La geometría euclidiana y, en particular, la geometría plana, está repleta de hermosos y sorprendentes teoremas, que suelen venir acompañados de diagramas con mucho encanto, como el teorema de Napoleón (véase la entrada Variaciones artísticas del teorema de Napoleón), el teorema de van Aubel (véase la entrada Una pequeña joya geométrica: el teorema de van Aubel), el teorema de Viviani (cuya demostración sin palabras podéis admirar en la entrada Teoremas geométricos sin palabras: Viviani), el teorema de la circunferencia de Conway (un moderno resultado geométrico del que podéis leer en la entrada Teoremas geométricos sin palabras: Conway), el teorema de Marion (véase la entrada El teorema de Marion (Walter)), el teorema de la bandera británica (véase la entrada El teorema de la ikurriña), o el mismísimo teorema de Pitágoras (véase la entrada Pitágoras sin palabras), entre muchos otros.

Existen muchos otros fascinantes teoremas geométricos del plano. En esta entrada del Cuaderno de Cultura Científica vamos a hablar de uno especialmente interesante y atractivo, que ha cautivado a muchas personas, en particular, del ámbito de las matemáticas, a lo largo del siglo XX (no es un teorema antiguo). Durante este tiempo se han desarrollado una cantidad importante de diferentes demostraciones, muchas de ellas de la mano de grandes matemáticos, como el matemático francés, que recibió la Medalla Fields en 1982, Alain Connes (1947), el matemático húngaro Béla Bollobás (1943), el matemático, físico y científico de la computación Edsger W. Dijkstra (1930-2002), el prolífico e imaginativo matemático británico John H. Conway (1937-2020), creador del autómata celular denominado el juego de la vida, o el matemático y físico matemático británico Roger Penrose (1931), que recibió el Premio Nobel de Física en 2020, entre muchos otros. Es el teorema de Morley, que debe su nombre al matemático británico, que vivió gran parte de su vida en Estados Unidos, Frank Morley (1860-1937), relacionado con las trisectrices de un triángulo cualquiera.

El teorema de las trisectrices de Morley

Antes de nada, enunciemos la versión simple del teorema de Morley, que es un resultado geométrico de una especial sencillez en su enunciado, pero de una gran profundidad en su significado.

Teorema de Morley (1899): Los puntos de intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos de un triángulo cualquiera, son los vértices de un triángulo equilátero.

Expliquémoslo brevemente. Partimos de un triángulo ABC cualquiera, como el que vemos en la siguiente imagen.

A continuación, en cada uno de los tres ángulos del triángulo ABC se trazan las trisectrices, es decir, las dos rectas que dividen al ángulo en tres ángulos iguales, como se muestra en la siguiente imagen.

Alguien, al leer que estamos tomando las trisectrices de un ángulo, podría pensar que esto no es posible. La confusión puede venir del hecho de que hay tres problemas clásicos de la matemática griega, la cuadratura del círculo, la trisección de un ángulo y la duplicación de un cubo, que no tienen solución, pero solo si esta solución se intenta construir “con regla y compás”, que son los instrumentos clásicos de la matemática griega (véase, por ejemplo, el artículo Los tres problemas clásicos, de Santiago Fernánez, o el libro Historia de las matemáticas, de Carl B. Boyer).

A continuación, se toman los tres puntos que son la intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos del triángulo ABC, que en la imagen hemos denominado E, F y G.

Entonces, el teorema de Morley establece que el triángulo EFG, cuyos vértices son los puntos de intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos del triángulo ABC, es un triangulo equilátero, es decir, con los tres lados iguales (así como sus ángulos, de 60 grados). A este triángulo equilátero se le llama “triángulo de Morley”.

Si en lugar de tomar las trisectrices de los ángulos interiores del triángulo, se toman las trisectrices de los ángulos exteriores, se forma otro triángulo equilátero. Antes de mostrar este resultado, recordemos cuales son los ángulos exteriores de un triángulo.

Por lo tanto, también sería cierto el teorema de Morley para ángulos exteriores, es decir, que los puntos de intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos exteriores de un triángulo cualquiera, son los vértices de un triángulo equilátero.

La historia del teorema de Morley

Como se comentaba al principio de esta entrada del Cuaderno de Cultura Científica, el teorema de Morley debe su normbre al matemático británico, afincado en Estados Unidos, Frank Morley (1860-1937).

