Probabilidades en la circunferencia.

Vamos allá con este problema que se me ocurrió este fin de semana, motivado por una conversación de coche, de esas que te picas, te picas… y tienes que resolverlo, claro está.

El enunciado es éste:

Colocamos tres puntos al azar sobre una circunferencia de radio R. ¿Qué probabilidad hay de que formen un triángulo acutángulo?

NOTA: es el mismo problema que suponer “dados dos puntos sobre una circunferencia, ¿qué probabilidad hay de que al colocar un tercero se forme un triángulo acutángulo?

SOLUCIÓN: HAY DOS FORMAS, QUE EN EL FONDO SON LA MISMA, LA COMPLEJA Y LA SIMPLIFICADA.

SOLUCIÓN COMPLEJA:

Partimos de la construcción siguiente: dada la circunferencia colocamos al azar los dos primeros puntos, vértices del triángulo.

circulo1

Vamos a ir al caso límite para colocar el vértice que queda, A. Para ello, hay que procurar que se forme un ángulo menor que 90º en B o C dados, al unirse con A. Entonces construimos el andamiaje necesario para “acotar” esta posibilidad, levantando perpendiculares por C y B:

circulo2

La zona válida es el arco que va desde G hasta E. Es decir, la zona marcada en rojo. Esa será la solución. Cualquier punto A en esa zona genera ángulos en C y B que serán menores que 90º.

Se puede comprobar por ejemplo en esta imagen (el gif hecho por Geogebra es una animalada de 8 Mb).

circulo3

Alguien puede pensar  “Bueno, sí, ahí el ángulo de B y C es menor que 90º, pero. ¿Qué pasa con el otro vértice?

La respuesta es que NO pasa nada. Es un ángulo inscrito. Y ese ángulo inscrito valdrá la mitad que el ángulo central que abarca el arco desde B hasta C. Como ese central es claramente menor de 180º, el inscrito será también menor que 90º.

Precisamente por eso la solución NO incluye el arco “corto” entre C y B. Porque ahí el ángulo inscrito SÍ que es mayor que 90º y el triángulo formado sería obtusángulo.

Queda hacer cuentas. Qué probabilidad representa esa zona roja. Llamemos “d” a la distancia entre los dos vértices que hemos colocado primero. Coloquemos algunos ángulos y echemos cuentas

circulo4

Como se puede apreciar beta=180-2(alfa) lo que conlleva que la zona de aceptación (la zona favorable) sea de esos ángulos precisamente. Como hay en total 360º donde colocar el vértice A del triángulo, entonces la probabilidad es:

circulo5

Con el ángulo alfa siempre entre (0 y 90º). Hay un caso especial, que ésta fórmula por tanto no contempla, que es cuándo alfa es cero. Ello conlleva que C y B serán diametralmente opuestos y por tanto el ángulo que forme A con ellos será de 90º por ser el central un ángulo llano. En ese caso, la probabilidad de que formen un triángulo acutángulo es de cero.

Buscamos poner esta expresión en función de “d”, distancia entre dos vértices Cy B y “r”, el radio. Tirando de trigonometría básica es sencillo llegar a que:

circulo6

Dando la expresión en radianes.

CONSTRUCCIÓN SENCILLA/SIMPLIFICADA.

Basta con considerar la figura que se forma al colocar dos puntos C y B al azar y trazar sus diámetros. Después sólo hay que pensar a la hora de analizar dónde debe caer el tercer vértice A. Analicemos la figura:

circulo7

Pensemos que el ángulo inscrito de centro en C que abarque de B a F será de 90º porque el ángulo central que abarca es de 180º.Entonces, si coloco el vértice A entre F y B tendré un ángulo más abierto que ese, luego será de más de 90º (colocad un punto cualquiera debajo de C veréis cómo el ángulo de centro C que una B con A será más de 90º). Luego esa zona no vale.

Alternativamente, tampoco vale la zona de C a D por análogo razonamiento, pero esta vez considerando cómo sería el ángulo centrado en B. Dicho ángulo es de 90º si abarca desde D hasta C, y será mayor si va a un punto colocado entre C y D.

Por tanto en las zonas siguientes marcadas en rojo NO se formará un triángulo acutángulo y por tanto en la zona verde es donde SÍ que se formará dicho triángulo:

circulo8

A partir de ahí el razonamiento de cálculo es el mismo. El ángulo central del sector verde vale beta=180-2(alfa) y se llega a la misma solución que con el método anterior (en el fondo es el mismo, razonando más y dibujando menos).

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