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Geometría Analítica I: Equivalencia de polinomios y reducción de polinomios cuadráticos

Por Paola Lizeth Rojas Salazar

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Introducción

En las entradas anteriores, estuvimos hablando de la clasificación de las curvas cuadráticas módulo transformaciones afines (las $G$-equivalencias), en esta entrada, vamos a responder preguntas para saber cuándo tienen sentido estas clasificaciones. Estas preguntas, principalmente derivan en la equivalencia de polinomios y la reducción de polinomios cuadráticos.

Equivalencia de polinomios

Antes de definir la equivalencia de polinomios, es importante preguntarnos si las imágenes afínes de curvas cuadráticas son de nuevo curvas cuadráticas.

Para responder la pregunta anterior, considera una curva cuadrática $C$ y una transformación afín $g \in Af(2)$. Entonces, existe un polinomio $P$ que define a $C$, es decir, que se cumple la siguiente igualdad:

\begin{equation} C=C(P)=\{x\in \mathbb R^2|P(x)=0\}\end{equation}

Dado lo anterior, podemos afirmar que:

\begin{equation} g(C)=\{y \in \mathbb R^2|(P\circ g^{-1})(y)=0\}\end{equation}

Demostración

$\subset$

Observemos que cualquier punto en $g(C)$ es de la forma $g(x)$ con $x\in C$, esto implica que $P(x)=0$. Entonces:

\begin{equation} (P\circ g^{-1})(g(x))=P(g^{-1}(g(x)))=P(x)=0\end{equation}

Entonces $g(x)\in\{y \in \mathbb R^2|(P\circ g^{-1})(y)=0\}$ y, finalmente,

\begin{equation} g(C)\subset\{y \in \mathbb R^2|(P\circ g^{-1})(y)=0\}\end{equation}

$\supset$

Sea $Y$ tal que $(P\circ g^{-1})(y)=0$, si definimos $x:=g^{-1}(y)$, entonces $P(x)=(P\circ g^{-1})(y)=0$.

Entonces, $x\in C$, lo que implica que $y=g(x)\in g(C)$. Finalmente:

\begin{equation} g(C)\supset\{y \in \mathbb R^2|(P\circ g^{-1})(y)=0\}\end{equation}

Lo que termina la demostración.

Observa que en la demostración anterior, solo se usó que $C$ estuviera definida como los ceros de una función y que $g$ fuera invertible, pero, ¿$g(C)$ es una curva cuadrática? Sí, lo anterior lo vemos en el siguiente lema:

Lema 4.1: Sea $C$ una curva cuadrática y $g\in Af(2)$, entonces $g(C)$ también es una curva cuadrática. Además, si $C=C(P)$, entonces $g(C)=C(P\circ g^{-1})$

Demostración

Si $P$ es un polinomio cuadrático y $g$ una transformación afín, entonces, $(P\circ g):\mathbb R^2 \to \mathbb R$ también es un polinomio cuadrático.

Y como las dos coordenadas de $g$ son polinomios lineales y $P\circ g$ es cuadrático, al sustituir ambos polinomios, obtendremos un polinomio con monomios de grado a lo más $2$.

Entonces $g(C)$ también es una curva cuadrática.

Con lo que termina la demostración.

Definición: Sea $G$ un subgrupo de $Af(2)$.

Decimos que dos polinomios cuadráticos $P_1$ y $P_2$ son $G-equivalentes$ o equivalentes módulo $G$ ($P_1\sim^G P_2$), si existen $g\in G$ y $k\in \mathbb R$, con $k\neq 0$, tales que $kP_1=P_2\circ g$. $(*)$

Finalmente, tenemos el siguiente teorema que relaciona esta entrada con la entrada anterior en la que se clasificó a las curvas cuadráticas:

Teorema 4.2: Sea $P$ un polinomio cuadrático en dos variables $x, y$. Entonces $P$ es afinmente equivalente a uno y solo uno de los polinomios que clasificamos en la entrada anterior.

