superficies cuádricasy de revolucion
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Cuádricas
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Definición
Una cuádrica es el lugar geométrico de los puntos del espacio ( x,y,z ) que verifican una
ecuación de segundo grado del tipo
La ecuación de una cuádrica se puede escribir en forma matricial como
donde
Denotaremos por la matriz que define la cuádrica y por A00 la matriz adjuntadel elementoa00 en A.
Clasificación
Las cuádricas se clasifican de acuerdo a su signatura σ , es decir, el módulo de la diferenciaentre el número de autovalores positivos y negativos de A00. Sin embargo, para calcular lasignatura de la cuádrica no es necesario diagonalizar la matriz, debido a la existencia de
unas cantidades invariantes asociadas a A00 que permiten determinar σ sin necesidad decalcular explícitamente sus autovalores. Veámoslo:
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los autovalores son las raíces del polinomio característico, es decir, las soluciones de la
ecuación . Ahora bien,
con
Cuando los tres autovalores de A00 son no nulos, es decir, det A00 ≠ 0, si escribimos la
sucesión K, J, I, 1 y denotamos por P y V el número de permanencias y variaciones de signoque hay en ella, respectivamente, entonces |P-V| = σ . Los valores I, J, K se conocencomo invariantes de la cuádrica. De esta forma se tiene:
1. Si σ = 3 :
1. det A > 0 ---> elipsoide real
2. det A < 0 ---> elipsoide imaginario (no existen puntos reales queverifican la ecuación)
3. det A = 0 ---> cono imaginario
2. Si σ = 1 :
1. det A > 0 ---> hiperboloide hiperbólico (de una hoja)2. det A < 0 ---> hiperboloide elíptico (de dos hojas)3. det A = 0 ---> cono real
Si alguno de los autovalores es nulo (det A00 = 0) pero el determinante de A es distinto decero, entonces;
1. Si J > 0 ---> paraboloide elíptico
2. Si J < 0 ---> paraboloide hiperbólico
Si det A = det A00 = 0, hay que introducir nuevos invariantes para completar la clasificación
donde Aii representa la matriz adjunta del elemento aii en A para i=1,2,3.
Con estos nuevos invariantes se tiene
1. J > 0
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1. K' ≠ 0 y signo K' = signo I ---> cilindro elíptico imaginario
2. K' ≠ 0 y signo K' ≠ signo I ---> cilindro elíptico real3. K' = 0 ---> par de planos imaginarios secantes
2. J < 0
1. K' ≠ 0 ----> cilindro hiperbólico2. K' = 0 ----> par de planos reales secantes
3. J = 0 y I ≠ 0
1. K' ≠ 0 ----> cilindro parabólico
2. K' = 0 y J' > 0 -- --> par de planos imaginarios paralelos
distintos3. K' = 0 y J' < 0 -----> par de planos reales paralelos distintos4. K' = 0 y J' = 0 ----> par de planos coincidentes
En la tabla siguiente se resume la clasificación anterior:
Clasificación de las Cuádricas
det A00 ≠ 0
σ = 3
det A > 0 Elipsoide Real
det A < 0 Elipsoide Imaginario
det A = 0 Cono Imaginario
σ = 1
det A > 0 Hiperboloide Hiperbólico
det A < 0 Hiperboloide Elíptico
det A = 0 Cono Real
det A00 = 0
det
A≠ 0
J > 0 Paraboloide Elíptico
J < 0 Paraboloide Hiperbólico
det A
= 0
J > 0
K'≠ 0 , signo K' = signo I Cilindroelíptico imaginario
K' ≠ 0 , signo K' ≠ signo
I Cilindro elíptico real
K' = 0 Par de planosimaginarios secantes
J < 0K' ≠ 0 Cilindro hiperbólicoK' = 0 Par de planos realessecantes
J = 0
I ≠
0
K' ≠ 0 Cilindro Parabólico
K' = 0, J' > 0 Par de planosimaginarios paralelos distintos
K' = 0, J' < 0 Par de planosreales paralelos distintos
K' = 0, J' = 0 Par de planoscoincidentes
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Centro
Plano polar: Dado un punto P = ( x 0 ,y0 ,z 0) ∈ IR3 se define el plano polar de P respecto a la
cuádrica de matrizA como el plano de ecuación
Si P pertenece a la cuádrica, entonces el plano polar de P coincide con el plano tangente adicha superficie enP.
