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Reduza a equação $5x^2+5y^2+3z^2-2xy+2xz+2yz+2x-y=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $36x^2-24x+36y^2-36y+14=0$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $2xy + 2xz + 2yz - 6x - 6y - 4z = 9$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Mostre que a intersecção de um plano $\displaystyle by+cz+d=0$, em que $b^2+c^2=1$, com o cone $x^2+y^2=z^2$ é uma cônica que pode ser uma elipse, uma hipérbole ou uma parábola. (Sugestão: mude para um sistema de coordenadas $\{O,U_1,U_2,U_3\}$ tal que $U_1=\vec{i}=(1,0,0)$, $U_2=(0,b,c)$ e $U_3=(0,-c,b)$).
Identificar a cônica $x^2-2xy+y^2-10x-6y+25=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $y^2+x^2+3xy-10x-10y+5=0$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $x^2 + y^2 + z^2 + 2xy + 2xz - 2yz + x - y + z + 1 = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a cônica descrita pela equação $x^2-6xy-7y^2+10x-30y+23=0$.
Identifique a cônica descrita pela equação $4x^2-4xy+y^2-2x+y+15=0$.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $5x^2+6xy+5y^2-8 = 0$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+2y^2-4xy+y-1=0$.
Sejam $x$, $y$ os eixos cartesianos usuais do plano. Faça a mudança de variáveis $X = x - 2$ e $Y = y + 3$, que corresponde a mudarmos a origem para o ponto $\textbf{O} = (2,-3)$.
Dado o ponto $P=(1,4)$ no sistema $xy$, encontre as coordenadas de $P$ no sistema $XY$.
Dado o ponto $A=(2,1)$ no sistema $XY$, encontre as coordenadas de $A$ no sistema $xy$.
Identifique a cônica descrita pela equação $4x^2-12xy+9y^2-6x+9y-4=0$.
Reduza a equação $4x^2+y^2-8z^2+4xy-4xz+8yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Na equação $x^2-y^2+2\sqrt{3}xy+6x=0$, elimine, por meio de uma rotação, o termo $xy$. Identifique o conjunto solução e nos casos em que for uma cônica encontre as coordenadas, no sistema inicial, do(s) foco(s) e esboce o gráfico.
Em cálculo de uma variável vemos que se $x_0$ é um extremo local (máximo ou mínimo) de uma função $f(x)$, então a reta tangente ao gráfico de $f$ em $x_0$ é horizontal, ou seja, $f'(x_0)=0$.
Encontre uma relação similar entre um extremo local de uma função de duas variáveis e o plano tangente ao seu gráfico.
Use esta relação para encontrar os extremos locais da função $\displaystyle f(x,y)=-2xy$.
Verifique se sua resposta no item anterior está correta, primeiro achando uma mudança de coordenadas conveniente (rotação) e, em seguida, completando os quadrados em $f(x',y')$ de tal forma a identificar a quádrica resultante.
Considere o plano com o sistema cartesiano canônico $xy$ e faça uma rotação de um ângulo $\theta$ obtendo um novo sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$. Seja $P$ um ponto do plano.
Se $P=(2,2)$ no sistema $xy$ e $\theta=\pi/3$, encontre as coordenadas de $P$ no sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$.
Se $P=(2,2)$ no sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$ e $\theta=\pi/3$, encontre as coordenadas de $P$ no sistema $xy$.
Transforme a equação $x^2+y^2=4$ para o sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$.
Suponha que $0<\theta <\pi/2$ e que $a=\tan\theta$ ($a$=tangente de $\theta$). Transforme a equação $y=ax$ para o sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$.
Considere a forma quadrática $2x^2+8xy+2y^2+x+y-9=0$. Escreva-a numa base conveniente e identifique qual é a cônica e seus paramêtros associados.
Reduza a equação $3x^2+3y^2+z^2-2xy-4x+2y+6z+5=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $2x^2+y^2-4xy-4yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $2x^2 + 30y^2 + 23z^2 + 72xz + 150 = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Em cálculo de uma variável vemos que se $x_0$ é um extremo local (máximo ou mínimo) de uma função $f(x)$, então a reta tangente ao gráfico de $f$ em $x_0$ é horizontal, ou seja, $f'(x_0)=0$.
