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CAPITULO III LA CIRCUNFERENCIA Definición: Una circunferencia C es el lugar geométrico conformado por el conjunto de puntos P={x,y} ∈ R2, cuyas distancias a un punto fijo son iguales. El punto fijo se llama centro y la distancia constante es el radio. ECUACIONES DE LA CIRCUNFERENCIA: ECUACION ORDINARIA DE LA CIRCUNFERENCIA Tenemos: F0=(h,k) : Centro de la circunferencia C P=(x,y) : Punto generador de la circunferencia C r: radio de la circunferencia C del gráfico: ‖𝐹0𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ = 𝑟 ‖𝑃 − 𝐹0‖ = 𝑟 ‖(𝑥, 𝑦) − (ℎ, 𝑘)‖ = 𝑟 ‖(𝑥 − ℎ, 𝑦 − 𝑘)‖ = 𝑟 √(𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟 (√(𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2)2 = 𝑟2 (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟2 → (Ecuación ordinaria de la circunferencia C) CASOS PARTICULARES DE LA ECUACIÓN ORDINARIA DE UNA CIRCUNFERENCIA CASO I: Circunferencia Tangente al Eje X En este caso |k|=r y la ecuación ordinaria de la circunferencia toma la forma: (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑘2 CASO II: Circunferencia tangente al eje Y En este caso |h|=r y la ecuación ordinaria de la circunferencia toma la forma: (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = ℎ2 CASO III: Circunferencia tangente a ambos ejes coordenados En este caso |h|=|k|=r la ecuación de la circunferencia toma la forma (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑘2 ó (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = ℎ2 ECUACIÓN GENERAL DE LA CIRCUNFERENCIA La ecuación ordinaria de circunferencia es: (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟2 Desarrollando esta ecuación: X2-2hx+h2+y2-2ky+k2-r2=0 Ordenando: X2+y2-2hx-2ky+h2+k2-r2=0…………(*) Sea: 𝐷 = −2ℎ 𝐸 = −2𝑘 } ……………………….(I) Reemplazando (I) en (*): 𝑥2 + 𝑦2 + 𝐷𝑥 + 𝐸𝑦 + 𝐹 = 0 → (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐶) ECUACION DE LA RECTA TANGENTE A UNA CIRCUNFERENCIA Tenemos: 𝐹0 = (ℎ, 𝑘): 𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃1 = (𝑥1, 𝑦1): 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑣𝑒𝑟 𝑞𝑢𝑒:𝑚𝐹0𝑃1̅̅ ̅̅ ̅̅ = 𝑦1 − 𝑘 𝑥1 − ℎ 𝐷𝑒𝑙 𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜: 𝐹0𝑃1̅̅ ̅̅ ̅̅ ⊥ 𝐿𝑇 → 𝑚𝐹0𝑃1̅̅ ̅̅ ̅̅ ×𝑚𝑇 = −1 → 𝑚𝑇 = − 1 𝑚𝐹0𝑃1̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ → 𝑚𝑇 = − (𝑥1−ℎ) (𝑦1−𝑘) La ecuación de la recta tangente la hallamos por punto pendiente: 𝑃1 = (𝑥1, 𝑦1)𝑦 𝑚𝑇 = − (𝑥1 − ℎ) (𝑦1 − 𝑘) Entonces: 𝑦 − 𝑦1 = 𝑚𝑇(𝑥 − 𝑥1) 𝑦 − 𝑦1 = − (𝑥1 − ℎ) (𝑦1 − 𝑘) (𝑥 − 𝑥1) → 𝐿𝑇: (𝑥1 − ℎ)(𝑥 − 𝑥1) + (𝑦1 − 𝑘)(𝑦 − 𝑦1) = 0 Nota: Una recta y una circunferencia al intersectarse dan origen a una ecuación de segundo grado de la forma: 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0 Por lo tanto una recta y una circunferencia tienen 0,1 o 2puntos en común. No tienen ningún punto en común si 𝑏2 − 4𝑎𝑐 < 0, este caso de la recta L1. Tienen exactamente un punto en común si y solo si 𝑏2 − 4𝑎𝑐 = 0, en este caso la recta L es tangente a la circunferencia. Tienen dos puntos en común si y solo si 𝑏2 − 4𝑎𝑐 > 0, en este caso L2es una secante a una circunferencia CUERDA DE CONTACTO Tenemos: Se denomina cuerda de contacto a la recta que une los puntos de contacto de las rectas tangentes trazadas desde un punto exterior 𝑃1 = (𝑥1, 𝑦1) a una circunferencia. La ecuación de la cuerda de contacto es: (𝑥1 − ℎ)(𝑥 − ℎ) + (𝑦1 − 𝑘)(𝑦 − 𝑘) = 𝑟 2 FAMILIA DE CIRCUNFERENCIAS Se presentan dos casos: PRIMER CASO: Familia de circunferencias que dependen de un parámetro. Este caso lo vemos a través de un ejemplo. EJEMPLO: Hallar la ecuación de la familia de circunferencias cuyo centro 𝐹0 = (ℎ, 𝑘) se encuentra en la recta 𝐿1: 𝑦 = 𝑥, 𝑦 es tangente a la recta 𝐿2: 2𝑥 + 𝑦 − 8 = 0. SOLUCIÓN: De acuerdo a los datos tenemos el siguiente gráfico: 𝐹0 = (ℎ, 𝑘) ∈ 𝐿1: 𝑦 = 𝑥 → 𝑘 = ℎ ……………….(I) Del gráfico: 𝑟 = 𝑑(𝐹0, 𝐿2) 𝑟 = |2ℎ+𝑘−8| √5 ……………….(II) Reemplazando (I) en (II): 𝑟 = |3ℎ−8| √5 ………….(III) La ecuación de la ecuación tiene la forma: 𝐶: (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟2…………(*) Reemplazando (I) y (III) en (*): (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = ( |3ℎ−8| √5 ) 2 (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = (3ℎ−8) 5 2 → (𝐹𝑎𝑚𝑖𝑙𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ℎ) De (I) : 𝑘 = ℎ Para h=1: (𝑥 − 1)2 + (𝑦 − 1)2 = 5 Para h=2: (𝑥 + 2)2 + (𝑦 + 2)2 = 196 5 SEGUNDO CASO: Familia de circunferencias que pasan por los puntos de intersección de dos circunferencias Veamos el siguiente gráfico: Sean 𝐶1 𝑦 𝐶2 dos circunferencias (en los puntos R y S) cuyas ecuaciones son: 𝐶1: 𝑥 2 + 𝑦2 + 𝐷1𝑥 + 𝐸1𝑦 + 𝐹1 = 0 𝐶2: 𝑥 2 + 𝑦2 + 𝐷2𝑥 + 𝐸2𝑦 + 𝐹2 = 0 Si multiplicamos a la ecuación de 𝐶2 por un parámetro t y lo sumamos a la