝒦a\mathcal{K}_a dan 𝒦b\mathcal{K}_b serta empat segitiga padat yang kongruen dengan 𝒯\mathcal{T}; lihat gambar pertama.

  2. Subdivisikan 𝒦a+b\mathcal{K}_{a+b} menjadi satu persegi padat yang kongruen dengan 𝒦c\mathcal{K}_c serta empat segitiga siku-siku padat yang kongruen dengan 𝒯\mathcal{T}; lihat gambar kedua.

Dengan menerapkan Proposisi di Bab 20 beberapa kali, kita memperoleh

luas⁡𝒦a+b=luas⁡𝒦a+luas⁡𝒦b+4⋅luas⁡𝒯==luas⁡𝒦c+4⋅luas⁡𝒯.\begin{align*} \area\mathcal{K}_{a+b} &= \area\mathcal{K}_{a}+\area\mathcal{K}_{b}+4\cdot\area\mathcal{T}= \\ &=\area\mathcal{K}_{c}+4\cdot\area\mathcal{T}. \end{align*}
Oleh karena itu,
luas⁡𝒦a+luas⁡𝒦b=luas⁡𝒦c.\area\mathcal{K}_{a}+\area\mathcal{K}_{b}=\area\mathcal{K}_{c}.\label{eq:pyth+area}
Menurut Teorema di Bab 20, kita mengetahui bahwa
luas⁡𝒦x=x2,\area\mathcal{K}_x=x^2,
untuk sebarang x>0x>0. Jadi, pernyataan tersebut terbukti.▫\square

Empat segitiga siku-siku dalam persegi

Latihan Susunlah bukti lain untuk teorema Pythagoras berdasarkan gambar tersebut.

(Dalam notasi di atas, gambar itu menunjukkan subdivisi 𝒦c\mathcal{K}_c menjadi 𝒦a−b\mathcal{K}_{a-b} dan empat salinan 𝒯\mathcal{T} jika a>ba>b.)

Petunjuk

Latihan Tunjukkan bahwa jumlah jarak dari suatu titik ke sisi-sisi segitiga sama sisi bernilai sama untuk semua titik di dalam segitiga tersebut.

Petunjuk

Klaim Andaikan dua segitiga ABCABC dan A′B′C′A'B'C' pada bidang Euklides memiliki tinggi dari AA dan A′A' yang sama panjang. Maka

luas⁡(▴A′B′C′)luas⁡(▴ABC)=B′C′BC.\frac{\area(\solidtriangle A'B'C')}{\area(\solidtriangle ABC)} = \frac{B'C'}{BC}.

Secara khusus, identitas yang sama berlaku jika A=A′A=A' dan alas [BC][BC] serta [B′C′][B'C'] terletak pada satu garis.

Bukti. Misalkan hh merupakan tinggi tersebut. Menurut Teorema di Bab 20,

luas⁡(▴A′B′C′)luas⁡(▴ABC)=12⋅h⋅B′C′12⋅h⋅BC=B′C′BC.\frac{\area(\solidtriangle A'B'C')}{\area(\solidtriangle ABC)} = \frac{\frac12 \cdot h\cdot B'C'}{\frac12 \cdot h\cdot BC} = \frac{B'C'}{BC}.

Latihan Buktikan bahwa garis-garis berat suatu segitiga tak degenerat membaginya menjadi enam segitiga yang luasnya sama.

Petunjuk

Sekarang mari kita tunjukkan cara menggunakan klaim ini untuk membuktikan Lema di Bab 8. Pertama, ingat kembali pernyataannya:

Lema Jika △ABC\triangle A B C tak degenerat dan garis bagi sudutnya di AA berpotongan dengan [BC][BC] di titik DD, maka ABAC=DBDC\frac{AB}{AC}=\frac{DB}{DC}.

Pembagi sudut dan dua tinggi

Bukti. Dengan menerapkan Klaim Klaim di Bab 20, kita memperoleh

luas⁡(▴ABD)luas⁡(▴ACD)=BDCD.\frac{\area(\solidtriangle ABD)}{\area(\solidtriangle ACD)} =\frac{BD}{CD}.

Menurut Proposisi di Bab 8, segitiga ABDABD dan ACDACD memiliki tinggi yang sama dari DD. Dengan menerapkan Klaim Klaim di Bab 20 sekali lagi, kita memperoleh

luas⁡(▴ABD)luas⁡(▴ACD)=ABAC.\frac{\area(\solidtriangle ABD)}{\area(\solidtriangle ACD)}=\frac{AB}{AC}.
Jadi, diperoleh hasil yang dimaksud. ▫\square

Pernyataan kedua dalam latihan berikut merupakan kasus parsial dari teorema Ceva; lihat Rujukan di Bab 14.

Latihan Misalkan ABCABC merupakan segitiga tak degenerat. Andaikan A′A' terletak di antara BB dan CC, titik B′B' terletak di antara CC dan AA, dan titik C′C' terletak di antara AA dan BB. Andaikan ruas-ruas garis [AA′][AA'], [BB′][BB'], dan [CC′][CC'] bertemu di titik XX. Tunjukkan bahwa

Median dan titik perpotongan segitiga

luas⁡(▴ABX)luas⁡(▴BCX)=AB′B′C,luas⁡(▴BCX)luas⁡(▴CAX)=BC′C′A,luas⁡(▴CAX)luas⁡(▴ABX)=CA′A′B.\begin{align*} \frac{\area(\solidtriangle ABX)}{\area(\solidtriangle BCX)}&=\frac{AB'}{B'C}, \\ \frac{\area(\solidtriangle BCX)}{\area(\solidtriangle CAX)}&=\frac{BC'}{C'A}, \\ \frac{\area(\solidtriangle CAX)}{\area(\solidtriangle ABX)}&=\frac{CA'}{A'B} . \end{align*}

Simpulkan bahwa

AB′⋅CA′⋅BC′B′C⋅A′B⋅C′A=1.\frac{AB'\cdot CA'\cdot BC'}{B'C\cdot A'B\cdot C'A}=1.

Petunjuk
Empat garis melalui pusat O

Latihan Andaikan titik-titik L1L_1, L2L_2, L3L_3, L4L_4 terletak pada garis ℓ\ell dan titik-titik M1M_1, M2M_2, M3M_3, M4M_4 terletak pada garis mm. Andaikan garis-garis (L1M1)(L_1M_1), (L2M2)(L_2M_2), (L3M3)(L_3M_3), dan (L4M4)(L_4M_4) melalui titik OO yang tidak terletak pada ℓ\ell maupun mm.

  1. Terapkan Klaim Klaim di Bab 20 untuk menunjukkan bahwa

    luas⁡▴OLiLjluas⁡▴OMiMj=OLi⋅OLjOMi⋅OMj\frac{\area\solidtriangle OL_iL_j}{\area\solidtriangle OM_iM_j}=\frac{OL_i\cdot OL_j}{OM_i\cdot OM_j}
    untuk sebarang i≠ji\ne j.

    Petunjuk subbagian
  2. Gunakan (Rujukan di Bab 20) untuk membuktikan bahwa

    L1L2⋅L3L4L2L3⋅L4L1=M1M2⋅M3M4M2M3⋅M4M1;\frac{L_1L_2\cdot L_3L_4}{L_2L_3\cdot L_4L_1}=\frac{M_1M_2\cdot M_3M_4}{M_2M_3\cdot M_4M_1};
    yakni, empat-tupel (L1,L2,L3,L4)(L_1, L_2, L_3, L_4) dan (M1,M2,M3,M4)(M_1, M_2, M_3, M_4) memiliki rasio silang yang sama.

    Petunjuk subbagian
Petunjuk

Bidang netral dan bola

Luas dapat didefinisikan pada bidang netral dan bola. Dalam definisi ini, persegi satuan padat 𝒦1\mathcal{K}_1 harus diganti dengan suatu himpunan poligonal tak degenerat tetap 𝒰\mathcal{U}. Perubahan semacam itu diperlukan karena alasan yang tepat — bidang hiperbolik dan bola tidak memiliki persegi. Dalam hal ini, himpunan 𝒰\mathcal{U} berfungsi sebagai satuan ukur luas; perubahan 𝒰\mathcal{U} mengharuskan konversi satuan luas.

Segiempat pada permukaan melengkung

Menurut konvensi baku, himpunan 𝒰\mathcal{U} dipilih sedemikian sehingga pada skala kecil luas berperilaku seperti pada bidang Euklides. Sebagai contoh, jika 𝒦a\mathcal{K}_a menyatakan segiempat padat ◼ABCD\solidsquare ABCD dengan sudut siku-siku di AA, BB, dan CC sedemikian sehingga AB=BC=aAB=BC=a, maka kita dapat mengandaikan bahwa

1a2⋅luas⁡𝒦a→1ketikaa→0.\tfrac{1}{a^2}\cdot\area \mathcal{K}_a\to 1 \quad \text{ketika} \quad a\to0.

Konvensi ini berlaku sama baiknya untuk bola dan bidang netral, termasuk bidang Euklides. Dalam geometri sferis, sebagai gantinya kita dapat menetapkan bahwa luas seluruh bola adalah 4⋅π⋅r24\cdot\pi\cdot r^2, dengan rr sebagai jari-jari bola.

Ingat bahwa defek segitiga △ABC\triangle ABC didefinisikan sebagai

defek⁡(△ABC):=π−|∡ABC|−|∡BCA|−|∡CAB|.\defect(\triangle ABC) \df \pi-|\measuredangle ABC|-|\measuredangle BCA|-|\measuredangle CAB|.
Ternyata, untuk setiap bidang netral atau bola, terdapat bilangan real kk sedemikian sehingga
k⋅luas⁡(▴ABC)+defek⁡(△ABC)=0k\cdot\area(\solidtriangle ABC)+\defect(\triangle ABC)=0 \label{eq:curv-defect}
untuk setiap △ABC\triangle ABC.

Bilangan kk ini disebut kelengkungan; k=0k=0 untuk bidang Euklides, k=−1k=-1 untuk bidang-h, k=1k=1 untuk bola satuan (kasus ini dibuktikan dalam Lema di Bab 16), dan k=1r2k=\tfrac1{r^2} untuk bola berjari-jari rr.

Karena sudut-sudut suatu segitiga ideal bernilai nol, setiap segitiga ideal pada bidang-h memiliki luas π\pi. Demikian pula, pada bola satuan, suatu segitiga sama sisi dengan sudut-sudut siku-siku memiliki luas π2\tfrac\pi2; karena seluruh bola dapat disubdivisi menjadi delapan segitiga semacam itu, kita memperoleh bahwa luas bola satuan adalah 4⋅π4\cdot\pi.

Identitas di Bab 20 dapat digunakan sebagai cara alternatif untuk memperkenalkan fungsi luas; cara ini berlaku pada bola dan semua bidang netral, kecuali bidang Euklides.

Himpunan kuadrabel

Suatu himpunan 𝒮\mathcal{S} pada bidang disebut kuadrabel jika, untuk sebarang ϵ>0\epsilon>0, terdapat dua himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan 𝒬\mathcal{Q} sedemikian sehingga

𝒫⊂𝒮⊂𝒬danluas⁡𝒬−luas⁡𝒫<ϵ.\mathcal{P} \subset \mathcal{S}\subset\mathcal{Q} \quad \text{dan} \quad \area\mathcal{Q}-\area\mathcal{P} < \epsilon.

Jika 𝒮\mathcal{S} kuadrabel, luasnya dapat didefinisikan sebagai bilangan real yang mesti tunggal s=luas⁡𝒮s=\area\mathcal{S} sedemikian sehingga ketaksamaan

luas⁡𝒫≤s≤luas⁡𝒬\area\mathcal{P}\le s\le \area\mathcal{Q}
berlaku untuk sebarang himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P} dan 𝒬\mathcal{Q} sedemikian sehingga 𝒫⊂𝒮⊂𝒬\mathcal{P}\subset\mathcal{S}\subset\mathcal{Q}.

Latihan Misalkan 𝒟\mathcal{D} merupakan suatu cakram satuan tertutup; yakni, 𝒟\mathcal{D} merupakan himpunan yang memuat lingkaran satuan Γ\Gamma dan semua titik di dalam Γ\Gamma.

Tunjukkan bahwa 𝒟\mathcal{D} merupakan himpunan kuadrabel.

Petunjuk

Karena 𝒟\mathcal{D} kuadrabel, ungkapan luas⁡𝒟\area\mathcal{D} bermakna dan konstanta π\pi dapat didefinisikan sebagai π:=luas⁡𝒟\pi\df\area\mathcal{D}.

Ternyata, kelas himpunan kuadrabel merupakan kelas terbesar yang padanya fungsi luas yang memenuhi syarat-syarat dalam Bagian ke-3 di Bab 20 terdefinisi secara tunggal.

Jika kita tidak mensyaratkan ketunggalan, terdapat cara-cara untuk memperluas fungsi luas ke semua himpunan terbatas. (Suatu himpunan pada bidang disebut terbatas jika terletak di dalam suatu lingkaran.) Pada bola dan bidang hiperbolik, tidak ada konstruksi yang serupa. Jika Anda ingin mengetahui alasannya, bacalah mengenai penggandaan bola — suatu paradoks dari Felix Hausdorff, Stefan Banach, dan Alfred Tarski.

Petunjuk Bab 1–20

Petunjuk berikut mempertahankan teks sumber yang diakui untuk 16 latihan Bab 1, 7 latihan Bab 2, 8 petunjuk Bab 3, 5 latihan Bab 4, 17 blok petunjuk Bab 5 yang mencakup 18 latihan, 8 latihan Bab 6, 21 latihan tingkat atas Bab 7 beserta tiga subbagian berlabel, 13 latihan Bab 8, 21 latihan berlabel Bab 9 beserta tiga subbagiannya, seluruh 14 latihan Bab 10, seluruh 11 latihan Bab 11, 9 petunjuk Bab 12 yang mencakup 9 dari 10 latihan tingkat atas beserta 7 subbagian, seluruh 10 latihan Bab 13, seluruh 15 latihan Bab 14 melalui 14 blok petunjuk (satu blok bersama), seluruh 14 latihan Bab 15 beserta delapan subbagiannya, seluruh 9 latihan Bab 16 beserta lima subbagian, seluruh 10 latihan Bab 17 melalui 10 blok petunjuk satu-ke-satu, 15 dari 16 latihan Bab 18 melalui 15 blok petunjuk satu-ke-satu, seluruh 9 latihan Bab 19 beserta empat subbagian berlabel melalui 9 blok petunjuk satu-ke-satu, dan seluruh 16 latihan Bab 20 beserta dua subbagian berlabel melalui 16 blok petunjuk satu-ke-satu. Latihan tanggapan video Bab 9, ex:hyp-fun Bab 12, dan latihan video ex:movie Bab 18 tidak memiliki petunjuk sumber dan tidak diberi petunjuk ciptaan. Tiga soal Bab 19 berdiri di luar sensus latihan; hanya soal berlabel tentang pusat lingkaran mempunyai penyelesaian tubuh, dan tidak satu pun memperoleh petunjuk ciptaan. Setiap petunjuk menyediakan tautan balik ke semua jangkar latihan yang dicakupnya.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.002

Periksa semua syarat dalam Persamaan di Bab 1. Mari kita bahas ketaksamaan segitiga — syarat-syarat lainnya jelas dengan sendirinya.

Misalkan A=(xA,yA)A=(x_A,y_A), B=(xB,yB)B=(x_B,y_B), dan C=(xC,yC)C=(x_C,y_C). Definisikan

x1=xB−xA,y1=yB−yA,x2=xC−xB,y2=yC−yB.\begin{align*} x_1&=x_B-x_A, & y_1&=y_B-y_A, \\ x_2&=x_C-x_B, & y_2&=y_C-y_B. \end{align*}

(a). Ketaksamaan

d1(A,C)≤d1(A,B)+d1(B,C)d_1(A,C)\le d_1(A,B)+d_1(B,C)
dapat ditulis sebagai
|x1+x2|+|y1+y2|≤|x1|+|y1|+|x2|+|y2|.|x_1+x_2|+|y_1+y_2| \le |x_1|+|y_1|+|x_2|+|y_2|.
Ketaksamaan terakhir berlaku karena |x1+x2|≤|x1|+|x2||x_1+x_2|\le |x_1|+|x_2| dan |y1+y2|≤|y1|+|y2||y_1+y_2|\le |y_1|+|y_2|.

(b). Ketaksamaan

d2(A,C)≤d2(A,B)+d2(B,C)d_2(A,C)\le d_2(A,B)+d_2(B,C)\label{eq:trig-inq-d2}
dapat ditulis sebagai
(x1+x2)2+(y1+y2)2≤≤x12+y12+x22+y22.\begin{align*} &\sqrt{\bigl(x_1+x_2\bigr)^2+\bigl(y_1+y_2\bigr)^2}\le \\ &\qquad\le \sqrt{x_1^2+y_1^2}+\sqrt{x_2^2+y_2^2}. \end{align*}
Kuadratkan ruas kiri dan ruas kanan, sederhanakan, kuadratkan sekali lagi, lalu sederhanakan kembali. Akan diperoleh ketaksamaan berikut:
0≤(x1⋅y2−x2⋅y1)2,0 \le (x_1\cdot y_2-x_2\cdot y_1)^2,
yang ekuivalen dengan Persamaan di bagian ini dan jelas benar.

