Área de um triângulo

1. Considere-se um triângulo esférico \(T\) contido numa semi-esfera.

Sabe-se que:

Considerando os três vértices do triângulo, temos seis biângulos dos quais três intersectam-se no interior do triângulo e os outros três biângulos intersectam-se no interior do triângulo antípoda. Na região esférica restante, os seis biângulos são disjuntos dois a dois.

Sejam \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) as amplitudes em radianos dos ângulos internos do triângulo que são também as amplitudes dos seis biângulos. Temos que a soma da área dos seis biângulos é igual à área da esfera acrescida do dobro da área do triângulo esférico, \(A_{T}\), e do dobro da área do seu antípoda. Como a área de \(T\) é igual à àrea do seu antípoda, obtemos:

\[\begin{array}{lrlll}
& 2\times(2\alpha r^{2}+2\beta r^{2}+2\gamma r^{2}) & = & 4\pi r^{2}+2\times2A_{T} & \Leftrightarrow\\
& 4r^{2}\left(\alpha+\beta+\gamma\right) & = & 4\pi r^{2}+4A_{T} & \Leftrightarrow\\
& r^{2}\left(\alpha+\beta+\gamma\right)-\pi r^{2} & = & A_{T} & \Leftrightarrow\\
& A_{T} & = & \left(\alpha+\beta+\gamma-\pi\right)r^{2}&.
\end{array}\]

Se as amplitudes \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) forem dadas em graus, temos a fórmula \[A_{T}=\left(\alpha+\beta+\gamma-180\right)\frac{\pi}{180}r^{2}\ .\]

2. Considere-se um triângulo esférico \(T\) que não está contido numa semi-esfera. Os seus lados e vértices definem outro triângulo com área menor que denominamos de triângulo complementar, \(T_{C}\), do triângulo \(T\). A área do triângulo esférico \(T\) pode ser calculada através da diferença entre a área da esfera e a área de \(T_{C}\). Como \(T_{C}\) está contido numa semi-esfera, podemos usar a fórmula obtida no ponto anterior para calcular a área de \(T_{C}\).

Sejam \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) as amplitudes em radianos dos ângulos internos do triângulo \(T\) e \(a\), \(b\) e \(c\) as amplitudes em radianos dos ângulos internos do triângulo \(T_{C}\).

Sabe-se que:

Assim, a área de \(T\) é dada por:

\[\begin{array}{lrlll} & A_{T} & = & 4\pi r^{2}-A_{T_{c}} & \Leftrightarrow\\ & & = & 4\pi r^{2}-\left(a+b+c-\pi\right)r^{2} & \Leftrightarrow\\ & & = & \left(5\pi-a-b-c\right)r^{2} & \Leftrightarrow\\ & & = & \left(2\pi-a+2\pi-b+2\pi-c-\pi\right)r^{2} & \Leftrightarrow\\ & & = & \left(\alpha+\beta+\gamma-\pi\right)r^{2} & . \end{array}\]

Se as amplitudes \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) forem dadas em graus, temos \[A_{T}=\left(\alpha+\beta+\gamma-180\right)\frac{\pi}{180}r^{2}\ .\]

Portanto, a área de um triângulo esférico é directamente proporcional ao seu excesso angular.

Este resultado é conhecido como o Teorema de Girard, por ter sido publicado pela primeira vez, em 1629, num trabalho do matemático flamengo Albert Girard (1595-1632). Contudo, há indícios de que uma regra muito semelhante tenha sido encontrada, em 1603, pelo matemático e astrónomo inglês Thomas Harriot (1560-1621). A prova apresentada acima é baseada numa prova do famoso matemático Leonhard Euler (1707-1783), que demonstrou este resultado de uma forma mais simples que Girard. (Rosenfeld, 1976 [5]).