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Teoria

Geometria analitica e coniche

Punti e rette nel piano cartesiano, poi parabola, circonferenza, ellisse e iperbole, con il metodo per riconoscere una conica dalla sua equazione e disegnarla.

In questa pagina
  1. Il piano cartesiano
  2. La retta
  3. La parabola
  4. La circonferenza
  5. L’ellisse
  6. L’iperbole
  7. Riconoscere una conica

Il piano cartesiano

Distanza tra due punti e punto medio

Dati e :

La distanza è il teorema di Pitagora applicato al triangolo rettangolo di cateti e ; il punto medio ha per coordinate le medie delle coordinate. Queste due formule servono in tutto il capitolo: la circonferenza, l’ellisse e l’iperbole sono definite proprio tramite distanze.

Esempio

e : la distanza è e il punto medio è .

La retta

Equazione della retta

Una retta non verticale ha equazione esplicita

dove è il coefficiente angolare e è l’ordinata del punto di intersezione con l’asse . Una retta verticale ha equazione . Ogni retta, verticale o no, si scrive in forma implicita

per le due forme si traducono l’una nell’altra con e . La forma esplicita si legge come funzione e si disegna subito; la forma implicita comprende anche le rette verticali e compare nella formula della distanza punto-retta.

Coefficiente angolare, rette per un punto, parallelismo e perpendicolarità

Il coefficiente angolare della retta per due punti e con è

il rapporto tra la variazione di e la variazione di . La retta di coefficiente angolare passante per il punto è

Due rette non verticali di coefficienti e sono parallele se e solo se ; sono perpendicolari se e solo se , cioè . Con queste tre formule si scrive la retta richiesta in quasi tutti gli esercizi: si trova dai dati e si impone il passaggio per il punto.

Esempio

La retta per perpendicolare a ha coefficiente angolare , quindi è , cioè .

Distanza di un punto da una retta

La distanza del punto dalla retta di equazione è

La retta va scritta in forma implicita prima di applicare la formula. La distanza punto-retta serve anche con le coniche, ad esempio per imporre che una retta sia tangente a una circonferenza: la tangenza equivale all’uguaglianza tra la distanza del centro dalla retta e il raggio.

Esempio

Distanza di dalla retta :

La parabola

Parabola y = ax² + bx + c

Il grafico di con è una parabola con asse di simmetria verticale. Il vertice ha coordinate

e l’ordinata del vertice si può anche calcolare sostituendo l’ascissa nell’equazione; l’asse di simmetria è la retta . La concavità dipende dal segno di :

  • se la concavità è rivolta verso l’alto e il vertice è il punto più basso;
  • se la concavità è rivolta verso il basso e il vertice è il punto più alto.

Le intersezioni con l’asse sono le soluzioni di : due punti se , uno se , nessuno se . L’intersezione con l’asse è il punto . Vertice, concavità e intersezioni bastano per disegnare la parabola.

Esempio

: il vertice è , la concavità è verso l’alto poiché , le intersezioni con l’asse sono e , quella con l’asse è .

x y -3-2-112345-5-3-1135 O
y = x² − 2x − 3 con il vertice V(1, −4)

La circonferenza

Circonferenza

La circonferenza di centro e raggio è il luogo dei punti a distanza da ; elevando al quadrato la formula della distanza si ottiene l’equazione canonica

Sviluppando i quadrati si arriva alla forma generale

con , e . Dalla forma generale si risale a centro e raggio:

purché la quantità sotto radice sia positiva. Una circonferenza in forma generale si riconosce da due tratti: e hanno lo stesso coefficiente e il termine non compare.

Completamento del quadrato

Per ogni vale

Il completamento del quadrato riscrive un’equazione di secondo grado in forma canonica senza formule da ricordare: si raggruppano i termini in e quelli in , si completa ciascun gruppo e si porta la costante a destra. È il procedimento con cui si trovano centro e raggio di una circonferenza e con cui si riduce una conica qualunque alla sua forma canonica.

