Geometria Curbelor şi Suprafeţelor Teorie şi Aplicaţii. Mircea NEAGU

Transcript

1 Geometria Curbelor şi Suprafeţelor Teorie şi Aplicaţii Mircea NEAGU

2

3 Cuprins 1 Conice Conice pe ecuaţii reduse Cercul Elipsa Hiperbola Parabola Reuniuni de drepte, punct şi mulţime vidă Conice pe ecuaţie generală Invarianţii metrici, δ şi I ai unei conice Invarianţa lui, δ şi I la translaţii Invarianţa lui, δ şi I la transformări ortogonale Centrul unei conice Reducerea la forma canonică a conicelor cu centru(δ=0) Reducerea la forma canonică a conicelor fără centru(δ=0) Clasificarea conicelor. Reprezentare grafică Probleme rezolvate Probleme propuse Cuadrice 49.1 Cuadrice pe ecuaţii reduse Sfera Elipsoidul Hiperboloidul cu o pânză Hiperboloidul cu două pânze Paraboloidul eliptic Paraboloidul hiperbolic Conul Cilindri Reuniuni de plane, dreaptă, punct şi mulţime vidă Cuadrice pe ecuaţie generală Invarianţii, δ, I şi J ai unei cuadrice Invarianţa lui, δ, I şi J la translaţii Invarianţa lui, δ, I şi J la transformări ortogonale Centrul unei cuadrice Reducerea la forma canonică a cuadricelor cu centru(δ=0) Reducerea la forma canonică a cuadricelor fără centru(δ=0) Metoda roto-translaţiei pentru recunoaşterea cuadricelor Probleme rezolvate Probleme propuse CUPRINS 3

4 3 Generări de suprafeţe Suprafeţe cilindrice Suprafeţe conice Suprafeţe de rotaţie Probleme rezolvate Probleme propuse Curbe plane Definiţii şi exemple Dreaptă tangentă şi dreaptă normală Curbe parametrizate Curbe definite implicit Reperul lui Frénet. Curbura unei curbe plane Schimbări de parametru. Orientarea unei curbe plane Lungimea unei curbe plane. Parametrizarea canonică Interpretări geometrice pentru curbura unei curbe plane Probleme rezolvate Probleme propuse Curbe în spaţiu Definiţii şi exemple Dreaptă tangentă şi plan normal Curbe parametrizate Curbe definite implicit Triedrul lui Frénet. Curbura şi torsiunea unei curbe în spaţiu Schimbări de parametru. Orientarea unei curbe în spaţiu Lungimea unei curbe în spaţiu. Parametrizarea canonică Interpretări geometrice ale curburii şi torsiunii Probleme rezolvate Probleme propuse Suprafeţe Definiţii şi exemple Plan tangent şi dreaptă normală Suprafeţe parametrizate Suprafeţe definite implicit Formele fundamentale ale unei suprafeţe Aplicaţia lui Weingarten. Curburile unei suprafeţe Interpretări geometrice ale curburilor unei suprafeţe Geodezice pe o suprafaţă Probleme rezolvate Probleme propuse CUPRINS

5 PREFAŢĂ Această carte reprezintă un Curs despre Teoria Geometrică a Curbelor şi Suprafeţelor, adresat în principal studenţilor din anul I de la facultăţile tehnice. Scopul acestui curs este de a-i iniţia pe viitorii ingineri în tainele geometriei curbelor şi suprafeţelor, atât de necesară formării unei culturi tehnice solide. Din acest motiv, s-a încercat ca materialul prezentat să aibă un puternic caracter didactic fără a se neglija însă rigurozitatea matematică specifică ştiinţelor exacte. Actualul mod de prezentare al cărţii îmbină experienţa universitară a autorilor menţionaţi în bibliografie cu experienţa proprie a autorului, dobândită de-a lungul mai multor ani de predare la catedră. Din această perspectivă, considerăm că modul de prezentare a materiei, precum şi multitudinea şi varietatea exemplelor folosite, asigură prezentei cărţi un grad destul de mare de independenţă şi sinteză în raport cu bibliografia existentă. În această carte noţiunile matematice sunt introduse gradual, pornindu-se de la studiul geometriei conicelor şi cuadricelor (prin intermediul reducerii la forma canonică a unei forme pătratice prin metoda valorilor proprii) şi continuându-se cu expunerea generală a geometriei diferenţiale a curbelor şi suprafeţelor. În cadrul geometriei diferenţiale a curbelor şi suprafeţelor sunt prezentate principalele entităţi geometrice(cum ar fi curbura şi torsiunea unei curbe în spaţiu sau curburile principale, Gauss şi medie ale unei suprafeţe) care caracterizează forma locală a unei curbe sau suprafeţe. Din considerente didactice, fiecare Capitol al cărţii este structurat pe Secţiuni, după cum urmează: 1. expunerea detaliată şi riguroasă a Elementelor de Teorie, cu demonstraţii, exemple şi contraexemple;. prezentarea unui set corespunzător de Probleme Rezolvate, necesar unei mai bune înţelegeri a conceptelor teoretice studiate; 3. finalizarea expunerii printr-o listă de Probleme Propuse, cu Indicaţii şi Răspunsuri. Pentru simplificarea expunerii noţiunilor, autorul a utilizat identificarea naturală a unorspaţii,pornindu-sedelaideeacăspaţiulr n estemodelulstandarddespaţiuvectorial euclidian de dimensiune n. Totodată, pentru a se evita supraîncărcarea şi a se fluentiza exprimarea, limbajul şi notaţiile sunt uneori simplificate, autorul considerând că cititorul înţelege din context sensul corect al noţiunii sau formulei expuse. În final, pentru o mai frumoasă perspectivă asupra conţinutului de ansamblu al acestei cărţi, am dori să reamintim cititorului că, din punct de vedere etimologic, cuvântul "geometrie" îşi are obârşia în limba greacă < gr. ge pământ, metron măsură >, ceea ce s-ar traduce prin "măsurătorile pământului". În consecinţă, reamintim şi faptul (cunoscut publicului larg) că geometria ca ştiinţă este ramura matematicii care studiază formele şi proprietăţile măsurabile ale figurilor plane şi spaţiale. Conştient de faptul că materialul de faţă poate suporta îmbunătăţiri, autorul acestuia aduce mulţumiri anticipate tuturor cititorilor care vor avea de făcut critici sau sugestii legate de acesta. Autorul CUPRINS 5

6 6 CUPRINS

7 1. CONICE Conicele sau curbele algebrice de grad doi reprezintă o clasă de curbe plane cu proprietăţi remarcabile, întâlnite în aplicaţii din diverse domenii. Acestea sunt caracterizate, într-un reper cartezian ortonormat din planul E, printr-o ecuaţie de forma Γ:g(x,y)=0, unde funcţia g(x,y) este o funcţie polinomială de grad doi în nedeterminatele x şi y. Din punct de vedere geometric, în acest capitol vom demostra că o conică nu poate reprezenta în plan decât una dintre următoarele figuri geometrice: elipsă, în particular cerc, hiperbolă, parabolă, reuniune de drepte paralele, confundate sau concurente, un punct sau mulţimea vidă. 1.1 Conice pe ecuaţii reduse Vom prezenta în această secţiune caracterizările algebrice şi principalele proprietăţi geometrice ale elipselor, în particular cercurilor, hiperbolelor şi parabolelor, studiate în repere carteziene ortonormate alese convenabil, după fiecare caz în parte. Fixăm pentru început reperul ortonormat R={O;i,j} înplanulbidimensional al geometriei euclidienee, adicăfixămîne unsistemortogonal de axe (coordonate) xoy Cercul Definiţia 1.1. Se numeşte cerc de centru C(x 0,y 0 ) şi de rază r >0 mulţimea(c) a punctelor din plan M(x, y) care verifică relaţia d(m,c)=r. Observaţia Este evident că mulţimea punctelor din plan M(x, y) care aparţin cercului(c) de centru C(x 0,y 0 ) şi de rază r >0 satisface ecuaţia de grad doi (C):(x x 0 ) +(y y 0 ) =r numită ecuaţia carteziană implicită a cercului de centru C(x 0,y 0 ) şi de rază r >0. Dezvoltând pătratele în ecuaţia carteziană implicită a cercului(c), obţinem ecuaţia (C):x +y x 0 x y 0 y+x 0 +y 0 r =0, CONICE 7