Encontre uma relação similar entre um extremo local de uma função de duas variáveis e o plano tangente ao seu gráfico.
Use esta relação para encontrar os extremos locais da função $\displaystyle f(x,y)=2x^2+2y^2-2x-6y+14$.
Verifique se sua resposta no item anterior está correta completando os quadrados em $f(x,y)$ e identificando a quádrica.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+3y^2+4xy+4y-4=0$.
Sejam $F_{1}$ e $F_{2}$ dois pontos fixos do plano que distam $8$ unidades um do outro. Ou seja, $\text{dist}(F_{1},F_{2}) = 8$.
Encontre a equação do lugar geométrico dos pontos $P$ desse plano que satisfazem a condição:
\[ \text{dist}(P,F_{1}) + \text{dist}(P,F_{2}) = 10,\]
em cada um dos seguintes casos:
$F_{1} = (-c,0)$ e $F_{2} = (c,0)$, onde as coordenadas foram tomadas em relação ao sistema $xy$ da Figura 1 acima, e cada ponto $P$ tem coordenadas $(x,y)$ tomadas em relação a $\textbf{o}$.
$F_{1} = (-5,2)$ e $F_{2} = (3,2)$, onde as coordenadas foram tomadas em relação ao sistema $XY$ da Figura 2 acima, e cada ponto $P$ tem coordenadas $(X,Y)$ tomadas em relação a $\textbf{O}$.
$F_{1}$ e $F_{2}$ estão sobre o eixo $X$ do sistema $XY$ da Figura 2 acima, são simétricos em relação ao eixo $Y$, e cada ponto $P$ tem coordenadas $(x,y)$ tomadas em relação a $\textbf{o}$.
Identificar a cônica $x^2+4y^2+4xy-2x-4y-1=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
A mudança de coordenadas entre os sistemas $xy$ e $x_{1}y_{1}$ é feita através de uma matriz ortogonal $U$, como segue
\[ \begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{\,4}{5}} \\{\frac{\,-4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix}\quad \text{ e }\quad\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{-4}{5}} \\ {\frac{\,4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix},\quad \text{ lembrar que } U^{-1} = U^{t}.\]
Já a mudança entre os sistemas $x_{1}y_{1}$ e $XY$ é dada por $X = x_{1}+1$, $Y = y_{1}+1$.
Encontre as equações das retas suporte do eixo $X$ e do eixo $Y$ em relação aos sistemas $x_{1}y_{1}$ e $xy$.
Encontre as equações das retas suporte do eixo $x_{1}$ e do eixo $y_{1}$ em relação ao sistema $xy$.
Seja $\mathcal{L}$ a reta cuja equação no sistema $xy$ é dada por $y = 2x + 1$. Encontre as equações de $\mathcal{L}$ em relação aos eixos $x_{1}y_{1}$ e $XY$.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $\displaystyle 9x^2-18x+9y^2-6y=10$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Seja $A$ uma matriz $2\times 2$ real com autovalores complexos $\lambda=a\pm bi$ tais que $b\neq 0$ e $|\lambda|=1$. Mostre que toda trajetória do sistema dinâmico $\textbf{x}_{k+1}=A\textbf{x}_k$ está sobre uma elipse. [Dica: use que se $\textbf{v}$ é um autovetor associado a $\lambda=a-bi$, então a matriz $P=[ \textrm{Re}\,\textbf{v}\quad \textrm{Im}\,\textbf{v}]$ é invertível e temos que $\displaystyle A=P\left[\begin{array}{cc} a & -b \\ b & a \end{array}\right]P^{-1}$. Ponha $\displaystyle B=(PP^t)^{-1}$. Mostre que a equação quadrática $\textbf{x}^tB\textbf{x}=k$ define uma elipse para todo $k>0$, e prove que se $\textbf{x}$ está sobre esta elipse, então $A\textbf{x}$ também estará.]
