4. Vectores en el Plano y en el Espacio

Invariantes euclidianos de las cónicas

A partir de ahora, supondremos que $overline{a}$ y $A$ son la matriz proyectiva y la matriz al infinito, referidas a coordenadas rectangulares $$x, y$$, de la ecuación de una cónica.

Invariantes relativos y absolutos

$$begin{array}{c}D_3=det overline {A}\ D_2=ac+af+cf-$b^2+d^2+e^2$ \ d_2=det A=ac-b^2\ d_1=Tr A=a+cend{array}$$
a estos valores se los conocen por invariantes euclídeos.

La determinación de la especie de una cónica a partir de los invariantes se puede obtener mediante la tabla siguiente:

$$left{ begin{array}{l} D_3 neq 0 left{begin{array}{l} d_2>0 mbox{ elipse } left{ begin{array}{l} D_3d_1<0 mbox{ real} \ D_3d_1>0 mbox{ imaginaria }end{array} right. \ d_2 < 0 mbox{ hipérbola }  \ d_2=0 mbox{ parábola }end{array}right.\ D_3=0 left{ begin{array}{l} d_2>0 mbox{ par de rectas imaginarias conjugadas} \ d_2<0 mbox{ par de rectas reales} \d_2=0 left{ begin{matrix} D_2<0 mbox{ rectas reales paralelas} \ D_2 >0 mbox{ par de rectas paralelas imaginarias conjugadas} \ D_2=0 mbox{ par de rectas coincidentes} end{matrix}  right. end{array} right.end{array}right.$$

A continuación vamos a dar unas aplicaciones de los invariantes euclídeos:

  • Obtención de las ecuaciones reducidas: La ecuación reducida de las cónicas del tipo centrado es:
    $$displaystyle lambda_1x^2+lambda_2y^2+frac{D_3}{d_2}=0$$
    La ecuación canónica de una parábola es:
    $$displaystyle x^2+2sqrt{-frac{D_3}{d_1^3}}y=0$$
    Finalmente, la ecuación reducida de las rectas paralelas es: $$displaystyle x^2+frac{D_2}{d_1^2}$$
  • Área de la elipse: El área del elipse se puede calcular mediante la fórmula:
    $$displaystyle A=pi sqrt{frac{D_3^2}{d_2^3}}$$
  • Ángulo de las asíntotas de una hipérbola: El ángulo que forman las asíntotas de una hipérbola, o un par de rectas, se puede determinar mediante la fórmula
    $$displaystyle cos^2 alpha =frac{d_1^2}{d_1^2-4d_2}$$

Ejemplo

Clasificar la siguiente cónica y encontrar su área: $x^2+4y^2+4x-6y+9=0$

La matriz asociada a la cónica es
$$displaystyle overline{A}=begin{bmatrix} 1 & 0 & 2 \ 0 & 4 & -3 \ 2 & -3 & 9 end{bmatrix}$$
Los invariantes euclídeos asociados a la cónica son:
$$D_3=det overline{A}=36-16-9=11 \ d_2=4 \ d_1=1+4=5$$
Nótese que no hace falta calcular $D_2$ dado que el determinante de la matriz ha dado distinto de cero.

Por lo tanto, siguiendo el algorismo de clasificación, llegamos a que se trata de una elipse imaginaria.

Finalmente, podemos calcular su área mediante una fórmula que usa los invariantes euclídeos:
$$displaystyle Área=pi{sqrt{frac{D_3^2}{d_2^3}}}=pi sqrt{frac{121}{64}}$$

Ejemplo

Clasificar mediante los invariantes euclídeos, la cónica siguiente $$q $x, y$ =3x^2+3y^2-6xy+4y-8=0$$
La matriz asociada a la cónica es
$$displaystyle overline{A}= begin{bmatrix} 3 & -3 & -3 \ -3 & 3 & 2 \ -3 & 2 & -8 end{bmatrix}$$
Los invariantes euclídeos asociados a la cónica son:
$$D_3= det overline {A}=-3 \ d_2=0\d_1=6$$

Siguiendo el esquema de clasificación mediante los invariantes euclídeos, llegamos a que la cónica es una parábola.

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