8 care ne sugerează studiul geometric al ecuaţiei de gradul doi (ecuaţie de conică) de forma Γ:x +y +ax+by+c=0, unde a,b,c R. Deoarece ecuaţia coniceiγse transcrie sub forma Γ:(x+a) +(y+b) =ρ, unde ρ=a +b c, rezultă că avem următoarele situaţii: 1. Dacă ρ > 0, atunci mulţimea Γ este un cerc de centru C(x 0,y 0 ), unde x 0 = a, y 0 = b, şi de rază r= ρ;. Dacă ρ=0, atunciγ={( a, b)}; 3. Dacă ρ<0, atunciγ={ }. Definiţia Ecuaţia unde x +y +ax+by+c=0, a +b c>0, se numeşte ecuaţia carteziană generală a cercului Elipsa Definiţia Locul geometric al punctelor din plan a căror sumă a distanţelor la două puncte fixe F 1 şi F este constantă se numeşte elipsă. Dacă alegem xoy un sistem de axe ortogonal preferenţial, astfel încât F 1 ( c,0) şi F (c,0), unde c>0, atunci mulţimea punctelor din plan M(x,y) cu proprietatea MF 1 +MF =a, unde a > 0, este caracterizată algebric de ecuaţia (E): (x+c) +y + (x c) +y =a. În această ecuaţie, trecând al doilea termen din stânga în membrul drept şi ridicând de două ori consecutiv la pătrat, obţinem, în urma calculelor, următoarea ecuaţie carteziană redusă a elipsei: unde b= a c. (E): x a + y b =1, 8 CONICE

9 Elipsa(E) În cazul elipsei (E), descrisă prin ecuaţia carteziană redusă de mai sus, întâlnim următoarele noţiuni uzuale: 1. Punctele F 1 ( c,0) şi F (c,0) se numesc focarele elipsei(e);. Segmentele OA=a şi OB=b se numesc semiaxa mare şi semiaxa mică ale elipsei (E) şi reprezintă axele de simetrie ale elipsei(e); 3. Punctele A(a,0), A ( a,0), B(b,0) şi B ( b,0) se numesc vârfurile elipsei(e); 4. Punctul O(0,0) se numeşte centrul de simetrie al elipsei(e); 5. Dreptele x=± a c se numesc directoarele elipsei(e); 6. Numărul real e= c a <1 se numeşte excentricitatea elipsei(e). Observaţia Elipsa(E) poate fi gândită şi ca locul geometric al punctelor din plan M(x, y) care verifică una dintre relaţiile: unde D 1 :x= a c şi D :x= a c MF 1 d(m,d 1 ) =e<1 sau MF d(m,d ) =e<1, reprezintă directoarele elipsei(e). Observaţia Dacă în ecuaţia elipsei(e) luăm a=b=r>0, atunci elipsa (E) devine un cerc (C) centrat în originea O(0,0) şi de rază r. Ecuaţia acestui cerc(c) este exprimată prin (C):x +y =r. Deoarece egalitatea a = b implică c = 0, rezultă că focarele F 1 ( c,0) şi F (c,0) ale cercului (C) se suprapun şi coincid cu centrul O(0,0) al cercului (C). Mai mult, prin definiţie, admitem că excentricitatea cercului(c) este e= c r =0. CONICE PE ECUAŢII REDUSE 9

10 1.1.3 Hiperbola Definiţia Locul geometric al punctelor din plan pentru care valoarea absolută a diferenţei distanţelor la două puncte fixe F 1 şi F este constantă se numeşte hiperbolă. Dacă alegem xoy un sistem de axe ortogonal preferenţial, astfel încât F 1 ( c,0) şi F (c,0), unde c>0, atunci mulţimea punctelor din plan M(x,y) cu proprietatea MF 1 MF =a, unde a > 0, este caracterizată algebric de ecuaţia (H): (x+c) +y (x c) +y =a. În această ecuaţie, ridicând de două ori consecutiv la pătrat şi reducând termenii asemenea, obţinem, în urma calculelor, următoarea ecuaţie carteziană redusă a hiperbolei: unde b= c a. (H): x a y b =1, Hiperbola(H) În cazul hiperbolei(h), descrisă prin ecuaţia carteziană redusă de mai sus, întâlnim următoarele noţiuni uzuale: 1. Punctele F 1 ( c,0) şi F (c,0) se numesc focarele hiperbolei(h);. Axele Ox şi Oy se numesc axele de simetrie ale hiperbolei(h); 3. Punctele A(a,0) şi A ( a,0) se numesc vârfurile hiperbolei(h); 4. Punctul O(0, 0) se numeşte centrul de simetrie al hiperbolei(h); 5. Dreptele y=± b x se numesc asimptotele hiperbolei(h); a 6. Dreptele x=± a c se numesc directoarele hiperbolei(h); 10 CONICE

11 7. Numărul real e= c >1 se numeşte excentricitatea hiperbolei(h). a Observaţia Hiperbola (H) poate fi gândită şi ca locul geometric al punctelor din plan M(x, y) care verifică una dintre relaţiile: unde D 1 :x= a c şi D :x= a c MF 1 d(m,d 1 ) =e>1 sau MF d(m,d ) =e>1, reprezintă directoarele hiperbolei(h) Parabola Definiţia Locul geometric al punctelor din plan egal depărtate de un punct fix F şi o dreaptă fixă se numeşte parabolă. p Dacă alegem xoy un sistem de axe ortogonal preferenţial, astfel încât F,0 şi :x= p, unde p>0, atunci mulţimea punctelor din plan M(x,y) cu proprietatea MF =d(m, ) este caracterizată algebric de ecuaţia (P): x p +y = x+ p. Ridicând această ecuaţie la pătrat şi reducând termenii asemenea, obţinem, în urma calculelor, următoarea ecuaţie carteziană redusă a parabolei: (P):y =px. Parabola(P) În cazul parabolei (P), descrisă prin ecuaţia carteziană redusă de mai sus, întâlnim următoarele noţiuni uzuale: p 1. Punctul F,0 se numeşte focarul parabolei(p); CONICE PE ECUAŢII REDUSE 11

12 . Axa Ox se numeşte axa de simetrie a parabolei(p); 3. Punctul O(0,0) se numeşte vârful parabolei(p); 4. Dreapta :x= p se numeşte directoarea parabolei(p). Observaţia Excentricitatea parabolei(p) poate fi gândită ca raportul constant: e= MF d(m, ) = Reuniuni de drepte, punct şi mulţime vidă Definiţia Conica(DC) E de ecuaţie (DC): x a y b =0, unde a,b>0, se numeşte reuniune de drepte concurente. Definiţia Conica(DP) E de ecuaţie (DP):x a =0, unde a>0, se numeşte reuniune de drepte paralele. Definiţia Conica(D) E de ecuaţie (D):x =0 se numeşte reuniune de drepte confundate. Definiţia Conica(PCT) E de ecuaţie unde a,b>0, se numeşte punct. (PCT): x a + y b =0, Definiţia Conica(V) E de ecuaţie unde a,b>0, se numeşte mulţimea vidă. (V): x a + y b +1=0, 1 CONICE

13 1. Conice pe ecuaţie generală Să considerăm spaţiul bidimensional al geometriei euclidiene planee în care am fixat un reper cartezian ortogonal R={O;i,j}, adică am fixat un sistem ortogonal de axe (coordonate) xoy. Definiţia 1..1 Mulţimea punctelor din plan M(x, y) ale căror coordonate verifică o relaţie polinomială de forma Γ:g(x,y)=0, unde coeficienţii reali g(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y +a 13 x+a 3 y+a 33, a ij R, i,j=1,3, verificând relaţia a 11+a 1+a =0, se numeşte conică. 1.3 Invarianţii metrici, δ şi I ai unei conice Pentru început este important să subliniem faptul că dacă unui punct din plan îi ataşăm coordonatele omogene în spaţiu M(x,y) E legate prin relaţiile M(x 1,x,x 3 ) E 3 x= x 1 x 3 şi y= x x 3, unde x 3 =0, atunci expresia ecuaţiei unei conice Γ:g(x,y)=0 devine expresia echivalentă a anulării unei forme pătratice definită prin unde x=(x 1,x,x 3 ). Q:R 3 R Q(x)=a 11 x 1 +a 1x 1 x +a x +a 13x 1 x 3 +a 3 x x 3 +a 33 x 3, CONICE PE ECUAŢIE GENERALĂ 13

