Sr Examen
4*x^2-12*x*y+9*y^2-20*x+30*y+16=0 forma canónica
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
Solución
Ha introducido
[src]
2 2 16 - 20*x + 4*x + 9*y + 30*y - 12*x*y = 0
$$4 x^{2} - 12 x y - 20 x + 9 y^{2} + 30 y + 16 = 0$$
4*x^2 - 12*x*y - 20*x + 9*y^2 + 30*y + 16 = 0
Solución detallada
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$4 x^{2} - 12 x y - 20 x + 9 y^{2} + 30 y + 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 4$$
$$a_{12} = -6$$
$$a_{13} = -10$$
$$a_{22} = 9$$
$$a_{23} = 15$$
$$a_{33} = 16$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}4 & -6\\-6 & 9\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 0$$
Como
$$\Delta$$
es igual a 0, entonces
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{5}{12}$$
entonces
$$\phi = \frac{\operatorname{acot}{\left(\frac{5}{12} \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = \frac{12}{13}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{5}{13}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{3 \sqrt{13}}{13}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}$$
$$y' = \frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$4 x'^{2} - 12 x' y' - 20 x' + 9 y'^{2} + 30 y' + 16 = 0$$
en
$$9 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right)^{2} - 12 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 30 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 4 \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right)^{2} - 20 \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 16 = 0$$
simplificamos
$$13 \tilde y^{2} + 10 \sqrt{13} \tilde y + 16 = 0$$
$$13 \tilde y^{2} + 10 \sqrt{13} \tilde y = -16$$
$$\left(\sqrt{13} \tilde y + 5\right)^{2} = 25$$
$$\left(\tilde y + \frac{5 \sqrt{13}}{13}\right)^{2} = \frac{25}{13}$$
$$\tilde y'^{2} = \frac{25}{13}$$
Esta ecuación es dos rectas paralelas
- está reducida a la forma canónica
donde se ha hecho la sustitución
$$\tilde y' = \tilde y + \frac{5 \sqrt{13}}{13}$$
$$\tilde x' = \tilde x$$
Centro de las coordenadas canónicas en Oxy
$$x_{0} = \tilde x \cos{\left(\phi \right)} - \tilde y \sin{\left(\phi \right)}$$
$$y_{0} = \tilde x \sin{\left(\phi \right)} + \tilde y \cos{\left(\phi \right)}$$
$$x_{0} = 0 \frac{3 \sqrt{13}}{13} - \frac{\left(-5\right) \sqrt{13}}{13} \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
$$y_{0} = \frac{\left(-5\right) \sqrt{13}}{13} \frac{3 \sqrt{13}}{13} + 0 \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
$$x_{0} = \frac{10}{13}$$
$$y_{0} = - \frac{15}{13}$$
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{3 \sqrt{13}}{13}, \ \frac{2 \sqrt{13}}{13}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( - \frac{2 \sqrt{13}}{13}, \ \frac{3 \sqrt{13}}{13}\right)$$
$$4 x^{2} - 12 x y - 20 x + 9 y^{2} + 30 y + 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 4$$
$$a_{12} = -6$$
$$a_{13} = -10$$
$$a_{22} = 9$$
$$a_{23} = 15$$
$$a_{33} = 16$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}4 & -6\\-6 & 9\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 0$$
Como
$$\Delta$$
es igual a 0, entonces
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{5}{12}$$
entonces
$$\phi = \frac{\operatorname{acot}{\left(\frac{5}{12} \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = \frac{12}{13}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{5}{13}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{3 \sqrt{13}}{13}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}$$
