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168 ELIPSE 6.1. Definición Se llama elipse al lugar geométrico de los puntos del plano cuya suma de distancias a dos punto fijos F y F’ llamados focos, es constante. (Fig.6.1.) En símbolos: ctePF'PF =+ La recta que pasa por los focos F y F’, se llama eje focal o eje de simetría de la elipse. El punto medio del segmento FF' es el centro de la curva y se desig- na con la letra C. Fig.6.1. 6.2. Ecuación de la elipse con centro en el origen 6.2.1. Si el eje focal es el eje x C(0, 0) y los focos son puntos del eje x cuyas coordenadas son: F(c, 0) y F ’(-c, 0), donde c es la medida del segmento que separa al centro de cada foco (Fig. 6.2.) y recibe el nombre de distancia focal. 169 Fig. 6.2. Aplicando la definición y llamando 2a a la constante: 2aPF'PF =+ ( ) ( ) ( ) ( ) 2a0ycx0ycx 2222 =−+++−+− ( ) ( ) 2222 ycx2aycx ++−=+− Elevando ambos miembros al cuadrado: ( ) 222222222 yc2cxxycx4a4ayc2cxx ++++++−=++− ( ) 222 ycx4a4a4cx ++−=−− ( ) 222 ycxaacx ++=+ 170 Elevando ambos miembros al cuadrado se obtiene: )yc2cx(xaacx2axc 22224222 +++=++ 22222224222 ayac2cxaxaacx2axc +++=++ cx2axcay2cxaxaaca 22222222224 −−++=− 222222224 xcayxaaca −+=− ( ) ( ) 22222222 aycaxcaa +−=− Llamando b2 a la diferencia 22 ca − : 222222 aybxba += Dividiendo ambos miembros por 22ba 2 2 2 2 b y a x 1 += o lo que es lo mismo 1 b y a x 2 2 2 2 =+ Esta es la Ecuación de la Elipse de centro en el origen y eje focal x. Ahora bien, ¿Qué representan los números a y b que figuran en esa ex- presión?.Para determinarlo se calcularán las intersecciones de la curva con el eje focal y con el eje perpendicular a él que pasa por C. Como el eje focal es el eje x, las intersecciones buscadas tendrán ordena- da 0. Reemplazando en la ecuación de la curva: 1 b 0 a x 2 2 2 2 =+ x2 = a2 x = a 171 La intersección con el eje focal son dos puntos V(a, 0) y V’(−a, 0) que reciben el nombre de vértices de la elipse. a es la medida del segmento que separa el centro de cada vértice y se llama semieje mayor de la elipse. En consecuencia, 2a es la longitud del eje mayor de la elipse (longitud del segmento VV'). El eje perpendicular al eje focal que pasa por C es el eje y, entonces las intersecciones buscadas tendrán abcisa 0. Reemplazando en la ecuación de la curva: 2 2 2 b y a 0 + = 1 y2 = b2 y = b La intersección con el eje y son dos puntos B(0, b) y B’(0,−b) que reci- ben el nombre de extremos del eje menor de la elipse. b es la medida del segmento que separa el centro de cada extremo del eje menor y se llama semieje menor de la elipse. En consecuencia, 2b es la longitud del eje menor de la elipse (longitud del segmento BB' ) Relación entre Sea la elipse: 172 Según la definición, siendo un punto de la elipse, debe cumplirse: Lo mismo ocurre con el punto Pero de los triángulos rectángulo por ser congruentes surge que Por lo tanto Luego En toda elipse, la diferencia entre los cuadrados del semieje mayor y la distancia focal es igual al cuadrado del semieje menor 222 bca =− 173 6.2.2. Si el eje focal es el eje y Cuando los focos están sobre el eje y, sus coordenadas son: F(0, c) y F’(0, −c) La ecuación de la elipse de centro en el origen y eje focal y es: (Fig.6.3) 1 b x a y 2 2 2 2 =+ En esta elipse los vértices son los puntos: V(0, a) y V’(0, −a) Los extremos del eje menor son los puntos: B(b,0) y B’(−b, 0) Fig.6.3. 