No todos los puntos poseen plano polar. La condición para que un punto ( x, y, z ) no lo tengaes que verifique el sistema de ecuaciones
que geométricamente se interpreta como la intersección de tres planos.
Si det A00≠ 0, entonces el sistema es compatible y tiene solución única. El punto solución seconoce comocentro de la cuádrica.
Si det A00= 0 pueden ocurrir tres cosas, si det A=0 y los rangos de ambas matrices soniguales a 2 el sistema posee una recta de soluciones, entonces se dice que la cuádrica tieneuna recta de centros. Por otro lado, sidet A=0 y el rango de ambas matrices es igual a 1 existeun plano de soluciones, y se dice que la cuádrica tiene un plano de centros. Finalmente, si losrangos difieren o det A ≠ 0 el sistema no tiene solución, en tal caso la cuádrica carece decentro, recta o plano de centros.
Así, se tiene:
• Cuádricas con centro: elipsoides, hiperboloides y conos.
• Cuádricas con eje de centros: cilindros elípticos e hiperbólicos y pares de planossecantes.
• Cuádricas con plano de centros: pares de planos paralelos o coincidentes.
• El resto de las cuádricas no posee centro (lo tiene en el
infinito): paraboloides y cilindros parabólicos.
El centro es un punto de simetría de la cuádrica, el eje y el plano de centros son a su vez ejey plano de simetría.
Ejemplo:
Consideremos la cuádrica de ecuación
Esta cuádrica es un elipsoide (véase la tabla de clasificación). El plano polar por el punto (2,
1, 3) es el plano de ecuación
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que corta a la superficie (nótese que (2, 1, 3) es exterior a la superficie como se ve en lafigura siguiente).
El centro de la cuádrica es la solución del sistema de ecuaciones
que en este caso resulta ser el origen de coordenadas.
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En las figuras siguientes vemos los planos polares en los puntos (0, 1, 1/2) y (0, 2, 0):
En el primer caso el punto es interior a la superficie y el plano polar es exterior a la misma,mientras que en el segundo caso el punto e stá sobre el elipsoide y el plano polar coincidecon el plano tangente a la superficie en dicho punto.
Ecuación reducida
La ecuación reducida de una cuádrica es aquella ecuación simplificada que representa lasuperficie con su centro (si lo tiene) situado en el origen de coordenadas mientras que losejes coordenados tienen relaciones particulares con la cuádrica.
Partiendo de la ecuación general de una cuádrica se puede llegar a su ecuación reducidaaplicandole consecutivamente un giro y una translación de forma adecuada aunque enalgunos casos especiales es necesario aplicar después de esta última un giro plano.
A continuación recogemos los tipos de ecuaciones reducidas y que cuádricas representan, así como la forma de obtenerlas a partir de los invariantes.
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Denotemos por , y las raíces de , entonces:
• Elipsoides, hiperboloides y conos:
donde
elipsoide hiperboloide hiperbólico
hiperboloide elíptico cono
• Paraboloides:
donde
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paraboloide elíptico paraboloide hiperbólico
• Cilindro elíptico e hiperbólico y pares de planos secantes:
donde
cilindro elíptico cilindro hiperbólico par de planos secantes
• Cilindro parabólico:
donde
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cilindro parabólico
• Pares de planos paralelos:
donde
par de planos paralelos
Cuádricas no degeneradas
ElipsoideHiperboloide
hiperbólico
Hiperboloide
elíptico
Paraboloide
elíptico
Paraboloide
hiperbólico
Elipsoide
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Un ejemplo real
Ecuación reducida:
La cuádrica tiene signatura 3 y los autovalores de la matriz A00 son los tres positivos.Los cortes del elipsoide por planos paralelos a los coordenados son curvas cónicas de tipoelipse (en lo siguiente se supone que el elipsoide esta centrado en el origen de coordenadasy tiene la ecuación reducida que se da arriba):
• Cortes por planos z = α
Si α < c la curva de corte es una elipse de ecuación
donde
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•
• Si α> c no hay intersección real.Si α= c la intersección se reduce a un punto, siendo el plano tangente a lasuperficie elíptica.
• Para cortes con planos de la forma y = α ó x = α el resultado es análogo al
anterior intercambiando el papel de las variables de forma adecuada.
(corte por un plano y = α con 0 < α < b)
•
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(corte por un plano x = α con 0 < α < a)
Hiperboloide hiperbólico
Un ejemplo real
Ecuación reducida:
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La cuádrica tiene signatura 1 y los autovalores de la matriz A00 son dos positivos y unonegativo.Los cortes del hiperboloide por planos paralelos a los coordenados son curvas cónicas (en losiguiente se supone que el hiperboloide esta centrado en el origen de coordenadas y tiene lapimera de las ecuaciones reducidas dadas arriba):
• Cortes por planos z = α
La curva de corte es una elipse de ecuación
donde
( α > 0 )
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( α = 0, elipse de garganta )
• Cortes por planos x = α
El corte es la hipérbola de ecuación
donde
( α = 0 ) ( α > 0 )
• Cortes por planos y = αEl corte es una hipérbola como la del caso anterior donde los papeles de x e y se hanintercambiado.
El hiperboloide hiperbólico puede ser visto también como una superficie de revoluciónengendrada al girar una hiperbola alrededor del eje de la cuádrica (en el caso de la ecuaciónreducida que estamos utilizando, el eje z) describiendo una elipse.
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Además el hiperboloide hiperbólico es una superficie doblemente reglada puesto quecontiene a las dos familias de rectas. Veamoslo, la ecuación del hiperboloide se puedeescribir como
Entonces cualquier punto que satisface la ecuación del hiperboloide satisface el siguienteconjunto de ecuaciones para algun valor del parametro.
Cada una de las ecuaciones anteriores representa un plano luego finalmente tenemos un parde rectas contenidas en el hiperboloide.
Hiperboloide elíptico
Un ejemplo real
Ecuación reducida:
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(En las figuras anteriores a = b = c)
La cuádrica tiene signatura 1 y los autovalores de la matriz A00 son dos negativos y unopositivo.Los cortes del hiperboloide por planos paralelos a los coordenados son curvas cónicas (Eldesarrollo que sigue se ha hecho utilizando la primera de las ecuaciones reducidas)
• Cortes por planos z = α
la intersección es una hipérbola de ecuación
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donde
• Corte por planos y = α
el resultado es análogo al anterior intercambiando los papeles de y y z
• Cortes por planos x = α
si |α | > a, entonces la curva intersección resulta ser una elipse de ecuación
donde
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x = α > a x = -α < -a
•
•
si |α | < a no hay intersección real.
si |α | = a, entonces la intersección se reduce a un punto y el plano en cuestión estangente a la superficie.
( α = 0 )
A continuación incluimos otros dibujos en los cuales el hiperboloide tiene la segundaecuación reducida y los parámetros a,b y c son distintos
• (corte por plano z = α > c)
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• (corte por plano y = α > 0)
• (corte por plano x = α > 0)
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Paraboloide elíptico
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Ecuación reducida:
Los cortes del paraboloide por planos paralelos a los coordenados son curvas cónicas, (en losiguiente se supone que el parabolide tiene la ecuación reducida que se da arriba):
• Cortes por planos z = α
si α > 0, entonces la curva intersección resulta ser una elipse de semiejes a y b con
ecuación
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( α > 0 )
•
si α < 0, entonces no existe intersección.
si α = 0 la intersección se reduce a un punto, siendo la superficie cuádrica tangenteal plano en dicho punto.
(α < 0)
• Corte por planos y = α o por planos x = α las curvas intersección son las
parábolas
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(corte por plano y = α = 0 )
(corte por plano x = α >0 )
Paraboloide hiperbólico
Un ejemplo real
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(Foto cedida por el Prof. D. Juan M. Báez Mezquita)
Ecuación reducida:
En lo que sigue utilizaremos la primera de las ecuaciones reducidas.