(c). Ketaksamaan

d∞(A,C)≤d∞(A,B)+d∞(B,C)d_\infty(A,C)\le d_\infty(A,B)+d_\infty(B,C)
dapat ditulis sebagai
max⁡{|x1+x2|,|y1+y2|}≤≤max⁡{|x1|,|y1|}+max⁡{|x2|,|y2|}.\begin{aligned} &\max\{|x_1+x_2|,|y_1+y_2|\}\le \\ &\qquad\le \max\{|x_1|,|y_1|\}+\max\{|x_2|,|y_2|\}. \end{aligned} \label{eq:max-trig}
Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengasumsikan bahwa
max⁡{|x1+x2|,|y1+y2|}=|x1+x2|.\max\{|x_1+x_2|,|y_1+y_2|\}=|x_1+x_2|.
Selanjutnya,

|x1+x2|≤|x1|+|x2|≤≤max⁡{|x1|,|y1|}+max⁡{|x2|,|y2|}.\begin{align*} |x_1+x_2|&\le |x_1|+|x_2|\le \\ &\le\max\{|x_1|,|y_1|\}+\max\{|x_2|,|y_2|\}. \end{align*}
Dengan demikian, Persamaan di bagian ini terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.004

Jika A≠BA\ne B, maka d𝒳(A,B)>0d_\mathcal{X}(A,B)>0. Karena ff mempertahankan jarak,

d𝒴(f(A),f(B))=d𝒳(A,B).d_\mathcal{Y}(f(A),f(B))=d_\mathcal{X}(A,B).
Oleh karena itu, d𝒴(f(A),f(B))>0d_\mathcal{Y}(f(A),f(B))>0; jadi f(A)≠f(B)f(A)\z\ne f(B).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.005

Misalkan f(0)=af(0)=a dan f(1)=bf(1)=b. Tunjukkan bahwa b=a+1b=a+1 atau b=a−1b=a-1. Selain itu, f(x)=a±xf(x)=a\pm x dan f(x)=b±(x−1)f(x)=b\pm(x-1) berlaku secara bersamaan untuk setiap xx.

Misalkan b=a+1b=a+1. Tunjukkan bahwa f(x)=a+xf(x)=a+x untuk setiap xx.

Dengan cara yang sama, jika b=a−1b=a-1, tunjukkan bahwa f(x)=a−xf(x)=a-x untuk setiap xx.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.006

Tunjukkan bahwa pemetaan (x,y)↦(x+y,x−y)(x,y)\mapsto (x+y,x-y) merupakan isometri (ℝ2,d1)→(ℝ2,d∞)(\mathbb{R}^2,d_1)\z\to (\mathbb{R}^2,d_\infty). Anda perlu memeriksa apakah pemetaan ini bijektif dan mempertahankan jarak.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.007

Pertama, buktikan bahwa dua titik A=(xA,yA)A=(x_A,y_A) dan B=(xB,yB)B\z=(x_B,y_B) pada bidang Manhattan memiliki titik tengah tunggal jika dan hanya jika xA=xBx_A=x_B atau yA=yBy_A=y_B; bandingkan dengan contoh pada Bagian ke-10 di Bab 1.

Gunakan pernyataan di atas untuk membuktikan bahwa setiap gerak pada bidang Manhattan dapat ditulis dalam salah satu dari delapan bentuk berikut:

(x,y)↦(±x+a,±y+b)atau(x,y)↦(±y+b,±x+a),\begin{align*} (x,y)&\mapsto (\pm x+a,\pm y+b) \text{atau} (x,y)&\mapsto (\pm y+b,\pm x+a), \end{align*}
untuk bilangan real tetap aa dan bb. Dalam setiap kasus, terdapat 4 pilihan tanda, sehingga untuk suatu pasangan tetap (a,b)(a,b) terdapat 8 gerak yang berbeda.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.008

Misalkan tiga titik AA, BB, dan CC terletak pada satu garis. Perhatikan bahwa dalam hal ini salah satu dari tiga ketaksamaan segitiga yang melibatkan titik-titik AA, BB, dan CC menjadi kesamaan.

Ambil A=(−1,1)A=(-1,1), B=(0,0)B=(0,0), dan C=(1,1)C=(1,1). Tunjukkan bahwa untuk d1d_1 dan d2d_2 semua ketaksamaan segitiga yang melibatkan titik-titik AA, BB, dan CC bersifat ketat. Ini menunjukkan bahwa grafik tersebut bukan garis.

Untuk d∞d_\infty, tunjukkan bahwa (x,|x|)↦x(x,|x|)\mapsto x merupakan isometri dari grafik tersebut ke ℝ\mathbb{R}. Simpulkan bahwa grafik tersebut merupakan garis dalam (ℝ2,d∞)(\mathbb{R}^2,d_\infty).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.010

Berdasarkan definisi sinar, terdapat suatu isometri

f[PQ)→[0,∞)f\:[P Q)\to [0,\infty)
sedemikian sehingga f(P)=0f(P)=0. Berdasarkan definisi isometri, PX=f(X)P X=f(X) untuk setiap X∈[PQ)X\z\in [P Q). Dengan demikian, PX=rP X=r jika dan hanya jika f(X)=rf(X)=r.

Karena isometri harus bijektif, pernyataan tersebut terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.011

Persamaan 2⋅α≡02\cdot\alpha\equiv 0 berarti bahwa 2⋅α=2⋅k⋅π2\cdot\alpha\z=2\cdot k\cdot\pi untuk suatu bilangan bulat kk. Oleh karena itu, α=k⋅π\alpha=k\cdot\pi.

Secara ekuivalen, α=2⋅n⋅π\alpha=2\cdot n\cdot \pi atau α=(2⋅n+1)⋅π\alpha=(2\cdot n+1)\cdot \pi untuk suatu bilangan bulat nn. Dalam kedua kasus tersebut, secara berturut-turut diperoleh α≡0\alpha\equiv 0 dan α≡π\alpha\equiv \pi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.012

Perhatikan bahwa γ′=α+β∈[0,2⋅π]\gamma'=\alpha+\beta\in [0,2\cdot \pi]. Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa γ′≡γ\gamma'\equiv\gamma ⇒\Rightarrow γ′=γ\gamma'=\gamma.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.013

(a). Berdasarkan ketaksamaan segitiga, |f(A′)−f(A)|≤d(A′,A)|f(A')\z-f(A)|\le d(A',A). Oleh karena itu, kita dapat memilih δ=ϵ\delta=\epsilon.

(b). Berdasarkan ketaksamaan segitiga,

|g(A′,B′)−g(A,B)|≤≤|g(A′,B′)−g(A,B′)|++|g(A,B′)−g(A,B)|≤≤d(A′,A)+d(B′,B).\begin{align*} &|g(A',B')-g(A,B)| \le \\ &\le|g(A',B')-g(A,B')|+ \\ &\quad+ |g(A,B')-g(A,B)|\le \\ &\le d(A',A)+d(B',B). \end{align*}
Oleh karena itu, kita dapat memilih δ=ϵ2\delta=\tfrac\epsilon2.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.014

Ambil A∈𝒳A\in \mathcal{X} dan B∈𝒴B\in\mathcal{Y} sedemikian sehingga f(A)=Bf(A)=B.

Ambil ϵ>0\epsilon>0. Karena gg kontinu di BB, terdapat bilangan positif δ1\delta_1 sedemikian sehingga

d𝒵(g(B′),g(B))<ϵjikad𝒴(B′,B)<δ1.d_{\mathcal{Z}}(g(B'),g(B))<\epsilon \quad \text{jika} \quad d_{\mathcal{Y}}(B',B)<\delta_1.

Karena ff kontinu di AA, terdapat δ2>0\delta_2>0 sedemikian sehingga

d𝒴(f(A′),f(A))<δ1jikad𝒳(A′,A)<δ2.d_{\mathcal{Y}}(f(A'),f(A))\z<\delta_1 \quad \text{jika} \quad d_{\mathcal{X}}(A',A)<\delta_2.

Karena f(A)=Bf(A)=B, diperoleh bahwa

d𝒵(h(A′),h(A))<ϵjikad𝒳(A′,A)<δ2.d_{\mathcal{Z}}(h(A'),h(A))<\epsilon \quad \text{jika} \quad d_{\mathcal{X}}(A',A)<\delta_2.
Dengan demikian, hasilnya terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch01.016

(a). Tunjukkan bahwa A↦BA\mapsto B, B↦AB\mapsto A, C↦CC\mapsto C, D↦DD\mapsto D mendefinisikan suatu gerak pada ruang tersebut; simpulkan bahwa △ABC≅△BAC\triangle ABC\cong \triangle BAC.

(b). Misalkan △ABC≅△BCA\triangle ABC\cong \triangle BCA; maka terdapat gerak mm yang memetakan A↦BA\mapsto B, B↦CB\mapsto C, dan C↦AC\mapsto A. Tunjukkan bahwa mD↦Dm\:D\mapsto D; hal ini menghasilkan suatu kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch02.001

Berdasarkan Aksioma I, terdapat sekurang-kurangnya dua titik pada bidang. Oleh karena itu, berdasarkan Aksioma II, pada bidang tersebut terdapat sebuah garis. Untuk membuktikan (a), cukup perhatikan bahwa sebuah garis merupakan himpunan titik yang tak hingga. Untuk membuktikan (b), gunakan pula Aksioma III.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch02.002

Berdasarkan Aksioma II, (OA)=(OA′)(OA)=(OA'). Oleh karena itu, pernyataan tersebut setara dengan pernyataan berikut:

Andaikan fℝ→ℝf\:\mathbb{R}\to \mathbb{R} merupakan transformasi isometrik pada garis bilangan real yang memetakan 0↦00\mapsto 0 dan suatu bilangan positif ke bilangan positif. Maka ff merupakan pemetaan identitas.

Pernyataan terakhir merupakan akibat dari Latihan ke-5 di Bab 1.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch02.006

Ambil dua titik AA dan BB yang keberadaannya dijamin oleh Aksioma I.

Pilih bilangan real 0<α<π0<\alpha<\pi. Berdasarkan Aksioma Rujukan di Bab 2, terdapat titik CC sedemikian sehingga ∡ABC=α\measuredangle ABC\z=\alpha.

Gunakan Akibat di Bab 2 untuk menunjukkan bahwa △ABC\triangle ABC tidak degenerat.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.001

Ambil α=∡AOB\alpha=\measuredangle AOB dan β=∡BOA\beta=\measuredangle BOA. Perhatikan bahwa α=π\alpha=\pi jika dan hanya jika β=π\beta=\pi. Jika tidak, α=−β\alpha=-\beta. Dengan demikian, hasil yang diminta diperoleh.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.002

Ambil α=∡ABC\alpha=\measuredangle ABC, β=∡A′B′C′\beta=\measuredangle A'B'C'. Karena 2⋅α≡2⋅β2\cdot\alpha\equiv 2\cdot \beta, Latihan ke-11 di Bab 1 menyiratkan bahwa α≡β\alpha\equiv \beta atau α≡β+π\alpha\equiv \beta+\pi. Dalam kasus kedua, kedua sudut memiliki tanda yang berlawanan, dan hal ini mustahil.

Karena α,β∈(−π,π]\alpha,\beta\in(-\pi,\pi], kesamaan α≡β\alpha\equiv \beta menyiratkan α=β\alpha= \beta.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.003

Terapkan Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3 pada △PAB\triangle PAB, △PBC\triangle PBC, dan △PAC\triangle PAC.

Untuk bagian kedua, gunakan penalaran seperti pada Latihan ke-12 di Bab 1 untuk menunjukkan bahwa jika tiga bilangan α,β,γ∈(−π,π)\alpha,\beta,\gamma\in (-\pi,\pi) memiliki tanda yang sama dan α+β≡γ\alpha+\beta\equiv\gamma, maka |α|+|β|=|γ||\alpha|+|\beta|=|\gamma|. Terapkan hasil ini pada α=∡APB\alpha=\measuredangle APB, β=∡BPC\beta=\measuredangle BPC, dan γ=∡APC\gamma=\measuredangle APC.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.006

Kita dapat mengasumsikan bahwa A′≠B,CA'\z\ne B,C dan B′≠A,CB'\ne A, C; jika tidak, pernyataan tersebut berlaku dengan sendirinya.

Perhatikan bahwa (BB′)(BB') tidak memotong [A′C][A'C]. Dengan menerapkan teorema Pasch (Teorema Pasch di Bab 3) pada △AA′C\triangle AA'C dan (BB′)(BB'), kita peroleh bahwa (BB′)(BB') memotong [AA′][AA']; nyatakan titik potongnya dengan MM.

Dengan cara yang sama, kita peroleh bahwa (AA′)(AA') memotong [BB′][BB']; dengan kata lain, MM terletak pada [AA′][AA'] dan [BB′][BB'].

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.007

Andaikan ZZ adalah titik potongnya.

Perhatikan bahwa Z≠PZ\ne P dan Z≠QZ\ne Q. Oleh karena itu, Z∉(PQ)Z\notin (PQ).

Tunjukkan bahwa ZZ dan XX terletak pada sisi yang sama terhadap (PQ)(PQ). Ulangi argumen tersebut untuk menunjukkan bahwa ZZ dan YY terletak pada sisi yang sama terhadap (PQ)(PQ). Akibatnya, XX dan YY terletak pada sisi yang sama terhadap (PQ)(PQ) — sebuah kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch03.009

Bagian “hanya jika” merupakan akibat dari ketaksamaan segitiga. Untuk membuktikan bagian “jika”, perhatikan bahwa Teorema di Bab 3 menjamin adanya sebuah segitiga dengan panjang sisi r1r_1, r2r_2, dan dd. Gunakan segitiga ini untuk menunjukkan bahwa terdapat titik XX sedemikian sehingga O1X=r1O_1X=r_1 dan O2X=r2O_2X=r_2, dengan O1O_1 dan O2O_2 sebagai pusat lingkaran yang bersesuaian.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch04.002

Misalkan DD dan D′D' berturut-turut merupakan cerminan CC dan C′C' terhadap MM dan M′M'. Tunjukkan bahwa △BCD≅△B′C′D′\triangle BCD\z\cong \triangle B'C'D', lalu gunakan hasil ini untuk membuktikan bahwa △A′B′C′≅△ABC\triangle A' B' C'\z\cong\triangle A B C.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch04.004

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengasumsikan bahwa XX berbeda dari AA, BB, dan CC. Tetapkan f(X)=X′f(X)=X'; andaikan X′≠XX'\ne X.

Perhatikan bahwa AX=AX′AX=AX', BX=BX′BX=BX', dan CX=CX′CX=CX'. Berdasarkan SSS, diperoleh ∡ABX=±∡ABX′\measuredangle ABX\z=\pm\measuredangle ABX'. Karena X≠X′X\ne X', diperoleh ∡ABX≡−∡ABX′\measuredangle ABX\equiv - \measuredangle ABX'. Dengan cara yang sama, diperoleh ∡CBX≡−∡CBX′\measuredangle CBX\equiv - \measuredangle CBX'. Dengan mengurangkan kedua identitas ini, diperoleh ∡ABC≡−∡ABC\measuredangle ABC\equiv -\measuredangle ABC. Simpulkan bahwa ∡ABC=0\measuredangle ABC=0 atau π\pi. Artinya, △ABC\triangle ABC adalah segitiga degenerat — suatu kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch04.005

Konstruksikan tiga lingkaran yang berturut-turut berpusat di A′A', B′B', dan C′C' serta berjari-jari AXAX, BXBX, dan CXCX. Titik X′X' merupakan titik persekutuan ketiga lingkaran tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.001

Menurut Aksioma Rujukan di Bab 2 dan Teorema di Bab 2, berlaku ∡AOX+∡XOB≡π\measuredangle AOX\z+\measuredangle XOB\z\equiv\pi; khususnya, |∡AOX+∡XOB|≥π|\measuredangle AOX\z+\measuredangle XOB|\ge\pi. Simpulkan bahwa nilai ∡AOX\measuredangle AOX dan ∡XOB\measuredangle XOB keduanya tak negatif atau keduanya tak positif.

Pada masing-masing kasus, gunakan argumen seperti dalam Latihan ke-12 di Bab 1 untuk menunjukkan bahwa

|∡AOX|+|∡XOB|=π|\measuredangle AOX|\z+|\measuredangle XOB|=\pi, lalu tarik kesimpulannya.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.002

Andaikan XX dan AA terletak pada sisi yang sama dari ℓ\ell.

Perbandingan jarak pada dua sisi garis sumbu

Perhatikan bahwa AA dan BB terletak pada sisi yang berlawanan dari ℓ\ell. Oleh karena itu, menurut Akibat di Bab 3, [AX][AX] tidak memotong ℓ\ell, sedangkan [BX][BX] memotong ℓ\ell; misalkan YY adalah titik potongnya.

Menurut ketaksamaan segitiga, BX=AY+YX≥AXBX=AY\z+YX\z\ge AX. Karena X∉ℓX\notin\ell, menurut Teorema di Bab 5 berlaku AX≠BXAX\ne BX. Oleh karena itu, BX>AXBX> AX.

Dengan demikian, kita telah membuktikan bagian “jika”. Untuk membuktikan bagian “hanya jika”, pertukarkan AA dan BB, lalu ulangi argumen di atas.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.004

Tunjukkan bahwa FX=FYFX=FY, lalu terapkan Teorema di Bab 5.

Petunjuk konstruksi garis tegak lurus

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.006

Perhatikan bahwa

∡XBA=∡ABP,∡PBC=∡CBY.\begin{align*} \measuredangle XBA&=\measuredangle ABP, \\ \measuredangle PBC&=\measuredangle CBY. \end{align*}
Oleh karena itu,
∡XBY≡∡XBP+∡PBY≡≡2⋅(∡ABP+∡PBC)≡≡2⋅∡ABC.\begin{align*} \measuredangle XBY &\equiv \measuredangle XBP+\measuredangle PBY\equiv \\ &\equiv 2\cdot(\measuredangle ABP+\measuredangle PBC)\equiv \\ & \equiv 2\cdot \measuredangle ABC. \end{align*}

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.007

Pilih sembarang segitiga tak degenerat ABCABC. Andaikan △ÂB̂Ĉ\triangle \hat A \hat B\hat C menyatakan bayangannya setelah dikenai transformasi isometrik yang diberikan.