Reduza a equação $x^2+y^2+4z^2-2xy-4xz+6x+12y+18z=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Suponha que o sistema de coordenadas $x'y'$ tenha sido obtido pela rotação de um sistema de coordenadas $xy$ por um
ângulo de $30^\circ$. Use a rotação \begin{align*}x & = x'\cos\theta - y'\sin\theta, \\y & = x'\sin\theta + y'\cos\theta, \end{align*}
para encontrar as coordenadas $x'y'$ da curva $y=x^2$.
Em cálculo de uma variável vemos que se $x_0$ é um extremo local (máximo ou mínimo) de uma função $f(x)$, então a reta tangente ao gráfico de $f$ em $x_0$ é horizontal, ou seja, $f'(x_0)=0$.
Encontre uma relação similar entre um extremo local de uma função de duas variáveis e o plano tangente ao seu gráfico.
Use esta relação para encontrar os extremos locais da função $f(x,y)=x^2+y^2-2x-6y+14$.
Verifique se sua resposta no item anterior está correta completando os quadrados em $f(x,y)$ e identificando a quádrica.
Reduza a equação $2z^2+5x+12y+12z+18=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Na equação $9x^2-4xy+6y^2=30$, elimine, por meio de uma rotação, o termo $xy$. Identifique o conjunto solução e nos casos em que for uma cônica encontre as coordenadas, no sistema inicial, do(s) foco(s) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $2x^2+4yz-4x+2y+6z+5=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $x^2+3xy+y^2=2$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $x^2+y^2+z^2-4xy-4xz-4yz=7 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $4x^2-8x-9y^2+6y-36z+3=0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
$9z-2=(x-1)^2-\dfrac{(3y-3)^2}{4}$: parabolóide hiperbólico.
Suponha que os eixos coordenados estejam fixos, mas a posição $P(x,y)$ de um inseto é movida para uma nova posição $P'(x',y')$ através de uma rotação do ponto por um ângulo $\alpha$ em torno da origem. Naturalmente, nesta rotação o ponto $P$ estará sempre sobre um círculo fixo com centro na origem. Mostre que a nova posição do inseto será \begin{align*} x' & = x\cos\alpha - y\sin\alpha \\ y' & = x \sin\alpha + y\cos\alpha \end{align*}.
Suponha que o sistema de coordenadas $x'y'$ tenha sido obtido pela rotação de um sistema de coordenadas $xy$ por um ângulo $\theta$. Explique como podemos encontrar as coordenadas $xy$ de uma reta cuja equação nas coordenadas $x'y'$ seja conhecida.
Reduza a equação $x^2+z^2-xy+xz+yz-2x+2y-2z+1=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Considere o plano com o sistema cartesiano canônico $xy$ e faça uma rotação de um ângulo $\theta$, com $0\leq \theta \leq\pi/2$ obtendo o novo sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$. Seja $(*)$ a equação:
$$(*) \ \ \ Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0$$,
com $A$, $B$, $C$, $D$, $E$, $F$ números reais. Ao transformar $(*)$ para o sistema $\overline{x}$ $\overline{y}$ obtemos:
$$(**) \ \ \ \overline{A} \overline{x}^2+\overline{B}\overline{x} \overline{y}+ \overline{C}\overline{y}^2+ \overline{D}\overline{x}+ \overline{E}\overline{y}+\overline{F}=0$$.
Mostre que:
\begin{align*} \overline{A} & = A\cos^2\theta+B\sin\theta\cos\theta+C\sin^2\theta, \\ \overline{B} & =-2A\sin\theta\cos\theta+B(\cos^2\theta-\sin^2\theta)+2C\sin\theta\cos\theta,\\ \overline{C} & = A\sin^2\theta-B\sin\theta\cos\theta+C\cos^2\theta, \\ \overline{D} & = D\cos\theta+E\sin\theta, \\ \overline{E} & = E\cos\theta-D\sin\theta\;\;\;\;\; \text{e} \\ \overline{F} & = F. \end{align*}
Supondo $A>0$ e $F<0$, conclua, a partir de 1, que a equação $(*)$ representa uma circunferência de centro $(0,0)$ e raio $r=\sqrt{\frac{-F}{A}}$ se, e somente se, para todo $\theta$, tivermos que $A=\overline{A}$, $B=\overline{B}$, $C=\overline{C}$,
$D=\overline{D}$, $E=\overline{E}$ e $F=\overline{F}$.