El paraboloide hiperbólico es una superficie doblemente reglada por las familias de rectas:
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Los cortes del paraboloide por planos paralelos a los coordenados son curvas cónicas:
• Cortes por planos z = α
si α ≠ 0, entonces la curva intersección es una hipérbola de
ecuación
(α > 0)
(α < 0)
•
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• si α = 0, entonces la intersección es un par de rectas que se cortan en el origen decoordenadas
•
(α = 0)
• Cortes por planos y = α o por planos x = α
las curvas intersección son las parábolas yrespectivamente.
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( y = α = 0)
( x = α = 0 )
A continuación presentamos figuras donde se ha cortado el paraboloide hiperbólico por planooblicuos no paralelos a los coordenados
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Una superficie de revolución es aquella que se genera mediante la rotación de una curva plana, o generatriz,
alrededor de una rectadirectriz, llamada eje de rotación, la cual se halla en el mismo plano que la curva. Ejemplos
comunes de una superficie de revolución son:
Superficie de revolución.
♣ Una superficie de revolución cilíndrica es generada por la rotación de una línea recta, paralela al eje de
rotación, alrededor del mismo; esta superficie determina un volumen denominadocilindro, que se denomina sólido
de revolución; la distancia entre el eje y la recta se denominaradio.
♣ Una superficie de revolución cónica es generada por la rotación de una recta alrededor de un eje al cual
interseca en un punto, llamado vértice o ápice, de forma que el ángulo bajo el que la generatriz corta al eje es
constante; la superficie cónica delimita al volumen denominado cono.
♣ Una superficie de revolución esférica está generada por la rotación de un semicírculo alrededor de
su diámetro; ésta encierra al sólido de revolución llamado esfera.
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♣ Una superficie de revolución toroidal está generada por la rotación de una circunferenciaalrededor de un eje
que no la interseca en ningún punto; esta superficie se denomina toro.
Aplicaciones
La utilización de superficies de revolución es esencial en diversos campos de la física y la ingeniería, así como en
el diseño, cuando se dibujan objetos digitalmente, sus superficies pueden ser calculadas de este modo sin necesidad
de medir la longitud o el radio del objeto.
La alfarería, y el torneado industrial, moldean y modelan volúmenes con variadas superficies de revolución de gran
utilidad y uso cotidiano.
Cuádrica
Una cuádrica es una superficie determinada por una ecuación de la forma:
donde P es un polinomio de segundo grado en las coordenadas .
Cuando no se precisa, es una superficie del espacio tridimensional real usual, en un sistema de coordenadas ortogonal
y unitario, y las coordenadas se l laman x , y , z .
Hiperboloide de una hoja.
Historia
Fueron los matemáticos griegos de la antigüedad quienes iniciaron el estudio de las cuádricas, con el cono (una
cuádrica) y sus secciones, que son las cuádricas en el plano bidimensional, aunque no emplearon ecuaciones.
Definición algebraica
Una cuádrica o superficie cuádrica, es una hipersuperficie D-dimensional representada por una ecuación de segundo
grado con variables (coordenadas) espaciales. Si estas coordenadas son , entonces la
cuádrica típica en ese espacio se define mediante laecuación algebraica:
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donde Q es una matriz cuadrada de dimensión (D), P es un vector de dimensión (D) y R es una constante. Si
bien Q, P y R son por lo general reales o complejos, una cuádrica puede definirse en general sobre
cualquier anillo.
Ecuación cartesiana
La ecuación cartesiana de una superficie cuádrica es de la forma:
♣La definición algebraica de las cuádricas tiene el defecto de incluir casos sin interés geométrico y
sin vínculo con el tema.
Por ejemplo, la ecuación:
es de segundo grado pero, también se puede escribir como:
que equivale a:
,
una ecuación de primer grado que corresponde a un plano, superficie que no tiene
las propiedades relacionadas con el segundo grado. Generalmente, se descartan
todos los polinomios de segundo grado que son cuadrados.