6.3. Lado recto 6.3.1. Definición Se llama lado recto (latus rectum) a la cuerda focal que es perpendicular al eje focal. La elipse tiene 2 lados rectos que son los segmentos DEyAM de la elipse de eje focal x y centro C(0, 0) de la Fig.6.4. 174 6.3.2. Longitud del lado recto Para calcular la longitud de los lados rectos se calcularán primero las coordenadas de los puntos A, M, D, y E. (Fig. 6.4.) A y M tienen abcisa c ; D y E tienen abcisa – c. Entonces si en la ecua- ción de la curva, se hace x = c ( ) 1 b y a c 2 2 2 2 =+ 222222 bayacb =+ 2 2222 2 a cbba y − = ( ) 2 222 2 a cab y − = 2 4 2 a b y = a b y 2 = Fig.6.4. Los puntos A, M, D y C tienen, entonces las siguientes coordenadas: − a b , cM a b , cA 2 2 −− − a b , cE a b , cD 2 2 175 ( ) 2 22 2 a b a b ccAM −−+−= 2 2 a 2b −= 2 4 a 4b = a 2b2 = Análogamente: a 2b DE 2 = La longitud del lado recto de una elipse es el doble del cociente entre el cuadrado del semieje menor y el semieje mayor. a 2b rectum)(latusLR 2 = 6.4. Excentricidad de la elipse Se llama excentricidad al cociente entre la distancia focal y el semieje mayor. a c e= En las elipses, como c < a , resulta que la excentricidad es siempre un número positivo menor que 1. Ejemplo 176 Hallar y representar la ecuación de la elipse cuyos focos son los puntos F(0, 3) y F’(0, −3) y cuyo lado recto mide 6,4. Sobre un sistema de ejes se ubican los puntos F y F’. Entonces C(0, 0) (Fig.6.5.) La distancia focal c es 3. El lado recto mide 6,4: 6,4 a 2b2 = Como en toda elipse: 222 bca =− , reemplazando en la expresión ante- rior, se tiene: a3,2ca 22 =− a3,29a 2 =− 093,2aa 2 =−− Fig.6.5. −= = = + = 1,8a 5a 2 6,83,2 a 2 3610,243,2 a 2 1 Desechando el valor negativo porque a es siempre positivo, se puede calcular b: 4b16b925b 22 ==−= También aquí se desecha la raíz negativa. La ecuación de la elipse será: 177 1 16 x 25 y 22 =+ 6.5. Ecuación de la elipse cuyo centro no es el origen 6.5.1. El eje focal es paralelo al eje x Sea la elipse de la Fig. 6.6. cuyo eje es paralelo al eje x y el centro está en el punto C(h, k). Si se traza un sistema auxiliar de ejes x’y’, paralelo al sistema original y tal que su origen coincide con el punto C, la ecuación de la curva en ese sistema es: 1 b y' a x' 2 2 2 2 =+ (I) Pero: x’ = x − h e y’ = y – k Reemplazando en (I): ( ) ( ) 1 b ky a hx 2 2 2 2 = − + − Los focos de esta elipse serán los puntos F(h+c, k) y F’(h−c, k). El eje focal es una recta paralela al eje x y su ecuación es: y = k. Los vértices serán los pun- tos V(h+a, k) y V’(h−a, k). Fig.6.6. 178 6.5.2. El eje focal es paralelo al eje y Si el eje focal es paralelo al eje y, razo- nando en forma similar a la anterior, se obtiene la ecuación ( ) ( ) 1 b hx a ky 2 22 2 = − + − Una elipse de este tipo es la de la Fig. 6.7. Los focos de esta elipse serán los pun- tos F(h, k+c) y F’(h, k−c). El eje focal o eje de simetría será parale- lo al eje y. Su ecuación es: x = h Fig.6.7. Los vértices son los puntos: V(h, k+a) y V’(h, k−a) En laselipses cuyo centro no está en el origen, como en las anteriores, el lado recto mide a 2b 2 y la excentricidad es a c e= Ejemplos 1) Hallar la ecuación de la elipse de centro en (4, −3) y foco en el punto (2, −3) y cuya excentricidad es 0,5. Dadas la posición del centro y de uno de los focos se deduce la distancia focal: c = 2 179 Como la excentricidad es a c e= se puede calcular a: a c 0,5= , de donde resulta que a= 4. Además, 222 bca =− , de donde 2b416 =− Entonces 12b= La ecuación de la elipse (Fig. 6.8.) es ( ) ( ) 1 12 3y 16 22 = + + − 4x El lado recto mide 6 Fig.6.8. 