Reducción de polinomios cuadráticos

Ahora veremos cómo reducir o simplificar un polinomio cuadrático, usando coordenadas afines. Para esto, vamos a simplificar los polinomios con matrices y vectores.

Recordemos que el polinomio general de segundo grado se puede escribir como:

\begin{equation}P(x,y)=ax^2+2bxy+cy^2+dx+ey+f\end{equation}

Ahora considera un vector variable $x^T=(x,y)$ y a la matriz $A$ y un vector $k$ definidos de la siguiente forma:

\begin{equation}A:=\begin{pmatrix} a & b \\ b & c \end{pmatrix}, \hspace{1cm} k=\begin{pmatrix} d \\ e\end{pmatrix}\end{equation}

Con estos datos, podemos escribir $P$ como:

\begin{equation} P(x)=x*Ax+k*x+f\end{equation}

Con $A=A^T\neq 0$.

A esta expresión se le conoce como la expresión vectorial del P.

Tarea moral

  1. Demuestra que, la relación definida en $(*)$ es de equivalencia.
  2. Demuestra el Teorema 4.2.
  3. Muestra que, la expresión en $(8)$, es cierta.
  4. Demuestra que, para un subgrupo $G$ de $Af(2)$, la relación de ser $G$-equivalentes, es una relación de equivalencia en los polinomios cuadráticos de dos variables.
  5. Da una expresión general para un polinomio cuadrático en tres variables $x,y,z$ y luego define una expresión vectorial para él.
  6. Encuentra la matriz simétrica $A$ y el vector constante $k$ que dan la expresión vectorial de los siguientes polinomios cuadráticos:
    • $x^2+2y^2-6x+4y+3$
    • $2xy-6x-4y-4$

Más adelante

En la siguiente entrada, vamos a usar los conocimientos adquiridos de esta entrada, para encontrar el centro y los ejes de las cónicas.

Geometría Analítica I: Las cónicas que existen

Por Paola Lizeth Rojas Salazar

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Introducción

Anteriormente, ya vimos la definición de «clasificación», ahora, usaremos esta definición para clasificar a las cónicas.

Para realizar esta clasificación, lo primero que debemos observar es que podemos hablar de las curvas asociadas a los polinomios de la siguiente manera:

Considera a un polinomio cuadrático como una función $P: \mathbb R^2 \to \mathbb R$ que a cada punto $x \in \mathbb R^2$, le asigna el número $P(x)$. Entonces, la curva asociada al polinomio P, o los ceros del polinomio P, son el siguiente subconjunto de $\mathbb R^2$:

\begin{equation} C(P)=\{x \in \mathbb R^2| P(x)=0\} \end{equation}

Además, vamos a decir que un subconjunto $C\subset \mathbb R^2$ es una curva cuadrática si, para algún polinomio cuadrático $P$, se tiene que $C=C(P)$

En conclusión, cualquier curva cuadrática, será equivalente a alguna de las cónicas que se muestran a continuación.

Las cónicas canónicas

  • El círculo unitario

El polinomio $x^2+y^2-1$, tiene como ceros el círculo unitario.

  • La hipérbola unitaria

El polinomio $x^2-y^2-1$, tiene como ceros a la hipérbola unitaria.

  • La parábola canónica

El polinomio $x^2-y$, tiene como ceros a una parábola.

Estas transformaciones afines, pueden mandar a muchas otras, por ejemplo, las elipses se pueden obtener del círculo unitario.

Conjuntos formados por polinomios cuadráticos

  • El círculo imaginario

El polinomio $x^2+y^2+1$, no tiene ningún cero en los reales, pero sí tiene solución en los números complejos, por lo que, a su curva cuadrática, la llamaremos «círculo imaginario».

  • Par de rectas

El polinomio $x^2-y^2$ tiene como conjunto de ceros a la unión de las dos rectas $x+y=0$ y $x-y=0$

  • El círculo de radio cero

El polinomio $x^2+y^2$ es el caso límite de círculos cuyos radios se hacen $0$. También las podemos llamar par rectas imaginarias, porque al factorizar el polinomio, resulta en valores complejos.

  • Rectas paralelas

El polinomio $x^2-1$ da dos rectas paralelas en $x=1$ y $x=-1$

  • Rectas paralelas imaginarias

El polinomio $x^2+1$ define dos rectas paralelas imaginarias en $x=i$ y $x=-i$

  • Recta doble

El polinomio dado por $x^2$, aunque solo consiste de una recta en $x=0$, se le llama doble por el polinomio que la define.

Tarea moral

  1. Realiza un dibujo en el plano euclidiano (si es posible), para cada una de las cónicas canónicas y curvas que se obtienen con los polinomios cuadráticos que mencionamos en esta entrada.
  2. Muestra que, efectivamente, los ceros de cada uno de los polinomios mostrados en la entrada, son los que mencionamos.

Más adelante…

En las siguientes entradas, estudiaremos la equivalencia y reducción de polinomios para después continuar con el análisis de las cónicas.

Geometría Analítica I: ¿Qué es clasificar?

Por Paola Lizeth Rojas Salazar

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Introducción

En entradas anteriores, ya hemos hablado las cónicas que son lugares geométricos de puntos en el plano euclidiano que cumplen cierta propiedad dada en términos de distancias. En esta ocasión, nos interesa clasificar a las cónicas, por lo que comenzaremos respondiendo la siguiente pregunta: ¿qué es clasificar?

Definición

«Clasificar» es describir o enumerar las clases de equivalencia de un conjunto de objetos geométricos que cumplen ciertos «criterios».

Por lo anterior, lo primero que debemos hacer es establecer una noción de equivalencia, que es con lo que vamos a definir las condiciones que vamos a aceptar para decir que dos objetos son equivalentes.

Objetos equivalentes

Formalicemos lo anterior.

Recuerda que una figura plana es cualquier subconjunto $F\subset \mathbb R^2$. Considera a $G$ un grupo de transformaciones de $\mathbb R^2$.

Decimos que dos figuras $F_1, F_2 \subset \mathbb R^2$ son $G$-equivalentes ($F_1 \sim^GF_2$), si existe $g \in G$ tal que $g(F_1)=F_2$.

Veamos que $\sim^G$ es una relación de equivalencia.

Demostración

  • P.D. $\sim^G$ es reflexiva ($F\sim^GF)

Como $id(F)=F$ e $id$ está en $G$, entonces $\sim^G$ es reflexiva.

  • P.D. $\sim^G$ es simétrica (Si $F_1\sim^G F_2 \Rightarrow F_2\sim^G F_1$)

Si existe $g\in G$ tal que $g(F_1)=F_2$, entonces existe $g^{-1}\in G$ tal que $g^{-1}(F_2)=F_1$. Lo que implica que $\sim^G$ es simétrica.

  • P.D. $\sim^G$ es transitiva (Si $F_1\sim^G F_2 y F_2\sim^G F_3 \Rightarrow F_1\sim^G F_3$)

Si $g_1(F_1)=F_2$ y $g_2(F_2)=F_3$ con $g_1,g_2\in G$, entonces, $(g_2 \circ g_1)\in G$ y, además, $(g_2 \circ g_1)(F_1)=F_3. Entonces, $\sim^G$ es transitiva.

Por lo tanto, $\sim^G$ es una relación de equivalencia

Finalmente, observa que estas relaciones de «anidan» siguiendo la contención de grupos, esto quiere decir que, si $H\subset G$, entonces $F_1\sim^H F_2 \Rightarrow F_1\sim^G F_2$.

Tarea moral

  1. Describe, de forma matemática, la clasificación de triángulos.

Más adelante

A continuación, como ya sabemos a qué nos referimos con clasificar, vamos a ver los diferentes tipos de cónicas que existen.

