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viernes, 23 de febrero de 2018

Cónicas

INTERSECCIÓN CONO-PLANO

La primera definición de cónica la dio Apolonio de Perga en el siglo III a.C, en su obra homónima "Las Cónicas". Basándose en un modelo espacial, define las cónicas como curvas planas resultantes de la intersección entre un cono y un plano.

El cono surge por la revolución de una recta generatriz g, alrededor de un eje con el que forma un ángulo α y al que interseca en el vértice V. 
El plano P secante forma con el eje del cono un ángulo β; según β sea mayor, igual o menor que el ángulo α del cono, la sección cónica formada será elipse, parábola o hipérbola respectivamente.

CURVAS

Son los lugares geométricos de los centros de circunferencias que pasan por un foco y son tangentes a la circunferencia focal de centro el otro foco; el punto de tangencia entre ambas circunferencias es el punto simétrico del foco  por el que pasa la primera, respecto a la tangente a la curva.

Elipse: Puntos del plano cuya suma de distancias a dos puntos fijos llamados focos es constante:
TF1 + TF2 = 2a
Hipérbola: Puntos del plano cuya diferencia de distancias a los focos es constante:
TF1 - TF2 = 2a
Parábola: Puntos T del plano que equidistan del foco F y de la directriz d:
TF = TSF


En la elipse, la suma de los radios vectores, es decir,
la suma de la distancias de un punto de la elipse a los focos, es constante.


En la parábola, la distancia de un punto de ella, al foco,
es igual a la distancia de ese punto de la parábola,
al simétrico del foco SF respecto a la tangente en dicho punto.


En la hipérbola, la diferencia de los radios vectores, es decir,
la diferencia de las distancias de un punto de la hipérbola a los focos,
es constante.

ELEMENTOS

Para quedar determinada toda cónica necesita de 5 datos que vendrán dados por alguno de sus elementos, principalmente: focos, vértices, tangente, directriz.
  • Esferas de Dandelin o focales: Se trata de una o dos esferas tangentes a la vez al cono y al plano; el punto de tangencia con el plano es el foco de la cónica; el contacto con el cono es una circunferencia cuyo plano es perpendicular al eje del cono. La relación entre las esferas focales es de homotecia con centro de homotecia el vértice del cono. 
  • Foco: Punto desde el que se mantienen constantes ciertas distancias relacionadas con todos los puntos de la curva. No pertenece a la curva, pero sí al plano de ésta y está en el punto de tangencia de las esferas de Dandelin con el plano de la cónica.  La distancia entre focos se conoce como 2c.
  • Directriz: es una recta que resulta de la intersección entre el plano de la cónica y el plano de la circunferencia común a la esfera focal y al cono.
  • Ejes: rectas ortogonales entre sí, respecto de la que son simétricos los puntos de la cónica.
  • Vértice: Punto de la cónica que se encuentra en el plano de simetría del conjunto y pertenece al cono y a la curva. Los extremos del eje mayor, A1 y A2, distan entre sí 2a. Los extremos del eje menor, B1 y B2, distan a de los focos y 2b entre sí.
  • Centro: Punto de intersección de los ejes de la cónica. No confundirlo con la intersección H del eje del cono con el plano P secante.
  • Circunferencia focal (Cf): Tiene por centro un foco, por radio 2a y es el lugar geométrico de los puntos simétricos del otro foco (SF) respecto de las tangentes a la curva.
  • Circunferencia principal (Cp): Su centro es el de la cónica, su radio a, pasa por los vértices de la cónica y es el lugar geométrico de los pies de las perpendiculares desde los focos a las tangentes a la cónica. Circunferencia focal y principal son homotéticas con razón de homotecia 1/2 ó 2 y centro de homotecia el otro foco, el que no es centro de la focal.
  • Recta tangente: Perpendicular a la bisectriz de los radios focales TF1 y TF2. Mediatriz del segmento entre un foco F y su simétrico SF en la focal cf. Las tangentes a la elipse pueden tener cualquier dirección. Las tangentes a la hipérbola tienen como límites las asíntotas, es decir, la dirección de la tangente varía entre el ángulo determinado por las asíntotas, el ángulo menor en que las asíntotas dividen al plano; la perpendicular a la dirección de la tangente de la hipérbola, se convierte en una tangente a la circunferencia focal cuando la tangente es la asíntota y los puntos de tangencia de la asíntota con la curva están en el infinito.   La tangente de la parábola puede tener cualquier dirección salvo la paralela al eje, pues en ella los puntos de tangencia de la recta con la curva tienden al infinito.