2) Hallar la ecuación de la elipse de centro en (−3,−1), lado recto igual a 2 y un vértice en (1, −1). Solución: (Fig. 6.9) Si el centro es (−3,−1) y el vértice (1, −1), el eje focal es paralelo al eje x y el semieje mayor a mide 4. Si el lado recto vale 2: 180 4 2 42 b2 a 2b 2 2 = == ( ) ( ) 1 4 1y 16 3x 22 = + + + Fig.6.9. 6.6. Ecuación General de la Elipse Sea la ecuación de la elipse: multiplicando m a m por a2b2 desarrollando los cuadrados y aplicando propiedad distributiva del producto respecto de la suma. 181 reordenando donde los coeficientes A y C deben ser del mismo signo. Recíprocamente: reordenando extrayendo factor común completando cua- drados representa una elipse de representa un punto no representa ningún lugar geométrico real (elipse imaginaria) Luego si los signos de los coeficientes A y C de la ecuación son iguales, esta representa una elipse de 182 ejes paralelos a los coordenados, ó bien un punto ó ningún lugar geomé- trico real Ejemplo: Determinar que representa la siguiente ecuación No representa ningún lugar geométrico real o representa una elipse ima- ginaria 6.7. Rectas tangente y normal a una elipse Para hallar las rectas tangente y normal a una elipse se procede en la misma forma que se indicó en el capítulo de circunferencia. Ejemplos 1) Hallar la ecuación de la tangente a la elipse ( ) ( ) 1 4 1y 16 3x 22 = + + + trazada desde el punto A(−1, 5) 183 Se plantea el sistema ( ) ( ) ( ) +=− = + + + 1xm5y 1 4 1y 16 3x 22 o también +=− =−+++ mmx5y 038y6x4yx 22 En la segunda ecuación se despeja y: 5mmxy ++= Se reemplaza en la primera ecuación: ( ) ( ) 035mmx86x5mmx4x 22 =−+++++++ ++++++ 40mxx8m1004mx4mx 22222 03408m8mx6x40m =−+++++ ( ) ( ) ( ) 01378m4mx648m8mx4m1 2222 =+++++++ 4 Igualando a 0 el discriminante de esta ecuación: ( ) ( )( ) 01378m4m4m14648m8m 2222 =+++−++ 4 −−+++++ 22324 16m576m96m768m362304m64m 02192m768m64m548192m 234 =−−−−− 0512384m192m 2 =−+ 086m3m 2 =−+ −− = +− = − = 3 333 m 3 333 m 6 3326 m 2 1 Hay dos tangentes a la elipse que pasan por el punto A. Sus ecuaciones son: (Fig. 6.10.): 184 1)(x 3 333 5y 1)(x 3 333 5y + −− =− + +− =− Fig.6.10. 2) Hallar y representar la ecuación de las rectas tangente y normal a la elipse 164yx 22 =+ , en el punto ( )2,22 − . Ecuación de la tangente (Fig. 6.11.): Se plantea el sistema ( ) −=+ =−+ 22xm2y 0164yx 22 En la segunda ecuación se despeja la variable y: 2mmxy −−= 22 . Reemplazando en la primera ecuación: ( ) 0162m22mx4x 22 =−−−+ 185 01632mmx28xm216832mx4mx 22222 =−+−−+++ ( ) ( ) ( ) 0832m32mxm28m216xm1 2222 =−++−−++ 4 Igualando a 0 el discriminante de esta ecuación (condición de tangencia): ( ) ( )( ) 0832m32mm14m28m216 2222 =−++−−− 4 +−+−−++ 42234 512m32128m128m128m512m512m 0128m512m 2 =++ 032128m128m2 =+− 014m4m2 =+− ( ) 012m 2 =− 2 1 m = La ecuación de t es, enton- ces: ( )22x 2 1 2y −=+ 0242yx =−− Fig.6.11 Ecuación de la recta normal en ( )2,22 − n ⊥ t mn =− 2 ( )22x22y −−=+ 023y2x =−+ 186 6.8. Propiedad Focal de la elipse La normal a una elipse en un punto T de la misma, es bisectriz del ángu- lo que