Jika A≠ÂA\ne \hat A, lakukan pencerminan terhadap garis sumbu [AÂ][A\hat A]. Pencerminan ini memetakan AA ke Â\hat A. Misalkan B′B' dan C′C' masing-masing menyatakan bayangan pencerminan BB dan CC.

Jika B′≠B̂B'\ne \hat B, lakukan pencerminan terhadap garis sumbu [B′B̂][B'\hat B]. Pencerminan ini memetakan B′B' ke B̂\hat B. Perhatikan bahwa ÂB̂=ÂB′\hat A\hat B=\hat AB'; dengan kata lain, Â\hat A terletak pada garis sumbu tersebut. Oleh karena itu, Â\hat A merupakan titik tetap pencerminan ini. Andaikan C″C'' menyatakan bayangan pencerminan C′C'.

Terakhir, jika C″≠ĈC''\ne \hat C, lakukan pencerminan terhadap (ÂB̂)(\hat A\hat B). Perhatikan bahwa ÂĈ=ÂC″\hat A\hat C\z=\hat AC'' dan B̂Ĉ=B̂C″\hat B\hat C\z=\hat BC''; dengan kata lain, (ÂB̂)(\hat A\hat B) merupakan garis sumbu [C″Ĉ][C''\hat C]. Oleh karena itu, pencerminan ini memetakan C″C'' ke Ĉ\hat C.

Terapkan lema tiga paku (Latihan ke-4 di Bab 4) untuk menunjukkan bahwa komposisi pencerminan yang dikonstruksi berimpit dengan transformasi isometrik yang diberikan.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.009

Kita dapat mengandaikan bahwa P≠XP \ne X; jika tidak, pernyataannya sudah jelas.

Jika ∠PXV\angle PXV siku-siku, pernyataan tersebut merupakan akibat dari Lema di Bab 5. Jika tidak, buatlah garis (XY)(XY) yang tegak lurus terhadap (PX)(PX). Tunjukkan bahwa VV dan WW terletak pada sisi yang berlawanan dari (XY)(XY).

Tanpa mengurangi keumuman, andaikan PP dan WW terletak pada sisi yang berlawanan dari (XY)(XY). Misalkan W′W' adalah titik potong [PW][PW] dan (XY)(XY). Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa PW>PW′>PXPW>PW'>PX.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.011

Terapkan Latihan ke-9 di Bab 5 dua kali pada XX, YY, PP, dan titik pusat.

Petunjuk konstruksi pusat lingkaran

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.016

Misalkan AA dan BB adalah titik-titik potongnya. Perhatikan bahwa pusat kedua lingkaran terletak pada garis sumbu ruas [AB][AB].

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch05.017 dan o004.petrunin.ex.ch05.018

Data yang diberikan ditandai dengan garis tebal.

Petunjuk konstruksi garis singgung
Petunjuk lingkaran bersinggungan dengan dua lingkaran

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.001

Terapkan kriteria kesebangunan SAS untuk menunjukkan bahwa △AC′B′∼△ABC\triangle AC'B'\sim\triangle ABC, △C′BA′∼△ABC\triangle C'BA'\sim\triangle ABC, dan △B′A′C∼△ABC\triangle B'A'C\sim\triangle ABC. Tunjukkan bahwa dalam setiap kasus, koefisien kesebangunannya adalah 12\tfrac12. Simpulkan bahwa A′B′=12⋅ABA'B'=\tfrac12\cdot AB, B′C′=12⋅BCB'C'=\tfrac12\cdot BC, dan C′A′=12⋅CAC'A'\z=\tfrac12\cdot CA. Terapkan kriteria kesebangunan SSS.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.002

Terapkan kriteria kesebangunan SAS untuk menunjukkan bahwa △OA′B′∼△OAB\triangle OA'B'\sim\triangle OAB, △OB′C′∼△OBC\triangle OB'C'\sim\triangle OBC, dan △OC′A′∼△OCA\triangle OC'A'\sim\triangle OCA. Tunjukkan bahwa dalam setiap kasus, koefisien kesebangunannya adalah kk. Simpulkan bahwa A′B′=k⋅ABA'B'=k\cdot AB, B′C′=k⋅BCB'C'=k\cdot BC, dan C′A′=k⋅CAC'A'\z=k\cdot CA. Terapkan kriteria kesebangunan SSS.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.003

Berdasarkan kriteria kesebangunan AA, transformasi tersebut mengalikan panjang semua sisi setiap segitiga tak degenerat dengan faktor yang sama; kita perlu menunjukkan bahwa faktor ini tidak bergantung pada segitiganya.

Perhatikan bahwa faktor ini bernilai sama bagi sebarang dua segitiga tak degenerat yang memiliki satu sisi bersama. Terapkan pengamatan ini pada suatu rantai segitiga.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.006

Berdasarkan kriteria kesebangunan AA (Kriteria kesebangunan di Bab 6), △AYC∼△BXC\triangle AYC\z\sim \triangle BXC. Simpulkan bahwa YCAC=XCBC\frac{YC}{AC}=\frac{XC}{BC}. Terapkan kriteria kesebangunan SAS untuk menunjukkan bahwa △ABC∼△YXC\triangle ABC\z\sim \triangle YXC.

Dengan cara serupa, terapkan AA dan fakta bahwa sudut-sudut bertolak belakang sama besar untuk membuktikan bahwa △AZX∼△BZY\triangle AZX\sim \triangle BZY, lalu gunakan SAS untuk menunjukkan bahwa △ABZ∼△YXZ\triangle ABZ\z\sim \triangle YXZ.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.007

Tunjukkan bahwa △ABC∼△CBD\triangle ABC\sim \triangle CBD, kemudian gunakan fakta tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch06.008

Tunjukkan bahwa △AQM∼△ABC∼△PBM\triangle AQM\sim \triangle ABC\z\sim\triangle PBM, kemudian gunakan fakta tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.001 dan o004.petrunin.ex.ch07.002 dan o004.petrunin.ex.ch07.003

(Latihan ke-2 di Bab 7). Terapkan Teorema di Bab 7 untuk menunjukkan bahwa n∦ℓn\nparallel \ell, sehingga nn dan ℓ\ell berpotongan di satu titik, sebutlah PP. Gambarlah garis ℓ′⟂n\ell'\perp n yang melalui PP. Berdasarkan Proposisi di Bab 7, ℓ′∥m\ell'\parallel m. Terapkan kembali Teorema di Bab 7 untuk menunjukkan bahwa ℓ=ℓ′\ell= \ell'.

(Latihan ke-3 di Bab 7). Dengan menerapkan (Latihan ke-2 di Bab 7), kita memperoleh k⟂mk\perp m. Tinggal menerapkan Proposisi di Bab 7.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.005

Pertama, gunakan kembali argumen dalam Latihan ke-6 di Bab 5. Selanjutnya, tunjukkan bahwa komposisi dua transformasi isometrik tak langsung merupakan transformasi isometrik langsung, dan gunakan fakta bahwa pencerminan terhadap suatu garis bersifat tak langsung (lihat Akibat di Bab 5).

Petunjuk garis PQ sejajar AC

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.007

Karena ℓ∥(AC)\ell\parallel (AC), garis tersebut tidak dapat memotong [AC][AC]. Berdasarkan teorema Pasch (Teorema Pasch di Bab 3), ℓ\ell harus memotong sisi lain dari △ABC\triangle ABC. Dengan demikian, ℓ\ell memotong [BC][BC]; lambangkan titik potongnya dengan QQ.

Gunakan sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7) untuk menunjukkan bahwa ∡BAC=∡BPQ\measuredangle BAC= \measuredangle BPQ. Argumen yang sama menunjukkan bahwa ∡ACB=∡PQB\measuredangle ACB\z= \measuredangle PQB; tinggal menerapkan kriteria kesebangunan AA.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.008

Andaikan kita perlu membagi ruas [AB][AB] menjadi tiga bagian sama panjang. Konstruksikan garis ℓ≠(AB)\ell\ne (AB) yang memuat empat titik A,C1,C2,C3A,C_1,C_2, C_3 sedemikian sehingga C1C_1 dan C2C_2 membagi [AC3][AC_3] menjadi tiga bagian sama panjang. Gambarlah garis (BC3)(BC_3) dan garis-garis sejajar yang masing-masing melalui C1C_1 dan C2C_2. Titik-titik potong kedua garis ini dengan (AB)(AB) membagi ruas [AB][AB] menjadi tiga bagian sama panjang.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.009

Jika △ABC\triangle ABC degenerat, salah satu ukuran sudutnya adalah π\pi, sedangkan dua lainnya adalah 00. Dengan demikian, pernyataan terbukti.

Andaikan △ABC\triangle ABC tak degenerat. Tetapkan α=∡CAB\alpha\z=\measuredangle CAB, β=∡ABC\beta=\measuredangle ABC, dan γ=∡BCA\gamma=\measuredangle BCA.

Berdasarkan Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3, kita dapat menganggap bahwa 0<α,β,γ<π0<\alpha,\beta,\gamma<\pi. Dengan demikian,

0<α+β+γ<3⋅π.0<\alpha+\beta+\gamma<3\cdot\pi. \label{eq:|3|<3pi}

Berdasarkan Teorema di Bab 7,

α+β+γ≡π.\alpha+\beta+\gamma\equiv\pi.\label{eq:|3|==pi}

Dari Persamaan di Bab 7 dan Persamaan di Bab 7, pernyataan tersebut langsung diperoleh.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.013

Misalkan MM menyatakan pusat simetri ▫ABCD\square ABCD; titik ini ada berdasarkan Lema di Bab 7. Misalkan P′P' merupakan hasil pencerminan PP terhadap MM. Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa a=(AP′)a=(AP'), b=(BP′)b=(BP'), c=(CP′)c=(CP'), dan d=(DP′)d=(DP').

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.014

Karena △ABC\triangle ABC sama kaki, ∡CAB=∡BCA\measuredangle CAB\z=\measuredangle BCA.

Berdasarkan SSS, △ABC≅△CDA\triangle ABC\cong \triangle CDA. Dengan demikian, ±∡DCA=∡BCA=∡CAB\pm\measuredangle DCA= \measuredangle BCA=\measuredangle CAB.

Karena D≠BD\ne B, tanda dalam rumus terakhir harus “−-”. Gunakan sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7) untuk menunjukkan bahwa (AB)∥(CD)(AB)\parallel (CD). Ulangi argumen tersebut untuk menunjukkan bahwa (AD)∥(BC)(AD)\z\parallel(BC).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.015

Berdasarkan Lema di Bab 7 dan SSS, AC=BDAC=BD jika dan hanya jika ∡ABC=±∡BCD\measuredangle ABC=\pm \measuredangle BCD. Berdasarkan sifat transversal (Sifat transversal di Bab 7), ∡ABC+∡BCD≡π\measuredangle ABC+\measuredangle BCD\equiv \pi.

Dengan demikian, AC=BDAC=BD jika dan hanya jika ∡ABC=∡BCD=±π2\measuredangle ABC =\measuredangle BCD =\pm\tfrac\pi2.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.016

Ambil suatu jajar genjang ABCDABCD. Berdasarkan Lema di Bab 7, diagonal-diagonal [AC][AC] dan [BD][BD] memiliki titik tengah yang sama; nyatakan titik itu dengan MM.

Gunakan SSS dan Lema di Bab 7 untuk menunjukkan bahwa AB=AD⇔△AMB≅△AMD⇔∡AMB=±π2AB=AD\ \iff\ \triangle AMB \cong \triangle AMD\ \z\iff\ \measuredangle AMB = \pm\tfrac\pi2.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.019

Tetapkan A=(0,0)A=(0,0), B=(c,0)B=(c,0), dan C=(x,y)C=(x,y). Jelas bahwa AB=cAB=c, AC2=x2+y2AC^2=x^2+y^2 dan BC2=(c−x)2+y2BC^2\z=(c-x)^2+y^2.

Tinggal menunjukkan bahwa terdapat pasangan bilangan real (x,y)(x,y) yang memenuhi sistem persamaan berikut:

{b2=x2+y2a2=(c−x)2+y2\left\{ \begin{aligned} b^2&=x^2+y^2 \\ a^2&=(c-x)^2+y^2 \end{aligned} \right.
jika 0<a≤b≤c≤a+b0<a\le b\le c\le a+b.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.020 dan o004.petrunin.ex.ch07.021

Perhatikan bahwa MA=MBMA=MB jika dan hanya jika

(x−xA)2+(y−yA)2=(x−xB)2+(y−yB)2,(x-x_A)^2+(y-y_A)^2=(x-x_B)^2+(y-y_B)^2,
dengan M=(x,y)M=(x,y). Untuk membuktikan bagian pertama, sederhanakan persamaan ini. Untuk bagian-bagian lainnya, gunakan fakta bahwa sebarang garis merupakan garis sumbu suatu ruas garis.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.022

Tulislah ulang persamaan itu dalam bentuk berikut, lalu pikirkan maknanya:

(x+a2)2+(y+b2)2=(a2)2+(b2)2−c.(x+\tfrac a2)^2+(y+\tfrac b2)^2=(\tfrac a2)^2+(\tfrac b2)^2-c.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.023

Kita dapat memilih koordinat sedemikian sehingga B=(0,0)B=(0,0) dan A=(a,0)A=(a,0) untuk suatu a>0a>0. Jika M=(x,y)M=(x,y), persamaan AM=k⋅BMAM=k\cdot BM dapat ditulis dalam koordinat sebagai

k2⋅(x2+y2)=(x−a)2+y2.k^2\cdot(x^2+y^2)=(x-a)^2+y^2.
Tinggal menulis ulang persamaan ini seperti dalam Latihan ke-22 di Bab 7.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch07.024

Andaikan M∉(AB)M\notin(AB). Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa titik-titik PP dan QQ yang dikonstruksi pada gambar berikut terletak pada lingkaran Apollonius.

Petunjuk konstruksi lingkaran Apollonius

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.002

Perhatikan bahwa (AC)⟂(BH)(AC)\perp (BH) dan (BC)⟂(AH)(BC)\z\perp (AH), lalu terapkan Teorema di Bab 8.

(Perhatikan bahwa masing-masing titik A,B,C,HA,B,C,H merupakan ortosenter dari segitiga yang dibentuk oleh tiga titik lainnya; susunan empat titik A,B,C,HA,B,C,H semacam itu disebut sistem ortosentrik.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.003

Tunjukkan bahwa △AA′C∼△BB′C\triangle AA'C \sim \triangle BB'C. Gunakan hasil ini untuk menunjukkan bahwa △ABC∼△A′B′C\triangle ABC \sim \triangle A'B'C. Ulangi argumen tersebut untuk △AB′C′\triangle AB'C' dan △A′BC′\triangle A'BC'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.004

Gunakan gagasan dari bukti Teorema di Bab 8 untuk menunjukkan bahwa (XY)∥(AC)∥(VW)(XY)\z\parallel (AC)\z\parallel (VW) dan (XW)∥(BD)∥(YV)(XW)\z\parallel (BD)\z\parallel (YV).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.005

Pelajari homoteti.

Dengan menerapkan Teorema di Bab 8, tunjukkan bahwa homoteti yang berpusat di MM dengan faktor −12-\tfrac{1}{2} memetakan △ABC\triangle ABC ke segitiga medialnya △A′B′C′\triangle A'B'C'. Tunjukkan bahwa homoteti tersebut juga memetakan ortosenter △ABC\triangle ABC ke ortosenter △A′B′C′\triangle A'B'C'.

Dengan argumen seperti dalam Teorema di Bab 8, tunjukkan bahwa ortosenter △A′B′C′\triangle A'B'C' berimpit dengan pusat lingkaran luar △ABC\triangle ABC. Tarik kesimpulan.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.006

Misalkan (BX)(BX) dan (BY)(BY) masing-masing merupakan garis bagi dalam dan garis bagi luar ∠ABC\angle ABC. Maka

2⋅∡XBY≡2⋅∡XBA+2⋅∡ABY≡≡∡CBA+π+∡ABC≡≡π+∡CBC=π\begin{align*} 2\cdot \measuredangle XBY&\equiv2\cdot \measuredangle XBA+2\cdot \measuredangle ABY\equiv \\ &\equiv \measuredangle CBA+\pi+ \measuredangle ABC\equiv \\ &\equiv\pi+\measuredangle CBC=\pi \end{align*}
sehingga diperoleh hasil yang diminta.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.007

Terapkan kriteria ASA pada kedua segitiga hasil pembagian segitiga semula oleh garis bagi tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.008

Jika EE adalah titik potong (BC)(BC) dengan garis bagi luar ∠BAC\angle BAC, maka ABAC=EBEC\frac{AB}{AC}\z=\frac{EB}{EC}. Hal ini dapat dibuktikan dengan cara yang sama seperti Lema di Bab 8.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.011

Misalkan II adalah pusat lingkaran dalam. Dengan kriteria SAS, diperoleh △AIZ≅△AIY\triangle AIZ\z\cong\triangle AIY. Oleh karena itu, AY=AZAY=AZ. Dengan cara yang sama, diperoleh BX=BZBX=BZ dan CX=CYCX=CY. Dengan demikian, hasil yang diminta terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch08.012

Gunakan argumen seperti dalam Latihan ke-3 di Bab 8 untuk menunjukkan bahwa △A′B′C∼△ABC∼△AB′C′\triangle A'B'C\z\sim \triangle ABC\z\sim\triangle AB'C'. Simpulkan bahwa (BB′)(BB') membagi dua ∠A′B′C′\angle A'B'C'.