Ecuación normalizada
La ecuación normalizada de una cuádrica tridimensional (D = 3), centrada en el
origen (0, 0, 0) de un espacio tridimensional, es:
Tipos de cuádricas
Por medio de traslaciones y rotaciones cualquier cuádrica se puede
transformar en una de las formas "normalizadas". En el espacio tridimensional
euclídeo, existen 16 formas normalizadas; las más interesantes son las
siguientes:
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elipsoide
→ esferoide (caso particular de
elipsoide)
→ esfera (caso particular de
esferoide)
paraboloide
→ paraboloide hiperbólico (caso
particular de paraboloide)
→ paraboloide elíptico (caso particular
de paraboloide)
→ paraboloide circular (caso
particular de paraboloide elíptico)
hiperboloide
→ hiperboloide de una hoja (caso
particular de hiperboloide)
→ hiperboloide de dos hojas (caso
particular de hiperboloide)
cilindro
→ cilindro elíptico (caso particular de
cilindro)
→ cilindro circular (caso particular de cilindro elíptico)
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→ cilindro hiperbólico (caso particular de cilindro)
→ cilindro parabólico (caso particular
de cilindro)
cono elíptico
→ cono circular (caso particular de
cono elíptico)
En el espacio proyectivo real, el elipsoide, el hiperboloide elíptico y el
paraboloide elíptico son similares; los dos paraboloides hiperbólicos tampoco
se diferencian entre ellos (por ser superficies regladas; el cono y el cilindro
tampoco son distintos entre sí (por ser cuádricas "degeneradas"). En
el espacio proyectivo complejo todas las cuádricas no degeneradas resultan
indistinguibles entre ellas.
Superficies cuadráticas
Las secciones cónicas: elipse, parábola e hipérbola tienen su generalización al
espacio tridimensional en elipsoide, paraboloide e hiperboloide.
Definición (superficies cuadráticas)
La gráfica de una ecuación de segundo grado en tres variables
se conocen como superficies cuadráticas, salvo casos degenerados.
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Observación: en la ecuación de segundo
grado deliberadamente no
hemos incluido los términos mixtos , y , pues la presencia de estos
genera superficies con rotación, tema que no trataremos en el curso
Elipsoide
La gráfica de la ecuación:
corresponde a un elipsoide. Es simétrico con respecto a cada uno de los tres
planos coordenados y tiene intersección con los ejes coordenados en
), y .La traza del elipsoide sobre cada uno de los planos
coordenados es un único punto (! ) o una elipse. La figura 1 muestra su gráfica.
Figura 1. Elipsoide
[Ver en ambiente 3D-JviewD]
Paraboloide elíptico
La gráfica de la ecuación
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es un paraboloide elíptico. Sus trazas sobre planos horizontales sonelipse :
Sus trazas sobre planos verticales, ya sean o son parábola.
Figura 2. Paraboloide elíptico
[Ver en ambiente 3D-JviewD]
Paraboloide hiperbólico
La gráfica de la ecuación:
es un paraboloide hiperbólico. Sus trazas sobre planos horizontales son
hipérbolas o dos rectas ( ). Sus trazas sobre planos verticales paralelos al plano son parábolas que abren hacia abajo, mientras que las trazas sobre
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planos verticales paralelos al plano son parábolas que abren hacia arriba. Su
gráfica tiene la forma de una silla de montar, como se observa en la figura 3.
Figura 3. Paraboloide hiperbólico
[Ver en ambiente 3D-JviewD]
Cono elíptico
La gráfica de la ecuación:
es un cono elíptico.Sus trazas sobre planos horizontales son elipses.Sus
trazas sobre planos verticales corresponden a hipérbolas o un par de rectas.Su
gráfica se muestra en la figura 4.
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Figura 4. Cono elíptico
[Ver en ambiente 3D-JviewD]
Hiperboloide de una hoja
La gráfica de la ecuación:
es un hiperboloide de una hoja.Sus trazas sobre planos horizontales son
elipses
Sus trazas sobre planos verticales son hipérbolas o un par de rectas que se
intersecan (!). Su gráfica se muestra en la figura 5.
.
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Figura 5. Hiperboloide de una hoja
[Ver en ambiente 3D]
Hiperboloide de dos hojas
La gráfica de la ecuación:
es un hiperboloide de dos hojas.Su gráfica consta de dos hojas separadas.Sus
trazas sobre planos horizontales son elipses y sobre planos verticales
son hipérbolas (figura 6).
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Figura 6. Hiperboloide de dos hojas