forman los radios vectores de la curva Demostración La demostración de esta propiedad se hará para el caso de una elipse con centro en el origen y cuyo eje focal es el eje x, es decir, una elipse de cuya ecuación sea: 1 b y a x 2 2 2 2 =+ , (Fig.6.12.). Fig.6.12. Sin embargo la propiedad es válida para cualquier elipse. Si T(xT, yT) es un punto de la elipse, se verifica: 1 b y a x 2 2 T 2 2 T =+ 187 o también 222T 22 T 2 bayaxb =+ (I) La ecuación de la tangente a la curva en T es: 0bayyaxxb 22T 2 T 2 =−+ De allí resulta: T 2 T 2 ya xb tm −= T 2 T 2 xb ya nm = Además, como los focos son F(c, 0) y F’(−c, 0), los radios vectores TF'yFT pertenecen a rectas cuyas pendientes son: cx y m cx 0y m T T FT T T FT − = − − = cx y m cx 0y m T T TF' T T TF' + = + − = Con estos datos se verificará que el ángulo α que forma F’T con la nor- mal es igual al ángulo α’ que forma ésta con FT. tg α + − = T'F T' F m n m1 m n m tg α = + + + − cx y x2b ya 1 cx y xb ya T T T T 2 T T T 2 T 2 188 tg α = ( ) ( ) ( ) ( )cxxb yacxxb cxxb xbycxya TT 2 2 T 2 TT 2 TT 2 T 2 TTT 2 + ++ + −+ tg α = 2 T 2 T 22 T 2 TT 2 T 2 TT 2 yacxbxb yxbcyayxa ++ −+ De (I), 222T 22 T 2 bayaxb =+ y entonces reemplazando se obtiene: tg α = ( ) T 2 2 2 T 222 TT cxbba cyabayx + +− Pero en toda elipse: 222 cba =− ( )T22 T 2 TT 2 cxab cyayxc αtg + + = ( ) ( ) 2 T T 22 2 TT b yc αtg cxab acxcy αtg = + + = (II) Por otra parte: tg α’ = + − nmm1 nmm FT FT tg α’ = T 2 T 2 T T T 2 T 2 T T xb ya cx y 1 xb ya cx y − + − − 189 tg α’ = ( ) ( ) ( ) ( )cxxb yacxxb cxxb cxyayxb TT 2 2 T 2 TT 2 TT 2 TT 2 TT 2 − +− − −− 2 T 2 T 22 T 2 T 2 TT 2 TT 2 yacxbxb cyayxayxb α'tg +− +− = ( ) 22 T 2 T 222 TT bacxb cyaabyx α'tg +− +− = ( ) ( )2T2 T 22 TT acxb cyacyx α'tg +− +− = ( ) ( )2T2 2 TT acxb acxcy α'tg +− +− = 2 T b cy α'tg = (III) De (II) y (III), resulta α = α’ quedando la propiedad demostrada. 190 HIPÉRBOLA 7.1. Definición Se llama hipérbola al lugar geométrico de los puntos del plano tales que el valor absoluto de la diferencia de sus distancias a dos punto fijos F y F’ llamados focos, es cons- tante (Fig.7.1.). En símbo- los: ctePF'PF =− La recta que pasa por los focos F y F’, se llama eje focal o eje de simetría de la hipérbola. El punto medio del seg- mento FF' es el centro de la curva y se designa con la letra C. Fig.7.1. 7.2. Ecuación de la hipérbola con centro en el origen 7.2.1. Si el eje focal es el eje x C(0, 0) y los focos son puntos del eje x cuyas coordenadas son: F(c, 0) y F ’(−c, 0). c es la medida del segmento que separa al centro de cada foco (Fig. 7.2.) y recibe el nombre de distancia focal. 191 Aplicando la definición y llamando 2a a la constan- te: 2aPF'PF =− Fig.7.2. ( ) ( ) ( ) ( ) 2a0ycx0ycx 2222 =−++−−+− ( ) ( ) 2222 ycx2aycx +++=+−Elevando ambos miembros al cuadrado: ( ) 222222222 yc2cxxycx4a4ayc2cxx ++++++=++− ( ) 222 ycx4a4a4cx ++=−− ( ) 222 ycxaacx ++=+ Elevando ambos miembros al cuadrado se obtiene: )yc2cx(xaacx2axc 22224222 +++=++ 22222224222 ayac2cxaxaacx2axc +++=++ 422222222 aacayxaxc −=−− ( ) ( )22222222 acaayacx −=−− 192 Llamando 2b a la diferencia 22 ac − : 222222 baaybx =− Dividiendo ambos miembros por 2ba 2 1 b y a x 2 2 2 2 =− Donde 222 acb −= La anterior es la Ecuación de la Hipérbola de centro en el origen y eje focal x. Ahora bien, ¿Qué representan los números a y b que figuran en esa