Jika △ABC\triangle ABC tumpul, maka ortosenternya berimpit dengan salah satu eksenter dari △A′B′C′\triangle A'B'C'; yaitu, titik potong dua garis bagi luar dan satu garis bagi dalam dari △A′B′C′\triangle A'B'C'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.001 dan o004.petrunin.ex.ch09.002 dan o004.petrunin.ex.ch09.003 dan o004.petrunin.ex.ch09.004

(a). Terapkan Teorema di Bab 9 pada ∠XX′Y\angle XX'Y dan ∠X′YY′\angle X'YY' serta Teorema di Bab 7 pada △PYX′\triangle PYX'.

(b) Jika PP terletak di dalam Γ\Gamma, maka PP terletak di antara XX dan X′X', serta di antara YY dan Y′Y'. Dalam kasus ini, ∠XPY\angle XPY bertolak belakang dengan ∠X′PY′\angle X'PY'.

Jika PP terletak di luar Γ\Gamma, maka [PX)=[PX′)[PX)\z=[PX') dan [PY)=[PY′)[PY)=[PY'). Dalam kedua kasus tersebut, berlaku ∡XPY=∡X′PY′\measuredangle XPY=\measuredangle X'PY'.

Dengan menerapkan Teorema di Bab 9 dan Latihan ke-5 di Bab 2, kita memperoleh

2⋅∡Y′X′P≡2⋅∡Y′X′X≡≡2⋅∡Y′YX≡2⋅∡PYX.\begin{align*} 2\cdot \measuredangle Y'X'P &\equiv 2\cdot \measuredangle Y'X'X\equiv \\ \equiv 2\cdot\measuredangle Y'YX &\equiv 2\cdot\measuredangle PYX. \end{align*}
Menurut Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3, ∠Y′X′P\angle Y'X'P dan ∠PYX\angle PYX memiliki tanda yang sama; oleh karena itu, ∡Y′X′P=∡PYX\measuredangle Y'X'P\z= \measuredangle PYX. Selanjutnya, terapkan kriteria kesebangunan AA.

(c) Terapkan (b) dengan mengandaikan bahwa [YY′][YY'] merupakan diameter Γ\Gamma.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.006

Misalkan XX dan YY merupakan titik kaki garis tinggi dari AA dan BB. Misalkan OO menyatakan pusat lingkaran luar.

Berdasarkan kriteria AA, △AXC∼△BYC\triangle A X C\sim \triangle B Y C. Dengan demikian,

∡A′OC≡2⋅∡A′AC≡≡−2⋅∡B′BC≡≡−∡B′OC.\begin{align*} \measuredangle A'OC &\equiv 2\cdot \measuredangle A' A C \equiv \\ &\equiv-2\cdot\measuredangle B' B C \equiv \\ &\equiv-\measuredangle B'OC. \end{align*}

Berdasarkan kriteria SAS, △A′OC≅△B′OC\triangle A'OC\cong\triangle B'OC. Oleh karena itu, A′C=B′CA'C=B'C.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.011

Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa ∠ABX\angle ABX dan ∠ABY\angle ABY siku-siku. (Kita dapat mengandaikan bahwa titik-titik AA, BB, XX, dan YY berbeda; jika tidak, tidak ada yang perlu dibuktikan.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.012

Petunjuk konstruksi tegak lurus dengan penggaris

Tebak konstruksinya dari gambar. Untuk membuktikan konstruksi tersebut, terapkan Teorema di Bab 8 dan Akibat di Bab 9.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.014

Perhatikan bahwa ∡AA′B=±π2\measuredangle AA'B\z=\pm\tfrac\pi2 dan ∡AB′B=±π2\measuredangle AB'B\z=\pm\tfrac\pi2. Kemudian terapkan Akibat di Bab 9 pada ▫AA′BB′\square AA'BB'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.016

Konstruksikan △AXC\triangle AXC sedemikian sehingga AC=bAC=b, AX=p−bAX=p-b, dan ∡AXC=12⋅β\measuredangle AXC=\tfrac12\cdot \beta. Perhatikan bahwa titik BB pada perpotongan AXAX dengan garis sumbu [CX][CX] menyelesaikan masalah tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.017

Perlu ditunjukkan bahwa (A′B′)∦(XP)(A'B') \nparallel (XP); jika tidak, baris pertama dalam penyelesaian tersebut tidak bermakna. Berdasarkan sifat transversal, hal ini berarti bahwa

2⋅∡XPA′+2⋅∡PA′B′≢0.2 \cdot \measuredangle XPA' + 2 \cdot \measuredangle PA'B' \not\equiv 0. \label{eq:2<B'A'P+2<A'PX}
Hal ini seharusnya dilakukan kemudian dalam penyelesaian, tepat sebelum titik YY digunakan.

Alih-alih 2⋅∡AXY≡2⋅∡AA′Y2 \cdot \measuredangle AXY \equiv 2 \cdot \measuredangle AA'Y, seharusnya ditulis

2⋅∡AXP≡2⋅∡PA′B′.2 \cdot \measuredangle AXP \equiv 2 \cdot \measuredangle PA'B'. \label{eq:2<AXP=2<AA'B'}
Karena △XAP\triangle XAP memiliki sudut siku-siku di AA, berlaku
∡AXP+∡XPA≡±π2.\measuredangle AXP + \measuredangle XPA \equiv \pm \tfrac{\pi}{2}.
Karena 2⋅∡XPA′≡2⋅∡XPA2 \cdot \measuredangle XPA' \equiv 2 \cdot \measuredangle XPA, Persamaan di Bab 9 menyiratkan bahwa
2⋅∡XPA′+2⋅∡PA′B′≡π,2 \cdot \measuredangle XPA' + 2 \cdot \measuredangle PA'B' \equiv \pi,
sehingga diperoleh Persamaan di Bab 9.

Selain itu, secara implisit kita menggunakan identitas-identitas berikut:

2⋅∡AXP≡2⋅∡AXY,2⋅∡ABP≡2⋅∡ABB′,2⋅∡AA′B′≡2⋅∡AA′Y.\begin{align*} 2 \cdot \measuredangle AXP &\equiv 2 \cdot \measuredangle AXY, \\ 2 \cdot \measuredangle ABP &\equiv 2 \cdot \measuredangle ABB', \\ 2 \cdot \measuredangle AA'B' &\equiv 2 \cdot \measuredangle AA'Y. \end{align*}

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.018

Berdasarkan Akibat di Bab 9, titik-titik LL, MM, dan NN terletak pada lingkaran Γ\Gamma yang berdiameter [OX][OX]. Selanjutnya, terapkan Teorema di Bab 9 pada lingkaran Γ\Gamma dan dua sudut keliling yang memiliki titik sudut bersama di OO.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.019

Perhatikan bahwa titik-titik AA, A′A', BB, dan B′B' terletak pada satu lingkaran. Tunjukkan bahwa (AB)∥(B′A′)(AB)\parallel (B'A'). Dengan menerapkan Latihan ke-7 di Bab 9, tunjukkan bahwa AB′=BA′AB'=BA' dan oleh karena itu AC=BCAC=BC.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.020

Misalkan XX, YY, dan ZZ berturut-turut menyatakan titik kaki tegak lurus dari PP pada (BC)(BC), (CA)(CA), dan (AB)(AB).

Tunjukkan bahwa ▫AZPY\square AZPY, ▫BXPZ\square BXPZ, ▫CYPX\square CYPX, dan ▫ABCP\square ABCP merupakan segiempat terinskripsi. Gunakan hasil ini untuk menunjukkan bahwa

2⋅∡CXY≡2⋅∡CPY,2⋅∡BXZ≡2⋅∡BPZ,2⋅∡YAZ≡2⋅∡YPZ,2⋅∡CAB≡2⋅∡CPB.\begin{align*} 2\cdot \measuredangle CXY&\equiv 2\cdot \measuredangle CPY, & 2\cdot \measuredangle BXZ&\equiv 2\cdot \measuredangle BPZ, \\ 2\cdot \measuredangle YAZ&\equiv 2\cdot \measuredangle YPZ, & 2\cdot \measuredangle CAB&\equiv 2\cdot \measuredangle CPB. \end{align*}

Petunjuk garis Simson

Simpulkan bahwa 2⋅∡CXY≡2⋅∡BXZ2\cdot \measuredangle CXY\equiv 2\cdot \measuredangle BXZ sehingga XX, YY, dan ZZ terletak pada satu garis.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.021

Petunjuk konstruksi tiga sudut 120 derajat

Tebak konstruksinya dari gambar. Untuk menunjukkan bahwa konstruksi tersebut menghasilkan titik yang diminta, terapkan Teorema di Bab 9.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.022

Tunjukkan bahwa PP terletak pada busur yang berhadapan dengan ACBACB; simpulkan bahwa ∡APC=∡CPB=±π3\measuredangle APC\z=\measuredangle CPB\z=\pm\tfrac\pi3.

Pilih titik A′∈[PC]A'\z\in [PC] sedemikian sehingga PA′=PAPA'\z=PA. Perhatikan bahwa △APA′\triangle APA' sama sisi. Buktikan dan gunakan fakta bahwa △AA′C≅△APB\triangle AA'C\z\cong \triangle APB.

Petunjuk identitas PA tambah PB sama dengan PC

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch09.023

Jika C∈(AX)C\in (AX), maka busur tersebut merupakan ruas garis [AC][AC] atau gabungan dua sinar pada (AX)(AX) yang bertitik pangkal masing-masing di AA dan CC.

Andaikan C∉(AX)C\notin (AX). Misalkan ℓ\ell merupakan garis yang melalui AA dan tegak lurus terhadap (AX)(AX), sedangkan mm merupakan garis sumbu [AC][AC].

Perhatikan bahwa ℓ∦m\ell\nparallel m; misalkan keduanya berpotongan di OO. Perhatikan bahwa lingkaran berpusat di OO yang melalui AA juga melalui CC dan bersinggungan dengan (AX)(AX).

Perhatikan bahwa salah satu dari kedua busur yang bertitik ujung AA dan CC bersinggungan dengan [AX)[AX).

Ketunggalannya mengikuti dari Proposisi di Bab 9.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.001

Menurut Lema di Bab 5, ∠OTP′\angle OTP' adalah sudut siku-siku. Oleh karena itu, △OPT∼△OTP′\triangle OPT\z\sim \triangle OTP' dan, khususnya, OP⋅OP′=OT2OP\cdot OP'\z=OT^2, sehingga diperoleh hasil yang diminta.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.002

Misalkan OO menyatakan pusat Γ\Gamma. Anggap bahwa X,Y∈ΓX,Y\z\in \Gamma; khususnya, OX=OYOX\z=OY.

Perhatikan bahwa inversi memetakan XX dan YY ke dirinya masing-masing. Menurut Lema di Bab 10,

△OPX∼△OXP′dan△OPY∼△OYP′.\triangle OPX\z\sim \triangle OXP' \quad \text{dan} \quad \triangle OPY\sim \triangle OYP'.
Oleh karena itu, PXP′X=OPOX=OPOY=PYP′Y\frac{PX}{P'X}=\frac{OP}{OX}=\frac{OP}{OY}=\frac{PY}{P'Y} sehingga diperoleh hasil yang diminta.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.003

Menurut Lema di Bab 10,

∡IA′B′≡−∡IBA,∡IB′A′≡−∡IAB,∡IB′C′≡−∡ICB,∡IC′B′≡−∡IBC,∡IC′A′≡−∡IAC,∡IA′C′≡−∡ICA.\begin{align*} \measuredangle IA'B'&\equiv -\measuredangle IBA, & \measuredangle IB'A'&\equiv -\measuredangle IAB, \\ \measuredangle IB'C'&\equiv -\measuredangle ICB, & \measuredangle IC'B'&\equiv -\measuredangle IBC, \\ \measuredangle IC'A'&\equiv -\measuredangle IAC, & \measuredangle IA'C'&\equiv -\measuredangle ICA. \end{align*}

Tinggal menerapkan teorema tentang jumlah sudut segitiga (Teorema di Bab 7) untuk menunjukkan bahwa (A′I)⟂(B′C′)(A'I)\z\perp (B'C'), (B′I)⟂(C′A′)(B'I)\z\perp (C'A') dan (C′I)⟂(B′A′)(C'I)\z\perp (B'A').

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.004

Tebaklah konstruksinya dari gambar.

Petunjuk bergambar untuk konstruksi titik invers

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.005

Anggap r>0r\z>0, x≠0x\ne 0, dan y≠0y\ne 0. Tunjukkan bahwa

r2(x+y)/2=(r2x+r2y)/2⇔x=y.\frac{r^2}{(x+y)/2} = \left(\frac {r^2}x+\frac {r^2}y\right)/2\ \iff\ x=y.

Misalkan ℓ\ell menyatakan garis yang melalui QQ, Q′Q', dan pusat inversi OO. Pilih suatu isometri ℓ→ℝ\ell\to\mathbb{R} yang memetakan OO ke 00; misalkan x,y∈ℝx,y\in \mathbb{R} merupakan bayangan (koordinat) kedua titik pada ℓ∩Γ\ell\cap\Gamma; perhatikan bahwa x≠yx\ne y. Anggap rr adalah jari-jari lingkaran inversi. Maka ruas kiri di atas adalah koordinat Q′Q' dan ruas kanannya adalah koordinat pusat Γ′\Gamma'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.008

Berilah label pada titik-titik persinggungan seperti pada gambar. Terapkan inversi yang berpusat di PP. Perhatikan bahwa dua lingkaran yang bersinggungan di PP menjadi garis-garis sejajar dan dua lingkaran lainnya saling bersinggungan serta bersinggungan dengan kedua garis sejajar tersebut.

Perhatikan bahwa titik-titik persinggungan A′A', B′B', X′X', dan Y′Y' dengan garis-garis sejajar merupakan titik-titik sudut sebuah persegi; khususnya, titik-titik itu terletak pada satu lingkaran. Titik-titik ini merupakan bayangan dari AA, BB, XX, dan YY oleh inversi tersebut. Menurut Teorema di Bab 10, titik-titik AA, BB, XX, dan YY juga terletak pada satu lingkaran umum (circline).

Petunjuk inversi empat lingkaran singgung

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.009

Terapkan inversi terhadap sebuah lingkaran berpusat di AA. Titik AA akan dipetakan ke titik di tak hingga; dua lingkaran yang bersinggungan di AA akan menjadi garis-garis sejajar sedangkan dua garis yang semula sejajar akan menjadi lingkaran-lingkaran yang bersinggungan di AA.

Petunjuk inversi konfigurasi tiga lingkaran

Tinggal menunjukkan bahwa garis putus-putus (AB′)(AB') pada gambar sejajar dengan kedua garis lainnya.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.011

Misalkan T∈Ω1∩Ω2T\in \Omega_1\cap\Omega_2. Misalkan PP adalah kaki garis tegak lurus dari TT pada (O1O2)(O_1O_2). Tunjukkan bahwa △O1PT∼△O1TO2∼△TPO2\triangle O_1PT \z\sim \triangle O_1TO_2 \z\sim \triangle TPO_2. Simpulkan bahwa PP berimpit dengan bayangan inversi O1O_1 terhadap Ω2\Omega_2 dan bayangan inversi O2O_2 terhadap Ω1\Omega_1.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.012

Karena Γ⟂Ω1\Gamma\perp\Omega_1 dan Γ⟂Ω2\Gamma\perp\Omega_2, Akibat di Bab 10 menyiratkan bahwa lingkaran Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2 dipetakan oleh inversi terhadap Γ\Gamma ke dirinya masing-masing. Simpulkan bahwa AA dan BB saling merupakan bayangan inversi.

Karena Ω3∋A,B\Omega_3\ni A,B, Akibat di Bab 10 menyiratkan bahwa Ω3⟂Γ\Omega_3\perp \Gamma.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.013

Misalkan P1P_1 dan P2P_2 adalah bayangan inversi PP terhadap Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2. Terapkan Akibat di Bab 10 dan Teorema di Bab 10 untuk menunjukkan bahwa lingkaran umum Γ\Gamma yang melalui PP, P1P_1, dan P2P_2 merupakan suatu penyelesaian.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch10.014

Semua lingkaran yang tegak lurus terhadap Ω1\Omega_1 dan Ω2\Omega_2 melalui suatu titik tetap PP. Cobalah mengonstruksi PP.

Jika dua dari lingkaran tersebut berpotongan, cobalah menerapkan Akibat di Bab 10.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.002

Misalkan DD merupakan titik tengah [BC][BC]. Andaikan (AD)(AD) merupakan garis bagi sudut di AA.

Misalkan A′∈[AD)A'\in [AD) merupakan hasil pencerminan AA terhadap DD. Perhatikan bahwa △CAD≅△BA′D\triangle CAD\z\cong\triangle BA'D. Khususnya, ∡BAA′=∡AA′B\measuredangle BAA'=\measuredangle AA'B. Terapkan Teorema di Bab 4 pada △ABA′\triangle ABA'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.003

Pernyataan tersebut jelas jika AA, BB, CC, dan DD terletak pada satu garis.

Dalam kasus lainnya, misalkan OO menyatakan pusat lingkaran luar. Terapkan Teorema di Bab 4 pada △AOB\triangle AOB, △BOC\triangle BOC, △COD\triangle COD, dan △DOA\triangle DOA.

(Pada bidang Euklides, pernyataan tersebut mengikuti dari Akibat di Bab 9 dan Latihan ke-12 di Bab 7, tetapi pernyataan-pernyataan itu tidak dapat digunakan pada bidang netral.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.004

Dengan argumen kontradiksi, andaikan 2⋅(∡ABC+∡BCD)≡02\cdot(\measuredangle ABC+\measuredangle BCD)\equiv0, tetapi (AB)∦(CD)(AB)\z\nparallel(CD). Misalkan Z∈(AB)∩(CD)Z\in (AB)\cap(CD).

Perhatikan bahwa 2⋅∡ABC≡2⋅∡ZBC,2\cdot \measuredangle ABC\equiv 2\cdot \measuredangle ZBC, dan 2⋅∡BCD≡2⋅∡BCZ2\cdot \measuredangle BCD\equiv 2\cdot \measuredangle BCZ.

