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Álgebra y Geometría Analítica

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Última vez actualizado 8 noviembre, 2017 por Isabel Pustilnik y Federico Gómez 17 comentarios

Parábola

Introducción

La gráfica de una función cuadrática es una parábola. Pero el concepto geométrico de parábola es más amplio, como veremos a continuación.

El siguiente gráfico muestra una «parábola acostada»:


Existen también las parábolas rotadas. Por ejemplo si nosotros graficáramos en algún programa de computadora el conjunto de puntos que satisfacen la ecuación \({x^2} + 2xy + {y^2} + 2x – 2y = 0\), obtendríamos la siguiente gráfica:


Para reconocer que esa gráfica efectivamente responde a la definición, características y expresión analítica de una parábola, debemos usar autovalores y autovectores. (Esto lo veremos más adelante en la Unidad 8: Aplicaciones de la diagonalización)

Definición de parábola

Dados un punto \(F\) (foco) y una recta \(r\) (directriz), se denomina parábola al conjunto de puntos del plano que equidistan del foco y de la directriz.

Simbólicamente:

\[\mathcal{P} = \left\{ {P\left( {x,y} \right){\rm{|}}\;\;d\left( {P,r} \right) = d\left( {P,F} \right)} \right\}\]

Observen que estamos definiendo la parábola como un conjunto de puntos que verifican cierta propiedad geométrica, no como la gráfica de una función cuadrática (que es como ustedes la conocían hasta ahora).

El eje focal es el eje perpendicular a la directriz que pasa por el foco. Es el eje de simetría de la parábola.

El punto de la parábola que pertenece al eje focal se llama vértice.

Para el esquema que realizamos, las coordenadas del vértice son \(V\left( {0,0} \right)\), las del foco \(F\left( {c,0} \right)\) y la recta directriz está dada por \(r:x = – c\). Las coordenadas de un punto genérico \(Q\) que pertenece a la directriz son \(\left( { – c,y} \right)\).

Ahora con estos datos vamos a deducir la ecuación. Por definición:

\[d\left( {P,r} \right) = d\left( {P,F} \right)\]

 

Distancia entre un punto P y la directriz:

distancia entre punto p y directriz

Distancia entre un punto P y el foco:

parabola distancia entre punto y foco

Las igualamos según lo establece la definición:

parabola distancia punto foco punto directriz

 

Donde los vectores y sus módulos son:

\[\overrightarrow {PQ} = \left( { – c – x,0} \right)\;\]

\[\overrightarrow {PF} = \left( {c – x, – y} \right)\]

parabola

parabola ecuacion

Ahora sustituyendo y operando llegamos a:

\[\sqrt {{c^2} + 2cx + {x^2}} = \sqrt {{c^2} – 2cx + {x^2} + {y^2}} \]

\[{c^2} + 2cx + {x^2} = {c^2} – 2cx + {x^2} + {y^2}\]

\[{y^2} = 4cx\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {c \ne 0} \right)\]

Que es la ecuación canónica de la parábola con \(V\left( {0,0} \right)\;\) y eje focal \(y = 0\) (eje \(x\)).

Donde si,

\(c > 0 \Rightarrow \) Las ramas de la parábola apuntan hacia la derecha

\(c < 0 \Rightarrow \) Las ramas de la parábola apuntan hacia la izquierda

Análogamente a lo desarrollado para una parábola con eje focal horizontal, se puede hacer la deducción para las parábolas con eje focal vertical. Si permutamos variables sobre la expresión canónica tenemos la expresión canónica de la parábola vertical:

\[{x^2} = 4cy\]

Ecuación canónica de la parábola con \(V\left( {0,0} \right)\) y eje focal \(x = 0\) (eje \(y\)).

Donde si,

\(c > 0 \Rightarrow \) Las ramas de la parábola apuntan hacia la arriba

\(c < 0 \Rightarrow \) Las ramas de la parábola apuntan hacia la abajo

Coordenadas del foco: \(F\left( {0,c} \right)\)

Ecuación de la directriz \(d:\;\;\;y = – c\)

Ecuación ordinaria de la parábola

Consideremos una parábola cuyo vértice \(V\left( {\alpha ,\beta } \right)\) no coincide con el origen del sistema \(xy\) :

¿Cómo sería la ecuación de la parábola en el sistema de referencia \(xy\)? No sabemos responder esto por el momento. Pero si armamos un nuevo sistema cuyo centro coincida con \(V\), la ecuación canónica en este nuevo sistema sería:

\[{y’^2} = 4cx’\]

Debemos realizar una traslación de ejes para poder tener la ecuación escrita en el sistema \(xy\)

¿Qué coordenadas tiene el punto \(P\) respecto de cada sistema?