ex- presión?. Para determinarlo se calcularán las intersecciones de la curva con el eje focal y con el eje perpendicular a él que pasa por C. Como el eje focal es el eje x, las intersecciones buscadas tendrán ordena- da 0. Reemplazando en la ecuación de la curva: 1 b 0 a x 2 2 2 2 =− 22 ax = ax = La intersección con el eje focal son dos puntos V(a, 0) y V’(−a, 0) que reciben el nombre de vértices de la hipérbola. a es la medida del segmento determinado por el centro y cada uno de los vértices y se llama semieje real de la hipérbola. En consecuencia, 2a es la longitud del eje real de la hipérbola (longitud del segmento VV'). 193 2aVV'= El eje perpendicular al eje focal que pasa por C es el eje y, entonces las intersecciones buscadas tendrán abscisa 0. Reemplazando en la ecuación de la curva: 1 b y a 0 2 2 2 =− 22 by −= ∄ intersección con el eje y Como la curva no corta al eje y, al mismo se lo llamará “eje imaginario o eje conjugado” Pero entonces, ¿Qué representan geométricamente el número b? Esto se verá en el apartado “Asíntotas de la hipérbola de eje x”. Relación entre a, b y c. Sea la hipérbola 194 Según la definición, siendo un punto de la hipérbola, debe cumplirse: El diámetro imaginario se determina llevando a partir de la medida de la semidistancia focal ( c). Luego en el triángulo imaginario de hi- potenusa c y catetos a y b se cumple: En toda hipérbola, la diferencia entre los cuadrados de la distancia focal y del semieje real es igual al cuadrado del semieje imaginario c2 − a2 = b2 De esta expresión se deduce que no hay una relación de tamaño entre a y b. El semieje real a puede ser menor, igual o mayor que el semieje imagi- nario b. (a ≶ b) La determinación de los puntos permite obtener un rectángulo tal que sus diagonales pertenecen a dos rectas llamadas asíntotas. 7.2.1.1. Asíntotas de la hipérbola de eje x Si de la ecuación de la curva se despeja y, resulta: 2 2222 a baxb y − = 195 2 2 2 22 a x a 1xb y − = 2 2 x a 1x a b y −= Esta última expresión muestra que si un punto de la hipérbola se mueve a lo largo de la curva de manera que su abscisa aumenta numéricamente indefinidamente, el radical del segundo miembro se aproxima cada vez más a la unidad y la ecuación tiende a la forma: x a b y = Fig.7.3. 196 Esta es la ecuación de dos rectas, que son las asíntotas de la curva, ya que se puede demostrar que la distancia de cada una de estas rectas a la curva decrece continuamente, aproximándose a cero*. Ambas rectas pasan por el origen, es decir que se cortan en el centro de la hipérbola. Sus pendientes son : a b y a b − , respectivamente. En consecuencia, si a partir del centro, sobre el eje perpendicular al eje focal se toman, a ambos lados, segmentos cuya medida sea b quedarán determinados dos puntos B y B’. (Fig. 7.3.) Si por estos puntos se trazan paralelas al eje focal hasta cortar a las per- pendiculares a dicho eje trazadas por los vértices de la curva, se formará un rectángulo de lados 2a y 2b. Es fácil verificar que las diagonales de ese rectángulo están contenidas en las asíntotas de la hipérbola. El segmento BB' cuya medida es 2b se llama eje normal o eje imagi- nario de la hipérbola. En consecuencia b es el semieje imaginario de la curva. La construcción del rectángulo mencionado facilita el trazado de la curva ya que determina las asíntotas de la misma. 7.2.2. Si el eje focal es el eje y Cuando los focos están sobre el eje y, sus coordenadas son: F (0, c) y F’ (0, −c) * Asíntota: Para una curva dada, una asíntota es una recta tal que, a medida que un punto de la curva se aleja indefinidamente del origen, la distancia de ese punto a la recta decrece continuamente y tiende a cero. 197 La ecuación de la hipérbola de eje focal y y centro en el origen es: (Fig.7.4) 1 b x a y 2 2 2 2 =− En esta hipérbola los vértices son los puntos: V (0, a) y V’ (0, −a) Los extremos del eje imagi- nario son los puntos: B (b, 0) y B’ (−b, 0) Fig. 7.4. 7.2.2.1. Asíntotas de la hipérbola de eje y Como se observa en el dibujo, las asíntotas pasan por el centro de la curva, pero ahora sus pendientes son: b a y b a − . O sea que la ecuación de las asíntotas es: x b a y = 198 7.3. Lado recto 7.3.1. Definición En toda hipérbola, se llama lado recto (latus rectum) a la cuerda focal que es perpendicular al eje focal. La hipérbola tiene 2 lados rectos. En el ejemplo de la Fig. 7.5., los lados rectos son los segmentos DEyAM de la hipérbola de centro C (0, 0) y eje focal x. 7.3.2. Longitud del lado recto Para calcular la longitud de los lados rectos se calcularán primero las coordenadas de los puntos A, M, D, y E. A y M tienen abscisa c; D y E tienen abscisa – c. Entonces si en la ecua- ción de la curva, se hace x = c ( ) 1 b y a c 2 2 2 2 =− 222222 bayacb =− 199 2 2222 2 a bacb y − = ( ) 2 222 2 a acb y − = 2 4 2 a b y = a b y 2 = Fig. 7.5. Los puntos A, M, D y E tienen, entonces las siguientes coordenadas: a b c,A 2 − a b c,M 2 − a b c,D 2 −− a b c,E 2 ( ) 2 22 2 a b a b ccAM −−+−= 2 2 a 2b −= 200 2 4 a 4b = =AM a 2b 2 Análogamente: a 2b DE 2 = La longitud del lado recto de una hipérbola es el doble del cociente entre el cuadrado del semieje imaginario y el semieje real. a 2b rectum)(latusLR 2 = Ejemplo Hallar y representar la ecuación de la hipérbola cuyos focos son los pun- tos F(0, 3) y F’(0, −3) y cuyo lado recto mide 6,4. Sobre un sistema de ejes se ubican Fy F’. Entonces C(0, 0) (Fig.7.6.) La distancia focal c es 3. El lado recto mide 6,4: 6,4 a 2b2 = Como en toda hipérbola: 222 bac =− , reemplazando en la expresión anterior, se tiene: a3,2ca 22 =− a3,2a9 2 =− 093,2aa 2 =−+ 2 3610,243,2 a +− = Fig.7.6. 201 2 3,2 a 8,6− = −= = 5a 1,8a 2 1 Desechando el valor negativo porque a es siempre positivo, se puede calcular b: 5,76b3,249b 22 =−= 2,45,76b == También aquí se desecha la raíz negativa.Entonces la ecuación de la hi- pérbola será: 1 5,76 x 3,24 y 22 =− 7.4. Excentricidad de la hipérbola Se llama excentricidad al cociente entre la distancia focal y el semieje real. a c e= En las hipérbolas, como c > a , resulta que la excentricidad es siempre un número positivo mayor que 1. 7.5. Ecuación de la hipérbola cuyo centro noes el origen 7.5.1. El eje focal es paralelo al eje x Sea la hipérbola de la Fig. 7.7. de centro en el punto C(h, k) y cuyo eje es paralelo al eje x. Si se traza un sistema auxiliar de ejes x’y’, paralelo al sistema original y tal que su origen coincide con el punto C, la ecuación de la curva en ese sistema es: 202 1 b y' a x' 2 2 2 2 =− (I) Pero: x’ = x − h e y’ = y − k Reemplazando en (I): ( ) ( ) 1 b ky a hx 2 2 2 2 = − − − Los focos de esta hipér- bola serán los puntos F(h+c, k) y F’(h−c, k). Fig.7.7. El eje