Terapkan Proposisi di Bab 11 pada △ZBC\triangle ZBC dan cobalah memperoleh kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.005

Pilih C″∈[B′C′)C''\in [B'C') sedemikian sehingga B′C″=BCB'C''\z=BC.

Gunakan SAS untuk menunjukkan bahwa △ABC≅△A′B′C″\triangle ABC\cong \triangle A'B'C''. Simpulkan bahwa ∡B′C′A′=∡B′C″A′\measuredangle B'C'A'\z= \measuredangle B'C''A'.

Petunjuk kekongruenan SAA

Karena itu, cukup ditunjukkan bahwa C″=C′C''\z=C'. Jika C′≠C″C'\z\ne C'', terapkan Proposisi di Bab 11 pada △A′C′C″\triangle A'C'C'' dan cobalah memperoleh kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.007

Tetapkan a=ABa=AB, b=BCb=BC, c=CDc=CD, dan d=DAd=DA; kita perlu menunjukkan bahwa c≥ac\ge a.

Tirulah bukti Teorema di Bab 11 untuk pagar yang ditunjukkan, yang tersusun dari salinan-salinan segiempat ABCDABCD. Anda akan memperoleh a≤c+dna\le c+\tfrac dn untuk setiap bilangan bulat n≥1n\ge 1, dan hal ini menyiratkan ketaksamaan yang diperlukan.

Pagar salinan segiempat netral

Cara alternatif. Menurut Lema di Bab 5, kita dapat mengandaikan bahwa ∠BCD\angle BCD siku-siku. Gunakan Teorema di Bab 11 untuk menunjukkan bahwa |∡CBD|≥|∡ADB||\measuredangle CBD|\ge|\measuredangle ADB|. Gunakan Proposisi di Bab 11 dan konstruksi dalam bukti netral Syarat kekongruenan hipotenusa-kaki di Bab 11 untuk menunjukkan bahwa 2⋅c≥2⋅a2\cdot c\ge 2\cdot a.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.008

Perhatikan bahwa |∡ADC|+|∡CDB|=π|\measuredangle ADC|+|\measuredangle CDB|=\pi. Kemudian terapkan definisi defek.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.010

Amati bahwa jumlah total nilai mutlak ukuran sudut dalam △ABC\triangle ABC dan △CDA\triangle CDA sekurang-kurangnya 2⋅π2\cdot\pi. Terapkan Teorema di Bab 11 untuk menunjukkan bahwa

defek⁡(△ABC)=defek⁡(△CDA)=0.\defect(\triangle ABC)=\defect(\triangle CDA)=0.
Gunakan hasil ini untuk menunjukkan bahwa ∡CAB=∡ACD\measuredangle CAB=\measuredangle ACD dan ∡ACB=∡CAD\measuredangle ACB=\measuredangle CAD. Menurut ASA, △ABC≅△CDA\triangle ABC\cong\triangle CDA, dan khususnya AB=CDAB=CD.

(Perhatikan bahwa hasil ini juga mengikuti dari Latihan ke-7 di Bab 11.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch11.011

Pilih suatu segitiga △0\triangle_0. Tunjukkan bahwa △0\triangle_0 dapat ditutupi oleh suatu persegi panjang besar ▫\square yang merupakan gabungan beberapa salinan persegi panjang yang diberikan. Selanjutnya, bagi ▫\square menjadi segitiga-segitiga △0,…,△n\triangle_0,\dots, \triangle_n. Tunjukkan bahwa jumlah defek △i\triangle_i adalah nol dan gunakan fakta bahwa defek bersifat tak negatif.

Menutupi segitiga dengan persegi panjang

Catatan. Ini merupakan langkah kunci dalam bukti bagian (Hasil di Bab 11) dan (Hasil di Bab 11) pada Teorema di Bab 11.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.001

Misalkan AA dan BB merupakan titik-titik ideal garis-h ℓ\ell. Perhatikan bahwa pusat lingkaran Euklides yang memuat ℓ\ell terletak pada perpotongan garis-garis yang menyinggung lingkaran absolut di titik-titik ideal ℓ\ell.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.002

Andaikan AA merupakan titik ideal garis-h ℓ\ell dan P∈ℓP\in \ell. Misalkan P′P' merupakan bayangan inversi PP terhadap lingkaran absolut. Menurut Akibat di Bab 10, ℓ\ell terletak pada perpotongan bidang-h dan lingkaran umum (yang niscaya tunggal) yang melalui PP, AA, dan P′P'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.003

Misalkan Ω\Omega dan OO masing-masing menyatakan lingkaran absolut dan pusatnya.

Misalkan Γ\Gamma merupakan lingkaran umum yang memuat [PQ]h[PQ]_h. Perhatikan bahwa [PQ]h=[PQ][PQ]_h=[PQ] jika dan hanya jika Γ\Gamma merupakan garis.

Misalkan P′P' merupakan bayangan inversi PP terhadap Ω\Omega. Perhatikan bahwa OO, PP, dan P′P' terletak pada satu garis.

Menurut definisi garis-h, Ω⟂Γ\Omega\perp \Gamma. Menurut Akibat di Bab 10, Γ\Gamma melalui PP dan P′P'. Oleh karena itu, Γ\Gamma merupakan garis jika dan hanya jika melalui OO.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.004

Andaikan lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan.

Tetapkan a=OX=XYa\z=OX\z=XY. Perhatikan bahwa 0<a<120<a<\tfrac12, OXh=ln⁡1+a1−aOX_h=\ln \tfrac{1+a}{1-a}, dan XYh=ln⁡(1+2⋅a)⋅(1−a)(1−2⋅a)⋅(1+a)XY_h=\ln \tfrac{(1+2\cdot a)\cdot(1-a)}{(1-2\cdot a)\cdot(1+a)}. Periksa bahwa ketaksamaan-ketaksamaan

1<1+a1−a<(1+2⋅a)⋅(1−a)(1−2⋅a)⋅(1+a)1 < \tfrac{1+a}{1-a} < \tfrac{(1+2\cdot a)\cdot(1-a)}{(1-2\cdot a)\cdot(1+a)}
berlaku ketika 0<a<120<a<\tfrac12.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.006

Pilih titik-titik sudut PP, QQ, dan RR pada suatu lingkaran Euklides yang memotong lingkaran absolut dan tidak tegak lurus terhadapnya. Terapkan Lema di Bab 12.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.007 dan o004.petrunin.ex.ch12.008 dan o004.petrunin.ex.ch12.009 dan o004.petrunin.ex.ch12.010

Kumpulan garis-h untuk tiga konstruksi kesejajaran

Pilih garis-garis-h yang diminta dari gambar.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch12.013 dan o004.petrunin.ex.ch12.014 dan o004.petrunin.ex.ch12.015 dan o004.petrunin.ex.ch12.016 dan o004.petrunin.ex.ch12.017

Menurut Akibat di Bab 10 dan Teorema di Bab 10, ruas kanan identitas-identitas tersebut tidak berubah oleh inversi terhadap suatu lingkaran yang tegak lurus terhadap lingkaran absolut.

Seperti biasa, kita andaikan bahwa lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan. Misalkan OO merupakan titik tengah-h dari [PQ]h[PQ]_h. Menurut pengamatan utama (Pengamatan utama di Bab 12), kita dapat mengandaikan bahwa OO merupakan pusat lingkaran absolut. Dalam hal ini, OO juga merupakan titik tengah Euklides dari [PQ][PQ].

Tetapkan a=OP=OQa=OP=OQ; dalam hal ini, kita mempunyai

PQ=2⋅a,PP′=QQ′=1a−a,P′Q′=2⋅1a,PQ′=QP′=1a+a.\begin{align*} PQ&=2\cdot a, & PP'=QQ'&=\tfrac1a-a, \\ P'Q'&=2\cdot \tfrac1a, & PQ'=QP'&=\tfrac1a+a. \end{align*}
dan
PQh=ln⁡(1+a)2(1−a)2=2⋅ln⁡1+a1−a.PQ_h=\ln \tfrac{(1+a)^2}{(1-a)^2}=2\cdot \ln \tfrac{1+a}{1-a}.
Oleh karena itu,
cosh⁡[12⋅PQh]=12⋅(1+a1−a+1−a1+a)==1+a21−a2;\begin{align*} \cosh[\tfrac12\cdot PQ_h] &=\tfrac12\cdot(\tfrac{1+a}{1-a}+\tfrac{1-a}{1+a})= \\ &=\tfrac{1+a^2}{1-a^2}; \end{align*}
PQ′⋅P′QPP′⋅QQ′=1a+a1a−a==1+a21−a2.\begin{align*} \sqrt{\frac{PQ'\cdot P'Q}{PP'\cdot QQ'}} &=\frac{\frac1a+a}{\frac1a-a}= \\ &=\tfrac{1+a^2}{1-a^2}. \end{align*}
Jadi, bagian (Latihan ke-14 di Bab 12) terbukti. Dengan cara serupa,
sinh⁡[12⋅PQh]=12⋅(1+a1−a−1−a1+a)==2⋅a1−a2;PQ⋅P′Q′PP′⋅QQ′=21a−a==2⋅a1−a2.\begin{align*} \sinh[\tfrac12\cdot PQ_h] &=\tfrac12\cdot\left(\tfrac{1+a}{1-a}-\tfrac{1-a}{1+a}\right)= \\ &=\tfrac{2\cdot a}{1-a^2}; \\ \sqrt{\frac{PQ\cdot P'Q'}{PP'\cdot QQ'}} &=\frac{2}{\frac1a-a}= \\ &=\tfrac{2\cdot a}{1-a^2}. \end{align*}
Jadi, bagian (Latihan ke-15 di Bab 12) terbukti.

Bagian (Latihan ke-16 di Bab 12) dan (Latihan ke-17 di Bab 12) diperoleh dari (Latihan ke-14 di Bab 12), (Latihan ke-15 di Bab 12), definisi tangen hiperbolik, dan identitas argumen ganda untuk kosinus hiperbolik; lihat Identitas argumen ganda di Bab 12.

(Kita juga dapat memindahkan QQ ke pusat lingkaran absolut. Dalam hal ini, perhitungannya lebih sederhana. Namun, karena Q′Q=Q′P=Q′P′=∞Q'Q=Q'P=Q'P'=\infty, setiap kali kita harus memberikan alasan bahwa ∞∞=1\tfrac\infty\infty=1.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.002

bagian “hanya jika”. Andaikan ℓ\ell dan mm ultraparalel; yakni, keduanya tidak berpotongan dan memiliki titik-titik ideal yang berbeda.

Nyatakan titik-titik ideal tersebut dengan AA, BB, CC, dan DD; kita dapat mengandaikan bahwa titik-titik itu muncul pada lingkaran absolut dalam urutan tersebut. Dalam hal ini, garis-h dengan titik-titik ideal AA dan CC berpotongan dengan garis-h dengan titik-titik ideal BB dan DD. Misalkan OO merupakan titik perpotongan keduanya. Menurut Pengamatan utama di Bab 12, kita dapat mengandaikan bahwa OO merupakan pusat lingkaran absolut. Perhatikan bahwa ℓ\ell merupakan cerminan mm terhadap OO dalam pengertian Euklides.

Garis tegak lurus bersama bagi dua garis ultraparalel

Tarik garis-h nn dari OO yang tegak lurus terhadap ℓ\ell dan tunjukkan bahwa n⟂mn\perp m.

Bagian “jika”. Andaikan nn merupakan garis tegak lurus bersama. Misalkan LL dan MM berturut-turut merupakan titik perpotongannya dengan ℓ\ell dan mm.

Misalkan OO merupakan pusat lingkaran absolut. Menurut Pengamatan utama di Bab 12, kita dapat mengandaikan bahwa OO merupakan titik tengah-h dari LL dan MM. Perhatikan bahwa dalam hal ini ℓ\ell merupakan cerminan mm terhadap OO dalam pengertian Euklides. Akibatnya, titik-titik ideal garis-h ℓ\ell dan mm saling simetris. Oleh karena itu, jika sepasang di antaranya berimpit, pasangan lainnya juga berimpit. Menurut Latihan ke-1 di Bab 12, ℓ=m\ell=m, bertentangan dengan asumsi ℓ≠m\ell\ne m.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.003

Tunjukkan bahwa sudut paralelisme di CC terhadap (AB)h(AB)_h kurang dari π4\tfrac\pi4, lalu terapkan Proposisi di Bab 13. Anda dapat menggunakan hampiran seperti 2≈1.414\sqrt2\approx 1.414 dan e≈2.718e\approx2.718.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.004

Menurut ketaksamaan segitiga, jarak-h dari BB ke (AC)h(AC)_h sekurang-kurangnya 50. Menurut Proposisi di Bab 13, |∡hABC|<2⋅ϕ|\measuredangle_h ABC|<2\cdot\phi, dengan ϕ\phi merupakan sudut paralelisme pada jarak 5050. Tunjukkan bahwa cos⁡ϕ=e100−1e100+1\cos\phi\z=\tfrac{e^{100}-1}{e^{100}+1} dan gunakan hasil itu untuk menaksir ϕ\phi. Anda dapat menggunakan fakta bahwa cos⁡ϕ≤1−110⋅ϕ2\cos\phi\z\le 1-\tfrac1{10}\cdot\phi^2 untuk |ϕ|<π2|\phi|\z<\tfrac\pi2 dan e3>10e^3>10.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.005

Perhatikan bahwa sudut paralelisme di BB terhadap (CD)h(CD)_h lebih besar dari π4\tfrac\pi4, dan nilainya mendekati π4\tfrac\pi4 ketika CDh→∞CD_h\to\infty.

Dengan menerapkan Proposisi di Bab 13, kita peroleh

BCh<12⋅ln⁡1+121−12=ln⁡(1+2).BC_h<\tfrac12\cdot\ln\frac{1+\frac1{\sqrt{2}}}{1-\frac1{\sqrt{2}}}=\ln\left(1+\sqrt{2}\right).

Ruas kanan merupakan limit BChBC_h ketika CDh→∞CD_h\to\infty. Oleh karena itu, ln⁡(1+2)\ln\left(1+\sqrt{2}\right) merupakan batas atas optimal.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.006

Misalkan P′P' merupakan titik-h lain. Nyatakan dengan RR dan R′R' berturut-turut titik-titik kaki tegak lurus dari PP dan P′P' pada mm.

Tunjukkan, lalu gunakan, bahwa P′P' merupakan hasil pencerminan-h PP terhadap Q∈mQ\in m jika dan hanya jika PP dan P′P' terletak pada sisi-sisi yang berlawanan dari mm, PRh=P′Rh′PR_h=P'R'_h, dan QQ merupakan titik tengah-h dari [RR′]h[RR']_h. Anda mungkin memerlukan Proposisi di Bab 2, SAS, dan SAA (lihat Latihan ke-5 di Bab 11).

Segitiga siku-siku sama kaki pada horosiklus

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.007

Seperti biasa, kita andaikan bahwa lingkaran absolut merupakan lingkaran satuan.

Tinjau suatu segitiga hiperbolik PQRPQR yang bersudut siku-siku di QQ, dengan PQh=QRhPQ_h\z=QR_h dan titik-titik sudut PP, QQ, dan RR terletak pada suatu horosiklus.

Kita dapat mengandaikan bahwa QQ merupakan pusat lingkaran absolut. Dalam hal ini, ∡hPQR=∡PQR=±π2\measuredangle_hPQR\z=\measuredangle PQR\z=\pm\tfrac\pi2 dan PQ=QRPQ=QR.

Perhatikan bahwa lingkaran Euklides yang melalui PP, QQ, dan RR menyinggung lingkaran absolut. Simpulkan bahwa PQ=12PQ=\tfrac1{\sqrt2}. Terapkan Lema di Bab 12 untuk menentukan PQhPQ_h.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch13.010

Terapkan teorema Pythagoras hiperbolik dan definisi kosinus hiperbolik. Pengamatan berikut dapat membantu:

  • Fungsi x↦exx\mapsto e^x merupakan fungsi positif yang meningkat.

  • Menurut ketaksamaan segitiga, berlaku

    −c≤a−bdan−c≤b−a.-c\le a-b\quad \text{dan}\quad -c\le b-a.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.001

Andaikan garis-garis berbeda ℓ\ell dan mm dipetakan ke garis-garis berpotongan ℓ′\ell' dan m′m'. Misalkan P′P' menyatakan titik perpotongan keduanya.

Misalkan PP merupakan prapeta dari P′P'. Menurut definisi pemetaan afin, PP harus terletak pada ℓ\ell maupun mm. Simpulkan.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.003

Pilih suatu garis (AB)(AB).

Andaikan X′∈(A′B′)X'\z\in (A'B') untuk suatu X∉(AB)X\z\notin(AB). Karena P↦P′P\mapsto P' memetakan titik-titik segaris ke titik-titik segaris, ketiga garis (AB)(AB), (AX)(AX), dan (BX)(BX) dipetakan ke (A′B′)(A'B'). Selain itu, setiap garis yang menghubungkan sepasang titik pada ketiga garis tersebut juga dipetakan ke (A′B′)(A'B'). Gunakan fakta ini untuk menunjukkan bahwa seluruh bidang dipetakan ke (A′B′)(A'B'). Hal ini bertentangan dengan fakta bahwa pemetaan tersebut merupakan bijeksi.

