Sr Examen
xx+4xy+13yy-x+2y=0 forma canónica
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
Solución
Ha introducido
[src]
2 2 x - x + 2*y + 13*y + 4*x*y = 0
$$x^{2} + 4 x y - x + 13 y^{2} + 2 y = 0$$
x^2 + 4*x*y - x + 13*y^2 + 2*y = 0
Solución detallada
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$x^{2} + 4 x y - x + 13 y^{2} + 2 y = 0$$
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
$$a_{11} = 1$$
$$a_{12} = 2$$
$$a_{13} = - \frac{1}{2}$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 1$$
$$a_{33} = 0$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}1 & 2\\2 & 13\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 9$$
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
$$x_{0} + 2 y_{0} - \frac{1}{2} = 0$$
$$2 x_{0} + 13 y_{0} + 1 = 0$$
entonces
$$x_{0} = \frac{17}{18}$$
$$y_{0} = - \frac{2}{9}$$
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
$$a'_{33} = - \frac{x_{0}}{2} + y_{0}$$
$$a'_{33} = - \frac{25}{36}$$
entonces la ecuación se transformará en
$$x'^{2} + 4 x' y' + 13 y'^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = -3$$
entonces
$$\phi = - \frac{\operatorname{acot}{\left(3 \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{\sqrt{10}}{10}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{3 \sqrt{10}}{10}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}$$
$$y' = - \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$x'^{2} + 4 x' y' + 13 y'^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
en
$$13 \left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right)^{2} + 4 \left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right) \left(\tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right) + \left(\tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right)^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
simplificamos
$$- \frac{9 \sqrt{10} \tilde x^{2}}{5} - 4 \tilde x^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + 7 \tilde x^{2} - 24 \tilde x \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \frac{6 \sqrt{10} \tilde x \tilde y}{5} + 4 \tilde y^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \frac{9 \sqrt{10} \tilde y^{2}}{5} + 7 \tilde y^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
$$- 2 \sqrt{10} \tilde x^{2} + 7 \tilde x^{2} + 2 \sqrt{10} \tilde y^{2} + 7 \tilde y^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
Esta ecuación es una elipsis
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{7 - 2 \sqrt{10}}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{2 \sqrt{10} + 7}}\right)^{2}} = 1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}, \ - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}, \ \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right)$$
$$x^{2} + 4 x y - x + 13 y^{2} + 2 y = 0$$
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
$$a_{11} = 1$$
$$a_{12} = 2$$
$$a_{13} = - \frac{1}{2}$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 1$$
$$a_{33} = 0$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}1 & 2\\2 & 13\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 9$$
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
$$x_{0} + 2 y_{0} - \frac{1}{2} = 0$$
$$2 x_{0} + 13 y_{0} + 1 = 0$$
entonces
$$x_{0} = \frac{17}{18}$$
$$y_{0} = - \frac{2}{9}$$
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
$$a'_{33} = - \frac{x_{0}}{2} + y_{0}$$
$$a'_{33} = - \frac{25}{36}$$
entonces la ecuación se transformará en
$$x'^{2} + 4 x' y' + 13 y'^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = -3$$
entonces
$$\phi = - \frac{\operatorname{acot}{\left(3 \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{\sqrt{10}}{10}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{3 \sqrt{10}}{10}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}$$
$$y' = - \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$x'^{2} + 4 x' y' + 13 y'^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
en
$$13 \left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right)^{2} + 4 \left(- \tilde x \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} + \tilde y \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right) \left(\tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right) + \left(\tilde x \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right)^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
simplificamos
$$- \frac{9 \sqrt{10} \tilde x^{2}}{5} - 4 \tilde x^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + 7 \tilde x^{2} - 24 \tilde x \tilde y \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \frac{6 \sqrt{10} \tilde x \tilde y}{5} + 4 \tilde y^{2} \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}} \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}} + \frac{9 \sqrt{10} \tilde y^{2}}{5} + 7 \tilde y^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
$$- 2 \sqrt{10} \tilde x^{2} + 7 \tilde x^{2} + 2 \sqrt{10} \tilde y^{2} + 7 \tilde y^{2} - \frac{25}{36} = 0$$
Esta ecuación es una elipsis
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{7 - 2 \sqrt{10}}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{2 \sqrt{10} + 7}}\right)^{2}} = 1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
17 (--, -2/9) 18
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}, \ - \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \sqrt{\frac{1}{2} - \frac{3 \sqrt{10}}{20}}, \ \sqrt{\frac{3 \sqrt{10}}{20} + \frac{1}{2}}\right)$$
Método de invariantes
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$x^{2} + 4 x y - x + 13 y^{2} + 2 y = 0$$
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
$$a_{11} = 1$$
$$a_{12} = 2$$
$$a_{13} = - \frac{1}{2}$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 1$$
$$a_{33} = 0$$
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
$$I_{1} = 14$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}1 & 2 & - \frac{1}{2}\\2 & 13 & 1\\- \frac{1}{2} & 1 & 0\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}1 - \lambda & 2\\2 & 13 - \lambda\end{matrix}\right|$$
$$I_{1} = 14$$
$$I_{2} = 9$$
$$I_{3} = - \frac{25}{4}$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 14 \lambda + 9$$
$$K_{2} = - \frac{5}{4}$$
Como
$$I_{2} > 0 \wedge I_{1} I_{3} < 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : elipsis
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} - 14 \lambda + 9 = 0$$
$$\lambda_{1} = 7 - 2 \sqrt{10}$$
$$\lambda_{2} = 2 \sqrt{10} + 7$$
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
$$\tilde x^{2} \left(7 - 2 \sqrt{10}\right) + \tilde y^{2} \left(2 \sqrt{10} + 7\right) - \frac{25}{36} = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{7 - 2 \sqrt{10}}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{2 \sqrt{10} + 7}}\right)^{2}} = 1$$
- está reducida a la forma canónica
$$x^{2} + 4 x y - x + 13 y^{2} + 2 y = 0$$
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
$$a_{11} = 1$$
$$a_{12} = 2$$
$$a_{13} = - \frac{1}{2}$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 1$$
$$a_{33} = 0$$
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
$$I_{1} = 14$$
|1 2 |
I2 = | |
|2 13|$$I_{3} = \left|\begin{matrix}1 & 2 & - \frac{1}{2}\\2 & 13 & 1\\- \frac{1}{2} & 1 & 0\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}1 - \lambda & 2\\2 & 13 - \lambda\end{matrix}\right|$$
| 1 -1/2| |13 1|
K2 = | | + | |
|-1/2 0 | |1 0|$$I_{1} = 14$$
$$I_{2} = 9$$
$$I_{3} = - \frac{25}{4}$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 14 \lambda + 9$$
$$K_{2} = - \frac{5}{4}$$
Como
$$I_{2} > 0 \wedge I_{1} I_{3} < 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : elipsis
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} - 14 \lambda + 9 = 0$$
$$\lambda_{1} = 7 - 2 \sqrt{10}$$
$$\lambda_{2} = 2 \sqrt{10} + 7$$
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
$$\tilde x^{2} \left(7 - 2 \sqrt{10}\right) + \tilde y^{2} \left(2 \sqrt{10} + 7\right) - \frac{25}{36} = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{7 - 2 \sqrt{10}}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{1}{\frac{6}{5} \sqrt{2 \sqrt{10} + 7}}\right)^{2}} = 1$$
- está reducida a la forma canónica