14 Definiţia Matricea simetrică A= a 11 a 1 a 13 a 1 a a 3 a 13 a 3 a 33 a formei pătratice Q se numeşte matricea conicei Γ în sistemul ortogonal de axe xoy. Definiţia 1.3. Numerele reale a 11 a 1 a 13 = a 1 a a 3 a 13 a 3 a 33, δ= a 11 a 1 a 1 a şi I =a 11+a se numesc invarianţii metrici ai conicei Γ. Vom demonstra în continuare că invarianţii metrici, δ şi I nu îşi modifică valoarea în urma efectuării unei translaţii sau a unei transformări ortogonale de coordonate Invarianţa lui, δ şi I la translaţii SăconsiderămcăC(x 0,y 0 )esteunpunctarbitrardinplanulgeometrieieuclidienee.este evident că translaţia sistemului de axe xoy în sistemul de axe x Cy, translaţie definită prin x y = x x0 y +, y 0 este echivalentă cu o transformare de coordonate omogene definită prin x 1 x = 1 0 x y 0 x 1 x. x x 3 Atunci, efectuând o translaţie ca mai sus, deducem că expresia ecuaţiei conicei Γ:g(x,y)=0 devine expresia echivalentă a anulării formei pătratice definită prin unde x =(x 1,x,x 3 ) iar Q:R 3 R Q(x ) = a 11 (x 1) +a 1 x 1x +a (x ) + g x (x 0,y 0 )x 1x 3+ + g y (x 0,y 0 )x x 3+g(x 0,y 0 )(x 3), g x (x 0,y 0 )=(a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 ) şi g y (x 0,y 0 )=(a 1 x 0 +a y 0 +a 3 ). 14 CONICE

15 Definiţia 1.3. Matricea simetrică a 11 a 1 a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 A = a 1 a a 1 x 0 +a y 0 +a 3 a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 a 1 x 0 +a y 0 +a 3 g(x 0,y 0 ) a formei pătratice Q se numeşte matricea conicei Γ în sistemul ortogonal de axe x Cy. Dacă considerăm acum numerele reale a 11 a 1 a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 = a 1 a a 1 x 0 +a y 0 +a 3 a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 a 1 x 0 +a y 0 +a 3 g(x 0,y 0 ), δ = a 11 a 1 a 1 a şi I =a 11 +a, atunci putem demonstra următorul rezultat: Teorema Numerele reale, δ, I şi, δ, I verifică egalităţile: =, δ=δ şi I =I. Demonstraţie. Egalităţile δ=δ şi I=I sunt evidente. Pentru a demonstra egalitatea = folosim proprietăţile determinanţilor. Astfel, dacă înmulţim în determinantul prima coloană cu ( x 0 ) şi a doua coloană cu ( y 0 ) şi rezultatele le adunăm la ultima coloană, obţinem ceea ce trebuia demonstrat Invarianţa lui, δ şi I la transformări ortogonale Este evident că o transformare ortogonală de coordonate în plan definită prin x x =B y y, unde B TB = I, este echivalentă cu o transformare ortogonală de coordonate omogene definită prin x 1 x B 0 1 x = x 0 1. x 3 x 3 Atunci, efectuând o transformare ortogonală de coordonate ca mai sus, deducem că expresia ecuaţiei conicei Γ:g(x,y)=0 devine expresia echivalentă a anulării formei pătratice definită prin Q:R 3 R Q(x )=a 11 (x 1 ) +a 1 x 1 x +a (x ) +a 13 x 1 x 3 +a 3 x x 3 +a 33 (x 3 ), unde x =(x 1,x,x 3 ). INVARIANŢII METRICI,δ ŞII AI UNEI CONICE 15

16 Definiţia Matricea simetrică A = a 11 a 1 a 13 a 1 a a 3 a 13 a 3 a 33 a formei pătratice Q se numeşte matricea conicei Γ în sistemul ortogonal de axe x Oy. Dacă considerăm acum numerele reale a 11 a 1 a 13 = a 1 a a 3 a 13 a 3 a, δ = 33 a 11 a 1 a 1 a şi I =a 11+a. atunci putem demonstra următorul rezultat: Teorema Numerele reale, δ, I şi, δ, I verifică egalităţile: =, δ=δ şi I =I. Demonstraţie. Vom demonstra mai întâi că avem δ=δ şi I = I. Pentru aceasta, fie forma pătratică ϕ:r R definită prin x ϕ(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y =(x,y) A y, unde A= a11 a 1. a 1 a În urma transformării ortogonale de mai sus, forma pătratică ϕ capătă expresia ϕ(x,y )=(x,y ) TB A B x y. Deoarece numerele reale δ şi I caracterizează polinomul caracteristic P A (λ)=det(a λi )=λ Iλ+δ, rezultă că expresia acestuia este invariantă la o schimbare de bază (schimbare de coordonate) dată de relaţia matriceală În concluzie, avem A = T B A B. δ=δ şi I =I. Repetând raţionamentul de mai sus pentru forma pătratică Q:R 3 R 16 CONICE

17 definită prin Q(x)=(x 1,x,x 3 ) A deducem că, în urma transformării ortogonale omogene de mai sus, forma pătratică Q capătă expresia T x Q(x )=(x 1,x,x B 0 B 0 1 3) A x x 3 Deoarece numărul real caracterizează polinomul caracteristic x 1 x x 3, P A (λ)=det(a λi 3 )=λ 3 J 1 λ +J λ, unde J 1,J R, rezultă că expresia acestuia este invariantă la o schimbare de bază (schimbare de coordonate) dată de relaţia matriceală T A B 0 B 0 = A În concluzie, avem =. 1.4 Centrul unei conice Fie conicaγ:g(x,y)=0, unde g(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y +a 13 x+a 3 y+a 33, şi fie C(x 0,y 0 ) un punct arbitrar din planul geometriei euclidiene E. Definiţia Punctul C(x 0,y 0 ) se numeşte centru al conicei Γ dacă este satisfăcută următoarea afirmaţie logică: P(x,y) Γ P (x 0 x,y 0 y) Γ. Observaţia 1.4. Din punct de vedere geometric, definiţia anterioară arată că punctul C este centrul unei coniceγdacă pentru orice punct P de pe conicaγsimetricul său faţă de punctul C se află tot pe conicaγ. Din acest motiv, dacă există, centrul unei coniceγ se mai numeşte şi centrul de simetrie al coniceiγ. Teorema Punctul C(x 0,y 0 ) este centru al coniceiγdacă şi numai dacă g x (x 0,y 0 )=0 a11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 =0 g y (x 0,y 0 )=0 a 1 x 0 +a y 0 +a 3 =0. CENTRUL UNEI CONICE 17