Jaringan garis dalam petunjuk kesegarisan

Berdasarkan asumsi, jika X∈(AB)X\z\in (AB), maka X′∈(A′B′)X'\z\in (A'B'). Menurut uraian di atas, jika X∉(AB)X\notin (AB), maka X′∉(A′B′)X'\z\notin (A'B'). Gunakan fakta ini untuk membuktikan pernyataan kedua.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.004

Perhatikan bahwa α\alpha memetakan tripel titik tidak segaris ke tripel titik tidak segaris. Oleh karena itu, α−1\alpha^{-1} memetakan tripel titik segaris ke tripel titik segaris. Tinggal menerapkan Latihan ke-3 di Bab 14.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.005

Konstruksi afin titik tengah

Cukup konstruksikan titik tengah [AB][AB] dengan penggaris dan alat garis sejajar. Tebak konstruksinya dari gambar.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.006

Misalkan OO, EE, AA, dan BB berturut-turut merupakan titik-titik dengan koordinat (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (a,0)(a,0), dan (b,0)(b,0).

Untuk mengonstruksi titik WW dengan koordinat (a+b,0)(a+b,0) (atau (a−b,0)(a-b,0)), cobalah mengonstruksi dua jajar genjang OAPQOAPQ dan BWPQBWPQ (atau WBPQWBPQ).

Untuk mengonstruksi ZZ dengan koordinat (a⋅b,0)(a\cdot b,0), pilih garis (OE′)≠(OE)(OE')\ne (OE) dan cobalah mengonstruksi titik-titik A′∈(OE′)A'\in (OE') dan Z∈(OE)Z \in(OE) sedemikian sehingga △OEE′∼△OAA′\triangle OEE'\z\sim \triangle OAA' dan △OE′B∼△OA′Z\triangle OE'B\z\sim \triangle OA'Z. Dengan cara serupa, konstruksikan titik (ab,0)(\tfrac ab,0).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.007

Gambarlah dua tali busur sejajar [XX′][XX'] dan [YY′][YY']. Misalkan Z∈(XY)∩(X′Y′)Z\z\in(XY)\z\cap (X'Y') dan Z′∈(XY′)∩(X′Y)Z'\z\in (XY')\cap (X'Y). Perhatikan bahwa (ZZ′)(ZZ') melalui pusat lingkaran.

Ulangi konstruksi yang sama untuk sepasang tali busur sejajar lainnya. Pusat lingkaran terletak pada perpotongan garis-garis yang diperoleh.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.008

Andaikan suatu konstruksi menghasilkan dua garis tegak lurus. Terapkan pemetaan geser yang mengubah sudut antara kedua garis tersebut (lihat Latihan ke-2 di Bab 14Persamaan di Bab 14).

Perhatikan bahwa pemetaan itu mengubah konstruksi tersebut menjadi konstruksi yang sama untuk pilihan lain atas titik-titik bebasnya. Oleh karena itu, secara umum konstruksi kita tidak menghasilkan garis-garis tegak lurus. (Konstruksi itu mungkin menghasilkan garis tegak lurus hanya secara kebetulan.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.009

Bagian pertama diperoleh dari Latihan ke-1 di Bab 14.

Andaikan AA, BB, XX, dan YY tidak segaris; dalam hal ini, ▫ABYX\square ABYX merupakan jajar genjang. Menurut aturan jajar genjang, bagian “hanya jika” terbukti.

Sekarang andaikan AA, BB, XX, dan YY terletak pada garis ℓ\ell. Pilih dua titik tambahan P,Q∉ℓP,Q\notin\ell sedemikian sehingga

XY→=PQ→dan karena ituPQ→=AB→.\overrightarrow{XY}=\overrightarrow{PQ} \quad\text{dan karena itu}\quad \overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{AB}.
Dari uraian di atas, kita peroleh
X′Y′→=P′Q′→danP′Q′→=A′B′→.\overrightarrow{X'Y'}=\overrightarrow{P'Q'} \quad\text{dan}\quad \overrightarrow{P'Q'}=\overrightarrow{A'B'}.
Dengan demikian, bagian “hanya jika” terbukti dalam kasus umum.

Bagian “jika” diperoleh karena invers suatu transformasi afin juga merupakan transformasi afin.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.012

Gunakan Latihan ke-7 di Bab 14 untuk menunjukkan bahwa O′=OO'=O. Pilih suatu sistem koordinat dengan titik asal OO. Menurut Latihan ke-11 di Bab 14,

α(x,y)↦(a⋅x+b⋅y,c⋅x+d⋅y).\alpha\:(x,y)\mapsto(a\cdot x+b\cdot y,\ c\cdot x+d\cdot y).
Gunakan fakta bahwa α(Γ)=Γ\alpha(\Gamma)=\Gamma untuk menunjukkan bahwa (abcd)⋅(acbd)=(1001)(\begin{smallmatrix}a&b\\c&d\end{smallmatrix})\cdot (\begin{smallmatrix}a&c\\b&d\end{smallmatrix})\z=(\begin{smallmatrix}1&0\\0&1\end{smallmatrix}). Simpulkan bahwa α\alpha merupakan transformasi isometrik.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.013

Perhatikan bahwa setiap pencerminan memenuhi syarat tersebut. Menurut Teorema di Bab 10, setiap inversi juga memenuhi syarat tersebut. Oleh karena itu, hal yang sama berlaku untuk setiap komposisi inversi dan pencerminan.

Untuk membuktikan kebalikannya, pilih bijeksi α\alpha yang memetakan lingkaran umum ke lingkaran umum. Tunjukkan bahwa kita dapat mengomposisikan α\alpha dengan beberapa inversi dan pencerminan untuk memperoleh bijeksi α′\alpha' sedemikian sehingga α′(∞)=∞\alpha'(\infty)=\infty dan α(Γ)=Γ\alpha(\Gamma)=\Gamma untuk suatu lingkaran Γ\Gamma.

Menurut Latihan ke-12 di Bab 14, α′\alpha' merupakan transformasi isometrik. Menurut Latihan ke-7 di Bab 5, α′\alpha' merupakan komposisi pencerminan. Oleh karena itu, α\alpha juga merupakan komposisi pencerminan.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.014

Tetapkan a=f(1)a=f(1) dan b=f(0)b=f(0). Tunjukkan dan gunakan fakta bahwa a=a2a=a^2 dan b=b2b=b^2.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch14.015

Terapkan teorema Menelaus pada △AA′B\triangle AA'B dengan garis (CC′)(CC') dan pada △AA′C\triangle AA'C dengan garis (BB′)(BB').

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.001

Untuk membuktikan (a), terapkan Proposisi di Bab 14.

Untuk membuktikan (b), andaikan Pi=(xi,yi)P_i=(x_i,y_i); tunjukkan dan gunakan fakta bahwa

P1P2⋅P3P4P2P3⋅P4P1=|(x1−x2)⋅(x3−x4)(x2−x3)⋅(x4−x1)|\frac{P_1P_2\cdot P_3P_4}{P_2P_3\cdot P_4P_1} =\left|\frac{(x_1-x_2)\cdot(x_3-x_4)}{(x_2-x_3)\cdot (x_4-x_1)}\right|
jika semua PiP_i terletak pada garis horizontal y=by=b, dan
P1P2⋅P3P4P2P3⋅P4P1=|(y1−y2)⋅(y3−y4)(y2−y3)⋅(y4−y1)|\frac{P_1P_2\cdot P_3P_4}{P_2P_3\cdot P_4P_1} =\left|\frac{(y_1-y_2)\cdot(y_3-y_4)}{(y_2-y_3)\cdot (y_4-y_1)}\right|
dalam kasus lainnya. (Lihat Latihan ke-15 di Bab 20 untuk bukti lain.)

Untuk membuktikan (c), terapkan (a), (b), dan Teorema di Bab 15.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.002 dan o004.petrunin.ex.ch15.002.a dan o004.petrunin.ex.ch15.002.b

Perhatikan bahwa untuk proyeksi perspektif dari (AB)(AB) ke (AC)(AC) yang berpusat di WW, berlaku A↦AA\mapsto A, B↦CB\mapsto C, X↦PX\mapsto P, dan Y↦QY\mapsto Q. Oleh karena itu, Latihan ke-1 di Bab 15 memberikan (Rujukan di Bab 15).

Dengan menerapkan argumen yang sama dengan pusat VV, diperoleh AY⋅BXAX⋅BY=AP⋅CQAQ⋅CP\frac{AY\cdot BX}{AX\cdot BY}=\frac{AP\cdot CQ}{AQ\cdot CP}. Oleh karena itu, AX⋅BYAY⋅BX=AY⋅BXAX⋅BY\frac{AX\cdot BY}{AY\cdot BX}=\frac{AY\cdot BX}{AX\cdot BY}, sehingga diperoleh (Rujukan di Bab 15).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.003

Andaikan (AB)(AB) berpotongan dengan (A′B′)(A'B') di OO. Karena (AB′)∥(BA′)(AB')\parallel (BA'), diperoleh △OAB′∼△OBA′\triangle OAB'\z\sim\triangle OBA' dan OAOB=OB′OA′\frac{OA}{OB}=\frac{OB'}{OA'}.

Dengan cara serupa, (AC′)∥(CA′)⇒OAOC=OC′OA′(AC')\parallel (CA')\ \Longrightarrow\ \frac{OA}{OC}=\frac{OC'}{OA'}.

Oleh karena itu, OBOC=OC′OB′\frac{OB}{OC}=\frac{OC'}{OB'}. Dengan menerapkan syarat kesebangunan SAS, diperoleh △OBC′∼△OCB′\triangle OBC'\z\sim\triangle OCB'. Akibatnya, (BC′)∥(CB′)(BC')\parallel (CB').

Kasus (AB)∥(A′B′)(AB)\parallel(A'B') serupa.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.005 dan o004.petrunin.ex.ch15.005.a dan o004.petrunin.ex.ch15.005.b

(Rujukan di Bab 15). Andaikan jajar genjang itu dibentuk oleh dua pasang garis sejajar (AB)∥(A′B′)(AB)\z\parallel (A'B') dan (BC)∥(B′C′)(BC)\parallel(B'C'), serta ℓ=(AC)\ell=(AC) dalam notasi teorema Desargues (Teorema Desargues di Bab 15).

(Rujukan di Bab 15). Andaikan jajar genjang itu dibentuk oleh dua pasang garis sejajar (AB′)∥(A′B)(AB')\z\parallel (A'B) dan (BC′)∥(B′C)(BC')\parallel(B'C), serta ℓ=(AC′)\ell=(AC') dalam notasi teorema Pappus (Teorema Pappus di Bab 15).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.007

Andaikan terdapat suatu dualitas. Pilih dua garis sejajar berbeda ℓ\ell dan mm. Misalkan LL dan MM merupakan titik-titik dualnya. Tetapkan s=(ML)s=(ML); maka titik dualnya, SS, harus terletak pada ℓ\ell dan mm sekaligus—suatu kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.008

Andaikan M=(a,b)M=(a,b) dan garis ss dinyatakan oleh persamaan p⋅x+q⋅y=1p\cdot x+q\cdot y=1. Maka M∈sM\in s ekuivalen dengan p⋅a+q⋅b=1p\cdot a+q\cdot b=1.

Hal ini, pada gilirannya, ekuivalen dengan m∋Sm\ni S, dengan mm merupakan garis yang dinyatakan oleh persamaan a⋅x+b⋅y=1a\cdot x+b\cdot y=1 dan S=(p,q)S=(p,q).

Untuk memperluas bijeksi ini ke seluruh bidang proyektif, andaikan bahwa (1) garis ideal bersesuaian dengan titik asal dan (2) titik ideal yang diberikan oleh berkas garis b⋅x−a⋅y=cb\cdot x-a\cdot y=c (untuk berbagai nilai cc) bersesuaian dengan garis yang didefinisikan oleh a⋅x+b⋅y=0a\cdot x+b\cdot y=0.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.009

Andaikan diberikan satu himpunan garis konkuren aa, bb, cc, dan satu himpunan garis konkuren lain a′a', b′b', c′c'. Misalkan

P∈b∩c′,Q∈c∩a′,R∈a∩b′,P′∈b′∩c,Q′∈c′∩a,R′∈a′∩b.\begin{align*} P&\in b\cap c', & Q&\in c\cap a', & R&\in a\cap b',\\ P'&\in b'\cap c, & Q'&\in c'\cap a, & R'&\in a'\cap b. \end{align*}
Maka garis-garis (PP′)(PP'), (QQ′)(QQ'), dan (RR′)(RR') konkuren.

Konfigurasi dual teorema Pappus

(Konfigurasi sembilan titik dan sembilan garis yang diperoleh sama dengan konfigurasi dalam teorema semula, dan hasil yang diperoleh merupakan perumusan ulang teorema tersebut.)

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.010 dan o004.petrunin.ex.ch15.010.a dan o004.petrunin.ex.ch15.010.b

(Rujukan di Bab 15). Andaikan (AA′)(AA') dan (BB′)(BB') merupakan garis-garis yang diberikan, dan CC merupakan titik yang diberikan. Terapkan teorema dual Desargues (Teorema dual Desargues di Bab 15) untuk mengonstruksi C′C' sedemikian sehingga (AA′)(AA'), (BB′)(BB'), dan (CC′)(CC') konkuren. Karena (AA′)∥(BB′)(AA')\z\parallel (BB'), diperoleh (AA′)∥(BB′)∥(CC′)(AA')\z\parallel (BB')\z\parallel (CC').

(Rujukan di Bab 15). Andaikan PP merupakan titik yang diberikan dan (R′Q)(R'Q), (P′R)(P'R) merupakan garis-garis sejajar yang diberikan. Cobalah mengonstruksi titik Q′Q' seperti dalam teorema dual Pappus (lihat solusi Latihan ke-9 di Bab 15).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.011

Andaikan p=(QR)p=(QR); nyatakan garis-garis dual yang dihasilkan oleh konstruksi dengan qq dan rr. Maka, menurut Klaim di Bab 15, PP merupakan titik potong qq dan rr.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.012

Garis vv yang merupakan polar dari VV menyinggung Γ\Gamma. Karena V∈pV\in p, menurut Klaim di Bab 15, diperoleh P∈vP\in v; artinya, (PV)=v(PV)=v. Dengan demikian, pernyataan tersebut terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.013

Pilih titik PP di luar lingkaran yang lebih besar. Konstruksikan garis-garis dual dari PP untuk kedua lingkaran. Perhatikan bahwa kedua garis tersebut sejajar.

Andaikan garis-garis tersebut memotong lingkaran yang lebih besar pada dua pasang titik XX, X′X' dan YY, Y′Y'. Misalkan Z∈(XY)∩(X′Y′)Z\z\in (XY)\cap (X'Y'). Perhatikan bahwa garis (PZ)(PZ) melalui pusat bersama kedua lingkaran.

Konstruksi pusat dua lingkaran sepusat

Pusat tersebut merupakan titik potong (PZ)(PZ) dengan garis lain yang dikonstruksi dengan cara yang sama.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch15.014

Konstruksikan garis-garis polar untuk dua titik pada ℓ\ell. Nyatakan titik potong keduanya dengan LL. Perhatikan bahwa ℓ\ell merupakan polar dari LL, sehingga (OL)⟂ℓ(OL)\perp \ell.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch16.006

Tetapkan z=P′Q′z=P'Q'. Perhatikan bahwa yz→1\tfrac yz\to 1 ketika x→0x\to 0.

Tinggal membuktikan bahwa

limx→0zx=21+OP2.\lim_{x\to 0} \frac{z}{x}=\frac{2}{1+OP^2}.

Ingat bahwa proyeksi stereografik merupakan inversi terhadap bola Υ\Upsilon yang berpusat di kutub selatan SS, dengan pembatasan pada bidang Π\Pi. Buktikan bahwa terdapat suatu bidang Λ\Lambda yang melalui SS, PP, QQ, P′P', dan Q′Q'. Pada bidang Λ\Lambda, pemetaan Q↦Q′Q\mapsto Q' merupakan inversi terhadap lingkaran Υ∩Λ\Upsilon\cap \Lambda.

Hal ini mereduksi masalah tersebut menjadi masalah geometri bidang Euklides. Perhitungan selebihnya dalam Λ\Lambda serupa dengan perhitungan dalam pembuktian Lema di Bab 13.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch16.008

Terapkan teorema Pythagoras sferis untuk menunjukkan bahwa cos⁡ABs=12\cos AB_s\z=\tfrac12, dan simpulkan bahwa ABs=π3AB_s\z=\tfrac\pi3.

Teselasi belahan bola 12 tambah 4

Sebagai alternatif, perhatikan teselasi belahan bola pada gambar; teselasi tersebut tersusun dari 12 salinan △sABC\triangle_s A B C dan 4 segitiga sferis sama sisi. Berdasarkan simetri teselasi ini, diperoleh bahwa [AB]s[AB]_s menempati 16\tfrac16 bagian khatulistiwa, yang berarti ABs=π3AB_s=\tfrac\pi3.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch16.009 dan o004.petrunin.ex.ch16.009.a dan o004.petrunin.ex.ch16.009.b dan o004.petrunin.ex.ch16.009.c

Gunakan rumus Euler (Bagian ke-4 di Bab 18) untuk menunjukkan bahwa sin⁡(i⋅x)=i⋅sinh⁡x\sin(i\cdot x)=i\cdot\sinh x, lalu terapkan hasil tersebut. Anda akan memperoleh jawaban berikut:

cosh⁡c=cosh⁡a⋅cosh⁡b−sinh⁡a⋅sinh⁡b⋅cos⁡γ,\cosh c=\cosh a \cdot \cosh b-\sinh a\cdot \sinh b\cdot \cos\gamma,
cos⁡γ=−cos⁡α⋅cos⁡β+sin⁡α⋅sin⁡β⋅cosh⁡c,\cos \gamma=-\cos \alpha \cdot \cos \beta+\sin \alpha\cdot \sin \beta \cdot \cosh c,
sin⁡αsinh⁡a=sin⁡βsinh⁡b=sin⁡γsinh⁡c.\frac{\sin \alpha}{\sinh a}=\frac{\sin \beta}{\sinh b}=\frac{\sin \gamma}{\sinh c}.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.001

Tinjau bijeksi P↔P̂P\z\leftrightarrow \hat P pada bidang-h dengan lingkaran absolut Ω\Omega. Perhatikan bahwa P̂∈[AiBi]\hat P\z\in [A_iB_i] jika dan hanya jika P∈ΓiP\in\Gamma_i.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.003

Pengamatan tersebut berlaku karena pencerminan terhadap garis sumbu [PQ][PQ] merupakan transformasi isometrik bidang Euklides sekaligus transformasi isometrik bidang-h.