$$y' = \frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$4 x'^{2} - 12 x' y' - 20 x' + 9 y'^{2} + 30 y' + 16 = 0$$
en
$$9 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right)^{2} - 12 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 30 \left(\frac{2 \sqrt{13} \tilde x}{13} + \frac{3 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 4 \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right)^{2} - 20 \left(\frac{3 \sqrt{13} \tilde x}{13} - \frac{2 \sqrt{13} \tilde y}{13}\right) + 16 = 0$$
simplificamos
$$13 \tilde y^{2} + 10 \sqrt{13} \tilde y + 16 = 0$$
$$13 \tilde y^{2} + 10 \sqrt{13} \tilde y = -16$$
$$\left(\sqrt{13} \tilde y + 5\right)^{2} = 25$$
$$\left(\tilde y + \frac{5 \sqrt{13}}{13}\right)^{2} = \frac{25}{13}$$
$$\tilde y'^{2} = \frac{25}{13}$$
Esta ecuación es dos rectas paralelas
- está reducida a la forma canónica
donde se ha hecho la sustitución
$$\tilde y' = \tilde y + \frac{5 \sqrt{13}}{13}$$
$$\tilde x' = \tilde x$$
Centro de las coordenadas canónicas en Oxy
$$x_{0} = \tilde x \cos{\left(\phi \right)} - \tilde y \sin{\left(\phi \right)}$$
$$y_{0} = \tilde x \sin{\left(\phi \right)} + \tilde y \cos{\left(\phi \right)}$$
$$x_{0} = 0 \frac{3 \sqrt{13}}{13} - \frac{\left(-5\right) \sqrt{13}}{13} \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
$$y_{0} = \frac{\left(-5\right) \sqrt{13}}{13} \frac{3 \sqrt{13}}{13} + 0 \frac{2 \sqrt{13}}{13}$$
$$x_{0} = \frac{10}{13}$$
$$y_{0} = - \frac{15}{13}$$
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
10 -15 (--, ----) 13 13
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{3 \sqrt{13}}{13}, \ \frac{2 \sqrt{13}}{13}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( - \frac{2 \sqrt{13}}{13}, \ \frac{3 \sqrt{13}}{13}\right)$$
Método de invariantes
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$4 x^{2} - 12 x y - 20 x + 9 y^{2} + 30 y + 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 4$$
$$a_{12} = -6$$
$$a_{13} = -10$$
$$a_{22} = 9$$
$$a_{23} = 15$$
$$a_{33} = 16$$
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
$$I_{1} = 13$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}4 & -6 & -10\\-6 & 9 & 15\\-10 & 15 & 16\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}4 - \lambda & -6\\-6 & 9 - \lambda\end{matrix}\right|$$
$$I_{1} = 13$$
$$I_{2} = 0$$
$$I_{3} = 0$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 13 \lambda$$
$$K_{2} = -117$$
Como
$$I_{2} = 0 \wedge I_{3} = 0 \wedge K_{2} < 0 \wedge I_{1} \neq 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : dos rectos paralelos
$$I_{1} \tilde y^{2} + \frac{K_{2}}{I_{1}} = 0$$
o
$$13 \tilde y^{2} - 9 = 0$$
- está reducida a la forma canónica
$$4 x^{2} - 12 x y - 20 x + 9 y^{2} + 30 y + 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 4$$
$$a_{12} = -6$$
$$a_{13} = -10$$
$$a_{22} = 9$$
$$a_{23} = 15$$
$$a_{33} = 16$$
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
$$I_{1} = 13$$
|4 -6|
I2 = | |
|-6 9 |$$I_{3} = \left|\begin{matrix}4 & -6 & -10\\-6 & 9 & 15\\-10 & 15 & 16\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}4 - \lambda & -6\\-6 & 9 - \lambda\end{matrix}\right|$$
| 4 -10| |9 15|
K2 = | | + | |
|-10 16 | |15 16|$$I_{1} = 13$$
$$I_{2} = 0$$
$$I_{3} = 0$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 13 \lambda$$
$$K_{2} = -117$$
Como
$$I_{2} = 0 \wedge I_{3} = 0 \wedge K_{2} < 0 \wedge I_{1} \neq 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : dos rectos paralelos
$$I_{1} \tilde y^{2} + \frac{K_{2}}{I_{1}} = 0$$
o
$$13 \tilde y^{2} - 9 = 0$$
None
- está reducida a la forma canónica