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Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 84 Capítulo7: CÓNICAS Lugar geométrico Definición: Conjunto de puntos 𝑃(𝑥, 𝑦) en el plano que cumplen con una misma propiedad o condición geométrica. Se dice que dos puntos equidistan a otro si la distancia entre ellos y el punto es la misma. Ejemplo: ¿Los puntos 𝐴(−2,1) y 𝐵(1, −3) equidistan del punto 𝑃 (3, 13 8 )? Desarrollo 𝑑(𝐴, 𝑃) = √(−2 − 3)2 + (1 − 13 8 ) 2 = 5 8 √65 𝑑(𝐵, 𝑃) = √(1 − 3)2 + (−3 − 13 8 ) 2 = 5 8 √65 Como 𝑑(𝐴, 𝑃) = 𝑑(𝐵, 𝑃) entonces los puntos 𝐴 y 𝐵 equidistan al punto 𝑃. (Ver gráfico 1) Circunferencia Definición: Es el lugar geométrico de los puntos en el plano que equidistan de un punto fijo llamado centro 𝐶. La distancia del centro a cualquier punto 𝑃 de la circunferencia se denomina radio de la circunferencia r. Circunferencia en el plano xy Sea 𝐶(ℎ, 𝑘)el centro de la circunferencia y 𝑃(𝑥, 𝑦) un punto cualquiera de la circunferencia (ver gráfico 2). 𝑑(𝑃, 𝐶) = 𝑟 (1) por definición de circunferencia. 𝑑(𝑃, 𝐶) = √(𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 (2) por distancia entre puntos De (1) y (2) se cumple que √(𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟 elevando al cuadrado ambos miembros obtenemos la ecuación de la circunferencia de centro 𝐶(ℎ, 𝑘) (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟2 (3) gráfico 2: Circunferencia de centro 𝑪(𝒉, 𝒌) y radio r Es decir, la ecuación de una circunferencia queda completamente determinada si se conocen su centro y su radio. Caso particular: Circunferencia de centro el origen de coordenadas 𝐶(0,0) y radio r. gráfico 1:Los puntos A y B equidistan al punto P Capítulo 7 85 Si el centro es el origen de coordenadas ℎ = 0 y 𝑘 = 0 (ver gráfico 3) entonces la ecuación (3) de la circunferencia es (𝑥 − 0)2 + (𝑦 − 0)2 = 𝑟2 Así, 𝑥2 + 𝑦2 = 𝑟2 gráfico 3: Circunferencia de centro 𝑪(𝟎, 𝟎) y radio r Ejemplo: Dada la ecuación de la circunferencia 𝑥2 + (𝑦 + 7 2 ) 2 = 12, identifique su centro, radio y determine la intersección de su gráfica con los ejes. Grafique y verifique. Desarrollo a) Para identificar el centro y radio de una circunferencia se debe comparar la ecuación de una circunferencia de centro 𝐶(ℎ, 𝑘) (𝑥 − ℎ)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 𝑟2 con la ecuación dada 𝑥2 + (𝑦 + 7 2 ) 2 = 12 Así, ( ) ( ) 00 22 =−= hxx (𝑦 + 7 2 ) 2 = (𝑦 − (− 7 2 )) 2 𝑘 = − 7 2 gráfico 4: Circunferencia de centro 𝑪(𝟎, −𝟑. 𝟓) y radio √𝟏𝟐 Entonces el centro tiene coordenadas − 2 7 ,0C , tal como se observa en el gráfico 4. Por otro lado, como 12122 == rr . b) Para obtener la intersección con el eje y , 0=x entonces, 02 + (𝑦 + 7 2 ) 2 = 12 (𝑦 + 7 2 ) = ±√12 𝑦 = ±√12 − 7 2 Así, los puntos tienen coordenadas 𝑃(0, −0.03) y 𝑄(0, −6.96), como se observa en el gráfico 4. Para obtener la intersección con el eje x , 0=y entonces, 𝑥2 + (0 + 7 2 ) 2 = 12 𝑥2 + 49 4 = 12 𝑥2 = − 1 4 Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 86 B. Abad 𝑥 = ±√− 1 4 Así, la ecuación no tiene solución en los reales por lo que la gráfica no interseca al eje de las abscisas, tal como se observa en el gráfico 4. Ejemplo: Escriba la expresión de una circunferencia tangente a los ejes con centro en el III cuadrante. Grafique Desarrollo Si la circunferencia es tangente a los ejes entonces el radio khr == . Además, si el centro