Sejam
$M= \left( \begin{array}{cc}A & \frac{B}{2}\\\frac{B}{2}& C \\\end{array}\right)$, $\overline{M}= \left( \begin{array}{cc}\overline{A} & \frac{\overline{B}}{2}\\\frac{\overline{B}}{2}&\overline{C}\end{array}\right)$ e $R_{\theta}=\left(\begin{array}{cc}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{array}\right)$.
Mostre, a partir de 1, que $\overline{M}=R_{\theta}^{t}\cdot M\cdot R_{\theta}$ e, calculando o determinante dos dois lados da igualdade, conclua que $\Delta=B^2-4AC=\overline{B}^{2}-4\overline{A}\overline{C}$, qualquer que seja o ângulo $\theta$ (OBS: $\Delta$ é conhecido pelo nome de discriminante da equação $(*)$ e o item 3 está dizendo que ele é invariante por rotação).
Reduza a equação $3x^2 + 2y^2 + 3z^2 - 2xz - 4y = 6$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
A equação da quádrica $3x^2 + 2y^2 + 3z^2 - 2xz - 4y = 6$ pode ser escrita em forma matricial:
$$X^tAX+KX-6=0,$$
onde:
$$X=\begin{pmatrix}x \\ y \\ z\end{pmatrix}, \ K=\begin{pmatrix}0 & -4 & 0\end{pmatrix}, \ A=\begin{pmatrix}3 & 0 & -1 \\0 & 2 & 0 \\-1 & 0 & 3\end{pmatrix}. $$
Seja:
$$P(\lambda)=\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}3-\lambda & 0 & -1 \\0 & 2-\lambda & 0 \\-1 & 0 & 3-\lambda\end{pmatrix}=-\lambda^3+8\lambda^2-20\lambda+16.$$
As raízes de $P(\lambda)$ são $2$ e $4$, sendo $2$ uma raiz dupla. Considere o sistema linear referente à raiz $2$: $(A-2I) X = 0$. Duas soluções de norma unitária desse sistema são $U_1=(1/\sqrt{2},0,1/\sqrt{2})$ e $U_2=(0,1,0)$. Sejam $U_3=U_1 \times U_2 = (-1/\sqrt{2},0,1/\sqrt{2})$, $Q=(U_1,U_2,U_3)$ e $X'=\begin{pmatrix}x' \\ y' \\ z'\end{pmatrix}.$ Dessa forma, com a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$, a equação $3x^2 + 2y^2 + 3z^2 - 2xz - 4y = 6$ se transforma em:
$$\dfrac{(x')^2}{4}+\dfrac{(y'-1)^2}{4}+\dfrac{(z')^2}{2}=1,$$
que é a equação de um elipsóide.
Reduza a equação $2x^2+3y+4z+4=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $3x^2+5y^2+4x-2y-10=0$.
Seja $\mathcal{C}$ a cônica cuja equação em relação ao sistema $xy$ é dada por $29x^2 + 24xy + 36y^2 + 22x + 96y = 115$. A mudança de coordenadas entre os sistemas $xy$ e $x_{1}y_{1}$ é feita através de uma matriz ortogonal $U$, como segue
\[ \begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{\,4}{5}} \\{\frac{\,-4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix}\quad \text{ e }\quad
\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{-4}{5}} \\ {\frac{\,4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix},\quad \text{ lembrar que } U^{-1} = U^{t}.\]
Já a mudança entre os sistemas $x_{1}y_{1}$ e $XY$ é dada por $X = x_{1}+1$, $Y = y_{1}+1$.
Encontre a equação de $\mathcal{C}$ nos sistemas $x_{1}y_{1}$ e $XY$.
Encontre as coordenadas dos vértices e dos focos de $\mathcal{C}$ nos três sistemas, $xy$,\,$x_{1}y_{1}$ e $XY$. Dica: Encontrar primeiro no sistema $XY$ e ir voltando.