Geometría Analítica I: Homotecias y semejanzas

Por Paola Lizeth Rojas Salazar

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Introducción

En esta ocasión, vamos a estudiar dos transformaciones importantes en las matemáticas, que ya hemos mencionado en entradas anteriores, pero que no hemos definido. Estas transformaciones son las semejanzas y las homotecias.

Homotecias

Las homotecias son las transformaciones que hacen que una figura aumente o disminuya de tamaño (como si aplicáramos un «zoom» a la figura). El cuánto aumenta o disminuye esta figura, es lo que llamaremos «factor de expansión», que tendrá un centro que se va a mantener mientras la figura aumenta o disminuye de tamaño, a este centro lo llamaremos «centro de expansión».

Cuando el centro de expansión es el origen, tenemos una transformación lineal con la siguiente matriz asociada:

\begin{equation}kI=\begin{pmatrix} k & 0 \\ 0 & k\end{pmatrix}\end{equation}

Con $k>0$.

Si $k>1$, tenemos un aumento y, si $k<1$, tenemos una disminución.

Si ahora componemos esta matriz con una traslación por $b \in \mathbb R^2$, obtenemos una homotecia de factor $k$ con centro de expansión $c$ que es el punto fijo que se obtiene resolviendo la siguiente ecuación:

\begin{equation}kx+b=x \end{equation}

Semejanzas

Las semejanzas son transformaciones que preservan ángulos.

Observa que las homotecias y las isometrías son semejanzas. Lo anterior muestra que las tres transformaciones están relacionadas, a continuación hablaremos más a fondo de esta relación.

Teorema 3.25: Si $f:\mathbb R^2 \to \mathbb R^2$ es una semejanza, entonces existen $k>0$, $A\in O(2)$ y $b \in \mathbb R^2$ tales que:

\begin{equation} f(x)=kAx+b \end{equation}

Demostración

Considera la transformación lineal $g(x)=f(x)-b$, con $b:=f(0)$. Esta transformación es una traslación, por lo que preserva ángulos.

También considera a $B=(u,v)$, la matriz asociada a $g$, donde $u$ y $v$ son ortogonales con la misma norma $(*)$.

Finalmente, sean $k=|u|=|v|$ y $A=\frac{B}{k}$.

Observa que $A\in O(2)$ porque sus columnas son ortonormales y que, además:

\begin{equation} f(x)=g(x)+b=Bx+b=k Ax+b\end{equation}

Lo que concluye la demostración.

Tarea moral

  1. Demuestra, en $(*)$, que $u$ y $v$ son ortogonales con la misma norma.
  2. Encuentra la expresión de la homotecia de factor de expansión $k$ y centro $c$.
  3. Demuestra que una transformación $f:\mathbb R^2 \to \mathbb R^2$ es una semejanza si y solo si, existe $k>0$ tal que $d(f(x),f(y))=kd(x,y)$ para todo $x,y \in \mathbb R^2$.

Más adelante…

No te pierdas la siguiente entrada en la que hablaremos de un nuevo tema, la clasificación.

Geometría Analítica I: Reflexiones y pasos

Por Paola Lizeth Rojas Salazar

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Introducción

En entradas anteriores, ya estudiamos algunas isometrías, en esta ocasión, dedicaremos esta sección al estudio de las isometrías que cambian de orientación, es decir, de las que son de la forma $f(x)= E_\theta x+b$ con $E_\theta$ una matriz de reflexión.

Algunas definiciones informales

Antes de empezar con este capítulo, es importante entender a qué nos referimos con reflexiones y «pasos».

  • Reflexiones: Como ya hemos estado estudiando en otras entradas, se tiene una reflexión cuando hay un comportamiento similar a un espejo, es decir, que se tiene exactamente lo mismo y a la misma altura, pero de forma «reflejada».
  • Pasos: Entenderemos por «pasos» a la acción que realizamos al caminar y avanzar. Y, a los pasos con traslación trivial, a los que damos reflejando nuestros pasos con una línea recta.