El punto es el mismo pero estamos modificando el sistema de referencia:

  • Coordenadas de P en sistema \({\rm{\;x’y’}}\)coordenadas parabola sistema xy prima
  • Coordenadas de P en sistema \({\rm{\;xy}}\)coordenadas parabola sistema xy

La relación entre los dos sistemas de coordenadas es la siguiente:

\[x’ + \alpha = x\]

\[y’ + \beta = y\]

O reordenando:

\[\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{x’ = x – \alpha }\\{y’ = y – \beta }\end{array}} \right.\]

Éstas son las ecuaciones de traslación de ejes.

Si reemplazamos las ecuaciones de traslación en la expresión \({y^{‘2}} = 4cx’\) obtenemos la ecuación en el sistema original:

\[{\left( {y – \beta } \right)^2} = 4c\left( {x – \alpha } \right)\]

Ésta es la ecuación ordinaria de la parábola con vértice \(V\left( {\alpha ,\beta } \right)\) y eje focal paralelo al eje \(x\).

Análogamente:

\[{\left( {x – \alpha } \right)^2} = 4c\left( {y – \beta } \right)\]

Es la ecuación de la parábola con vértice \(V\left( {\alpha ,\beta } \right)\) y eje focal paralelo al eje \(y\).

¿Cómo nos damos cuenta si el eje focal es vertical u horizontal? Observando cuál de las variables está elevada al cuadrado:

  • Si \(y\) está al cuadrado, entonces es horizontal.
  • Si \(x\) está al cuadrado, entonces es vertical.
Ejemplo

Hallar la ecuación de la parábola de directriz \(x = 4\) y foco \(F\left( { – 2,0} \right)\).

Resolución

Es conveniente realizar una figura de análisis que represente los datos del enunciado:

El valor absoluto de \(c\) es la distancia del vértice al foco.

\[\left| c \right| = d\left( {V,F} \right)\]

El vértice está sobre el eje focal y a la misma distancia del foco que de la directriz:

\[V = \left( {\frac{{ – 2 + 4}}{2},0} \right) = \left( {1,0} \right)\]

Eje focal: eje \(x\)

Como el eje es horizontal la ecuación tiene la forma:

\[{\left( {y – \beta } \right)^2} = 4c\left( {x – \alpha } \right)\]

\[{\left( {y – 0} \right)^2} = 4c\left( {x – 1} \right)\]

Falta calcular el valor absoluto de \(c\).

\[\left| c \right| = d\left( {F,V} \right) = 3\]

Como el foco está a la izquierda del vértice entonces \(c = – 3\).

Entonces queda:

\[{y^2} = – 12\left( {x – 1} \right)\]

Lado recto

El lado recto es la longitud de la cuerda que es perpendicular al eje focal y pasa por el foco. Se puede demostrar que la longitud del lado recto es \(\left| {4c} \right|\)

 \[\left| {LL’} \right| = \left| {4c} \right|\]

Dejamos la demostración a cargo del lector interesado.

De ecuación ordinaria a ecuación general

Partimos de la ecuación ordinaria:

\[{\left( {y – \beta } \right)^2} = 4c\left( {x – \alpha } \right)\]

Desarrollamos cuadrado de binomio:

\[{y^2} – 2\beta y + {\beta ^2} = 4cx – 4c\alpha \]

\[{y^2} – 4cx – 2\beta y + {\beta ^2} + 4c\alpha = 0\]

Renombramos los coeficientes de la ecuación así:

ecuacion general de la parabola

\[{y^2} + Dx + Ey + F = 0\]

Ésta es la ecuación general. Observen que hay una única variable que está al cuadrado y la otra es lineal.

Les proponemos las siguientes preguntas:

  • Si \(E\; = \;0\), ¿dónde está ubicado el vértice?
  • ¿Cuál es la ecuación general de una parábola de eje vertical?
Ejemplo

Analizar qué lugar geométrico representa la siguiente ecuación:

\[{y^2} + 4x – 2y + 2 = 0\]

¿Qué curva representan los puntos que verifican esta ecuación? Observando que una sola de las variables está elevada al cuadrado, podemos pensar en una parábola. Deberíamos llegar al siguiente modelo:

\[{\left( {y – \beta } \right)^2} = 4c\left( {x – \alpha } \right)\]

Primero hay que completar cuadrados en y

\[{y^2} – 2y + {1^2} – {1^2} = {\left( {y – 1} \right)^2} – 1\]

Entonces

\[{\left( {y – 1} \right)^2} – 1 + 4x + 2 = 0\]

\[{\left( {y – 1} \right)^2} = – 4x – 1\]

\[{\left( {y – 1} \right)^2} = – 4\left( {x + \frac{1}{4}} \right)\]

Ésta es la ecuación ordinaria de la parábola que tiene \(V\left( { – \frac{1}{4},1} \right)\) y eje focal paralelo al eje \(x\).

Ejercicio para el lector 2

Hemos visto que toda parábola de eje paralelo al eje x puede expresarse por una ecuación del tipo \({y^2} + Dx + Ey + F = 0\).