Kita dapat mengandaikan bahwa pusat lingkaran luar berimpit dengan pusat lingkaran absolut. Dalam kasus ini, garis-garis berat-h segitiga berimpit dengan garis-garis berat Euklides. Tinggal menerapkan Teorema di Bab 8.

Garis berat-h pada konfigurasi siklik

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.004

Gunakan model proyektif. Andaikan dua garis tinggi-h berpotongan di suatu titik HH. Pindahkan HH ke pusat lingkaran absolut. Menurut Pengamatan di Bab 17, garis-garis tinggi-h tersebut menjadi garis-garis tinggi Euklides dari segitiga. Menurut Teorema di Bab 8, garis tinggi Euklides yang tersisa melalui HH. Menurut Pengamatan di Bab 17, garis tinggi Euklides ini juga merupakan garis tinggi-h.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.005

Misalkan ℓ̂\hat\ell dan m̂\hat m menyatakan garis-h dalam model konformal yang bersesuaian dengan ℓ\ell dan mm. Kita perlu membuktikan bahwa ℓ̂⟂m̂\hat\ell\perp\hat m sebagai busur-busur pada bidang Euklides.

Titik ZZ, tempat ss berpotongan dengan tt, merupakan pusat lingkaran Γ\Gamma yang memuat ℓ̂\hat\ell.

Jika perpanjangan mm melalui ZZ, maka inversi terhadap Γ\Gamma menukar titik-titik ideal m̂\hat m. Akibatnya, m̂\hat m dipetakan ke dirinya sendiri. Dengan demikian, pernyataan tersebut terbukti.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.006

Misalkan QQ merupakan titik kaki PP pada garis tersebut dan ϕ\phi merupakan sudut paralelisme.

Sudut paralelisme dalam model proyektif

Kita dapat mengandaikan bahwa PP merupakan pusat lingkaran absolut. Oleh karena itu, PQ=cos⁡ϕPQ=\cos\phi dan

PQh=12⋅ln⁡1+cos⁡ϕ1−cos⁡ϕ.PQ_h=\tfrac12\cdot\ln\frac{1+\cos\phi}{1-\cos\phi}.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.008

Perhatikan bahwa b=12⋅ln⁡1+t1−tb=\tfrac12\cdot\ln\frac{1+t}{1-t}; oleh karena itu,

cosh⁡b=12⋅(1+t1−t+1−t1+t)=11−t2.\cosh b = \tfrac12\cdot\left(\sqrt{\tfrac{1+t}{1-t}}+\sqrt{\tfrac{1-t}{1+t}}\right) = \frac1{\sqrt{1-t^2}}. \label{cosh-b}
Dengan cara yang sama, diperoleh
cosh⁡c=11−u2.\begin{aligned}\cosh c&=\frac1{\sqrt{1-u^2}}. \end{aligned} \label{cosh-c}

Misalkan XX dan YY merupakan titik-titik ideal (BC)h(BC)_h. Dengan menerapkan kembali teorema Pythagoras (Teorema di Bab 6), diperoleh CX=CY=1−t2CX=CY=\sqrt{1-t^2}. Oleh karena itu,

a=12⋅ln⁡1−t2+s1−t2−s,a = \tfrac12\cdot\ln\frac{\sqrt{1-t^2}+s}{\sqrt{1-t^2}-s},
dan
cosh⁡a=12⋅1−t2+s1−t2−s+12⋅1−t2−s1−t2+s==1−t21−t2−s2==1−t21−u2.\begin{aligned} \cosh a&=\tfrac12\cdot \sqrt{\frac{\sqrt{1-t^2}+s}{\sqrt{1-t^2}-s}} \\ &+ \tfrac12\cdot\sqrt{\frac{\sqrt{1-t^2}-s}{\sqrt{1-t^2}+s}}= \\ &=\frac{\sqrt{1-t^2}}{\sqrt{1-t^2-s^2}}= \\ &=\frac{\sqrt{1-t^2}}{\sqrt{1-u^2}}. \end{aligned} \label{cosh-a}

Akhirnya, perhatikan bahwa Persamaan di Bab 17, Persamaan di Bab 17, dan Persamaan di Bab 17 menyiratkan teorema tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.009

Pada bidang Euklides, lingkaran Γ\Gamma menyinggung kk; yakni, TT merupakan satu-satunya titik potong Γ\Gamma dan kk. Titik tersebut menentukan tepat satu garis (PT)(PT) yang sejajar dengan ℓ\ell.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch17.010

Pilih dua titik PP dan QQ pada ℓ\ell. Tarik garis-garis tegak lurus pp dan qq dari PP dan QQ ke mm (ikuti Latihan ke-5 di Bab 5). Tarik garis tegak lurus dari PP ke qq dan dari QQ ke pp; nyatakan titik potong keduanya dengan HH. (Andaikan HH ada; jika tidak, pilih PP dan QQ yang lain.) Tarik garis tegak lurus nn dari HH ke mm.

Untuk membenarkan konstruksi tersebut, kita perlu membuktikan bahwa n⟂ℓn\perp \ell. Untuk melakukannya, pindahkan HH ke pusat lingkaran absolut, lalu terapkan Pengamatan di Bab 17, Latihan ke-5 di Bab 17, dan Teorema di Bab 8.

Celah eksistensi: petunjuk mengandaikan titik H ada dan menyarankan memilih P dan Q lain bila tidak; sumber tidak membuktikan bahwa suatu pilihan yang berhasil selalu ada.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.001

Gunakan fakta bahwa |z|2=z⋅z‾|z|^2=z\cdot \bar z dan z‾⋅u‾=z⋅u¯\bar z\cdot \bar u=\overline{z\cdot u}.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.002

Pilih suatu segiempat ABCDABCD. Andaikan 00, uu, vv, dan ww berturut-turut merupakan koordinat kompleks dari AA, BB, CC, dan DD. Tuliskan ulang ketaksamaan Ptolemy dengan menggunakan uu, vv, dan ww. Turunkan ketaksamaan ini dari identitas yang diberikan dan ketaksamaan segitiga.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.003

Misalkan zz, vv, dan ww berturut-turut menyatakan koordinat kompleks dari ZZ, VV, dan WW. Maka

∡ZVW+∡VWZ+∡WZV≡≡arg⁡w−vz−v+arg⁡z−wv−w+arg⁡v−zw−z≡≡arg⁡(w−v)⋅(z−w)⋅(v−z)(z−v)⋅(v−w)⋅(w−z)≡≡arg⁡(−1)≡π.\begin{align*} &\qquad \measuredangle ZVW+\measuredangle VWZ+\measuredangle WZV\equiv \\ &\equiv \arg \tfrac{w-v}{z-v}+\arg \tfrac{z-w}{v-w}+\arg \tfrac{v-z}{w-z}\equiv \\ &\equiv \arg \tfrac{(w-v)\cdot(z-w)\cdot(v-z)}{(z-v)\cdot(v-w)\cdot(w-z)}\equiv \\ &\equiv\arg (-1)\equiv \pi. \end{align*}

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.004

Perhatikan dan gunakan bahwa ∡EOV=∡WOZ=arg⁡v\measuredangle EOV=\measuredangle WOZ\z=\arg v dan OVOE=OZOW=|v|\frac{OV}{OE}=\frac{OZ}{OW}=|v|.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.005

Perhatikan bahwa

arg⁡(v−u)⋅(z−w)(v−w)⋅(z−u)≡≡arg⁡v−uz−u+arg⁡z−wv−w==∡ZUV+∡VWZ.\begin{align*} &\qquad\arg\frac{(v-u)\cdot(z-w)}{(v-w)\cdot(z-u)}\equiv \\ &\equiv \arg\frac{v-u}{z-u} + \arg\frac{z-w}{v-w}= \\ &= \measuredangle ZUV+\measuredangle VWZ. \end{align*}

Pernyataan tersebut mengikuti karena nilai (v−u)⋅(z−w)(v−w)⋅(z−u)\tfrac{(v-u)\cdot(z-w)}{(v-w)\cdot(z-u)} bersifat real jika dan hanya jika

2⋅arg⁡(v−u)⋅(z−w)(v−w)⋅(z−u)≡0.2\cdot\arg\frac{(v-u)\cdot(z-w)}{(v-w)\cdot(z-u)}\equiv0.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.006

Kita dapat memilih koordinat kompleks sedemikian sehingga titik-titik OO, EE, AA, BB, dan CC memiliki koordinat masing-masing 00, 11, 1+i1+i, 2+i2+i, dan 3+i3+i. Tetapkan ∡EOA=α\measuredangle EOA=\alpha, ∡EOB=β\measuredangle EOB=\beta, dan ∡EOC=γ\measuredangle EOC\z=\gamma. Perhatikan bahwa

α+β+γ≡≡arg⁡(1+i)+arg⁡(2+i)+arg⁡(3+i)≡≡arg⁡[(1+i)⋅(2+i)⋅(3+i)]≡≡arg⁡[10⋅i]==π2.\begin{align*} &\ \ \ \ \alpha+\beta+\gamma\equiv \\ &\equiv\arg(1+i)+\arg(2+i)+\arg(3+i)\equiv \\ &\equiv\arg[(1+i)\cdot(2+i)\cdot(3+i)]\equiv \\ &\equiv\arg [10\cdot i]= \\ &=\tfrac\pi2. \end{align*}
Perhatikan bahwa ketiga sudut ini lancip, lalu simpulkan bahwa α+β+γ=π2\alpha+\beta+\gamma=\tfrac\pi2.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.007

Identitas tersebut dapat diperiksa dengan perhitungan langsung.

Menurut Teorema di Bab 18, lima dari enam rasio silang dalam identitas ini bersifat real. Akibatnya, rasio silang keenam juga harus bersifat real. Tinggal menerapkan teorema tersebut sekali lagi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.008

Gunakan Tanda sudut-sudut suatu segitiga di Bab 3 dan Akibat di Bab 3 untuk menunjukkan bahwa ∠UAB\angle UAB, ∠BVA\angle BVA, dan ∠ABW\angle ABW memiliki tanda yang sama. Berdasarkan SAS, diperoleh

AUAB=VBVA=BABW,\frac{AU}{AB}=\frac{VB}{VA}=\frac{BA}{BW},
dan
∡UAB=∡BVA=∡ABW.\measuredangle UAB=\measuredangle BVA=\measuredangle ABW.
Pernyataan terakhir berarti bahwa
|u−ab−a|=|b−va−v|=|a−bw−b|,|\frac{u-a}{b-a}|=|\frac{b-v}{a-v}|=|\frac{a-b}{w-b}|,
dan
arg⁡b−au−a=arg⁡a−vb−v=arg⁡a−bw−b.\arg\frac{b-a}{u-a}=\arg\frac{a-v}{b-v}=\arg\frac{a-b}{w-b}.
Hal ini menyiratkan dua kesamaan pertama dalam
b−au−a=a−vb−v=w−ba−b=w−vu−v;\frac{b-a}{u-a}=\frac{a-v}{b-v}=\frac{w-b}{a-b}=\frac{w-v}{u-v};\label{eq:4fractions}
kesamaan terakhir berlaku karena
(b−a)+(a−v)+(w−b)(u−a)+(b−v)+(a−b)=w−vu−v.\frac{(b-a)+(a-v)+(w-b)}{(u-a)+(b-v)+(a-b)}=\frac{w-v}{u-v}.

Untuk membuktikan (b), tuliskan ulang Persamaan di Bab 18 dengan menggunakan sudut dan jarak antartitik, lalu terapkan SAS.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.011

Transformasi linear fraksional

f(z)=(z1−z∞)⋅(z−z0)(z1−z0)⋅(z−z∞)f(z)=\frac{(z_1-z_\infty)\cdot(z-z_0)}{(z_1-z_0)\cdot(z-z_\infty)}
memenuhi syarat-syarat tersebut.

Untuk menunjukkan ketunggalannya, andaikan terdapat transformasi linear fraksional lain g(z)g(z) yang memenuhi syarat-syarat tersebut. Maka komposisi h=g∘f−1h=g\circ f^{-1} merupakan transformasi linear fraksional; tetapkan h(z)=a⋅z+bc⋅z+dh(z)=\tfrac{a\cdot z+b}{c\cdot z+d}.

Perhatikan bahwa h(∞)=∞h(\infty)=\infty; oleh karena itu, c=0c=0. Selanjutnya, h(0)=0h(0)=0 menyiratkan b=0b=0. Terakhir, karena h(1)=1h(1)=1, diperoleh ad=1\tfrac ad=1. Oleh karena itu, hh merupakan identitas; artinya, h(z)=zh(z)=z untuk setiap zz. Dengan demikian, g=fg=f.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.012

Misalkan Z′Z' merupakan invers dari titik ZZ. Andaikan lingkaran inversi memiliki pusat WW dan jari-jari rr. Misalkan zz, z′z', dan ww berturut-turut menyatakan koordinat kompleks dari titik-titik ZZ, Z′Z', dan WW.

Menurut definisi inversi, arg⁡(z−w)=arg⁡(z′−w)\arg (z\z-w)\z=\arg (z'-w) dan |z−w|⋅|z′−w|=r2|z-w|\cdot|z'-w|=r^2. Akibatnya, (z‾′−w‾)⋅(z−w)=r2(\bar z'-\bar w)\cdot ( z- w)= r^2. Secara ekuivalen,

z′=(w‾⋅z+[r2−|w|2]z−w)¯.z'=\overline{\left(\frac{\bar w\cdot z+[r^2-|w|^2]}{z- w}\right)}.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.014

Perhatikan bahwa fz↦a⋅z+bc⋅z+df\:z\mapsto\tfrac{a\cdot z+b}{c\cdot z+d} mempertahankan lingkaran satuan |z|=1|z|=1. Gunakan Akibat di Bab 10 dan Proposisi di Bab 18 untuk menunjukkan bahwa ff berkomutasi dengan inversi z↦1/z‾z\mapsto 1/\bar z. Dengan kata lain, 1/f(z)¯=f(1/z‾)1/\overline{f(z)}=f(1/\bar z) atau

c‾⋅z‾+d‾a‾⋅z‾+b‾=a/z‾+bc/z‾+d\frac{\bar c\cdot \bar z+\bar d}{\bar a\cdot \bar z+\bar b} =\frac{a/\bar z+b}{c/\bar z+d}
untuk setiap z∈ℂ̂z\in\hat{\mathbb{C}}. Identitas terakhir menghasilkan pernyataan yang diminta. Syarat |w|<|v||w|<|v| mengikuti karena f(0)∈𝔻f(0)\in\mathbb{D}.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch18.015

Perhatikan bahwa invers dari titik-titik zz dan ww memiliki koordinat kompleks masing-masing 1/z‾1/\bar z dan 1/w‾1/\bar w. Terapkan Latihan ke-13 di Bab 12, lalu sederhanakan.

Bagian kedua mengikuti karena fungsi x↦tanh⁡(12⋅x)x\mapsto \tanh(\tfrac12\cdot x) meningkat.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.001

Untuk mengonstruksi a⋅b\sqrt{a\cdot b}: (1) konstruksikan titik-titik AA, BB, dan D∈[AB]D\z\in [AB] sedemikian sehingga AD=aAD=a dan BD=bBD=b; (2) konstruksikan lingkaran Γ\Gamma dengan diameter [AB][AB]; (3) gambarlah garis ℓ\ell yang melalui DD dan tegak lurus terhadap (AB)(AB); (4) misalkan CC merupakan suatu titik perpotongan Γ\Gamma dan ℓ\ell. Maka DC=a⋅bDC= \sqrt{a\cdot b}.

Konstruksi a2b\tfrac{a^2}b serupa.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.002 dan o004.petrunin.ex.ch19.002.a dan o004.petrunin.ex.ch19.002.b

(Rujukan di Bab 19). Perhatikan gambar; buktikan bahwa sudut-sudut yang diberi tanda sama memiliki ukuran yang sama.

Simpulkan bahwa XC=BCXC=BC dan △ABC∼△AXB\triangle ABC\z\sim \triangle AXB. Oleh karena itu,

ABAC=AXAB=AC−ABAB=ACAB−1.\frac{AB}{AC}=\frac{AX}{AB}=\frac{AC-AB}{AB}=\frac{AC}{AB}-1.
Tinggal menentukan ACAB\frac{AC}{AB}.