Faça um esboço do desenho da cônica.
Reduza a equação $3x^2-3y^2-5z^2-2xy-6xz-6yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Às vezes o gráfico de uma equação quadrática é uma reta, um par de retas ou até mesmo um único ponto. Nos referimos a tais gráficos como cônicas degeneradas. É também possível que a equação não seja satisfeita para nenhum valor real das variáveis, caso este no qual não existe um gráfico e dizemos tratar-se de uma cônica imaginária. Nos itens abaixo, identifique a cônica com a equação dada, dizendo se é degenerada ou imaginária. Quando possível, esboce também o gráfico.
$\displaystyle x^2-y^2=0$;
$\displaystyle x^2+2y^2+2=0$;
$\displaystyle 3x^2+y^2=0$.
Reduza a equação $3x^2+y^2+z^2+4yz+12x+2y-2z+9=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $2xy + z = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $3x^2+y^2-2xy+2xz-2yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Seja $C$ o lugar geométrico dos pontos $P = (x,y)$ de um plano cujas coordenadas $x$ e $y$ satisfazem a equação $x^2-16y^2 + 8x +128y -256 = 0$.
Qual a natureza da cônica $C$?
Escrever a forma canônica da equação de $C$.
Caso $C$ seja uma elipse ou uma hipérbole, encontre os focos e a excentricidade. Caso seja uma hipérbole, encontre também as equações das retas assíntotas no sistema $xy$ original.
Seja $C$ o lugar geométrico dos pontos $P = (x,y)$ de um plano cujas coordenadas $x$ e $y$ satisfazem a equação $3x^2+2xy+3y^2-6x-6y+1=0$.
Qual a natureza da cônica $C$?
Escrever a forma canônica da equação de $C$.
Caso $C$ seja uma elipse ou uma hipérbole, encontre os focos e a excentricidade. Caso seja uma hipérbole, encontre também as equações das retas assíntotas no sistema $xy$ original.
Reduza a equação $x^2 - y^2 + z^2 + 2xz - 2y + 1 = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
A equação da quádrica $x^2 - y^2 + z^2 + 2xz - 2y + 1 = 0$ pode ser escrita em forma matricial:
$$X^tAX+KX-6=0,$$
onde:
$$X=\begin{pmatrix}x \\ y \\ z\end{pmatrix}, \ K=\begin{pmatrix}0 & -2 & 0\end{pmatrix}, \ A=\begin{pmatrix}1 & 0 & 1 \\0 & -1 & 0 \\1 & 0 & 1\end{pmatrix}. $$
Seja:
$$P(\lambda)=\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}1-\lambda & 0 & 1 \\0 & -1-\lambda & 0 \\1 & 0 & 1-\lambda\end{pmatrix}=-\lambda^3+\lambda^2+2\lambda.$$
As raízes de $P(\lambda)$ são $0$, $2$ e $-1$. Considere os sistemas lineares referentes às raízes $0$ e $2$: $A X = 0$ e $(A-2I)=0$. Uma solução de norma unitária desses sistemas são $U_1=(1/\sqrt{2},0,-1/\sqrt{2})$ e $U_2=(1/\sqrt{2},0,-1/\sqrt{2})$, respectivamente. Sejam $U_3=U_1 \times U_2 = (0,-1,0)$, $Q=(U_1,U_2,U_3)$ e $X'=\begin{pmatrix}x' \\ y' \\ z'\end{pmatrix}.$ Dessa forma, com a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$, a equação $x^2 - y^2 + z^2 + 2xz - 2y + 1 = 0$ se transforma em:
$$\dfrac{(z'-1)^2}{2}-(y')2=1,$$
que é a equação de um cilindro hiperbólico.
Reduza a equação $2x^2+y^2-4xy-4yz+12x+6y+6z=1 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $2x^2+2y^2-4z^2-5xy-2xz-2x-2y+z=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2-y^2-4x+2y+2=0$.