Pero… si D = 0,

1) ¿La ecuación corresponde a una parábola?

2) ¿Qué lugar geométrico representa cada una de estas ecuaciones?

a) \({y^2}\;–\;2y\; + \;2\; = \;0\)

b) \({y^2}\;–\;2y\;–\;3\; = \;0\)

Ejercicio para el lector 3

Dada la ecuación \({x^2} + 6x + ky = 0\)

¿Para qué valor de \(k\) representa una parábola cuyo vértice pertenece a la recta \(y = 6\)? Para el valor de k hallado, indiquen vértice, foco y directriz. Grafiquen.

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En el video que aparece a continuación en el minuto 4 empieza la parte relativa a la gráfica de parábolas usando GeoGebra:

 

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Archivado en:Cónicas, parametrización y superficies cuádricas, Parte 2

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Comentarios

  1. Jose ibañez dice

    13 septiembre, 2017 en 12:36 pm

    Muy buen trabajo.!!!

  2. diarilys dice

    25 octubre, 2017 en 1:24 pm

    Nesesito reolver esta escuacion x a el cuadrado2= 8 y

  3. Flavia soledad sosa dice

    14 diciembre, 2017 en 5:26 pm

    Nesesito resolver el
    ( x.,y)

  4. Federico Gómez dice

    15 diciembre, 2017 en 12:15 pm

    Flavia, no entiendo bien tu pregunta.

  5. Isyed dice

    24 enero, 2018 en 10:47 pm

    Me gusto mucho porque explican bien gracias me ayudaron para mi examen de matemáticas gracias ?????

  6. Ing. Mecanico UAEMex dice

    19 mayo, 2018 en 11:15 pm

    Deberían enseñar como parametrizar las cónicas fuera del origen y rotadas, así estaría mas completo.

  7. Hernan Brito dice

    20 julio, 2018 en 9:18 pm

    Como resolver una parábola entre 2 Torres de 50 mts de alto, el vértice de la parábola a 10 mts del suelo y la cuerda de la parábola de 80 mts de longitud separadas las torres a una distancia x

  8. Agustín D'Angelo dice

    22 agosto, 2018 en 8:57 pm

    Muchisímas gracias por el contenido! me está siendo muy útil para complementar las clases (Estudiante de UTN FRRo). Saludos

  9. Thalia CM dice

    3 septiembre, 2018 en 9:40 pm

    el vértice sería (0,0) y el parámetro es 2
    el foco:(0,2) y la directriz (0,-2)
    espero ayudarte 😉

  10. wei dice

    5 mayo, 2019 en 12:14 pm

    wei, la respuesta es 10

  11. sofia dice

    12 mayo, 2019 en 1:31 pm

    ¿cómo encuentro el valor de la directriz si tengo la ecuación expandida de la parábola?

  12. Alejandro Sánchez dice

    12 junio, 2019 en 5:37 am

    Necesito ayuda paea resolver esto: una parábola tiene su vértice en el erigen E interactua la recta x+4y -9=0 en el punto dónde su apsisa es la mitad de su ordenada . Ocupo allar las ecuaciones de la parabola. Con dos soluciones!!

  13. Osiel dice

    10 noviembre, 2019 en 3:33 pm

    Ayuda por favor Hallar la ecuación de la parabola con directriz en x=2 y eje y=1 y pasa por (7,4)

  14. Pao dice

    22 noviembre, 2019 en 6:37 pm

    Buenas, me gustaría saber cómo se resuelve y2=-8×

  15. Monse dice

    27 noviembre, 2019 en 12:03 am

    Hola como obtengo la ecuación de la parábola a partir de las coordenadas de el lado recto

  16. Karen dice

    8 mayo, 2020 en 5:48 pm

    A mi si me ayudaste, graciassssss

  17. Esteban dice

    10 mayo, 2020 en 1:06 pm

    Excelente! Esta explicacion me vino barbaro para la cursada. Saludos 😀

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Espacios vectoriales

En las unidades anteriores vimos que el álgebra de vectores y el álgebra de matrices presentan similitudes. Pudimos observar que las propiedades de la suma (de vectores o de matrices) y del producto por un escalar son idénticas en ambos conjuntos.

En esta unidad, generalizaremos el concepto de vector a partir de estas propiedades en común que hemos señalado para vectores geométricos y matrices.

Las siguientes preguntas nos ayudarán a focalizar el eje de esta unidad:

¿En qué se parecen los vectores geométricos, las matrices y los polinomios? ¿Qué propiedades comunes pueden detectarse en estos objetos de diferente naturaleza y variadas aplicaciones?

De esto se trata nuestra tercera unidad, donde se desarrollan conceptos centrales del álgebra lineal: espacios vectoriales, base, dimensión y coordenadas, entre otros.

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