Aunque de origen británico, Frank Morley, graduado en el King’s College de la Universidad de Cambridge en 1884, emigró a Estados Unidos en 1887, donde fue contratado en el Haverford College, en centro cuáquero de Pensilvania. Como se puede leer en el obituario de la American Mathematical Society, Frank Morley, In memoriam, en 1889 se casó con la británica Lilian Janet Bird y tuvieron tres hijos, el periodista y escritor Christopher Morley, autor de novelas como La librería ambulante, La librería encantada o Kathleen, que pueden leerse en las ediciones en castellano de la editorial Periférica, el periodista, ganador del Premio Pulitzer, Felix Morley, y el matemático Frank Vigor Morley, que publicaría con su padre el libro Inversive Geometry.

Tras su periodo en el Haverford College, en 1900 se trasladó a la Universidad Johns Hopkins, en Baltimore (Maryland), donde dirigió el departamento de matemáticas hasta que se jubiló en 1928, siendo además editor de su prestigiosa revista, American Journal of Mathematics, de 1900 a 1920. Fue miembro de la New York Mathematical Society (fundada en 1888) y su sucesora la American Mathematical Society, donde ocupó varios cargos, entre ellos su presidencia. Entre sus publicaciones destacan los libros A Treatise on the Theory of Functions (Macmillan, 1893) y Introduction to the Theory of Analytic Functions (Macmillan, 1898).

En 1900, Frank Morley publicó su excepcional artículo On the Metric Geometry of the Plane n-line, en el primer número de la revista Transactions of the American Mathematical Society, en el que desmuestra varios resultados sobre el comportamiento de las n-líneas en el plano. Aunque en este artículo, como era normal en esa época, no se estructuraba en la forma actual de teorema/demostración. Inmerso dentro del contenido de este brillante artículo estaba enuciado el conocido como “teorema de Morley” (los puntos de intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos de un triángulo cualquiera, son los vértices de un triángulo equilátero), más aún su teoría consideraba 18 casos de triángulos equiláteros “de Morley”. Uno de los casos cuando se consideran las trisectrices de los ángulos interiores (el primero de los casos analizados en esta entrada, el teorema de Morley en su versión simple y clásica), otro de los casos cuando se consideran las trisectrices de los ángulos exteriores (el otro triángulo equilátero de Morley, más grande, visto arriba) y los casos, no mencionados aún, de cuando se mezclan las trisectrices de dos angulos exteriores y uno interior (un ejemplo con los tres triángulos equiláteros exteriores que aparecen ahora se muestra en la siguiente imagen), siendo los demás casos más complejos.

El geómetra Frank Morley era completamente consciente de este resultado, el conocido como teorema de Morley, en su versión simple, y con los 18 triángulos equiláteros en su versión completa, que era parte de una teoría más global, sin embargo, no publicó el enunciado del teorema de forma explícita y separada, ni ofreció una demostración del mismo. Aunque sí lo menciónó en sus comunicaciones privadas, en particular, sus cartas a sus amigos, como las que escribió en 1904 al matemático británico Herbert William Richmond (1863-1948) y al físico y matemático británico Sir Edmund Taylor Whittaker (1873-1956).

La primera vez que se publica el teorema de Morley es en forma de problema, presentado por E. J. Ebden, en la revista británica The Educational Times (revista que se publicó entre 1847 y 1923, cuando se convirtió en la revista Education Today), como el problema 16381 (que se muestra en la siguiente imagen), en 1908; así como, el mismo año, presentado por T. Delahaye y H. Lez, en la revista belga Mathesis (que se publicó entre los años 1881 y 1915), como problema 1655.

La primera solución al problema 16381 de The Educational Times fue dada por M. Satyanarayana ese mismo año, en julio, mientras que el problema había sido publicado en febrero. En la siguiente imagen vemos la solución mencionada. Mientras que los mismos T. Delahaye y H. Lez, publicaron la solcuión al problema 1655 en la revista belga Mathesis.

La siguiente demostración conocida es la del matemático indio Mandyam T. Naraniengar (1871-1940), que sería presidente de la Indian Mathematical Society (1930-1932), así como editor de la revista Journal of the Indian Mathematical Society (1909-1927), publicada en Mathematical Questions and Solutions, from The Educational Times, en 1909.

Por otra parte, la solución completa del teorema de Morley, considerando los casos de los 18 triángulos equilateros, fue publicada en 1913, en el artículo The six trisectors of each of the angles of a triangle, de la revista Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society, por los matemáticos F. Glanville Taylor y W. L. Marr, que lo reconocían como un resultado de Frank Morley.

Desde entonces, se han publicado muchas demostraciones del teorema de Morley.