Un teorema importante

Teorema 3.24: Una isometría que invierte orientación es un paso (con traslación trivial) o una reflexión.

Demostración

La isometría que invierte orientación, como ya mencionamos al inicio, es de la forma $f(x)= E_\theta x+b$ con $E_\theta$ matriz de reflexión.

  • Puntos fijos

Primero vamos a ver si hay puntos fijos, para esto, debemos analizar el siguiente determinante:

\begin{equation}det(I-E_\theta)=det\begin{pmatrix} 1-\cos(2\theta) & – \sin(2\theta) \\
– \sin(2\theta) & 1+\cos(2\theta)\end{pmatrix}\end{equation}

De donde obtenemos:

\begin{equation}det(I-E_\theta)=1-\cos^2(2\theta)-\sin^2(2\theta)=1-1=0\end{equation}

Esto significa que no hay una solución única, es decir, que no tiene solución o tiene muchas soluciones.

  • Análisis de soluciones

Si $b=0$, entonces $f$ es una reflexión y las soluciones son los puntos de la recta espejo: l.

Veamos cuáles son los puntos de la recta l satisfacen la ecuación anterior que encontramos. Si $u=(\cos(\theta),\sin(\theta))$ es el vector unitario que genera a l, entonces:

\begin{equation}E_\theta u=\begin{pmatrix} \cos(2\theta) & \sin(2\theta) \\
\sin(2\theta) & -\cos(2\theta)\end{pmatrix}\begin{pmatrix} \cos(\theta)\\
\sin(\theta) \end{pmatrix}\end{equation}

Donde, después de aplicar las funciones trigonométricas, llegamos a:

\begin{equation}E_\theta u=\begin{pmatrix} \cos(2\theta-\theta)\\
\sin(2\theta-\theta) \end{pmatrix}=u\end{equation}

Esto implica que $E_\theta(tu)=t(E_\theta u)=tu$ son todos los puntos de la recta l que satisfacen que $(I-E_\theta) x=0$.

Si para alguna $b$, el sistema $(I-E_\theta)x=b tiene una solución en particular, $c$, entonces toda la recta l$+c$ tiene soluciones para el sistema y se trata de una reflexión con espejo l$+c$, es decir, se trata de un «paso».

Pero, ¿cuáles son estas $b$ para las que hay solución?

Encontremos estas $b$ pensando de forma geométrica.

Observemos que, para cualquier $x \in \mathbb R^2$, la expresión $(I-E_\theta)x=x-E_\theta x$ indica el vector que va de $E_\theta x$ a $x$ y que es perpendicular al «espejo».

Si vemos a $(I-E_\theta)$ como función, encontraremos que es la proyección ortogonal a $l^T$, lo que implica que su imagen sea $l^T$.

De lo anterior, podemos concluir que la isometría $f(x)=E_\theta x+b$ solo tiene puntos fijos si $b\in l^T$

  • Otra forma de escribir la isometría

Finalmente, observemos que, cualquier $b \in \mathbb R^2$ puede ser escrito como suma de sus componentes respecto a la base normal $u, u^T$, es decir, como: $b-b1+b2$

Entonces podemos escribir la la isometría como:

\begin{equation}f(x)=(E_\theta x+b_2)+b_1\end{equation}

Con lo que concluimos la demostración.

Tarea moral

  1. Demuestra que si $f$ es una isometría que invierte orientación, entonces $f^2=f\circ f$ es una traslación.
  2. Con la notación usada en esta sección, demuestra usando coordenadas e identidades trigonométricas, que $(I-E_\theta) u^T=2u^T$
  3. Si $f(x)=E_\theta x+b$. Encuentra y argumenta geométricamente una expresión para $f^{-1}$.

Más adelante…

No te pierdas la siguiente sección de estudio en la que analizaremos las homotecias y semejanzas.