Sr Examen
7x^2-6sqrt(3)xy+13y^2-16=0 forma canónica
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
Solución
Ha introducido
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2 2 ___ -16 + 7*x + 13*y - 6*x*y*\/ 3 = 0
$$7 x^{2} - 6 \sqrt{3} x y + 13 y^{2} - 16 = 0$$
7*x^2 - 6*sqrt(3)*x*y + 13*y^2 - 16 = 0
Solución detallada
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$7 x^{2} - 6 \sqrt{3} x y + 13 y^{2} - 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 7$$
$$a_{12} = - 3 \sqrt{3}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -16$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}7 & - 3 \sqrt{3}\\- 3 \sqrt{3} & 13\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 64$$
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
$$7 x_{0} - 3 \sqrt{3} y_{0} = 0$$
$$- 3 \sqrt{3} x_{0} + 13 y_{0} = 0$$
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
$$a'_{33} = -16$$
$$a'_{33} = -16$$
entonces la ecuación se transformará en
$$7 x'^{2} - 6 \sqrt{3} x' y' + 13 y'^{2} - 16 = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{3}$$
entonces
$$\phi = \frac{\pi}{6}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{2}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{1}{2}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{2}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \frac{1}{2}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}$$
$$y' = \frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$7 x'^{2} - 6 \sqrt{3} x' y' + 13 y'^{2} - 16 = 0$$
en
$$13 \left(\frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}\right)^{2} - 6 \sqrt{3} \left(\frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}\right) \left(\frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}\right) + 7 \left(\frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}\right)^{2} - 16 = 0$$
simplificamos
$$4 \tilde x^{2} + 16 \tilde y^{2} - 16 = 0$$
Esta ecuación es una elipsis
- está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{\sqrt{3}}{2}, \ \frac{1}{2}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( - \frac{1}{2}, \ \frac{\sqrt{3}}{2}\right)$$
$$7 x^{2} - 6 \sqrt{3} x y + 13 y^{2} - 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 7$$
$$a_{12} = - 3 \sqrt{3}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -16$$
Calculemos el determinante
$$\Delta = \left|\begin{matrix}a_{11} & a_{12}\\a_{12} & a_{22}\end{matrix}\right|$$
o, sustituimos
$$\Delta = \left|\begin{matrix}7 & - 3 \sqrt{3}\\- 3 \sqrt{3} & 13\end{matrix}\right|$$
$$\Delta = 64$$
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
$$7 x_{0} - 3 \sqrt{3} y_{0} = 0$$
$$- 3 \sqrt{3} x_{0} + 13 y_{0} = 0$$
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
$$a'_{33} = -16$$
$$a'_{33} = -16$$
entonces la ecuación se transformará en
$$7 x'^{2} - 6 \sqrt{3} x' y' + 13 y'^{2} - 16 = 0$$
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
$$\cot{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{3}$$
entonces
$$\phi = \frac{\pi}{6}$$
$$\sin{\left(2 \phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{2}$$
$$\cos{\left(2 \phi \right)} = \frac{1}{2}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \sqrt{\frac{\cos{\left(2 \phi \right)}}{2} + \frac{1}{2}}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \sqrt{1 - \cos^{2}{\left(\phi \right)}}$$
$$\cos{\left(\phi \right)} = \frac{\sqrt{3}}{2}$$
$$\sin{\left(\phi \right)} = \frac{1}{2}$$
sustituimos coeficientes
$$x' = \frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}$$
$$y' = \frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}$$
entonces la ecuación se transformará de
$$7 x'^{2} - 6 \sqrt{3} x' y' + 13 y'^{2} - 16 = 0$$
en
$$13 \left(\frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}\right)^{2} - 6 \sqrt{3} \left(\frac{\tilde x}{2} + \frac{\sqrt{3} \tilde y}{2}\right) \left(\frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}\right) + 7 \left(\frac{\sqrt{3} \tilde x}{2} - \frac{\tilde y}{2}\right)^{2} - 16 = 0$$
simplificamos
$$4 \tilde x^{2} + 16 \tilde y^{2} - 16 = 0$$
Esta ecuación es una elipsis
2 2
\tilde x \tilde y
--------- + --------- = 1
2 2
/ 1 \ / 1 \
|-----| |-----|
\2*1/4/ \4*1/4/ - está reducida a la forma canónica
Centro de las coordenadas canónicas en el punto O
(0, 0)
Base de las coordenadas canónicas
$$\vec e_1 = \left( \frac{\sqrt{3}}{2}, \ \frac{1}{2}\right)$$
$$\vec e_2 = \left( - \frac{1}{2}, \ \frac{\sqrt{3}}{2}\right)$$
Método de invariantes
Se da la ecuación de la línea de 2-o orden:
$$7 x^{2} - 6 \sqrt{3} x y + 13 y^{2} - 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 7$$
$$a_{12} = - 3 \sqrt{3}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -16$$
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
$$I_{1} = 20$$
$$I_{3} = \left|\begin{matrix}7 & - 3 \sqrt{3} & 0\\- 3 \sqrt{3} & 13 & 0\\0 & 0 & -16\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}7 - \lambda & - 3 \sqrt{3}\\- 3 \sqrt{3} & 13 - \lambda\end{matrix}\right|$$
$$I_{1} = 20$$
$$I_{2} = 64$$
$$I_{3} = -1024$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 20 \lambda + 64$$
$$K_{2} = -320$$
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
$$\lambda^{2} - 20 \lambda + 64 = 0$$
$$\lambda_{1} = 16$$
$$\lambda_{2} = 4$$
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
$$16 \tilde x^{2} + 4 \tilde y^{2} - 16 = 0$$
- está reducida a la forma canónica
$$7 x^{2} - 6 \sqrt{3} x y + 13 y^{2} - 16 = 0$$
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
$$a_{11} = 7$$
$$a_{12} = - 3 \sqrt{3}$$
$$a_{13} = 0$$
$$a_{22} = 13$$
$$a_{23} = 0$$
$$a_{33} = -16$$
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
$$I_{1} = 20$$
| ___|
| 7 -3*\/ 3 |
I2 = | |
| ___ |
|-3*\/ 3 13 |$$I_{3} = \left|\begin{matrix}7 & - 3 \sqrt{3} & 0\\- 3 \sqrt{3} & 13 & 0\\0 & 0 & -16\end{matrix}\right|$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \left|\begin{matrix}7 - \lambda & - 3 \sqrt{3}\\- 3 \sqrt{3} & 13 - \lambda\end{matrix}\right|$$
|7 0 | |13 0 |
K2 = | | + | |
|0 -16| |0 -16|$$I_{1} = 20$$
$$I_{2} = 64$$
$$I_{3} = -1024$$
$$I{\left(\lambda \right)} = \lambda^{2} - 20 \lambda + 64$$
$$K_{2} = -320$$
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
$$\lambda^{2} - 20 \lambda + 64 = 0$$
$$\lambda_{1} = 16$$
$$\lambda_{2} = 4$$
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
$$16 \tilde x^{2} + 4 \tilde y^{2} - 16 = 0$$
2 2
\tilde x \tilde y
--------- + --------- = 1
2 2
/ 1 \ / 1 \
|-----| |-----|
\4*1/4/ \2*1/4/ - está reducida a la forma canónica