Una demostración del teorema de Morley

Existen muchas demostraciones diferentes del teorema de las trisectrices de Morley, también conocido como el teorema del milagro de Morley, pruebas geométricas, trigonométricas o algebraicas, algunas bastante técnicas, otras de ideas más sencillas y algunas de una gran belleza, como la demostración del matemático británico John H. Conway. En la página Cut the knot [https://www.cut-the-knot.org/], del matemático Alexander Bogomolny, podéis encontrar veintisiete pruebas diferentes, más otras tres que no son válidas.

Vamos a terminar esta entrada con una pequeña idea de la demostración clásica de Naraniengar del teorema de Morley. Recordemos que queremos demostrar que “los puntos de intersección de las trisectrices adyacentes de los ángulos de un triángulo cualquiera, son los vértices de un triángulo equilátero”.

En primer lugar, Naraniengar demuestra el siguiente lema técnico.

Lema: Si cuatro puntos Y’, Z, Y, Z’ satisfacen las condiciones

i) Y’Z = ZY = YZ’

ii) ángulo(YZY’) = ángulo (Z’YZ) = 180º – 2 (alpha) > 60º,

entonces los cuatro puntos Y’, Z, Y, Z’ están en una misma circunferencia. Además, si un punto A, en el lado contrario al punto Y respecto a la recta Y’Z’, está colocado tal que ángulo(Y’AZ’) = 3 (alpha), entonces el quinto punto A también está en la misma circunferencia.

En segundo lugar, dado un triángulo cualquiera ABC, con ángulos internos iguales a 3 (beta), en B, y a 3 (gama), en C, como en la siguiente imagen, se consideran los dos pares de trisectrices de los ángulos en B y C, y sus intersecciones en los puntos U y X.

Si ahora tomamos el triángulo BCU, entonces los ángulos en B y C son bisecados por las rectas BX y CX, por lo tanto X es el incentro del triángulo BCU (recordemos que el incentro es el punto en el que se cortan las tres bisectrices de sus ángulos internos). En consecuencia, la recta UX biseca el ángulo en U.

Ahora se construyen los puntos Y y Z que están en los segmentos CU y BU, tales que los segmentos XY y XZ forman un ángulo de 30 grados con el segmento XU en lados opuestos, como en la imagen. Lo que nos lleva a que los triángulos UXY y UXZ son semejantes, los segmentos XY y XZ son iguales, y el ángulo en X es de 60 grados. Por lo tanto, el triángulo XYZ es un triángulo equilátero.

La última parte de la demostración de Naraniengar consiste en demostrar que Z e Y son precisamente las otras dos intersecciones de las trisectrices de A con las trisectrices de B y C adyacentes, de esta manera el triángulo central descrito por el teorema de Morley sería XYZ, que ya sabemos que es equilátero. Para ello se utilizará el lema técnico. Lo primero que hacemos es definir los puntos Y’ y Z’ de la siguiente forma. Sobre el segmento BA consideramos el punto Y’ tal que BY’ = BX, mientras que sobre el segmento CA consideramos el punto Z’ tal que CZ’ = CX. Entonces, por semejanza de triángulos, se observa fácilmente que

Y’Z = ZX = ZY = YX = YZ’.

Por otra parte, comparándo los ángulos alrededor de Z y alrededor de Y, se puede observar que los ángulos implicados ángulo(YZY’) y ángulo (Z’YZ) son iguales y de la forma 180º – 2 (alpha) > 60º.

Finalmente, aplicando el lema técnico. Entonces, como las cuerdas Y’Z, ZY y YZ’ son iguales, también lo son los tres ángulos que determinan en A, luego las líneas AZ y AY son trisectrices del ángulo en A. De esta forma, se concluye que los puntos X, Y, Z son las intersecciones de las trisectrices adyacentes de los ángulos del triángulo ABC que forman un triángulo, como ya se ha probado al principio, equilátero. Y queda demostrado el teorema de Morley.

En una próxima entrada disfrutaremos de la hermosa demostración del teorema de Morley propuesta por el matemático británico John H. Conway.

Bibliografía

1.- David Wells, The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry, Penguin, 1991.

2.- Martin Gardner, Nuevos pasatiempos matemáticos, Alianza editorial, 2018.

3.- H. S. M. Coxeter and S. L. Greitzer, Geometry Revisited, Mathematical Association of America, 1967.

4.- C. O. Oakley, J. C. Baker, The Morley Trisector Theorem, American Mathematical Monthly 85, pp. 737-745, 1978.

Sobre el autor: Raúl Ibáñez es profesor del Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU y colaborador de la Cátedra de Cultura Científica