Sr Examen
-x^2+xy-5=0 forma canónica
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
Solución
Solución detallada
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$- x^{2} + x y - 5 = 0$$
Esta ecuación tiene la forma:
$$a_{11} x^{2} + 2 a_{12} x y + 2 a_{13} x + a_{22} y^{2} + 2 a_{23} y + a_{33} = 0$$
donde
$$a_{11} = -1$$
$$a_{12} = \frac{1}{2}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 0$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -5$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}-1 & \frac{1}{2}\\\frac{1}{2} & 0\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = - \frac{1}{4}$$
Como
$$\Delta$$
no es igual a 0, entonces
hallamos el centro de coordenadas canónicas. Para eso resolvemos el sistema de ecuaciones
$$a_{11} x_{0} + a_{12} y_{0} + a_{13} = 0$$
$$a_{12} x_{0} + a_{22} y_{0} + a_{23} = 0$$
sustituimos coeficientes
$$- x_{0} + \frac{y_{0}}{2} = 0$$
$$\frac{x_{0}}{2} = 0$$
entonces
$$x_{0} = 0$$
$$y_{0} = 0$$
Así pasamos a la ecuación en el sistema de coordenadas O'x'y'
$$a'_{33} + a_{11} x'^{2} + 2 a_{12} x' y' + a_{22} y'^{2} = 0$$
donde
$$a'_{33} = a_{13} x_{0} + a_{23} y_{0} + a_{33}$$
o
$$a'_{33} = -5$$
$$a'_{33} = -5$$
entonces la ecuación se transformará en
$$- x'^{2} + x' y' - 5 = 0$$
Hacemos el giro del sistema de coordenadas obtenido al ángulo de φ
$$x' = \tilde x \cos{\left(\phi \right)} - \tilde y \sin{\left(\phi \right)}$$
$$y' = \tilde x \sin{\left(\phi \right)} + \tilde y \cos{\left(\phi \right)}$$
φ - se define de la fórmula
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{a_{11} - a_{22}}{2 a_{12}}$$
sustituimos coeficientes
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = -1$$
entonces
$$\phi = - \frac{\pi}{8}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{\sqrt{2}}{2}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{2}}{2}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}$$
$$y' = - \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} + \tilde y \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$- x'^{2} + x' y' - 5 = 0$$
en
$$\left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} + \tilde y \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}\right) \left(\tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right) - \left(\tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right)^{2} - 5 = 0$$
simplificamos
$$- \frac{\tilde x^{2}}{2} - \frac{\sqrt{2} \tilde x^{2}}{4} - \tilde x^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} - 2 \tilde x \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \frac{\sqrt{2} \tilde x \tilde y}{2} - \frac{\tilde y^{2}}{2} + \frac{\sqrt{2} \tilde y^{2}}{4} + \tilde y^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} - 5 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{2} + \frac{\sqrt{2} \tilde x^{2}}{2} - \frac{\sqrt{2} \tilde y^{2}}{2} + \frac{\tilde y^{2}}{2} + 5 = 0$$
Esta ecuación es una hipérbola
$$\frac{\tilde x^{2}}{5 \frac{1}{\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} - \frac{\tilde y^{2}}{5 \frac{1}{- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}, \ - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}, \ \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}\right)$$
$$- x^{2} + x y - 5 = 0$$
Esta ecuación tiene la forma:
$$a_{11} x^{2} + 2 a_{12} x y + 2 a_{13} x + a_{22} y^{2} + 2 a_{23} y + a_{33} = 0$$
donde
$$a_{11} = -1$$
$$a_{12} = \frac{1}{2}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 0$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -5$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}-1 & \frac{1}{2}\\\frac{1}{2} & 0\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = - \frac{1}{4}$$
Como
$$\Delta$$
no es igual a 0, entonces
hallamos el centro de coordenadas canónicas. Para eso resolvemos el sistema de ecuaciones
$$a_{11} x_{0} + a_{12} y_{0} + a_{13} = 0$$
$$a_{12} x_{0} + a_{22} y_{0} + a_{23} = 0$$
sustituimos coeficientes
$$- x_{0} + \frac{y_{0}}{2} = 0$$
$$\frac{x_{0}}{2} = 0$$
entonces
$$x_{0} = 0$$
$$y_{0} = 0$$
Así pasamos a la ecuación en el sistema de coordenadas O'x'y'
$$a'_{33} + a_{11} x'^{2} + 2 a_{12} x' y' + a_{22} y'^{2} = 0$$
donde
$$a'_{33} = a_{13} x_{0} + a_{23} y_{0} + a_{33}$$
o
$$a'_{33} = -5$$
$$a'_{33} = -5$$
entonces la ecuación se transformará en
$$- x'^{2} + x' y' - 5 = 0$$
Hacemos el giro del sistema de coordenadas obtenido al ángulo de φ
$$x' = \tilde x \cos{\left(\phi \right)} - \tilde y \sin{\left(\phi \right)}$$
$$y' = \tilde x \sin{\left(\phi \right)} + \tilde y \cos{\left(\phi \right)}$$
φ - se define de la fórmula
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{a_{11} - a_{22}}{2 a_{12}}$$
sustituimos coeficientes
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = -1$$
entonces
$$\phi = - \frac{\pi}{8}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{\sqrt{2}}{2}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{2}}{2}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}$$
$$y' = - \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} + \tilde y \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$- x'^{2} + x' y' - 5 = 0$$
en
$$\left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} + \tilde y \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}\right) \left(\tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right) - \left(\tilde x \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right)^{2} - 5 = 0$$