focal es una recta paralela al eje x y su ecuación es: y = k. Los vértices serán los puntos V(h+a, k) y V’(h−a, k). Las asíntotas pasan por el centro y tienen pendiente a b . Su ecuación es: ( )hx a b ky −=− 7.5.2. El eje focal es paralelo al eje y Si el eje focal es paralelo al eje y, razonando en forma similar a la ante- rior, se obtiene la ecuación: ( ) ( ) 1 b hx a ky 2 2 2 2 = − − − 203 Una hipérbola de este tipo es la de la Fig. 7.8. Fig. 7.8. Los focos de esta hipérbola serán los puntos F(h, k+c) y F’(h, k−c). El eje focal o eje de simetría será paralelo al eje y. Su ecuación es: x = h Los vértices son los puntos: V(h, k+a) y V’(h, k−a) Las asíntotas pasan por el centro y tienen pendiente b a . Su ecuación es: ( )hx b a ky −=− En las hipérbolas cuyo centro no está en el origen, como en las anterio- res, el lado recto mide a 2b 2 y la excentricidad es a c e= 204 Ejemplos 2) Hallar la ecuación de la hipérbola de centro en (4, −3) y foco en el punto (2, −3) y cuya excentricidad es 2. Dadas la posición del centro y de uno de los focos se deduce la distancia focal: c = 2. Como la excentricidad es a c e= se puede calcular a: a c 2= , de donde resulta que a= 1. Además, 222 bac =− , de donde 2b14 =− . Entonces 3b= La ecuación de la hipérbola (Fig. 7.9.) es ( ) ( ) 1 3 3y 1 4x 22 = + − − El lado recto mide 6 Fig.7.9. Ecuación de las asíntotas: ( )4x 1 3 3y −=+ 3) Hallar la ecuación de la hipérbola de centro en (−3,−1), lado recto igual a 2 y un vértice en (1, −1). 205 Si el centro es (−3,−1) y el vértice (1, −1), el eje focal es paralelo al eje x y el semieje real a mide 4. (Fig. 7.10) Si el lado recto vale 2: 4 2 42 b2 a 2b 2 2 = == ( ) ( ) 1 4 1y 16 3x 22 = + − + Fig. 7.10. 7.6.- Ecuación general de la hipérbola realizando un análisis similar al realizado con la elipse se puede concluir que si los coeficientes A y C difieren en el signo la ecuación representa una hipérbola de ejes paralelos a los ejes coordenados o bien un par de rectas que se cortan. 206 7.7.- Hipérbola equilátera Cuando los ejes transverso y conjugado tienen igual longitud, o sea la hipérbola se dice equilátera Por lo tanto las ecuaciones son: En este caso las ecuaciones de las asíntotas son: Para el caso de las hipérbolas equiláteras la excentricidad es constante e igual a ya que: Como Por lo tanto Otra forma de la ecuación de la hipérbola equilátera es donde es una constante distinta de cero. Ejemplo Graficar la hipérbola 207 7.8.- Hipérbolas conjugadas Si dos hipérbolas son tal que el eje transverso de cada una es idéntico al eje conjugado de la otra, las hipérbolas se dicen conjugadas. Las hipérbolas conjugadas tienen las mismas asíntotas Ejemplo Las ecuaciones representan dos hipérbolas conjuga- das. 208 7.9. Rectas tangente y normal a una hipérbola Para hallar las rectas tangente y normal a una hipérbola se procede en la misma forma que se indicó en el capítulo de circunferencia. Ejemplos 1) Hallar la ecuación de la recta, trazada desde el punto A(−1, 5) y que es tangente a la hipérbola: ( ) ( ) 1 4 1y 16 3x 22 = + − + 209 Se plantea el sistema ( ) ( ) ( ) +=− = + − + 1xm5y 1 4 1y 16 3x 22 o también +=− =−−+− mmx5y 0118y6x4yx 22 En la segunda ecuación se despeja y: 5mmxy ++= Se reemplaza en la primera ecuación: ( ) ( ) 0115mmx86x5mmx4x 22 =−++−+++− −+−−−−−− 6x40m40mxx8m1004mx4mx 22222 011408m8mx =−−−− ( ) ( ) ( ) 015148m4mx648m8mx4m1 2222 =−−−++−−+− Igualando a 0 el discriminante de esta ecuación: ( ) ( )( ) 01518m4m4m14648m8m 2222 =−−−−−+−− 4 ++−−+++ 22324 16m576m96m768m362304m64m 02416m768m64m604192m 234 =−−−++ 0640384m192m 2 =+−− 0106m3m 2 =−+ 210 −− = +− = − = 3 393 m 3 393 m 6 3926 m 2 1 Hay dos tangentes a la hipérbola que pasan por el punto A. Sus ecuacio- nes son: (Fig. 7.11.): 1)(x 3 393 5y 1)(x 3 393 5y + −− =− + +− =− Fig. 7.11. 