pertenece al III cuadrante entonces 0h y 0k . Para escribir la expresión de una circunferencia que cumpla estas condiciones se puede hacer 2−=h para que sea negativo y el valor de 2−=k , porque kh = . Luego, 22 =−=r entonces la ecuación de la circunferencia es (𝑥 + 2)2 + (𝑦 + 2)2 = 4, ver gráfico 5. gráfico 5: Circunferencia de ecuación(𝒙 + 𝟐)𝟐 + (𝒚 + 𝟐)𝟐 = 𝟒 Elipse Con el objetivo de comprender mejor este concepto suponga que se dispone de un hilo fijando sus extremos, en dos puntos, sobre una superficie y si se mueve el lápiz como se observa en la ilustración 1 el lápiz trazará la figura geométrica de una elipse. Ilustración 1: Trazado de una elipse Definición: Una elipse es el lugar geométrico de puntos en el plano, cuya suma de distancias a dos puntos fijos llamados focos es constante e igual a 2𝑎. Elipse en el plano xy Sean los dos puntos fijos 𝐹1(−𝑐, 0) y 𝐹2(𝑐, 0) y 2𝑎 la suma constante con 𝑎 > 𝑐, 𝑃(𝑥, 𝑦) un punto cualquiera de la elipse (ver gráfico 6 (a)). Por definición de elipse tenemos que 𝑑(𝑃, 𝐹1) + 𝑑(𝑃, 𝐹2) = 2𝑎 gráfico 6 (a): Elipse con eje focal horizontal y centro 𝑪(𝟎, 𝟎) Es decir, √(𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 + √(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 2𝑎 √(𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 2𝑎 − √(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 Elevando al cuadrado y reduciendo términos semejantes: Capítulo 7 87 (𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 4𝑎2 − 4𝑎√(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 + (𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 𝑎√(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 𝑎2 − 𝑐𝑥 Elevando al cuadrado y simplificando: 𝑎2[(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2] = 𝑎4 − 2𝑎2𝑐𝑥 + 𝑐2𝑥2 (𝑎2 − 𝑐2)𝑥2 + 𝑎2𝑦2 = 𝑎2(𝑎2 − 𝑐2) Dividiendo por: 𝑎2(𝑎2 − 𝑐2) se obtiene la ecuación 𝑥2 𝑎2 + 𝑦2 𝑎2−𝑐2 = 1 (I) Sea 𝑃(0, 𝑏)un punto de la elipse, ver gráfico 6 (b), por definición tenemos que 𝑑(𝑃, 𝐹1) + 𝑑(𝑃, 𝐹2) = 2𝑎 Es decir, √(0 + 𝑐)2 + (𝑏 − 0)2 + √(0 − 𝑐)2 + (𝑏 − 0)2 = 2𝑎 2√𝑐2 + 𝑏2 = 2𝑎 Simplificando y elevando al cuadrado 𝑐2 + 𝑏2 = 𝑎2 Entonces 𝑏2 = 𝑎2 − 𝑐2 (II) gráfico 6 (b): Elipse de centro C(0,0) Reemplazando (II) en (I) resulta la ecuación de la elipse en la forma: 𝑥2 𝑎2 + 𝑦2 𝑏2 = 1 donde, 𝑎 > 𝑏 y 𝑐2 = 𝑎2 − 𝑏2 Donde el punto 𝐶(0,0) es el centro de la elipse y el eje focal es la recta que pasa por los focos y eje secundario la recta perpendicular al eje focal que pasa por el centro. Elipse con eje focal vertical y centro 𝐂(𝟎, 𝟎) De la misma manera, si los focos son los puntos 𝐹1(0, −𝑐) y 𝐹2(0, 𝑐), el eje focal se encuentra sobre el eje y, tal como se indica sobre el gráfico 7, y la ecuación de la elipse de centro 𝐶(0,0)y eje focal vertical es: 𝑥2 𝑎2 + 𝑦2 𝑏2 = 1 donde 𝑎 > 𝑏 y 𝑐2 = 𝑎2 − 𝑏2 gráfico 7: Elipse con eje focal vertical y centro 𝑪(𝟎, 𝟎) Elementos principales de una elipse de centro 𝐶(ℎ, 𝑘) Los elementos principales de una elipse con eje focal horizontal y vertical se muestran en los gráficos 8(a) y 8(b) y se definen como: Focos: Son dos puntos fijos que se encuentran sobre el eje focal, 𝐹1 y 𝐹2 Centro: Es el punto medio entre los focos. Vértices principales: Son los dos puntos donde la elipse interseca al eje focal, 𝑉1 y 𝑉2. Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 88 B. Abad Vértices secundarios: Son los dos puntos donde la elipse interseca al eje secundario, 𝐵1 y 𝐵2. Longitud del semieje principal: Distancia entre el centro y los vértices principales, "𝑎". Longitud del semieje secundario: Distancia entre el centro y los vértices secundarios, "𝑏". Longitud del semieje focal: Distancia entre el centro y los focos, "𝑐". ( ) ( ) 1 2 2 2 2 = − + − b ky a hx ( ) ( ) 1 2 2 2 2 = − + − a ky b hx gráfico 8(a): Elipse con eje focal horizontal y centro𝑪(𝒉, 𝒌) gráfico 8(b): Elipse con eje focal vertical y centro𝑪(𝒉, 𝒌) Ejemplo: Dada la ecuación de la elipse 45153 22 =+ yx identifique sus elementos principales y grafique. Desarrollo 45153 22 =+ yx Para que se ajuste a la expresión estudiada se divide ambos miembros entre 45 45 45 45 15 45 3 22 =+ yx Simplificando 1 315 22 =+ yx Nota: En una elipse ba 22 ba y ésta es la relación clave para identificar cuál de es la posición del eje focal a partir de su ecuación. Elementos principales Centro 𝐶(0,0) Luego, como 22 ba la elipse tiene eje focal horizontal con 15152 == aa longitud del semieje principal 332 == bb longitud delsemieje secundario Los vértices principales son: 𝑉1(−√15, 0) y 𝑉2(√15, 0). Los vértices secundarios son: 𝐵1(0, −√3) y 𝐵2(0, √3). Longitud del semieje focal: como 𝑏2 = 𝑎2 − 𝑐2 entonces 1212315 222 ==−=−= cbac Capítulo 7 89 Los focos son: 𝐹1(−√12, 0) y 𝐹2(√12, 0) La gráfica es: gráfico 8: Elipse de ecuación 1 3 2 15 2 =+ yx Excentricidad: La excentricidad de una elipse es el número real, 0 < 𝑒 < 1, que indica la redondez de la gráfica y es igual a la razón entre la distancia 𝑑(𝐶𝐹) y 𝑑(𝐶𝑉), algebraicamente: 𝑒 = 𝑐 𝑎 = √𝑎2−𝑏2 𝑎 . Los gráficos 9(a), 9(b) ilustran distintas situaciones: Si 0= a c e entonces 0c Si 1= a c e entonces ac gráfico 9(a) Elipse con eje focal horizontal y centro𝑪(𝒉, 𝒌) gráfico 9(b) Elipse con eje focal horizontal y centro𝑪(𝒉, 𝒌) Aplicación: La traslación de la Tierra da lugar a las estaciones del año, el movimiento de este planeta alrededor del Sol describe una órbita elíptica, como se puede observar en la ilustración 2. Si la longitud del eje mayor es de 186 millones de millas y la 017.0=e ¿Cuál será la distancia más cercana entre la Tierra y el Sol? Tarea: Si considera los cuatro vértices de la elipse como la posición de la Tierra en cada estación del año, ¿Cuál sería la distancia entre la Tierra y el Sol en cada estación? Ilustración 2:Traslación de la Tierra Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 90 B. Abad Desarrollo: El sol se encuentra en uno de los focos. 186=a , es decir a representa 186000000 millas y la excentricidad a c e = . Luego, 186 017.0 c = , entonces 162.3=c , o sea c equivale a 3162000 millas. La máxima distancia es ca + , ver gráfico 10, es decir 18916200 millas La mínima distancia es ca − , ver gráfico 10, es decir 182838000 millas. gráfico 10: El movimiento de la Tierra en el plano xy Hipérbola Definición: La hipérbola es el lugar geométrico de los puntos del plano tal que el valor absoluto de la diferencia de sus distancias a dos puntos fijos llamados focos es constante e igual a a2 . Hipérbola en el plano xy Sean los dos puntos fijos 𝐹1(−𝑐, 0) y 𝐹2(𝑐, 0) y 2𝑎 la diferencia constante, con 𝑐 > 𝑎, 𝑃(𝑥, 𝑦)un punto cualquiera de la hipérbola (ver gráfico 11). Por definición de elipse tenemos que 𝑑(𝑃, 𝐹1) − 𝑑(𝑃, 𝐹2) = 2𝑎 gráfico 11: Hipérbola con eje focal horizontal y centro 𝑪(𝟎, 𝟎) Es decir, √(𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 − √(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 2𝑎 √(𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 2𝑎 + √(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 Elevando al cuadrado y reduciendo términos semejantes (𝑥 + 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 4𝑎2 + 4𝑎√(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 + (𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 𝑎√(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2 = 𝑐𝑥 − 𝑎2 Elevando al cuadrado y simplificando 𝑎2[(𝑥 − 𝑐)2 + (𝑦 − 0)2] = 𝑐2𝑥2 − 2𝑎2𝑐𝑥 + 𝑎4 (𝑐2 − 𝑎2)𝑥2 − 𝑎2𝑦2 = 𝑎2(𝑐2 − 𝑎2) Dividiendo por 𝑎2(𝑐2 − 𝑎2) se obtiene la ecuación 𝑥2 𝑎2 − 𝑦2 𝑐2−𝑎2 = 1 (I) Como 𝑐 > 𝑎, definimos 𝑐2 − 𝑎2 = 𝑏2 (II) siendo 𝑐2 − 𝑎2 positivo. Reemplazando (II) en (I) resulta la ecuación de la hipérbola en la forma: 1 2 2 2 2 =− b y a x donde 𝑐 > 𝑎 y 𝑐2 = 𝑎2 + 𝑏2 Capítulo 7 91 El punto 𝐶(0,0) es el centro de la hipérbola y el eje focal es la recta que contiene los focos y eje imaginario o conjugado la recta perpendicular al eje focal que pasa por el centro y no corta a la hipérbola. Hipérbola con eje focal vertical y centro 𝐂(𝟎, 𝟎) De la misma manera, si los focos son los puntos 𝐹1(0, −𝑐) y 𝐹2(0, 𝑐), el eje focal se encuentra sobre el eje y, tal como se indica sobre el gráfico 12, y la ecuación de la elipse de centro 𝐶(0,0) y eje focal vertical es: 1 2 2 2 2 =+− a y b x donde 𝑐 > 𝑎 y 𝑐2 = 𝑎2 + 𝑏2 gráfico 12: Hipérbola con eje focal vertical y centro 𝑪(𝟎, 𝟎) Elementos principales de una hipérbola de centro 𝐶(ℎ, 𝑘) Los elementos principales de una hipérbola con eje focal horizontal y vertical se muestran en los gráficos 13 (a), 13 (b) y se definen como: Focos: Son dos puntos fijos que se encuentran sobre el eje focal, 𝐹1 y 𝐹2 Centro: Es el punto medio entre los focos. Vértices: Son dos puntos donde la hipérbola interseca al eje focal, 𝑉1 y 𝑉2. Longitud del semieje real o transversal: Distancia entre el centro y los vértices principales, "𝑎". Longitud del semieje imaginario o conjugado: Distancia entre el centro y los vértices secundarios, "𝑏". Longitud del semieje focal: Distancia entre el centro y los focos, "𝑐". Asíntotas: Son dos rectas que se intersecan en el centro de la hipérbola. (𝑥 − ℎ)2 𝑎2 − (𝑦 − 𝑘)2 𝑏2 = 1 (𝑦 − 𝑘)2 𝑎2 − (𝑥 − ℎ)2 𝑏2 = 1 Ecuación de las asíntotas (𝑥 − ℎ)2 𝑎2 − (𝑦 − 𝑘)2 𝑏2 = 0 𝑟1: 𝑦 = 𝑏 𝑎 (𝑥 − ℎ) + 𝑘 𝑟2: 𝑦 = − 𝑏 𝑎 (𝑥 − ℎ) + 𝑘 Ecuación de las asíntotas (𝑦 − 𝑘)2 𝑎2 − (𝑥 − ℎ)2 𝑏2 = 0 𝑟1: 𝑦 = 𝑎 𝑏 (𝑥 − ℎ) + 𝑘 𝑟2: 𝑦 = − 𝑎 𝑏 (𝑥 − ℎ) + 𝑘 Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 92 B. Abad gráfico 13 (a): Hipérbola con eje focal horizontal y centro𝐶(ℎ, 𝑘) gráfico 13 (b): Hipérbola con eje focal vertical y centro𝐶(ℎ, 𝑘) Ejemplo: Dada la ecuación de la hipérbola ( ) ( ) 2 8 2 2 3 22 = − − − yx identifique sus elementos principales y grafique. Desarrollo Expresando la hipérbola en la forma estudiada, para ello se divide ambos miembros de la ecuación dada entre 2. Así: ( ) ( ) 1 16 2 4 3 22 = − − − yx Nota: En una hipérbola no hay condición para la relación entre el valor de a y b . Se considera siempre como 2a el denominador del término positivo de la ecuación. Elementos principales • Centro 𝐶(3,2) • Luego, como el primer término es positivo, la hipérbola tiene eje focal horizontal con 2442 === aa longitud del semieje