18 Demonstraţie. Efectuând translaţia sistemului de axe xoy în sistemul de axe x O y, unde O =C, translaţie definită prin x=x +x 0 ecuaţia conicei Γ devine y=y +y 0, Γ:a 11 (x ) +a 1 x y +a (y ) + g x (x 0,y 0 )x + g y (x 0,y 0 )y +g(x 0,y 0 )=0. Centrul O =C al coniceiγ Evident, din definiţia centrului unei conice deducem că condiţia ca noua origine O (0,0)=C(x 0,y 0 ) asistemuluideaxex O y săfiecentrualconiceiγsereducelaverificareaafirmaţieilogice P(x,y ) Γ P ( x, y ) Γ. Această condiţie este echivalentă cu egalitatea a 11 (x ) +a 1 x y +a (y ) g x (x 0,y 0 )x g y (x 0,y 0 )y +g(x 0,y 0 )=0 pentru orice punct P(x,y ) Γ. Prin scădere, rezultă că g x (x 0,y 0 )x + g y (x 0,y 0 )y =0, P(x,y ) Γ. Deoarece punctul P(x,y ) Γ este arbitrar, rezultă că g x (x 0,y 0 )=0 şi g y (x 0,y 0 )=0. Observaţia Deoarece determinantul sistemului liniar 1 g x (x 0,y 0 )=a 11 x 0 +a 1 y 0 +a 13 =0 1 g y (x 0,y 0 )=a 1 x 0 +a y 0 +a 3 =0 este δ= a 11 a 1 a 1 a, rezultă că următoarele afirmaţii sunt adevărate: 18 CONICE

19 1. Dacă δ=0, atunci conica Γ:g(x,y)=0 are un unic centru C(x 0,y 0 ) ale cărui coordonate sunt determinate de sistemul Cramer anterior. Vom demonstra în acest capitol că conicele cu centru sunt: cercul, elipsa, hiperbola, perechea de drepte concurente, un punct şi mulţimea vidă.. Dacă δ =0, atunci conica Γ:g(x,y)=0ori nu are nici un centru, ori admite o dreaptă de centre. Vom demonstra în acest capitol că conicele fără centru sunt parabolele iar conicele cu o dreaptă de centre sunt: perechile de drepte paralele sau confundate şi mulţimea vidă. 1.5 Reducerea la forma canonică a conicelor cu centru (δ=0) Să considerăm acum căγ:g(x,y)=0 este o conică cu centrul C(x 0,y 0 ). După cum am observat în demonstraţia teoremei precedente, efectuând o translaţie a sistemului de axe xoy în sistemul de axe x O y, unde O =C, ecuaţia coniceiγdevine Γ:a 11 (x ) +a 1 x y +a (y ) +g(x 0,y 0 )=0. Să studiem în continuare forma pătratică ϕ:r R definită prin ϕ(x,y )=a 11 (x ) +a 1 x y +a (y ). Evident, matricea simetrică ataşată formei pătratice ϕ în baza canonică a spaţiului vectorial euclidian R R este a11 a A= 1. a 1 a Atunci, conform metodei valorilor proprii de reducere la forma canonică a formelor pătratice, există un sistem de coordonate XO Y în raport cu care forma pătratică ϕ are forma canonică ϕ(x,y)=λ 1 X +λ Y, unde λ 1 şi λ sunt valorile proprii ale matricii A. Evident, valorile proprii λ 1 şi λ sunt soluţiile ecuaţiei caracteristice a 11 λ a 1 a λ =0 λ Iλ+δ=0, a 1 unde δ=0. Să presupunem acum că baza în care se obţine forma canonică a formei pătratice ϕ este baza ortonormată formată din vectorii proprii e 1 =(ξ 1,ξ ) şi e =(η 1,η ) corespunzători valorilor proprii λ 1 şi λ. Atunci, transformarea de coordonate care realizează forma canonică a formei pătratice ϕ este dată de relaţia matriceală x ξ1 η = 1 X y, ξ η Y REDUCEREA LA FORMA CANONICĂ A CONICELOR CU CENTRU(δ=0) 19

20 unde matricea ξ1 η R= 1 ξ η este ortogonală, adică verifică relaţiar TR=I. 1. Relaţia matricealăr TR=I implică egalitateadetr=±1.. Dacă detr = 1, atunci trecerea de la sistemul de axe x O y la sistemul de axe XO Y se realizează geometric printr-o rotaţie. Direcţiile şi sensurile noilor axe de coordonateo X şio Y sunt determinate de reprezentanţii legaţi în punctulo =C ai vectorilor proprii ortonormaţi e 1 şi e. 3. Dacă detr = 1, atunci trecerea de la sistemul de axe x O y la sistemul de axe XO Y serealizeazăgeometricprintr-orotaţieurmatădeosimetrie. Dinacestmotiv, în aplicaţii vom renumerota, dacă este cazul, valorile proprii λ 1 şi λ şi, implicit, vectorii proprii ortonormaţi e 1 şi e, astfel încâtdetr=1. În urma rotaţiei de mai sus (i.e. detr=1), expresia ecuaţiei coniceiγdevine Γ:λ 1 X +λ Y +g(x 0,y 0 )=0. Evident, matricea coniceiγîn sistemul de axe XO Y este A= λ λ g(x 0,y 0 ) Ţinând cont de invarianţa lui şi δ la translaţii şi transformări ortogonale de coordonate, deducem că =(λ 1 λ ) g(x 0,y 0 ) şi δ=λ 1 λ, adică g(x 0,y 0 )= δ. În concluzie, în urma unei roto-translaţii convenabile, ecuaţia conicei Γ cu centrul în punctul C(x 0,y 0 ) poate fi scrisă în forma canonică: Γ:λ 1 X +λ Y + δ =0. Teorema DacăΓ:g(x,y)=0este o conică cu centrul în punctulc(x 0,y 0 ), atunci conica Γ poate reprezenta în plan una dintre următoarele figuri geometrice: o elipsă, în particular un cerc, o hiperbolă, o reuniune de drepte concurente, un punct sau mulţimea vidă. Demonstraţie. Ţinând cont de ecuaţia canonică a conicei Γ scrisă anterior şi utilizând notaţiile a= δλ 1, b= δλ, α= λ 1 şi β= λ, avem următoarele situaţii posibile: 0 CONICE

21 1. =0; (a) δ >0 λ 1 λ >0 λ 1,λ >0 sau λ 1,λ <0; i. Dacă λ 1,λ >0 şi <0 sau λ 1,λ <0 şi >0, atunci ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma (elipsă) Γ: X a + Y b 1=0; ii. Dacă λ 1,λ >0 şi >0 sau λ 1,λ <0 şi <0, atunci ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma (mulţimea vidă) Γ: X a + Y b +1=0; (b) δ <0 λ 1 λ <0 λ 1 >0, λ <0 sau λ 1 <0, λ >0;. =0; i. Dacă λ 1 >0, λ <0 şi <0 sau λ 1 <0, λ >0 şi >0, atunci ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma Γ: X a Y b +1=0; ii. Dacă λ 1 >0, λ <0 şi >0 sau λ 1 <0, λ >0 şi <0, atunci ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma Γ: X a Y b 1=0; În ambele cazuri suntem în prezenţa unei hiperbole; (a) δ >0 λ 1 λ >0 λ 1,λ >0 sau λ 1,λ <0; În acest caz ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma α X +β Y =0 X =Y =0. Înacestcazavemde-afacecu un punct careesteexactcentrulconiceic(x 0,y 0 ); (b) δ <0 λ 1 λ <0 λ 1 >0, λ <0 sau λ 1 <0, λ >0; În acest caz ecuaţia canonică a coniceiγpoate fi pusă sub forma α X β Y =0 (αx βy)(αx+βy)=0. În această situaţie avem de-a face cu reuniunea a două drepte concurente D 1 şi D descrise de ecuaţiile D 1 :αx βy =0 şi D :αx+βy =0. PunctuldeintersecţiealdreptelorD 1 şid esteexactcentrulconiceic(x 0,y 0 ). REDUCEREA LA FORMA CANONICĂ A CONICELOR CU CENTRU(δ=0) 1

22 Corolarul 1.5. (Clasificarea conicelor cu centru) Să considerăm că Γ:g(x,y)=0 este o conică cu centru(δ=0). Atunci, următoarea clasificare a conicelor cu centru este adevărată: 1. pentru =0 avem: (a) dacă δ <0, atunci conicaγeste o hiperbolă; (b) dacă δ >0, atunci avem: i. dacă I <0, atunci conicaγeste o elipsă; ii. dacă I >0, atunci conicaγeste o mulţimea vidă;. pentru =0 avem: (a) dacă δ <0, atunci conicaγeste o reuniune de drepte concurente; (b) dacă δ >0, atunci conicaγeste o un punct. Observaţia În cazul =0 şi δ >0 nu putem avea I = Reducerea la forma canonică a conicelor fără centru (δ=0) FieΓ:g(x,y)=0, unde g(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y +a 13 x+a 3 y+a 33, o conică cu δ=0. Reaminitm că, în acest caz, sistemul liniar 1 g x =a 11x+a 1 y+a 13 =0 1 g y =a 1x+a y+a 3 =0 este ori incompatibil ori admite o infinitate de soluţii. Cu alte cuvinte, conica Γ ori nu admite niciun centru de simetrie ori admite o dreaptă de centre de simetrie. Definiţia O conicăγ:g(x,y)=0, unde δ=0, se numeşte conică fără centru. Teorema 1.6. Dacă Γ : g(x,y) = 0 este o conică fără centru, atunci conica Γ poate reprezenta în plan una dintre următoarele figuri geometrice: o parabolă, o reuniune de drepte paralele sau confundate sau mulţimea vidă. CONICE

23 Demonstraţie. Să considerăm din nou forma pătratică ϕ:r R definită prin ϕ(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y, unde a 11+a 1+a =0. Matricea formei pătratice ϕ în sistemul de coordonate xoy este evident matricea simetrică a11 a A= 1, a 1 a unde deta = δ = 0. Mai mult, valorile proprii λ 1 şi λ ale matricii A sunt rădăcinile ecuaţiei caracteristice a 11 λ a 1 a λ =0 λ Iλ=0, a 1 adică valorile proprii sunt λ 1 =0 şi λ =I=0. Dacă notăm acum cu e 1 =(ξ 1,ξ ) şi e =(η 1,η ) vectorii proprii ortonormaţi corespunzători valorilor proprii λ 1 = 0 şi λ = I = 0, şi efectuăm rotaţia x ξ1 η = 1 x y ξ η y, unde matricea verifică egalitatea ξ1 η R= 1 ξ η detr=1, atunci ecuaţia conicei Γ se rescrie sub forma Γ:I(y ) +a 13x +a 3y +a 33=0. Evident, matricea coniceiγîn sistemul de coordonate x Oy este matricea simetrică A = 0 0 a 13 0 I a 3 a 13 a 3 a 33 Deoarece trecerea de la sistemul de coordonate xoy la sistemul de coordonate x Oy s-a făcut printr-o rotaţie, deducem că invariantul are valoarea = I(a 13),. adică avem a 13=± I. Vom considera în continuare următoarele cazuri posibile: REDUCEREA LA FORMA CANONICĂ A CONICELOR FĂRĂ CENTRU(δ = 0) 3

24 1. Dacă =0, atunci a 13=0. În această situaţie, efectuăm o translaţie a sistemului de axe x Oy în sistemul de axe XCY, translaţie definită prin x =X+x 0 y =Y +y 0, unde punctul C(x 0,y 0 ) este ales astfel încât ecuaţia coniceiγsă capete o formă cât mai simplă. Deoarece efectuând o asemenea translaţie ecuaţia conicei Γ se reduce la ecuaţia Γ:IY +a 13X+(Iy 0 +a 3)Y +Iy 0+a 13x 0 +a 3y 0 +a 33=0, determinăm punctul C(x 0,y 0 ) impunând condiţiile Iy0 +a 3=0 Iy 0+a 13x 0 +a 3y 0 +a 33=0. Este evident că acest sistem are o soluţia unică y 0 = a 3 I x 0 = Iy 0 +a 3 y 0+a 33 a 13 şi deci ecuaţia coniceiγse poate scrie sub forma canonică unde Γ:Y =px, p= a 13 I =± I 3. Prinurmare,conicaΓesteoparabolă cuvârfulînpunctulc(x 0,y 0 )şiaxadesimetrie CX.. Dacă =0, atuncia 13 =0. În această situaţie, ecuaţia coniceiγse scrie sub forma Γ:I(y ) +a 3y +a 33=0, adică avem de-a face cu o ecuaţie polinomială de gradul doi în y. Fie k 1 şi k rădăcinile reale sau complexe ale acestui polinom. (a) Dacă k 1,k R şi k 1 =k, atunci forma canonică a ecuaţiei coniceiγeste Γ: y + a 3 I + a 33 I (a 3) I =0, unde a 33 I (a 3) I <0. 4 CONICE

25 Efectuând atunci translaţia şi utilizând notaţia k= X=x Y =y + a 3 I (a 3) I a 33 I, expresia canonică a ecuaţiei conicei Γ devine Γ:Y k =0 (Y k)(y +k)=0, unde k = 0. Prin urmare, conica Γ este reuniunea D 1 D a două drepte paralele, unde D 1 :Y k=0 şi D :Y +k=0. (b) Dacă k 1 = k R, atunci, după efectuarea translaţiei definite la punctul 1., expresia canonică a ecuaţiei conicei Γ devine Γ:Y =0. Prin urmare, conicaγeste reuniunea D 1 D a două drepte confundate, unde D 1 =D :Y =0. (c) Dacă k 1,k / R, atunci, evident, ecuaţia conicei Γ caracterizează mulţimea vidă. Corolarul (Clasificarea conicelor fără centru) Să considerăm că Γ:g(x,y)=0 este o conică fără centru (δ = 0). Atunci, următoarea clasificare a conicelor fără centru este adevărată: 1. Dacă =0, atunci conicaγeste o parabolă;. Dacă =0, atunci conicaγeste oreuniune de drepte paralele sauconfundate sau mulţimea vidă. 1.7 Clasificarea conicelor. Reprezentare grafică Să considerăm căγ:g(x,y)=0, unde g(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y +a 13 x+a 3 y+a 33, a 11 +a 1 +a =0, CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 5

26 este o conică şi să presupunem că, δ şi I sunt invarianţii metrici ai coniceiγ. După cum am observat în secţiunile precedente invarianţii metrici, δ şi I ne dau informaţii în ceea ce priveşte clasificarea conicei Γ. Din această perspectivă vom spune că invariantul ne oferă informaţii despre natura conicei Γ, în timp ce invariantul δ ne oferă informaţii despre genul conicei Γ. Atunci, pentru o mai clară sintetizare a rezultatelor din secţiunile precedente, vom utiliza următoarea terminologie naturală: 1. Conica Γ pentru care = 0 (elipsă, hiperbolă, parabolă, mulţime vidă) se numeşte conică nedegenerată.. ConicaΓpentru care =0(reuniune de drepte concurente sau paralele sau confundate, un punct, mulţime vidă) se numeşte conică degenerată. 3. ConicaΓpentru care δ >0 (elipsă, un punct, mulţime vidă) se numeşte conică de tip eliptic. 4. ConicaΓpentru care δ <0 (hiperbolă, reuniune de drepte concurente) se numeşte conică de tip hiperbolic. 5. ConicaΓpentru care δ=0 (parabolă, reuniune de drepte paralele sau confundate, mulţime vidă) se numeşte conică de tip parabolic. În acest context, folosind invarianţii metrici, δ şi I ai unei conice Γ, suntem în măsură să dăm următoarea clasificare izometrică a conicelor: 1. Dacă =0, atunci conicaγeste o conică nedegenerată; (a) Dacă δ >0, atunci conicaγeste: i. o elipsă pentru I <0; ii. mulţimea vidă pentru I >0; (b) Dacă δ=0, atunci conicaγeste o parabolă; (c) Dacă δ <0, atunci conicaγeste o hiperbolă;. Dacă =0, atunci conicaγeste o conică degenerată; (a) Dacă δ >0, atunci conicaγeste o un punct; (b) Dacă δ=0, atunci conicaγeste o reuniune de drepte paralele sau confundate sau mulţimea vidă; (c) Dacă δ <0, atunci conicaγeste o reuniune de drepte concurente. Mai mult, în urma studiilor făcute în secţiunile precedente, putem scoate în evidenţă următorul Algoritm de reprezentare grafică a conicei Γ -Metoda roto-translaţiei- 1. Se precizează natura şi genul coniceiγdupă valorile invarianţilor metrici, δ şi I. 6 CONICE

27 . Se asociază coniceiγforma pătratică ϕ:r R, definită prin ϕ(x,y)=a 11 x +a 1 xy+a y, şi se scrie matricea simetrică a formei pătratice ϕ. A= a11 a 1 a 1 a 3. Se calculează valorile proprii λ 1 şi λ ale matricii A ca rădăcini ale ecuaţiei caracteristice (ecuaţia seculară) a 11 λ a 1 a λ =0 λ Iλ+δ=0. a 1 4. Se calculează subspaţiile proprii V λ1 = (x,y) R a11 λ 1 a 1 x 0 = a 1 a λ 1 y 0 şi V λ = (x,y) R a11 λ a 1 x 0 = a 1 a λ y 0 corespunzătoare valorilor proprii λ 1 şi λ ale matricii A. 5. Printr-o eventuală renumerotare, se aleg e 1 =(ξ 1,ξ ) şi e =(η 1,η ) vectorii proprii ortonormaţi corespunzători valorilor proprii λ 1 şi λ astfel încât detr=1, unde ξ1 η R= 1. ξ η 6. Se efectuează rotaţia x y în urma căreia ecuaţia conicei Γ devine unde a 13, a 3, a 33 R. x =R y Γ:λ 1 (x ) +λ (y ) +a 13 x +a 3 y +a 33 =0, 7. Forţând factorii comuni λ 1 şi λ (dacă este cazul) şi restrângând pătratele descompuse, se rescrie ecuaţia conicei Γ sub forma unde x 0, y 0, a R. Γ:λ 1 (x +x 0 ) +λ (y +y 0 ) +a=0, CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 7

28 8. Se efectuează translaţia X=x +x 0 Y =y +y 0 şi se scrie ecuaţia canonică Γ:λ 1 X +λ Y +a=0. 9. Se trasează sistemul iniţial de axe xoy şi se efectuează rotaţia acestuia în sistemul de axex Oy. Direcţiile şi sensurile axelorox şioy coincid cu direcţiile şi sensurile vectorilor proprii ortonormaţi e 1 şi e. 10. Se efectuează translaţia sistemului de axe x Oy în sistemul de axe XCY, unde punctul C are coordonatele C(x 0,y 0 ). 11. Se reprezintă grafic ecuaţia canonică de la punctul (8) în ultimul sistem de axe XCY. Observaţia În unele aplicaţii vom folosi notaţiile x =X şi y =Y. Observaţia 1.7. Dacă a 1 =0, atunci algoritmul de mai sus începe direct de la punctul (7), adică se efectuează doar o translaţie. Observaţia Dacă a 13 = a 3 =0, atunci în algoritmul de mai sus se sar punctele (7), (8) şi (10), adică se efectuează doar o rotaţie. Observaţia Dacă în algoritmul de mai sus nu se sare nici un pas, atunci spunem că am aplicat metoda roto-translaţiei. Exemplul Să se precizeze natura şi genul conicei Γ:5x +8xy+5y 18x 18y+9=0. Mai mult, utilizând metoda roto-translaţiei, să se reducă ecuaţia coniceiγla forma canonică şi să se reprezinte grafic conicaγ. Matricea conicei Γ este matricea simetrică A= Atunci, invarianţii metrici ai conicei Γ sunt = = 81=0, δ= =9>0 şi I=10. Deoarece avem rezultă că conicaγeste o elipsă. I = 810<0 8 CONICE

29 Pentru a găsi forma canonică a elipsei Γ să considerăm forma pătratică a cărei matrice este matricea simetrică ϕ(x,y)=5x +8xy+5y A= Ecuaţia caracteristică a matricii simetrice A este 5 λ λ =0 λ 10λ+9=0 şi deci valorile proprii ale matricii simetrice A sunt λ 1 =9 şi λ =1. Subspaţiul propriu V λ1 corespunzător valorii proprii λ 1 =9 este 4 4 x 0 V λ1 = (x,y) R = = 4 4 y 0 = (x,y) R x+y=0 = = {(x,x) x R} iar subspaţiul propriu V λ corespunzător valorii proprii λ =1 este 4 4 x 0 V λ = (x,y) R = = 4 4 y 0 = (x,y) R x+y=0 = = {( x,x) x R}. Nişte vectori proprii ortonormaţi corespunzători valorilor proprii λ 1 şi λ sunt e 1 = 1 (1,1) şi e = 1 ( 1,1), unde matricea R= verifică relaţia detr=1. Efectuând acum rotaţia x x =R y y x y = x= 1 (x y ) y= 1 (x +y ), x y CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 9

30 ecuaţia coniceiγse reduce la Γ:9(x ) +(y ) 18 x +9=0. Prin formări de pătrate perfecte, obţinem Γ:9(x ) +(y ) 9=0. Efectuând acum translaţia X =x Y =y, ecuaţia conicei Γ se reduce la ecuaţia canonică Γ:9X +Y 9=0 Γ: X 1 + Y 9 1=0, adică la ecuaţia unei elipse. Graficul elipsei Γ este reprezentat mai jos în sistemul de axe XCY, unde punctul C are coordonatele C(x =,y =0) C(x=1,y=1). Elipsa Γ Este evident că elipsaγare axele de simetrie D 1 =CY şi D =CX de ecuaţii D 1 :X =0 şi D :Y =0 sau, la nivel de coordonate x şi y, de ecuaţii D 1 :x =0 şi D :y =0. Deoarece avem relaţiile x = 1 (x+y) y = 1 ( x+y), rezultă că axele de simetrie D 1 şi D ale elipseiγau ecuaţiile D 1 :x+y =0 şi D :y x=0. 30 CONICE

31 Exemplul Să se precizeze natura şi genul conicei Γ:3x 4xy x+4y 3=0. Mai mult, utilizând metoda roto-translaţiei, să se reducă ecuaţia coniceiγla forma canonică şi să se reprezinte grafic conicaγ. Matricea conicei Γ este matricea simetrică A= Atunci, invarianţii metrici ai conicei Γ sunt 3 1 = 0 =8=0, δ= = 4<0 şi I =3, adică conica Γ este o hiperbolă. Pentru a găsi forma canonică a hiperbolei Γ să considerăm forma pătratică ϕ(x,y)=3x 4xy a cărei matrice este matricea simetrică A= 3 0. Ecuaţia caracteristică a matricii simetrice A este 3 λ λ =0 λ 3λ 4=0 şi deci valorile proprii ale matricii simetrice A sunt λ 1 = 1 şi λ =4. Subspaţiul propriu V λ1 corespunzător valorii proprii λ 1 = 1 este 4 x 0 V λ1 = (x,y) R = = 1 y 0 = (x,y) R x+y=0 = = {(x,x) x R} iar subspaţiul propriu V λ corespunzător valorii proprii λ =4 este 1 x 0 V λ = (x,y) R = = 4 y 0 = (x,y) R x+y=0 = = {( y,y) y R}. Nişte vectori proprii ortonormaţi corespunzători valorilor proprii λ 1 şi λ sunt e 1 = 1 5 (1,) şi e = 1 5 (, 1), CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 31

32 unde matricea verifică relaţia R= detr= 1. În acest context, renumerotăm λ 1=λ, λ =λ 1 şi corespunzător e 1 =e, e =e 1, pentru a obţine matricea de rotaţie R = 1 1, 5 1 unde detr =1. Efectuând acum rotaţia x x =R x y y y ecuaţia coniceiγse reduce la = x= 1 (x +y ) 5 y= 1 (y x ), 5 Γ:4(x ) (y ) 8 5 x y 3=0. Prin formări de pătrate perfecte, obţinem Γ:4 x 1 y 3 = x y Efectuând acum translaţia x =x 1 5 y =y 3 5, ecuaţia conicei Γ se reduce la ecuaţia canonică Γ:4(x ) (y ) =0 Γ: (x ) 1 (y ) 1=0, adică la ecuaţia unei hiperbole. Graficul hiperboleiγeste reprezentat mai jos în sistemul de axe x C 1 y, unde punctul C 1 are coordonatele C 1 x = 1,y = 3 C 1 (x=1,y=1) CONICE

33 Hiperbola Γ Este evident că hiperbolaγare axele de simetrie D 1 =C 1 y şi D =C 1 x de ecuaţii D 1 :x =0 şi D :y =0 sau, la nivel de coordonate x şi y, de ecuaţii D 1 :x 1 5 =0 şi D :y 3 5 =0. Deoarece avem relaţiile x = 1 5 (x y) y = 1 5 (x+y), rezultă că axele de simetrie D 1 şi D ale hiperboleiγau ecuaţiile D 1 :x y 1=0 şi D :x+y 3=0. Mai mult, hiperbolaγadmite asimptotele d 1 şi d (reprezentate punctat) de ecuaţii d 1, :y =±x sau, la nivel de coordonate x şi y, de ecuaţii d 1 : x +y 1 5 =0 şi d :x +y 5=0 sau, la nivel de coordonate x şi y, de ecuaţii d 1 : 3x+4y 1=0 şi d :x 1=0. Exemplul Să se precizeze natura şi genul conicei Γ:9x 6xy+y +0x=0. Mai mult, utilizând metoda roto-translaţiei, să se reducă ecuaţia coniceiγla forma canonică şi să se reprezinte grafic conicaγ. Matricea conicei Γ este matricea simetrică A= CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 33.

34 Atunci, invarianţii metrici ai conicei Γ sunt = = 100=0, δ= =0 şi I =10, adică conica Γ este o parabolă. Pentru a găsi forma canonică a parabolei Γ să considerăm forma pătratică ϕ(x,y)=9x 6xy+y a cărei matrice este matricea simetrică A= Ecuaţia caracteristică a matricii simetrice A este 9 λ λ =0 λ 10λ=0 şi deci valorile proprii ale matricii simetrice A sunt λ 1 =0 şi λ =10. Subspaţiul propriu V λ1 corespunzător valorii proprii λ 1 =0 este 9 3 x 0 V λ1 = (x,y) R = = 3 1 y 0 = (x,y) R 3x+y=0 = = {(x,3x) x R} iar subspaţiul propriu V λ corespunzător valorii proprii λ =10 este 1 3 x 0 V λ = (x,y) R = = 3 9 y 0 = (x,y) R x+3y=0 = = {( 3y,y) y R}. Nişte vectori proprii ortonormaţi corespunzători valorilor proprii λ 1 şi λ sunt unde matricea verifică relaţia e 1 = 1 10 (1,3) şi e = 1 10 ( 3,1), R= detr=1. Efectuând acum rotaţia x x x =R y y y = x y 34 CONICE

35 x= 1 10 (x 3y ) y= 1 10 (3x +y ), ecuaţia coniceiγse reduce la Γ:10(y ) x y =0 Γ:(y ) + 10 x 6 10 y =0. Prin formări de pătrate perfecte, obţinem Γ: y x 9 10 =0. Efectuând acum translaţia x =x y =y 3 10, ecuaţia conicei Γ se reduce la ecuaţia canonică Γ:(y ) = 10 x , adică la ecuaţia unei parabole. Graficul parabolei Γ este reprezentat mai jos în sistemul de axe x Cy, unde punctul C are coordonatele C x =0,y = 3 C x= ,y= Parabola Γ Este evident că parabola Γ are vârful în punctul V de coordonate V x = 9 10,y =0 V x = 9 10,y = 3 V x= ,y= 3 4 şi axa de simetrie D=Cx de ecuaţie D:y =0 CLASIFICAREA CONICELOR. REPREZENTARE GRAFICĂ 35

36 sau, la nivel de coordonate x şi y, de ecuaţie D:y 3 10 =0. Deoarece avem relaţiile x = 1 10 (x+3y) y = 1 10 ( 3x+y), rezultă că axa de simetrie D a paraboleiγare ecuaţia D: 3x+y 3= Probleme rezolvate 1. Să se scrie ecuaţia cercului cu centrul pe dreapta d:x y+1=0, tangent axei Ox şi care trece prin punctul A(0,1). Rezolvare. Să presupunem ca cercul căutat are raza r >0şi centrul C de coordonate(α, β). Ecuaţia cercului este atunci C:(x α) +(y β) =r. CerculC fiind tangent axei Ox de ecuaţie y=0, deducem că d(c,ox)= β =r. Deoarece C d şi A C, deducem că α β+1=0 α β+1=0 α +(1 β) =r α β+1=0. Coordonatele centrului cercului sunt soluţiile C 1 (0,1/) sau C (1,1). Aceasta înseamnă că avem de-a face cu două cercuri de razer 1 =1/ şir =1. Ecuaţiile celor două cercuri găsite sunt C 1 :x + y 1 = 1 4, C :(x 1) +(y 1) =1.. Să se determine locul geometric al punctelor din plan care au proprietatea că tangentele la elipsa 4 + y 9 1=0, prin aceste puncte, sunt perpendiculare. x 36 CONICE

37 Rezolvare. Fie M(α,β), α,β R, un punct variabil în plan, care verifică proprietatea cerută de problemă. Fascicolul de drepte care trec prin M este descris de ecuaţiile d m : y β = m(x α), m R {+ }. O dreaptă d m a fascicolului este tangentă la elipsă dacă sistemul x 4 + y 9 1=0 y β=m(x α) are o singură soluţie (dreapta şi elipsa au un singur punct comun). Dacă scoatem y din a doua ecuaţie şi introducem în prima, obţinem o ecuaţie de gradul al doilea, al cărei discriminant trebuie să se anuleze. Cu alte cuvinte, în urma calculelor, sistemul are singură soluţie dacă (4 α )m +αβm+9 β =0. În condiţiile în care discriminantul ultimei ecuaţii =4(9α +4β 36) este strict pozitiv, găsim două soluţii distincte m 1 şi m ale ultimei ecuaţii, soluţii care reprezintă pantele celor două tangente prin M, la elipsă. Punând condiţia ca tangentele d m1 şi d m să fie perpendiculare, obţinem relaţia m 1 m +1=0. Folosind relaţiileluiviéte, deducemcăα +β =13. Cu altecuvinte, loculgeometricdescris de punctul M reprezintă un cerc centrat în originea O(0,0) şi de rază R= Să se arate că tangentele la o hiperbolă formează cu asimptotele triunghiuri de arie constantă. Rezolvare. FieM(acosht,bsinht), t R, un punct mobil al hiperbolei de ecuaţie unde H: x a y b 1=0, a,b>0, cosht= et +e t şi sinht= et e t. Ecuaţia tangentei în M la hiperbolă se obţine prin dedublare T M H: xcosht a Punctele ei de intersecţie cu asimptotele ysinht b d 1, :y=± b a x 1=0. sunt punctele M 1 (ae t,be t ) şi M (ae t, be t ). Atunci, aria triunghiului OM 1 M este A OM1 M =± ae t be t 1 ae t be t 1 =ab=constant. PROBLEME REZOLVATE 37

38 4. Să se calculeze invarianţii ortogonali şi să se scrie forma canonică a conicelor: (a) Γ 1 :5x 4xy+y 16x+4y =0; (b) Γ :11x 4xy+4y +x+16y+11=0; (c) Γ 3 :x xy+y 4y+6=0. Rezolvare. (a) Matricea coniceiγ 1 este matricea simetrică 5 8 A 1 =. 8 Prin urmare, invarianţii coniceiγ 1 sunt: =deta 1 = 16, δ= 5 =6 şi I=a 11+a =7. Deoarece δ=0, rezultă că forma canonică a coniceiγ 1 se descrie după formula undeλ 1, suntvalorilepropriialematricii a conicei este elipsa λ 1 X +λ Y + δ =0, X Y 36 1=0. (b) Matricea coniceiγ este matricea simetrică A = În concluzie, ecuaţia redusă iar invarianţii sunt = 000, δ= 100 şi I =15. Ecuaţia redusă a conicei este hiperbola X Y 4 +1=0. (c) Matricea coniceiγ 3 este matricea simetrică A 3 = iar invarianţii sunt = 4, δ = 0 şi I =. Deoarece δ = 0, forma canonică a coniceiγ 3 se descrie după formula Y =± I 3X. Înconcluzie, ecuaţiaredusă aconiceiγ 3 este oparabolă, careare oecuaţie de forma Y = X sau Y = X. 38 CONICE