Esempio

. Completando i quadrati: e , quindi l’equazione diventa

una circonferenza di centro e raggio . Per disegnarla si segna il centro e si marcano i quattro punti a distanza da esso lungo le direzioni degli assi: , , e .

Attenzione

Non ogni equazione della forma rappresenta una circonferenza. In il completamento dà , e una somma di quadrati non può essere negativa, quindi nessun punto soddisfa l’equazione.

L’ellisse

Ellisse in forma canonica

L’ellisse in forma canonica, con centro nell’origine e assi di simmetria sugli assi cartesiani, ha equazione

I numeri e sono i semiassi: l’ellisse interseca l’asse nei vertici e l’asse nei vertici , e tutto il grafico sta nel rettangolo , . L’ellisse è il luogo dei punti per cui la somma delle distanze da due punti fissi, i fuochi, è costante; questo enunciato si assume. I fuochi stanno sull’asse del semiasse maggiore:

  • se i fuochi sono con ;
  • se i fuochi sono con .

Per disegnare l’ellisse si segnano i quattro vertici e si raccorda con una curva ovale simmetrica rispetto ai due assi.

Esempio

: i semiassi sono e , i vertici sono e . Poiché , i fuochi stanno sull’asse : da segue che sono .

L’iperbole

Iperbole in forma canonica

L’iperbole in forma canonica con i fuochi sull’asse ha equazione

Interseca l’asse nei vertici e non interseca l’asse : il grafico è formato da due rami, uno a destra di e uno a sinistra di . I fuochi sono con , e l’iperbole è il luogo dei punti per cui la differenza delle distanze dai fuochi è costante in valore assoluto; questo enunciato si assume. I due rami si avvicinano indefinitamente agli asintoti

L’equazione rappresenta un’iperbole con i fuochi sull’asse , vertici e gli stessi asintoti. Per disegnare un’iperbole si traccia il rettangolo di lati e , si prolungano le sue diagonali, che sono gli asintoti, e si disegnano i rami a partire dai vertici, avvicinandoli agli asintoti.

Esempio

: i vertici sono , da i fuochi sono , gli asintoti sono . I rami passano per i vertici e si schiacciano sugli asintoti allontanandosi dall’origine.

Riconoscere una conica

Riconoscere una conica dall'equazione

Un’equazione di secondo grado in e senza il termine ,

rappresenta una conica con assi paralleli agli assi cartesiani. Il tipo si legge dai coefficienti e dei termini quadratici:

  • uno solo tra e è diverso da zero, e l’altra variabile compare al primo grado: parabola;
  • : circonferenza;
  • e hanno lo stesso segno ma valori diversi: ellisse;
  • e hanno segni opposti: iperbole.

Il completamento dei quadrati può anche portare a un caso degenere, come un solo punto o nessun punto per una somma di quadrati uguale a zero o a un numero negativo; il tipo definitivo si conferma dopo la riduzione.

Procedimento per ridurre e disegnare

Per disegnare la conica di equazione :

  1. si raccoglie nei termini in e nei termini in ;
  2. si completa il quadrato in ciascun gruppo;
  3. si porta la costante a destra e si divide per essa, ottenendo la forma canonica centrata in un punto ;
  4. si segnano centro e vertici, e per l’iperbole gli asintoti, traslati nel centro.

La forma canonica è quella delle sezioni precedenti con e al posto di e : la conica è quella canonica traslata del vettore .

Esempio

. I coefficienti dei quadrati sono e , dello stesso segno e diversi, quindi l’equazione rappresenta un’ellisse. Raccogliendo e completando:

e dividendo per :

È un’ellisse di centro e semiassi lungo e lungo : i vertici sono , , e . Poiché il semiasse maggiore è verticale, da i fuochi sono .

Esercizi svolti su questo argomento

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