Segilima beraturan dan rasio diagonal

(Rujukan di Bab 19). Pilih dua titik PP dan QQ, lalu gunakan kalkulator penggaris dan jangka untuk mengonstruksi dua titik VV dan WW sedemikian sehingga VW=1+52⋅PQVW\z=\tfrac{1+\sqrt5}2\cdot PQ. Kemudian konstruksikan suatu segilima dengan panjang sisi PQPQ dan panjang diagonal VWVW.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.003

Perhatikan bahwa dengan penggaris segitiga, kita dapat mengonstruksi garis yang melalui titik yang diberikan dan sejajar dengan garis yang diberikan. Tinggal memodifikasi konstruksi dalam Latihan ke-5 di Bab 14.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.004

Pilih sistem koordinat sedemikian sehingga titik-titik sudut yang diberikan adalah (0,0)(0,0) dan (1,0)(1,0). Buktikan bahwa titik sudut yang tersisa adalah (12,±32)(\tfrac12,\pm\tfrac{\sqrt{3}}2). Perhatikan bahwa titik itu irasional; terapkan Teorema di Bab 19. 1


  1. Kita boleh menggunakan fakta bahwa 3\sqrt{3} irasional tanpa membuktikannya. Namun, mari kita jelaskan mengapa fakta itu benar. Andaikan sebaliknya; yaitu, mn=3\tfrac mn=\sqrt{3} untuk bilangan bulat mm dan nn. Kita dapat mengandaikan bahwa mm dan nn tidak memiliki faktor prima bersama; secara khusus, jika mm habis dibagi 33, maka nn tidak. Perhatikan bahwa m2=3⋅n2m^2=3\cdot n^2. Akibatnya, mm habis dibagi 3; artinya, m=3⋅km=3\cdot k untuk suatu bilangan bulat kk. Akibatnya, 3⋅k2=n23\cdot k^2=n^2. Oleh karena itu, nn habis dibagi 3 — suatu kontradiksi.↩︎

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.005

Andaikan garis bagi ∠AOB\angle AOB dapat dikonstruksi, dengan A=(1,0)A=(1,0), O=(0,0)O=(0,0), dan B=(1,1)B=(1,1). Misalkan DD merupakan titik perpotongan garis bagi tersebut dengan garis (AB)(AB). Gunakan Lema di Bab 8 untuk menunjukkan bahwa DD irasional. Terapkan Teorema di Bab 19 dan peroleh suatu kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.006

Andaikan setiap titik awal memiliki koordinat (a,b⋅3)(a,b\cdot\sqrt{3}) untuk nilai rasional aa dan bb. Buktikan dan gunakan fakta bahwa setiap titik yang dapat dikonstruksi dengan penggaris segitiga 30° memiliki koordinat berjenis sama.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.007 dan o004.petrunin.ex.ch19.007.a dan o004.petrunin.ex.ch19.007.b

Verifikasi segitiga sama sisi

(Rujukan di Bab 19). Perhatikan bahwa ketiga garis tegak lurus pada gambar bertemu di satu titik jika dan hanya jika segitiganya sama kaki.

Gunakan pengamatan ini beberapa kali untuk memverifikasi bahwa segitiga yang diberikan sama sisi.

(Rujukan di Bab 19). Andaikan suatu garis ℓ\ell melalui titik sudut dari sudut yang diberikan. Pilih suatu titik P∈ℓP\in \ell. Andaikan XX dan YY merupakan kaki-kaki tegak lurus dari PP pada sisi-sisi sudut tersebut. Buktikan dan gunakan fakta bahwa (XY)⟂ℓ(XY)\perp \ell jika dan hanya jika ℓ\ell membagi dua sama besar sudut tersebut.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.008

Tinjau proyeksi perspektif (x,y)↦(1x,yx)(x,y)\mapsto (\tfrac 1x,\tfrac yx) (lihat Bagian ke-4 di Bab 15). Misalkan A=(1,1)A\z=(1,1), B=(3,1)B\z=(3,1), dan M=(2,1)M\z=(2,1). Perhatikan bahwa MM merupakan titik tengah [AB][AB].

Bayangan titik-titik tersebut adalah A′=(1,1)A'\z=(1,1), B′=(13,13)B'\z=(\tfrac13,\tfrac13), dan M′=(12,12)M'\z=(\tfrac12,\tfrac12). Jelas bahwa M′M' bukan titik tengah [A′B′][A'B'].

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch19.009

(a)(a) lebih kuat secara ketat daripada (b)(b), (b)(b) lebih kuat secara ketat daripada (c)(c), (a)(a) lebih kuat secara ketat daripada (d)(d), dan (d)(d) tidak terbandingkan dengan (b)(b) maupun (c)(c). Sebagian besar pernyataan ini mengikuti dari Latihan ke-5 di Bab 5, Proposisi di Bab 7, Latihan ke-4 di Bab 10, Latihan ke-8 di Bab 14, Latihan ke-4 di Bab 19, Soal di Bab 19.

Untuk menunjukkan bahwa (d)(d) tidak lebih kuat daripada (c)(c), buktikan bahwa titik tengah tidak dapat dikonstruksi dengan himpunan (d)(d) dan gunakan penyelesaian Latihan ke-5 di Bab 14. Untuk menunjukkan bahwa (b)(b) tidak lebih kuat daripada (d)(d), buktikan bahwa jika diberikan konfigurasi awal yang terdiri atas 6 titik (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (2,0)(2,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1), (2,1)(2,1), suatu segitiga sama sisi dapat dikonstruksi dengan himpunan (d)(d), lalu terapkan Latihan ke-4 di Bab 19.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.001

Andaikan sebaliknya; yakni, terdapat titik W∈[XY]W\in [XY] sedemikian sehingga W∉▴ABCW\notin\solidtriangle ABC.

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa WW dan AA terletak pada sisi-sisi yang berlawanan terhadap garis (BC)(BC).

Ini menyiratkan bahwa kedua ruas [WX][WX] dan [WY][WY] berpotongan dengan (BC)(BC). Menurut Aksioma II, W∈(BC)W\in (BC) — suatu kontradiksi.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.002

Untuk membuktikan bagian “hanya jika”, perhatikan garis melalui titik sudut yang sejajar dengan sisi di hadapannya.

Untuk membuktikan bagian “jika”, gunakan teorema Pasch (Teorema Pasch di Bab 3).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.003

Andaikan sebaliknya; yakni, andaikan suatu persegi padat 𝒦\mathcal{K} dapat dinyatakan sebagai gabungan koleksi hingga ruas-ruas [A1B1],…,[AnBn][A_1B_1],\dots,[A_nB_n] dan himpunan-himpunan satu titik {C1},…,{Ck}\{C_1\},\dots,\{C_k\}.

Perhatikan bahwa 𝒦\mathcal{K} memuat tak hingga banyaknya ruas yang saling tak sejajar. Oleh karena itu, kita dapat memilih ruas [XY][XY] di dalam 𝒦\mathcal{K} yang tidak sejajar dengan satu pun ruas [A1B1],…,[AnBn][A_1B_1],\dots,[A_nB_n].

Akibatnya, [XY][XY] memiliki paling banyak satu titik persekutuan dengan setiap himpunan [AiBi][A_iB_i] dan {Ci}\{C_i\}. Karena [XY][XY] memuat tak hingga banyaknya titik, kita memperoleh kontradiksi.

Sebagai alternatif, pilih suatu lingkaran Γ\Gamma di dalam 𝒦\mathcal{K}. Perhatikan bahwa Γ\Gamma memuat tak hingga banyaknya titik, tetapi menurut Lema di Bab 5, lingkaran itu hanya memiliki berhingga banyaknya titik potong dengan sebarang himpunan poligonal degenerat.

Perhatikan pula bahwa pernyataan tersebut akan mengikuti Akibat di Bab 20 dan Teorema di Bab 20.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.004

Tunjukkan bahwa di antara himpunan-himpunan elementer, hanya himpunan satu titik yang dapat menjadi himpunan bagian suatu lingkaran. Tinggal diperhatikan bahwa setiap lingkaran memuat tak hingga banyaknya titik.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.005

Misalkan EE menyatakan titik potong garis (BC)(BC) dan (C′D′)(C'D').

Dua jajar genjang dan titik E

Gunakan Proposisi di Bab 20 untuk membuktikan bahwa jajar genjang padat berikut memiliki luas yang sama: ◼ABCD\solidsquare ABCD, ◼AB′ED\solidsquare AB'ED, dan ◼AB′C′D′\solidsquare AB'C'D'.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.006

Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa sudut ABCABC dan BCABCA lancip.

Misalkan A′A' dan B′B' berturut-turut menyatakan titik kaki dari AA dan BB pada (BC)(BC) dan (AC)(AC). Perhatikan bahwa hA=AA′h_A=AA' dan hB=BB′h_B=BB'.

Perhatikan bahwa △AA′C∼△BB′C\triangle AA'C\sim \triangle BB'C; memang, sudut di CC merupakan sudut persekutuan dan sudut di A′A' serta B′B' siku-siku. Secara khusus, AA′BB′=ACBC\frac{AA'}{BB'}=\frac{AC}{BC}, atau secara ekuivalen, hA⋅BC=hB⋅ACh_A\cdot BC=h_B\cdot AC.

Segitiga dengan dua garis tinggi

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.007

Jajar genjang dengan titik tengah M

Tarik garis ℓ\ell melalui MM yang sejajar dengan [AB][AB] dan [CD][CD]; garis ini membagi ◼ABCD\solidsquare ABCD menjadi dua jajar genjang padat yang akan kita nyatakan dengan ◼ABEF\solidsquare ABEF dan ◼CDFE\solidsquare CDFE. Secara khusus,

luas⁡(◼ABCD)==luas⁡(◼ABEF)+luas⁡(◼CDFE).\begin{align*} &\area(\solidsquare ABCD)= \\ &\qquad= \area(\solidsquare ABEF)+\area(\solidsquare CDFE). \end{align*}

Menurut Proposisi di Bab 20 dan Teorema di Bab 20, kita memperoleh

luas⁡(▴ABM)=12⋅luas⁡(◼ABEF),luas⁡(▴CDM)=12⋅luas⁡(◼CDFE)\begin{align*} \area(\solidtriangle ABM)&=\tfrac12\cdot\area(\solidsquare ABEF), \\ \area(\solidtriangle CDM)&=\tfrac12\cdot\area(\solidsquare CDFE) \end{align*}
sehingga diperoleh hasil yang dimaksud.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.008

Misalkan hAh_A dan hCh_C berturut-turut menyatakan jarak dari garis (BD)(BD) ke titik AA dan CC. Menurut Teorema di Bab 20,

luas⁡(▴ABM)=12⋅hA⋅BM;luas⁡(▴BCM)=12⋅hC⋅BM;luas⁡(▴CDM)=12⋅hC⋅DM;luas⁡(▴DAM)=12⋅hA⋅DM.\begin{align*} \area(\solidtriangle ABM)&=\tfrac12\cdot h_A\cdot BM; \\ \area(\solidtriangle BCM)&=\tfrac12\cdot h_C\cdot BM; \\ \area(\solidtriangle CDM)&=\tfrac12\cdot h_C\cdot DM; \\ \area(\solidtriangle DAM)&=\tfrac12\cdot h_A\cdot DM. \end{align*}
Oleh karena itu,
luas⁡(▴ABM)⋅luas⁡(▴CDM)==14⋅hA⋅hC⋅DM⋅BM==luas⁡(▴BCM)⋅luas⁡(▴DAM).\begin{align*} &\area(\solidtriangle ABM)\cdot \area(\solidtriangle CDM)= \\ &\qquad=\tfrac14 \cdot h_A\cdot h_C\cdot DM\cdot BM= \\ &\qquad=\area(\solidtriangle BCM)\cdot \area(\solidtriangle DAM). \end{align*}

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.009

Misalkan II merupakan pusat lingkaran dalam △ABC\triangle ABC. Perhatikan bahwa ▴ABC\solidtriangle ABC dapat disubdivisi menjadi ▴IAB\solidtriangle IAB, ▴IBC\solidtriangle IBC, dan ▴ICA\solidtriangle ICA.

Tinggal menerapkan Teorema di Bab 20 pada setiap segitiga ini dan menjumlahkan hasilnya.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.010

Tetapkan suatu himpunan poligonal 𝒫\mathcal{P}. Tanpa mengurangi keumuman, kita dapat mengandaikan bahwa 𝒫\mathcal{P} merupakan gabungan suatu koleksi hingga segitiga padat. Potong 𝒫\mathcal{P} sepanjang perpanjangan sisi-sisi semua segitiga tersebut; ini membagi 𝒫\mathcal{P} menjadi poligon-poligon konveks. Pemotongan setiap poligon dengan diagonal-diagonal dari satu titik sudut menghasilkan subdivisi menjadi segitiga-segitiga padat.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.011

Dengan mengandaikan a>ba>b, kita telah membagi 𝒦c\mathcal{K}_c menjadi 𝒦a−b\mathcal{K}_{a-b} dan empat segitiga yang kongruen dengan 𝒯\mathcal{T}. Oleh karena itu,

luas⁡𝒦c=luas⁡𝒦a−b+4⋅luas⁡𝒯.\area\mathcal{K}_c=\area\mathcal{K}_{a-b}+4\cdot\area\mathcal{T}. \label{eq:pyth-2}

Menurut Teorema di Bab 20, luas⁡𝒯=12⋅a⋅b\area\mathcal{T}=\tfrac12\cdot a\cdot b. Oleh karena itu, identitas di Bab 20 dapat ditulis sebagai

c2=(a−b)2+2⋅a⋅b.c^2=(a-b)^2+2\cdot a\cdot b.
Dengan menyederhanakannya, kita memperoleh teorema Pythagoras.

Kasus a=ba=b lebih sederhana. Kasus b>ab>a dapat dikerjakan dengan cara yang sama.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.012

Jika XX merupakan titik di dalam △ABC\triangle ABC, maka ▴ABC\solidtriangle ABC disubdivisi menjadi ▴ABX\solidtriangle ABX, ▴BCX\solidtriangle BCX, dan ▴CAX\solidtriangle CAX. Oleh karena itu,

luas⁡(▴ABX)+luas⁡(▴BCX)++luas⁡(▴CAX)=luas⁡(▴ABC).\begin{align*} &\area(\solidtriangle ABX) +\area(\solidtriangle BCX)+ \\ &\qquad+\area(\solidtriangle CAX) =\area(\solidtriangle ABC). \end{align*}

Tetapkan a=AB=BC=CAa=AB=BC=CA. Misalkan h1h_1, h2h_2, dan h3h_3 menyatakan jarak dari XX ke sisi [AB][AB], [BC][BC], dan [CA][CA]. Maka menurut Teorema di Bab 20,

luas⁡(▴ABX)=12⋅h1⋅a,luas⁡(▴BCX)=12⋅h2⋅a,luas⁡(▴CAX)=12⋅h3⋅a.\begin{align*} \area(\solidtriangle ABX)&=\tfrac12\cdot h_1\cdot a, \\ \area(\solidtriangle BCX)&=\tfrac12\cdot h_2\cdot a, \\ \area(\solidtriangle CAX)&=\tfrac12\cdot h_3\cdot a. \end{align*}
Oleh karena itu,
h1+h2+h3=2a⋅luas⁡(▴ABC).h_1+h_2+h_3=\tfrac2a\cdot\area(\solidtriangle ABC).

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.014

Terapkan Klaim di Bab 20 untuk menunjukkan bahwa

luas⁡(▴ABX)luas⁡(▴ABB′)=BXBB′=luas⁡(▴BCX)luas⁡(▴CBB′)\frac{\area(\solidtriangle ABX)}{\area(\solidtriangle ABB')}=\frac{BX}{BB'}=\frac{\area(\solidtriangle BCX)}{\area(\solidtriangle CBB')}
dan, oleh karena itu,
luas⁡(▴ABX)luas⁡(▴BCX)=luas⁡(▴ABB′)luas⁡(▴CBB′)=AB′B′C.\frac{\area(\solidtriangle ABX)}{\area(\solidtriangle BCX)}=\frac{\area(\solidtriangle ABB')}{\area(\solidtriangle CBB')}=\frac{AB'}{B'C}.

Ini menyiratkan identitas pertama; identitas lainnya serupa. Dengan mengalikan semua identitas tersebut, kita memperoleh pernyataan terakhir.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.015 dan o004.petrunin.ex.ch20.015.a dan o004.petrunin.ex.ch20.015.b

Untuk membuktikan (Rujukan di Bab 20), terapkan Klaim di Bab 20 dua kali pada ▴OLiLj\solidtriangle OL_iL_j, ▴OLjMi\solidtriangle OL_jM_i, dan ▴OMiMj\solidtriangle OM_iM_j.

Untuk membuktikan bagian (Rujukan di Bab 20), gunakan Klaim di Bab 20 untuk menulis ulang ruas kiri dengan menggunakan luas ▴OL1L2\solidtriangle OL_1L_2, ▴OL2L3\solidtriangle OL_2L_3, ▴OL3L4\solidtriangle OL_3L_4, dan ▴OL4L1\solidtriangle OL_4L_1. Selanjutnya, gunakan bagian (Rujukan di Bab 20) untuk menulis ulang ungkapan itu dengan luas ▴OM1M2\solidtriangle OM_1M_2, ▴OM2M3\solidtriangle OM_2M_3, ▴OM3M4\solidtriangle OM_3M_4, dan ▴OM4M1\solidtriangle OM_4M_1, lalu terapkan kembali Klaim di Bab 20 untuk memperoleh ruas kanan.

Petunjuk untuk o004.petrunin.ex.ch20.016

Misalkan 𝒫n\mathcal{P}_n dan 𝒬n\mathcal{Q}_n merupakan segi-nn beraturan padat sedemikian sehingga Γ\Gamma terinskripsi dalam 𝒬n\mathcal{Q}_n dan mengelilingi 𝒫n\mathcal{P}_n. Jelas bahwa 𝒫n⊂𝒟⊂𝒬n\mathcal{P}_n\subset\mathcal{D}\subset\mathcal{Q}_n.

Tunjukkan bahwa luas⁡𝒫nluas⁡𝒬n=(cos⁡πn)2\tfrac{\area\mathcal{P}_n}{\area\mathcal{Q}_n}=(\cos\tfrac\pi n)^2; secara khusus,

luas⁡𝒫nluas⁡𝒬n→1ketikan→∞.\frac{\area\mathcal{P}_n}{\area\mathcal{Q}_n}\to 1 \quad \text{ketika} \quad n\to\infty.
Selanjutnya, tunjukkan bahwa luas⁡𝒬n<100\area\mathcal{Q}_n<100 untuk setiap nn yang cukup besar.

Kedua pernyataan ini menyiratkan bahwa

(luas⁡𝒬n−luas⁡𝒫n)→0.(\area\mathcal{Q}_n\z-\area\mathcal{P}_n)\to 0.
Jadi, diperoleh hasil yang dimaksud.