ecuación de 𝐶1 tenemos: 𝐶: 𝑥2 + 𝑦2 + 𝐷1𝑥 + 𝐸1𝑦 + 𝐹1 + 𝑡(𝑥 2 + 𝑦2 + 𝐷2𝑥 + 𝐸2𝑦 + 𝐹2) = 0 Esa es una familia de circunferencia que dependen de un parámetro L. Veamos si está bien definido: 𝑥2 + 𝑦2 + 𝐷1𝑥 + 𝐸1𝑦 + 𝐹1⏟ 0 + 𝑡 (𝑥2 + 𝑦2 + 𝐷2𝑥 + 𝐸2𝑦 + 𝐹2)⏟ 0 = 0 → 0+ 𝑡(0) = 0 → 0 = 0 (Verdadero) Entonces la familia de circunferencias que pasan por los puntos de intersección de dos circunferencias están bien definidas. EJEMPLO: Hallar la ecuación de una circunferencia de radio 𝑟 = 5√2 2 y que pase por la intersección de las circunferencias: 𝐶1: 𝑥 2 + 𝑦2 + 2𝑥 − 6𝑦 − 16 = 0 y 𝐶2: 𝑥 2 + 𝑦2 − 6𝑥 + 2𝑦 = 0 SOLUCIÓN: Por la familia de circunferencias, la ecuación de la circunferencia C que pasa por la intersección de 𝐶1 y 𝐶2 es: 𝐶: 𝑥2 + 𝑦2 + 2𝑥 − 6𝑦 − 16 + 𝑡(𝑥2 + 𝑦2 − 6𝑥 + 2𝑦) 𝑥2 + 𝑦2 + 2𝑥 − 6𝑦 − 16 + 𝑡𝑥2 + 𝑡𝑦2 − 6𝑡𝑥 + 2𝑡𝑦 (1 + 𝑡)𝑥2 + (2 − 6𝑡)𝑥 + (1 + 𝑡)𝑦2 + (2𝑡 − 6)𝑦 = 16 𝑥2 + 2 (1−3𝑡) 1+𝑡 𝑥 + 𝑦2 + 2 (𝑡−3) 1+𝑡 𝑦 = 16 (1+𝑡) [𝑥2 + 2 (1−3𝑡) 1+𝑡 𝑥 + (1−3𝑡)2 (1+𝑡)2 ] + [𝑦2 + 2 (𝑡−3) 1+𝑡 𝑦 + (𝑡−3)2 (1+𝑡)2 ] = 16 (1+𝑡) + (1−3𝑡)2 (1+𝑡)2 + (𝑡−3)2 (1+𝑡)2 Tenemos que: 𝑟 = 5√2 2 → 𝑟2 = 25 2 Comparando tenemos que: 16(1+𝑡)+(1−3𝑡)2+(𝑡−3)2 (1+𝑡)2 = 25 2 16+16𝑡+1−6𝑡+9𝑡2+𝑡2−6𝑡+9 (1+𝑡)2 = 25 2 10𝑡2+4𝑡+26 (1+𝑡)2 = 25 2 20𝑡2 + 8𝑡 + 52 = 25 + 50𝑡 + 25𝑡2 5𝑡2 + 42𝑡 − 27 = 0 (5𝑡 − 3)(𝑡 + 9) = 0 → 𝑡 = 3 5 , 𝑡 = −9 Hay dos soluciones: Para t = 3 5 en (*) : [𝑥 + 1− 9 5 1+ 3 5 ] 2 + [𝑦 + 3 5 −3 1+ 3 5 ] 2 = 25 2 (𝑥 − 1 2 ) 2 + (𝑦 − 3 2 ) 2 = 25 2 ( Primera solución ) Para t = -9 en (*) : [𝑥 + 1+27 1−9 ] 2 + [𝑦 + −9−3 1−9 ] 2 = 25 2 [𝑥 − 7 2 ] 2 + [𝑦 + 3 2 ] 2 = 25 2 ( Segunda Solución ) PROBLEMAS RESUELTOS Problema 1: En un triángulo DEF (sentido horario) obtuso en F ,donde 𝐷𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ = (5,5 ) se trazan las alturas 𝐷𝐻̅̅ ̅̅ ∧ 𝑃𝐵̅̅ ̅̅ relativa a los lados 𝐸𝐹̅̅ ̅̅ ∧ 𝐷𝐹̅̅ ̅̅ respectivamente tal que 𝐸𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝐷𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ , por Q punto medio de 𝐷𝐸⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ se traza 𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗ tal que 𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 2𝐸𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ , L es una circunferencia que pasa por G,H ∧ E si 𝑄𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ ∕∕ (3,1 ) ∧ A = (4,12 ), determinar la ecuación general de L Solución: Tenemos que : 𝑄𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ ∕∕ (3,1 ) ∕∕ 𝐷𝐻⃗⃗⃗⃗⃗⃗ Pero : 𝐷𝐻⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 2 𝑄𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ También : 𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 2𝐻𝐹⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ = 𝐻𝐸⃗⃗⃗⃗⃗⃗ Tenemos que : 𝑚𝐷𝐻 = 1 3 , 𝑚𝐷𝐹 = 1 Entonces: TAN 𝜃 = 𝑚𝐷𝐹−𝑚𝐷𝐻 1+ 𝑚𝐷𝐹+𝑚𝐷𝐻 TAN 𝜃 = 1− 1 3 1+ 1 3 = = 2 3 4 3 = 1 2 TAN 𝜃 = 1 2 También : ‖𝐷𝐹‖= 5√2 SEN 𝜃 = ‖𝐻𝐹‖ ‖𝐷𝐹‖ ‖𝐻𝐹‖ = ‖𝐷𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗‖SEN 𝜃 ‖𝐻𝐹‖ = 5√2 . 1 √5 = 5√10 5 = √10 ‖𝐻𝐹‖ = √10 Pero : ‖𝑄𝐴‖ = 2‖𝐻𝐹‖ = 2√10 Luego: 𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗ = ‖𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ . 𝜇𝑄𝐴⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑄𝐴 ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = 2√10 . (−1,3 ) √10 A – Q = (−2,6 ) Q = A - (−2,6 ) Q = (4,12 ) - (−2,6 ) Q = (6,6 ) También: COS 𝜃 = ‖𝐷𝐻‖ ‖𝐻𝐹‖ → ‖𝐷𝐻‖ = ‖𝐻𝐹‖ COS 𝜃 ‖𝐷𝐻‖ = 5√2 = 2 5 = 5√2 (2√5) 5 ‖𝐷𝐻‖ = 5√10 → ‖𝑄𝐹‖ = ‖𝐷𝐻‖ 2 = √10 Luego: 𝑄𝐹̅̅ ̅̅ = √10 . (3,1) √10 F – Q = (3,1) F = Q + (3,1) F = (6,6) + (3,1) F = (9,7) Entonces: 𝐷𝐹⃗⃗⃗⃗ ⃗ = (5,5) 𝐹 − 𝐷 = (5,5) 𝐷 = 𝐹 − (5,5) 𝐷 = (9,7) − (5,5) 𝐷 = (4,2) También: 𝐻𝐹⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ = ‖𝐻𝐹⃗⃗ ⃗⃗ ⃗‖𝜇 𝐻𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐻𝐹⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ = √10 (−1,3) √10 𝐹 − 𝐻 = (−1,3) 𝐻 = 𝐹 − (−1,3) 𝐻 = (9,7) − (−1,3) 𝐻 = (10,4) F es punto medio de 𝐻𝐸⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ; entonces: 𝐹 = 𝐸 + 𝐻 2 𝐸 = 2𝐹 − 𝐻 𝐸 = (18,14) − (10,4) 𝐸 = (8,10) También: ‖𝐻𝐹⃗⃗ ⃗⃗ ⃗‖ = ‖(𝐻𝐸⃗⃗⃗⃗⃗⃗ )‖ 2 = √10 En el ∆𝐸𝐹𝐺: 𝑠𝑒𝑛𝜃 = ‖𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ ‖𝐹𝐸⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ ‖𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ = ‖𝐹𝐸⃗⃗⃗⃗ ⃗‖𝑠𝑒𝑛𝜃 ‖𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ = √10 1 √5 ‖𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗‖ = √2 Luego: 𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗ = ‖𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗‖𝜇 𝐹 𝐺 𝐹𝐺⃗⃗⃗⃗ ⃗ = √2 (1,1) √2 𝐺 − 𝐹 = (1,1) 𝐺 = (1,1) + (9,7) 𝐺 = (10,8) Hallaremos la ecuación de la circunferencia que pasa por 𝐺 = (10,8),𝐻 = (10,4), 𝐸 = (8,10). Sea la