DEMOSTRACIONES

Método del jardinero o trazado por suma de radios vectores.

La definición de elipse se demuestra visualmente muy fácilmente con el Método de trazado del Jardinero: se utiliza una cuerda de longitud igual al eje mayor de la elipse (2a),  y fijados sus extremos a los focos, se dibuja la curva tensando la cuerda.
Esta demostración aparece en la película Agora de 2009 de Alejandro Amenábar, que destaca el estudio y las aportaciones a la Geometría y la Astronomía, en el siglo IV a.C, de Hipatia de Alejandría, interpretada por Rachel Weisz.

Esferas focales

Las esferas focales o de Dandelin, tangentes a la vez al cono y al plano de la cónica, nos facilitan otra demostración  visual, de la definición de la elipse, si observamos que:
  • La distancia O'1-O'2 entre los planos que contienen a las circunferencias de Dandelin (tangentes al cono y al plano de la cónica) es constante, por lo que la longitud del segmento de generatriz MN entre ellas, también será constante.
  • Los segmentos tangentes desde cualquier punto de la cónica a cada una de las esferas focales, miden lo mismo, por lo que TF1 = TM siendo ambos segmentos, tangentes a la esfera superior desde un punto cualquiera T de la cónica; y TF2 = TN, siendo ambos segmentos, dos tangentes a la esfera inferior desde el mismo punto T de la cónica.



Imagen interactiva. Haz clic izquierdo y mantén pulsado sobre el punto T de la elipse,
 mientras deslizas el ratón. Comprobarás que:
  • La distancia MN es constante para cualquier posición de T. 
  • Si pinchas y mantienes apretado el botón derecho sobre el fondo blanco de la imagen, mientras deslizas el ratón, el conjunto orbitará y verás también que los focos F1 y F2 son los puntos de contacto (tangencia) de las esferas con el plano de la cónica. 

EJERCICIOS

De los diversos ejercicios que se pueden plantear, proponemos los siguientes, en los que se pide determinar la cónica dados los focos y los vértices y una condición de tangencia.
  • Dados los focos y una tangente, hallar los vértices y el punto de tangencia.
  • Determinar la tangente que pase por P exterior a la curva.
  • Determinar la tangente paralela a una dirección m dada.


En la imagen siguiente se resuelven los ejercicios anteriores de dos maneras cada uno: basándose en la circunferencia focal por un lado, y basándose en la circunferencia principal por otro.


elipse

hipérbola

parábola


Los razonamientos básicos consisten en apoyarse en las definiciones de los elementos de la curva, tratando de visualizar las demostraciones gráficas que se apoyan en planteamientos espaciales como las esferas focales.
  • por circunferencia focal:
La circunferencia focal es conocida y podemos trazarla: tiene por centro un foco, por radio el eje mayor, 2a (coincide con la recta directriz si la curva es una parábola) y es el lugar geométrico de los puntos simétricos del otro foco respecto de la tangente a la curva.
P pertenece a la tangente buscada, por lo que su distancia al  foco y al simétrico en la focal será igual. Los simétricos del foco están en la intersección con la focal de la circunferencia de centro P y radio PF. 

La tangente buscada es la mediatriz del segmento entre un foco y su simétrico en la focal. El foco lo conocemos. Su simétrico no, pero sabemos que está en la circunferencia focal, y ésta sí es conocida.

En el caso de la parábola, en la directriz están los simétricos del foco, respecto a la tangente buscada, mediatriz entre ambos puntos.

  • por circunferencia principal:
La circunferencia principal es el lugar geométrico de los pies de las perpendiculares a las rectas tangentes desde los focos. En sus puntos coinciden, ortogonalmente, las rectas tangentes a la curva y rectas perpendiculares a dichas tangentes desde los focos. Son vértices de ángulos de 90º y lados la tangente y la perpendicular a ella desde un foco. Por tanto, también son vértices de un arco capaz entre dicho foco y el punto P por el que pasa la tangente.