39 5. Să se stabilească natura şi genul conicelor: (a) Γ 1 :5x +8xy+5y 18x 18y+9=0; (b) Γ :7x 8xy+y 6x 1y 9=0; (c) Γ 3 :4x 4xy+y x 14y+7=0. Rezolvare. (a)dincauzăcă = 81=0, avemde-aface cu oconicănedegenerată. Invariantul δ=9 fiind strict pozitiv, rezultă căγ 1 este de gen elipsă. Deoarece avem I = 810<0, rezultă căγ 1 este o elipsă. (b) Deoarece = 34=0 şi δ= 9<0, rezultă căγ este o hiperbolă. (c) Având = 5=0 şi δ=0, înseamnă căγ 3 este o parabolă. 6. Să se reducă la forma canonică şi să se precizeze natura şi genul următoarele conice, punându-se în evidenţă roto-translaţiile plane efectuate: (a) Γ 1 :9x 4xy+16y 8x+19y+4=0; (b) Γ :x 3xy+9=0; (c) Γ 3 :x +6xy+10y 11=0; (d) Γ 4 :8x +6xy+6x+3y+1=0; (e) Γ 5 :x +y +4x 6y+1=0. Rezolvare. (a) Utilizând metoda vectorilor şi valorilor proprii (a transformărilor ortogonale), reducem la forma canonică forma pătratică q 1 (x,y)=9x 4xy+16y, asociată coniceiγ 1. Rezolvând ecuaţia seculară 9 λ λ =λ 5λ=0, găsim valorile proprii simple λ 1 = 0 şi λ = 5. Baze ortonormate în subspaţiile proprii corespunzătoare sunt 4 3 B 1 = e 1 = 5,3 şi B = e = 5 5, 4. 5 Acestea produc schimbarea de coordonate (rotaţia directă, de determinant pozitiv, egal cu unu) x = x x= 1 y y 5 (3x +4y ) y= 1 5 ( 4x +3y ). Înlocuind în expresia care defineşte conicaγ 1 coordonatele x şi y cu expresiile din formulele de rotaţie, în urma calculelor, găsim Γ 1 :5(x ) 0x +5y +4=0 Γ 1 :5 (x ) 45 x +5y +4=0. PROBLEME REZOLVATE 39

40 Efectuând prin metoda formării de pătrate translaţia sistemului de axe x Oy în sistemul de axe x O y, unde O (/5,0), translaţie definită de relaţiile x =x 5 y =y, deducem că conicaγ 1 este parabola y = (x ) /5. (b) Forma pătratică q (x,y)=x 3xy are matricea 3 A =. 3 0 Valorile proprii ale acestei matrici sunt λ 1 = 3 şi λ = 1. Bazele ortonormate a subspaţiilor proprii asociate sunt 3 B 1 = e 1 =,1 1 3 şi B = e =,, care conduc la rotaţia directă x = x y 3 1 y. Înlocuind în expresia luiγ pe x şi y din formulele x= 1 (x 3y ) y= 1 ( 3x +y ), în urma calculelor, obţinem hiperbola Γ : (x ) +3(y ) +9=0 Γ : (x ) 9 (y ) 3 (c) Utilizând metoda transformărilor ortogonale, forma pătratică q 3 (x,y)=x +6xy+10y se reduce la forma canonică în baza ortonormată 1 3 B= e 1 =,,e = , = R, obţinută prin reuniunea bazelor ortonormate de vectori proprii corespunzători valorilor proprii λ 1 =11 şi λ =1. În concluzie, schimbările de coordonate ale rotaţiei directe sunt x= 1 (x 3y ) 10 y= 1 10 (3x +y ). 40 CONICE

41 În urma calculelor, obţinemγ 3 :11(x ) +(y ) 11=0. Cu alte cuvinte, conica Γ 3 este elipsa Γ 3 : (x ) ) 11 +(y 11 =1. (d) Deoarece valorile proprii ale matricii formei pătratice asociate conicei Γ 4 sunt λ 1 =9 şi λ = 1 iar bazele ortonormate sunt B 1 = e 1 = 3 10, 1 10 şi B = rezultă că formulele de rotaţie directă sunt x y Acestea conduc la conica = x y 1 e =, 3, x= 1 10 (x +3y ) y= 1 10 ( 3x +y ). Γ 4 :9(y ) (x ) y 3 10 x +1=0 Formând pătrate perfecte în x şi y şi folosind translaţia deducem că forma canonică a conicei este x =x y =y , Γ 4 :9(y ) (x ) =0 Γ 4 :(3y x )(3y +x )=0. Cu alte cuvinte, conicaγ 4 este o conică degenerată, reprezentând reuniunea a două drepte concurente: d 1 :3y x =0 şi d :3y +x =0. În coordonatele iniţiale x şi y aceste drepte au ecuaţiile: d 1 :4x+3y+1=0 şi d :x= 1/. (e) Deoarece forma pătratică q 5 (x,y) = x + y a conicei Γ 5 este deja în formă canonică, rezultă că forma canonică a coniceiγ 5 se obţine doar printr-o translaţie, şi anume x =x+1 y =y 3. Ecuaţiile translaţiei se deduc în urma formării de pătrate Γ 5 :[(x+1) 1]+(y+3) 9+1=0. În concluzie, conica Γ 5 este o mulţime vidă sau, altfel spus, o elipsă imaginară descrisă de ecuaţia Γ 5 :(x ) +(y ) +1=0. PROBLEME REZOLVATE 41

42 7. Să se arate că locul geometric al centrelor conicelor care trec prin punctele A(0,0), B(,0), C(0,1) şi D(1,) este o hiperbolă. Să se determine coordonatele centrului acestei hiperbole. Rezolvare. Folosind formula care determină ecuaţia unei drepte ce trece prin două puncte, deducem că ecuaţiile carteziene ale dreptelor AB, CD, AD şi BC sunt AB:y=0, CD:x y+1=0, AD:y x=0, BC:x+y =0 iar ecuaţia fascicolului de conice care circumscriu patrulaterul ABCD este Γ λ :(AB)(CD)+λ(AD)(BC)=0, λ R Γ λ :y(x y+1)+λ(y x)(x+y )=0, λ R Γ λ : λx +(1 3λ)xy+(λ 1)y +(1 λ)y+4λx=0, λ R. Coordonatele centrelor conicelor din fascicolulγ λ verifică sistemul de ecuaţii liniare obţinut prin derivări parţiale 4λx+(1 3λ)y= 4λ (1 3λ)x+(λ 1)y=λ 1. Pentru a determina locul geometric cerut de problemă nu este însă necesară rezolvarea sistemului ci doar eliminarea parmetrului λ, care conduce la relaţia de legătură între coordonatele x şi y ale centrelor. Prin urmare, eliminând parametrul λ din sistemul de mai sus, deducem că x şi y verifică ecuaţia conicei Γ:4x 8xy y +9y 4=0. Invarianţii ortogonali ai coniceiγsunt =15=0şiδ= 4<0. Cu alte cuvinte, locul geometric descris de coordonatele centrelor conicelor care trec prin punctele A, B, C şi D este o hiperbolă. Coordonatele centrului acestei hiperbole sunt (3/4, 3/4) şi se obţin rezolvând sistemul liniar x y=0 8x+4y=9. 8. Fie punctelea( 1,1), B( 1, 1) şi C(0,0). Să se scrie fascicolul de conice circumscrise triunghiului ABC. Rezolvare. Ecuaţiile laturilor triunghiului ABC sunt: AB:x+1=0, AC:x+y=0, BC:x y=0. În concluzie, ecuaţia fascicolului de conice circumscrise triunghiului ABC este unde λ,µ R. Γ λ,µ :(AB)(AC)+λ(AB)(BC)+µ(AC)(BC)=0, λ,µ R Γ λ,µ :(x+1)(x+y)+λ(x y)(x+1)+µ(x+y)(x y)=0, 4 CONICE