Sr Examen
31x^2+6yx+10(10^1/2)x+39y^2-30(10^1/2)y+190=0 forma canónica
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
Solución
Ha introducido
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2 2 ____ ____ 190 + 31*x + 39*y - 30*y*\/ 10 + 6*x*y + 10*x*\/ 10 = 0
$$31 x^{2} + 6 x y + 10 \sqrt{10} x + 39 y^{2} - 30 \sqrt{10} y + 190 = 0$$
31*x^2 + 6*x*y + 10*sqrt(10)*x + 39*y^2 - 30*sqrt(10)*y + 190 = 0
Solución detallada
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$31 x^{2} + 6 x y + 10 \sqrt{10} x + 39 y^{2} - 30 \sqrt{10} y + 190 = 0$$
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
$$a_{11} = 31$$
$$a_{12} = 3$$
$$a_{13} = 5 \sqrt{10}$$
$$a_{22} = 39$$
$$a_{23} = - 15 \sqrt{10}$$
$$a_{33} = 190$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}31 & 3\\3 & 39\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 1200$$
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
$$31 x_{0} + 3 y_{0} + 5 \sqrt{10} = 0$$
$$3 x_{0} + 39 y_{0} - 15 \sqrt{10} = 0$$
entonces
$$x_{0} = - \frac{\sqrt{10}}{5}$$
$$y_{0} = \frac{2 \sqrt{10}}{5}$$
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
$$a'_{33} = 5 \sqrt{10} x_{0} - 15 \sqrt{10} y_{0} + 190$$
$$a'_{33} = 120$$
entonces la ecuación se transformará en
$$31 x'^{2} + 6 x' y' + 39 y'^{2} + 120 = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = - \frac{4}{3}$$
entonces
$$\phi = - \frac{\operatorname{acot}{\left(\frac{4}{3} \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{3}{5}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{4}{5}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{3 \sqrt{10}}{10}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \frac{\sqrt{10}}{10}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}$$
$$y' = - \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$31 x'^{2} + 6 x' y' + 39 y'^{2} + 120 = 0$$
en
$$39 \left(- \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}\right)^{2} + 6 \left(- \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}\right) \left(\frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}\right) + 31 \left(\frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}\right)^{2} + 120 = 0$$
simplificamos
$$30 \tilde x^{2} + 40 \tilde y^{2} + 120 = 0$$
Esta ecuación es una elipsis imaginaria
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{30} \sqrt{30}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{20} \sqrt{10}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{3 \sqrt{10}}{10}, \ - \frac{\sqrt{10}}{10}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \frac{\sqrt{10}}{10}, \ \frac{3 \sqrt{10}}{10}\right)$$
$$31 x^{2} + 6 x y + 10 \sqrt{10} x + 39 y^{2} - 30 \sqrt{10} y + 190 = 0$$
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
$$a_{11} = 31$$
$$a_{12} = 3$$
$$a_{13} = 5 \sqrt{10}$$
$$a_{22} = 39$$
$$a_{23} = - 15 \sqrt{10}$$
$$a_{33} = 190$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}31 & 3\\3 & 39\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 1200$$
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
$$31 x_{0} + 3 y_{0} + 5 \sqrt{10} = 0$$
$$3 x_{0} + 39 y_{0} - 15 \sqrt{10} = 0$$
entonces
$$x_{0} = - \frac{\sqrt{10}}{5}$$
$$y_{0} = \frac{2 \sqrt{10}}{5}$$
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
$$a'_{33} = 5 \sqrt{10} x_{0} - 15 \sqrt{10} y_{0} + 190$$
$$a'_{33} = 120$$
entonces la ecuación se transformará en
$$31 x'^{2} + 6 x' y' + 39 y'^{2} + 120 = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = - \frac{4}{3}$$
entonces
$$\phi = - \frac{\operatorname{acot}{\left(\frac{4}{3} \right)}}{2}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = - \frac{3}{5}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{4}{5}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{3 \sqrt{10}}{10}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = - \frac{\sqrt{10}}{10}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}$$