simplificamos
$$- \frac{\tilde x^{2}}{2} - \frac{\sqrt{2} \tilde x^{2}}{4} - \tilde x^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} - 2 \tilde x \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} + \frac{\sqrt{2} \tilde x \tilde y}{2} - \frac{\tilde y^{2}}{2} + \frac{\sqrt{2} \tilde y^{2}}{4} + \tilde y^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}} \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}} - 5 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{2} + \frac{\sqrt{2} \tilde x^{2}}{2} - \frac{\sqrt{2} \tilde y^{2}}{2} + \frac{\tilde y^{2}}{2} + 5 = 0$$
Esta ecuación es una hipérbola
$$\frac{\tilde x^{2}}{5 \frac{1}{\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} - \frac{\tilde y^{2}}{5 \frac{1}{- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
(0, 0)
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}, \ - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{2}}{4}}, \ \sqrt{\frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{1}{2}}\right)$$
Método de invariantes
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$- x^{2} + x y - 5 = 0$$
Esta ecuación tiene la forma:
$$a_{11} x^{2} + 2 a_{12} x y + 2 a_{13} x + a_{22} y^{2} + 2 a_{23} y + a_{33} = 0$$
donde
$$a_{11} = -1$$
$$a_{12} = \frac{1}{2}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 0$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -5$$
Las invariantes de esta ecuación al transformar las coordenadas son los determinantes:
$$I_{1} = a_{11} + a_{22}$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12} & a_{13}\\a_{12} & a_{22} & a_{23}\\a_{13} & a_{23} & a_{33}\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}a_{11} - \lambda & a_{12}\\a_{12} & a_{22} - \lambda\end{matrix}\right|$$
sustituimos coeficientes
$$I_{1} = -1$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}-1 & \frac{1}{2} & 0\\\frac{1}{2} & 0 & 0\\0 & 0 & -5\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}- \lambda - 1 & \frac{1}{2}\\\frac{1}{2} & - \lambda\end{matrix}\right|$$
$$I_{1} = -1$$
$$I_{2} = - \frac{1}{4}$$
$$I_{3} = \frac{5}{4}$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} + \lambda - \frac{1}{4}$$
$$K_{2} = 5$$
Como
$$I_{2} < 0 \wedge I_{3} \neq 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : hipérbola
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} + \lambda - \frac{1}{4} = 0$$
$$\lambda_{1} = - \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{1}{2}$$
$$\lambda_{2} = - \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}$$
entonces la forma canónica de la ecuación será
$$\tilde x^{2} \lambda_{1} + \tilde y^{2} \lambda_{2} + \frac{I_{3}}{I_{2}} = 0$$
o
$$\tilde x^{2} \left(- \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{1}{2}\right) + \tilde y^{2} \left(- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}\right) - 5 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{5 \frac{1}{\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} - \frac{\tilde y^{2}}{5 \frac{1}{- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
$$- x^{2} + x y - 5 = 0$$
Esta ecuación tiene la forma:
$$a_{11} x^{2} + 2 a_{12} x y + 2 a_{13} x + a_{22} y^{2} + 2 a_{23} y + a_{33} = 0$$
donde
$$a_{11} = -1$$
$$a_{12} = \frac{1}{2}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 0$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -5$$
Las invariantes de esta ecuación al transformar las coordenadas son los determinantes:
$$I_{1} = a_{11} + a_{22}$$
|a11 a12|
I2 = | |
|a12 a22|$$I_{3} = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12} & a_{13}\\a_{12} & a_{22} & a_{23}\\a_{13} & a_{23} & a_{33}\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}a_{11} - \lambda & a_{12}\\a_{12} & a_{22} - \lambda\end{matrix}\right|$$
|a11 a13| |a22 a23|
K2 = | | + | |
|a13 a33| |a23 a33|sustituimos coeficientes
$$I_{1} = -1$$
|-1 1/2|
I2 = | |
|1/2 0 |$$I_{3} = \left|\begin{matrix}-1 & \frac{1}{2} & 0\\\frac{1}{2} & 0 & 0\\0 & 0 & -5\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}- \lambda - 1 & \frac{1}{2}\\\frac{1}{2} & - \lambda\end{matrix}\right|$$
|-1 0 | |0 0 |
K2 = | | + | |
|0 -5| |0 -5|$$I_{1} = -1$$
$$I_{2} = - \frac{1}{4}$$
$$I_{3} = \frac{5}{4}$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} + \lambda - \frac{1}{4}$$
$$K_{2} = 5$$
Como
$$I_{2} < 0 \wedge I_{3} \neq 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : hipérbola
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} + \lambda - \frac{1}{4} = 0$$
$$\lambda_{1} = - \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{1}{2}$$
$$\lambda_{2} = - \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}$$
entonces la forma canónica de la ecuación será
$$\tilde x^{2} \lambda_{1} + \tilde y^{2} \lambda_{2} + \frac{I_{3}}{I_{2}} = 0$$
o
$$\tilde x^{2} \left(- \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{1}{2}\right) + \tilde y^{2} \left(- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}\right) - 5 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{5 \frac{1}{\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} - \frac{\tilde y^{2}}{5 \frac{1}{- \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica