Seminario de Resolución de Problemas: Geometría analítica

Introducción

La geometría analítica se puede considerar la fusión de las ideas de la geometría euclidiana y el álgebra. Una de las funcionalidades de la geometría analítica es resolver problemas de geometría de una manera analítica, partiendo de la ubicación de los objetos geométricos en el plano cartesiano. A continuación veremos algunos problemas de la geometría analítica.

Un problema de rectas y puntos notables de un triángulo

Problema: Dado el triangulo \triangle ABC inscrito en una circunferencias. Denotemos como P a su baricentro y como O a su circuncentro. Además, supongamos que A(0,0), B(a,0) y C(b,c).
Expresa las coordenadas de P y O en términos de a, b y c.

Solución: Tenemos que el baricentro P es la intersección de las medianas del triángulo. Basta con que encontremos las ecuaciones de dos de las medianas para establecer un sistema de ecuaciones y encontrar las coordenadas de P.

Para obtener las medianas tenemos que determinar los puntos medios de los lados del triángulo.

Consideraremos los puntos los puntos medios de AB y de AC, los cuales son P_{m_{AB}}(\frac{a}{2},0) y P_{m_{AC}}(\frac{b}{2},\frac{c}{2}) respectivamente.

Ahora, determinamos la ecuación de la mediana que pasa por el punto medio de AC y el vértice B


    \begin{equation*}\begin{align*}y-\frac{c}{2}&=\frac{-\frac{c}{2}}{\frac{2a-b}{2}}(x-\frac{b}{2})\\2y-c&=-\frac{c}{2a-b}(2x-b)\\(2a-b)(2y-c)&=-2cx+bx\\2(2a-b)y-2ac+bc&=-2cx+bc\\2cx+2(2a-b)y&=2ac\\cx+(2a-b)y&=ac\end{alig*}\end{equation*}


Para la mediana que pasa por el vértice C y por el punto medio de AB, tenemos que

    \begin{equation*}\begin{align*}y&=\frac{c}{\frac{2b-a}{2}}(x-\frac{a}{2})\\(2b-a)y&=2cx-ac\\2cx+(a-2b)y&=ac\end{align*}\end{equation*}

Establecemos el sistema de ecuaciones

    \begin{equation*}\begin{align*}cx+(2a-b)y  &=ac \\2cx + (a-2b)y &=ac\end{align*}\end{equation*}

Cuya solución es x=\frac{ac+bc}{3} y y=\frac{c}{3}

Por lo tanto el punto del baricentro está dado por

    \begin{equation*}P\left(\frac{ac+bc}{3}, \frac{c}{3}\right)\end{equation*}

Para obtener la coordenada del circuncentro tenemos que determinar las ecuaciones de las mediatrices y con ello calcular su intersección.

Tenemos que como la pendiente del segmento AB es igual a 0, tenemos entonces que la mediatriz del segmento es

    \begin{equation*}x=\frac{a}{2}\end{equation*}

Por otro lado tenemos que la pendiente del segmento AC es igual a \frac{c}{b-a} con lo que la pendiente de la mediatriz de AC es \frac{a-b}{c}, con lo que su ecuación está dada por

    \begin{equation*}\begin{align*}y-\frac{c}{2}&=\frac{a-b}{c}(x-\frac{b}{2})\\y&=\frac{2(a-b)(x-\frac{b}{2}+c^2}{2c}\end{align*}\end{equation*}

Sustituyendo x=\frac{a}{2}, tenemos que

    \begin{equation*}y=\frac{(a-b)^2+c^2}{2c}\end{equation*}

Así, podemos concluir que el punto del circuncentro está dado por O\left(\frac{a}{2},\frac{(a-b)^2+c^2}{2c}\right)

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Recta tangente a una circunferencia


Problema: Encuentra la relación entre los parámetros a, b y c tales que la línea recta l:\frac{x}{a}+\frac{y}{b}=1 sea tangente a la circunferencia C: x^2+y^2=c^2.

Solución: Tenemos que la circunferencia está centrada el el origen O(0,0) y tiene radio r=c.

Así, se debe cumplir que la distancia de la recta al origen debe de ser igual a c para que se cumpla que sea tangente a la circunferencia.

i.e.

    \begin{equation*}\d(l,O)=\frac{|\frac{0}{a}+\frac{0}{b}-1|}{\sqrt{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}}=c\end{equation*}

Tenemos entonces que

    \begin{equation*}\begin{align*}\frac{|-1|}{\sqrt{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}}&=c\\c^2\left(\frac{a+b}{ab}\right)&=1\\\frac{a+b}{ab}&=\frac{1}{c^2}\end{align*}\end{equation*}

Concluimos que la condición que deben de cumplir los parámetros para que se cumpla que la recta l sea tangente a la circunferencia C es

    \begin{equation*}c^2=\frac{ab}{a+b}\end{equation*}

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Circunferencia que pasa por tres puntos

Problema: Consideremos una circunferencia con centro en el origen y radio 1. Si M es un punto de la circunferencia, N un punto diametralmente opuesto a M y A(2,3) un punto fuera de la circunferencia. Determina el lugar geométrico formado por los centros de las circunferencias que pasan por M, N y A al variar M

Solución: Sea M(a,b), tenemos que N por ser diametralmente opuesto está dado por N(-a,-b). Si denotamos como C_1(x,y) al centro de la circunferencia que pasa por M, N y A, tenemos que las distancias desde los puntos dados al centro C_1(x,y) son todas iguales.

    \begin{equation*}d(C_1,M)=d(C_1,N)=d(C_1,A)\end{equation*}

Además,

    \begin{equation*}\begin{align*}&d(C_1,M)=\sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}\\&d(C_1,N)=\sqrt{(x+a)^2+(y+b)^2}\\&d(C_1,A)=\sqrt{(x-2)^2+(y-3)^2}\end{align*}\end{equation*}

Como d(C_1,M)=d(C_1,N) tenemos que

    \begin{equation*}\begin{align*}(x-a)^2+(y-b)^2&=\sqrt{(x+a)^2+(y+b)^2}\\-2ax-2by&=2ax+2by\\ax+by&=0\end{align*}\end{equation*}

Por otro lado tenemos que d(C_1,N)=d(C_1,M), entonces

    \begin{equation*}\begin{align*}(x-a)^2+(y-b)^2&=(x-2)^2+(y-3)^2\\-2ax-2by+a^2+b^2&=-4x-6y+2^2+3^2\\-2ax-2by+1&=-4x-6y+4+9\\-2ax-2by&=-4x-6y+12\\-ax-by&=-2x-3y+6\\(a-2)x+(b-3)y&=-6\end{align*}\end{equation*}

Al hacer la diferencia de esta última ecuación con la primera que obtuvimos, tenemos la ecuación:

    \begin{equation*}\begin{align*}2x+3y&=6\\2x+3y-6&=0\end{align*}\end{equation*}

Lo cual nos describe una línea recta

Por lo tanto, el lugar geométrico formado por los centros de las circunferencias que pasan por M, N y A al variar M, es la recta con ecuación general 2x+3y-6=0

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Más problemas

Puedes encontrar más problemas de Geometría Analítica en la sección 8.2 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

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