2) Hallar y representar la ecuación de las rectas tangente y normal a la hipérbola 164yx 22 =− , en el punto ( )1−,52 de la hipérbola. Ecuación de la tangente (Fig. 7.12.): Se plantea el sistema ( ) −=+ =−− 52xm1y 0164yx 22 En la segunda ecuación se despeja la variable y: 1m52mxy −−= . Reemplazando en la primera ecuación: 211 ( ) 0161m52mx4x 22 =−−−− 016m5168mxxm516480mx4mx 22222 =−−++−−− ( ) ( ) ( ) 020m51680mx8mm516x4m1 2222 =−−−+++− Igualando a 0 el discriminante de esta ecuación (condición de tangencia): ( ) ( )( ) 020m51680m4m148mm516 2222 =−−−−−+ −+++++ 80m564320m64mm52561280m 2234 0320mm52561280m 234 =−−− 080m56464m 2 =++ 05m544m2 =++ ( ) 052m 2 =+ 2 5 m −= La ecuación de t es, entonces: ( )52x 2 5 1y −−=+ n ⊥ t mn = 5 52 Fig.7.12. 212 ( )52x 5 52 1y −=+ 0yx52 =−− 255 Esta expresión representa la ecuación de la recta normal a la hipérbola, en el punto ( )1−,52 7.10. Propiedad Focal de la hipérbola La tangente a una hipérbola en un punto T de la misma es bisectriz del ángulo que forman los radios vectores de la curva Demostración La demostración de esta propiedad se hará para el caso de una hipérbola con centro en el origen y cuyo eje focal es el eje x, es decir, una hipérbola de ecuación: 1 b y a x 2 2 2 2 =− , (Fig.7.13.). Sin embargo la propiedad es válida para cualquier hipérbola. Si T(xT, yT) es un punto de la hipérbola, se verifica: 222 T 22 T 2 2 2 T 2 2 T bayaxbtambiéno1 b y a x =−=− (I) La ecuación de la tangente a la curva en el punto T es: 0bayyaxxb 22T 2 T 2 =−− y su pendiente: T 2 T 2 ya xb tm = 213 Fig.7.13. Además, como los focos son F(c, 0) y F’(−c, 0), los radios vectores TF'yFT pertenecen a rectas cuyas pendientes son, respectivamente: cx 0y m T T − − =FT cx y m T T − = FT cx y m cx 0y m T T T T + = + − = T'FT'F Con estos datos se verificará que el ángulo α que forma F’T con la tan- gente es igual al ángulo α’ que forma ésta con FT. 214 tg α + − = T'F T' F mtm1 mtm tg α = + + + − cx y ya xb 1 cx y ya xb T T T 2 T 2 T T T 2 T 2 tg α = ( ) ( ) ( ) ( )cxya yxbcxya cxya yacxxb TT 2 TT 2 TT 2 TT 2 2 T 2 TT 2 + ++ + −+ tg α = TT 2 T 2 TT 2 2 T 2 T 22 T 2 yxbcyayxa yacxbxb ++ −+ tg α = cya)b(ayx cxbyaxb T 222 TT T 22 T 22 T 2 ++ +− Pero por (I), 222T 22 T 2bayaxb =− y, además, a2+ b2 = c2. Entonces re- emplazando se obtiene: tg α = T 2 TT 2 T 222 cyayxc cxbba + + ( ) ( ) T 2 T 2 T T 22 yc b αtg cxacy cxab αtg = + + = (II) Por otra parte: 215 tg α’ = + − tmm1 tmm FT FT tg α’ = T T T T T 2 T 2 T T y2a x2b cx y 1 ya xb cx y − + − − tg α’ = ( ) ( ) ( ) ( )cxya yxbcxya cxya cxxbya TT 2 TT 2 TT 2 TT 2 TT 22 T 2 − +− − −− TT 2 T 2 TT 2 T 22 T 22 T 2 yxbcyayxa cxbxbya α'tg +− +− = T 22 TT T 222 cyacyx cxbba α'tg − +− = ( ) ( )2TT T 22 acxcy cxab α'tg − +− = T 2 cy b α'tg = (III) De (II) y (III), resulta α = α’ quedando la propiedad demostrada.
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