$$y' = - \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$31 x'^{2} + 6 x' y' + 39 y'^{2} + 120 = 0$$
en
$$39 \left(- \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}\right)^{2} + 6 \left(- \frac{\sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{3 \sqrt{10} \tilde y}{10}\right) \left(\frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}\right) + 31 \left(\frac{3 \sqrt{10} \tilde x}{10} + \frac{\sqrt{10} \tilde y}{10}\right)^{2} + 120 = 0$$
simplificamos
$$30 \tilde x^{2} + 40 \tilde y^{2} + 120 = 0$$
Esta ecuación es una elipsis imaginaria
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{30} \sqrt{30}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{20} \sqrt{10}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
____ ____
-\/ 10 2*\/ 10
(--------, --------)
5 5 Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{3 \sqrt{10}}{10}, \ - \frac{\sqrt{10}}{10}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( \frac{\sqrt{10}}{10}, \ \frac{3 \sqrt{10}}{10}\right)$$
Método de invariantes
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$31 x^{2} + 6 x y + 10 \sqrt{10} x + 39 y^{2} - 30 \sqrt{10} y + 190 = 0$$
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
$$a_{11} = 31$$
$$a_{12} = 3$$
$$a_{13} = 5 \sqrt{10}$$
$$a_{22} = 39$$
$$a_{23} = - 15 \sqrt{10}$$
$$a_{33} = 190$$
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
$$I_{1} = 70$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}31 & 3 & 5 \sqrt{10}\\3 & 39 & - 15 \sqrt{10}\\5 \sqrt{10} & - 15 \sqrt{10} & 190\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}31 - \lambda & 3\\3 & 39 - \lambda\end{matrix}\right|$$
$$I_{1} = 70$$
$$I_{2} = 1200$$
$$I_{3} = 144000$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 70 \lambda + 1200$$
$$K_{2} = 10800$$
Como
$$I_{2} > 0 \wedge I_{1} I_{3} > 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : elipsis imaginaria
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} - 70 \lambda + 1200 = 0$$
$$\lambda_{1} = 40$$
$$\lambda_{2} = 30$$
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
$$40 \tilde x^{2} + 30 \tilde y^{2} + 120 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{20} \sqrt{10}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{30} \sqrt{30}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica
$$31 x^{2} + 6 x y + 10 \sqrt{10} x + 39 y^{2} - 30 \sqrt{10} y + 190 = 0$$
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
$$a_{11} = 31$$
$$a_{12} = 3$$
$$a_{13} = 5 \sqrt{10}$$
$$a_{22} = 39$$
$$a_{23} = - 15 \sqrt{10}$$
$$a_{33} = 190$$
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
$$I_{1} = 70$$
|31 3 |
I2 = | |
|3 39|$$I_{3} = \left|\begin{matrix}31 & 3 & 5 \sqrt{10}\\3 & 39 & - 15 \sqrt{10}\\5 \sqrt{10} & - 15 \sqrt{10} & 190\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}31 - \lambda & 3\\3 & 39 - \lambda\end{matrix}\right|$$
| ____| | ____|
| 31 5*\/ 10 | | 39 -15*\/ 10 |
K2 = | | + | |
| ____ | | ____ |
|5*\/ 10 190 | |-15*\/ 10 190 |$$I_{1} = 70$$
$$I_{2} = 1200$$
$$I_{3} = 144000$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 70 \lambda + 1200$$
$$K_{2} = 10800$$
Como
$$I_{2} > 0 \wedge I_{1} I_{3} > 0$$
entonces por razón de tipos de rectas:
esta ecuación tiene el tipo : elipsis imaginaria
Formulamos la ecuación característica para nuestra línea:
$$- I_{1} \lambda + I_{2} + \lambda^{2} = 0$$
o
$$\lambda^{2} - 70 \lambda + 1200 = 0$$
$$\lambda_{1} = 40$$
$$\lambda_{2} = 30$$
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
$$40 \tilde x^{2} + 30 \tilde y^{2} + 120 = 0$$
$$\frac{\tilde x^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{20} \sqrt{10}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} + \frac{\tilde y^{2}}{\left(\frac{\frac{1}{30} \sqrt{30}}{\frac{1}{60} \sqrt{30}}\right)^{2}} = -1$$
- está reducida a la forma canónica