ecuación de la circunferencia ℓ: 𝑐: 𝑥2 + 𝑦2 + 𝐷𝑥 + 𝐸𝑦 + 𝐹 = 0 Tenemos que: 𝐺 = (10,8)𝜖 ℓ ⇒ 102 + 82 + 10𝐷 + 8𝐸 + 𝐹 = 0 ⇒ 10𝐷 + 8𝐸 + 𝐹 = −164………… . . (𝛼) 𝐻 = (10,4)𝜖 ℓ ⇒ 102 + 42 + 10𝐷 + 4𝐸 + 𝐹 = 0 ⇒ 10𝐷 + 4𝐸 + 𝐹 = −116………… . . (𝛽) 𝐸 = (8,10)𝜖 ℓ ⇒ 82 + 102 + 8𝐷 + 10𝐸 + 𝐹 = 0 ⇒ 8𝐷 + 10𝐸 + 𝐹 = −164………… . . (𝛿) De (𝛼) ∧ (𝛽): (−1)10𝐷 + 8𝐸 + 𝐹 = −164 (1) 10𝐷 + 4𝐸 + 𝐹 = −116 −4𝐸 = 48 𝐸 = −12 Reemplazando: E=-12 en (𝛼) ∧ (𝛿) En (𝛼): 10𝐷 − 96 + 𝐹 = −164 ⇒ 10𝐷 + 𝐹 = −68…… . (𝐼) En (𝛿): 8𝐷 − 120 + 𝐹 = −164 ⇒ 8𝐷 + 𝐹 = −44…… . . (𝐼𝐼) De (I) Y (II): 10𝐷 + 𝐹 = −68 8𝐷 + 𝐹 = −44 2𝐷 = −24 ⇒ 𝐷 = −12 Reemplazando: D=-12 en (I): −120 + 𝐹 = −68 𝐹 = 52 La ecuación de la circunferencia C para D=-12, E=-12 y F=52, tenemos: 𝑥2 + 𝑦2 − 12𝑥 − 12𝑦 + 52 = 0 𝐿: (𝑥 − 6)2 + (𝑦 − 6)2 = 20 Problema 3: Desde el punto A=(k,2) con k < o, se trazan unas rectas tangentes a la circunferencia x2 + y2 – 2x – 1 = 0;el segmento determinado por el punto de tangencia y el punto A mide 3√2. Hallar las ecuaciones de las rectas tangentes. SOLUCION Sea la circunferencia En el APC: ‖AC̅̅̅̅ ‖2= (3√2)2 +(√2)2 ‖AC̅̅̅̅ ‖2 = 9(√2)2 +(√2)2 ‖AC̅̅̅̅ ‖2 = 18 + 2 ‖AC̅̅̅̅ ‖2 = 20 ………. (I) Pero: ‖AC̅̅̅̅ ‖2= (k – 1)2 + (2)2 ………………(II) Igualando (I) y (II): (k – 1)2 + 4=20 k2 – 2k + 1 + 4 – 20 = 0 k2 – 2k – 15 = 0 (k – 5)(k + 3) = 0 => k=5, k= 3 Tomamos k= 3(k<0) => A=(3,2) Las ecuaciones de las rectas tangentes a la circunferencia tendrán la forma: L1 : y = mx + b ……………..….. (α) Pero A=(3,2) ϵ L1 => 2 = 3m + b => b = 3m +2 ……….. (β) Reemplazando (β) en (α): L1: y=mx + 3m +2 …………………….…. (III) Reemplazando (III) en (Ɵ): x2 + (mx + 3m +2)2 – 2x – 1 = 0 x2 + (mx + 3m)2 + 4 (mx + 3m) + 4 – 2x – 1 = 0 x2 + m2x2 + 6m2x + 9m2 + 4mx + 12m + 3 – 2x= 0 (m2 + 1)x2 + (6m2 + 4m - 2)x + 9m2 + 12m + 3= 0 Por condición de tangente: (6m2 + 4m - 2)2 = 4(m2 + 1)( 9m2+ 12m + 3) 4(3m2 + 2m – 1)2 = 4(m2 + 1)( 9m2+ 12m + 3) (3m2+2m)2 – 2(3m2 + 2m) + 1 = 9m4 + 12m3 + 3m2 + 9m2 + 12m + 3 9m4+12m3+4m2 – 6m2 – 4m + 1 = 9m4 + 12m3 + 3m2 + 9m2 + 12m + 3 2m2 – 4m+1 = 12m2 +12m + 3 14m2 + 16m + 2=0 7m2 + 8m + 1=0 (7m2+1)(m+1)=0 => m= − 1 7 ,m= -1 Las ecuaciones de las rectas tangentes son: Para m= − 1 7 en (III): y= − 1 7 x – 3 7 + 2 7y= x – 3 + 14 7y= x + 11 x + 7y – 11=0 => (ecuación LT1) Para m = -1 en (III): y = -x – 3 + 2 y = x – 1 x + y + 1=0 ⇒ (ecuación LT2)
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