real 416162 === bb longitud del semieje imaginario • Los vértices son 𝑉1(1,2) y 𝑉2(5,2). • Por otro lado, como 𝑐2 = 𝑎2 + 𝑏2 entonces 2020164 2 ==+= cc longitud del semieje focal • Los focos son 𝐹1(3 − √20, 2) y 𝐹2(3 + √20, 2) • Ecuación de las asíntotas ( ) ( ) +−−= +−= 23 2 4 : 23 2 4 : 2 1 xyr xyr es decir +−= −= 82: 42: 2 1 xyr xyr • La gráfica es gráfico 7: Hipérbola de ecuación ( ) ( ) 1 16 2 4 3 22 = − − − yx Excentricidad: La excentricidad de una hipérbola es el número real 𝑒 > 1 que indica cambios alrededor del eje focal y se calcula haciendo: a ba a c e 22 + == con 1e Los gráficos 15(a), 15(b) ilustran distintas situaciones: Capítulo 7 93 Si 1= a c e entonces ac Si e toma valores mayores que 1 y alejados a 1, entonces c se aleja de a gráfico 85 (a) Hipérbola con eje focal vertical y centro 𝑪(𝒉, 𝒌) gráfico 95 (b) Hipérbola con eje focal vertical y centro 𝑪(𝒉, 𝒌) Autoevaluación Actividades de revisión e integración Realice un cuadro comparativo para cada cónica con los elementos principales de su gráfico. Los extremos del diámetro de una circunferencia son el origen de coordenadas y el punto 𝑃(𝑎, 0), determine su expresión y grafique las posibilidades para su centro y radio. Grafique una elipse con eje focal vertical, centro 𝐶(0, 𝑝) e indique sus principales elementos. Escriba la ecuación de una hipérbola equilátera con eje focal horizontal y centro en el eje 𝑦. Analice la redondez de la elipse cuando 𝑒 ≈ 1 y 𝑒 ≈ 0, de acuerdo a los valores de 𝑎, 𝑏 y 𝑐. Analice qué valor toma la excentricidad en el caso de las hipérbolas. ¿Qué sucede con las ramas de la hipérbola si excentricidad es grande o si es cercana a 1? Determine las condiciones y la expresión de una hipérbola para que tenga como asíntotas a las rectas 𝑦 = 𝑥 e 𝑦 = −𝑥. Analice todas las posibilidades. Determine las condiciones y la expresión de una hipérbola equilátera vertical con centro sobre el eje de las ordenadas.Grafique todas las posibilidades. Determine qué cónica representa la expresión 𝑥2 + 𝑘𝑦2 = 𝑘 con 𝑘 ≠ 0. Grafique todas las posibilidades. Si en una hipérbola el valor de b es mucho más grande que el valor de a entonces su excentricidad es menor. En una elipse casi circular ¿los focos se encuentran cerca del centro? En una hipérbola con ramas muy elongadas ¿los focos se encuentran alejados del centro? Determine la ecuación de las asíntotas de la hipérbola 0con1 4 22 =− p p x p y Ejercitación Determine la intersección de la circunferencia ( ) ( ) 1011 22 =++− yx con los ejes cartesianos. Grafique Matemática para Agronomía, Recursos Naturales y Biología 94 B. Abad Determine la ecuación de la circunferencia cuyos puntos ( )1,5 −A y ( )7,3−B corresponden a los extremos de su diámetro. Obtenga las coordenadas del punto P tal que los puntos P y Q pertenezcan al diámetro de la circunferencia ( ) ( ) 1005.25,1 22 =−++ yx , con ( )5.6,5.7Q . Escriba la ecuación de la elipse de centro ( )1,3C , uno de los vértices ( )2,3 −V y excentricidad 3 1 =e Determine la ecuación de la hipérbola de centro el origen, eje focal horizontal y cuya grafica pase por los puntos ( )6,4H y ( )3,1−G Se dice que una hipérbola es equilátera sí ba = . Obtenga la expresión de hipérbola equilátera con focos 𝐹1(−4,2) y 𝐹2(2,2) Obtener el o los valores de 𝑘 para que la gráfica de circunferencia (𝑥 + 12)2 + (𝑦 − 𝑘)2 = 169 pase por el punto 𝑅(0, 0).