Por los pies de las perpendiculares a la dirección tangente desde los focos, pasa la tangente buscada.

La circunferencia principal y la focal son homotéticas y elementos homólogos de ellas están en radios paralelos, paralelismo que emplearemos para hallar los puntos de tangencia.








lunes, 24 de abril de 2017

Cónicas. Ejercicio tipo 1: Punto de tangencia T en t dada

Circunferencia focal es aquella que tiene por centro un foco y por radio 2a. También es el lugar geométrico de los puntos simétricos de los focos (SF). Hay dos circunferencias focales.

Circunferencia principal es el lugar geométrico de los pies de las perpendiculares desde los focos a las tangentes a la cónica. Tiene por centro el centro de la cónica y por radio a, por lo que pasa por los vértices A1 y A2.

Circunferencia focal y principal son homotéticas con razón de homotecia 1/2 ó 2. Cualquier punto de la circunferencia focal tiene otro punto homotético en la circunferencia principal.

Si el simétrico de un foco está dentro de la circunferencia principal, la recta es secante con la cónica.
Si el simétrico de un foco pertenece a la circunferencia principal, la recta es tangente a  la cónica.
Si el simétrico de un foco está fuera de la circunferencia principal, la recta es exterior a la cónica.

Ejercicio 1: 
Dados O, F1, t
Hallar F2, T, A
Método circunferencia focal:
Los focos son simétricos respecto al centro O de la cónica. Así obtenemos F2.


Las circunferencias focales son el lugar geométrico de los simétricos de los focos respecto a las tangentes, Así obtenemos el simétrico de uno de los focos, por ejemplo el F1.


Las circunferencias focales tienen centro un foco y radio 2a siendo el extremo el simétrico del otro foco respecto a la tangente correspondiente. Así obtenemos el punto de tangencia T de la recta tangente dada t con la cónica dada.



Los vértices A1 y A2 de la cónica están alineados con el eje de los focos y el centro de la cónica. En la intersección de este eje con la circunferencia focal obtenemos la diferencia entre la distancia entre vértices y la distancia entre focos 2a - 2c. Los vértices son simétricos respecto al centro de la cónica.


Método circunferencia principal:
La circunferencia principal es el pie de las perpendiculares desde los focos a las tangentes.

Sabemos que tiene radio a y centro O, luego podemos dibujarla.



En su intersección con el eje OF1, encontramos los vértices A1 y A2 de la cónica.
Y en su intersección con la tangente, el pie de la perpendicular a t, la cual pasará por el otro foco F2.

Como la circunferencia focal y la principal son homotéticas, la intersección de la  perpendicular a t por F1, con una paralela al radio OPieF1, cortará a t en T punto de tangencia y a F1-PieF1 en su simétrico SF1.









2017 04 24_Cónicas1

EJERCICIO DE CÓNICAS I
Dada una elipse por sus dos focos F1 y F2 y una recta tangente t, determinar el punto de tangencia T y los vértices A1 y A2.


Tenemos 2 coordenadas de F1, 2 coordenadas de F2 y una dirección de t, 5 datos, por lo que la cónica está definida.
Conocemos tres definiciones de cónica:
  • Intersección entre un cono y un plano.
  • Lugar geométrico de los puntos cuya suma de distancias a dos puntos fijos llamados focos F1 y F2 es constante (2a).
  • Lugar geométrico de los centros de circunferencias tangentes a la focal y que pasan por el otro foco. Además sabemos que el punto de tangencia entre las dos circunferencias es el simétrico del foco. Dicho de otro modo, las rectas tangentes a las cónicas son bisectrices del ángulo entre TF2 y TFS2

Por tanto, obtenemos el simétrico de un foco, respecto de t, por  ejemplo el F2.


El punto de tangencia T buscado está en la recta t y en la prolongación del radio focal F1-T al SF1.


La distancia entre F2 y SF1 es 2a (distancia del eje mayor de la cónica).


Basta llevar 2a sobre el eje entre F1 y F2 partiendo del centro, para obtener los vértices buscados A1 y A2.