Reduza a equação $x^2+4y^2+9z^2-4xy+6xz-12yz+4x-8y+12z+4=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Às vezes o gráfico de uma equação quadrática é uma reta, um par de retas ou até mesmo um único ponto. Nos referimos a tais gráficos como cônicas degeneradas. É também possível que a equação não seja satisfeita para nenhum valor real das variáveis, caso este no qual não existe um gráfico e dizemos tratar-se de uma cônica imaginária. Nos itens abaixo, identifique a cônica com a equação dada, dizendo se é degenerada ou imaginária. Quando possível, esboce também o gráfico.
$\displaystyle x^2+2xy+y^2=0$;
$\displaystyle x^2-2xy+y^2+2\sqrt{2}x-2\sqrt{2}y=0$;
$\displaystyle 2x^2+2xy+2y^2+2\sqrt{2}x-2\sqrt{2}y+6=0$.
Reduza a equação $-x^2-y^2-7z^2+16xy+8xz+8yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+y^2+(1/3)xy+6x+8y-5=0$.
Identifique a cônica descrita pela equação$7x^2+6xy-y^2-2x+10y-9=0$.
Considere a forma quadrática $2x^2+8xy+2y^2+x+y-9=0$. Escrevendo-a numa base conveniente, determine:
qual o eixo que contém o(s) foco(s);
qual é a translação e a rotação associadas.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $9y^2-9x^2+6x=1$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Seja $Q$ um retângulo centrado na origem, cujo lado maior mede o triplo do lado menor. Sabendo que um dos vértices de $Q$ é $V_1=(1,2)$ e que o vértice $V_2$, consecutivo a $V_1$ no sentido trigonométrico (anti-horário), é tal que $V_1V_2$ é um lado menor, determine os outros vértices de $Q$.
Tomando o ângulo $\theta=\widehat{V_10V_2}$, temos que $V_2 = R_{\theta}(V_1)$, onde $$R_\theta=\left(\begin{array}{cc} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{array} \right) $$ denota a rotação por um ângulo $\theta$ (Fig.). Sendo $P$ o ponto médio do segmento $V_1V_2$, vamos ter que $\dfrac{\theta}{2}=\widehat{POV_2}$. Sendo $V_1V_2$ um lado menor e dada a relação entre os lados (enunciado), segue que $|OP|=3|PV_2|$. Assim, o triângulo retângulo $OPV_2$ nos fornece que $$ \sin\dfrac{\theta}{2} = \dfrac{|PV_2|}{|OV_2|} \quad\text{e}\quad \cos\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{|OP|}{|OV_2|}=\dfrac{3|PV_2|}{|OV_2|}=3\sin\dfrac{\theta}{2}, $$ o que juntamente com a relação fundamental $\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$, resulta em $\sin^2\dfrac{\theta}{2}+9\sin^2\dfrac{\theta}{2}=1$. Ou seja, temos que $$ \sin\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{\sqrt{10}}{10} \quad\mathrm{e}\quad\cos\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{3\sqrt{10}}{10}.$$ Conseqüentemente, temos que $$\cos\theta= \cos(2\dfrac{\theta}{2})=\cos^2\dfrac{\theta}{2}-\sin\dfrac{\theta}{2}= \dfrac{4}{5}\quad \text{e}$$ $$\sin\theta= \sin(2\dfrac{\theta}{2})= 2\cos\dfrac{\theta}{2}\sin\dfrac{\theta}{2}= \dfrac{3}{5} .$$ Assim, $$ V_2 = R_{\theta}(V_1)=\left(\begin{array}{cc} \dfrac{4}{5} & -\dfrac{3}{5} \\ \dfrac{3}{5} & \dfrac{4}{5} \end{array}\right)\left(\begin{array}{c} 1 \\ 2 \end{array}\right) = \left(\begin{array}{rcl} -\dfrac{2}{5} &,&\dfrac{11}{5} \end{array}\right). $$ Finalmente, como $V_3=R_{\pi}(V_1)$, $V_4=R_{\pi}(V_2)$, $cos\pi=-1$ e $\sin\pi=0$, obtemos que $$V_3=-V_1=(-1,-2) \quad \text{e}\quad V_4=-V_2=(\dfrac{2}{5},-\dfrac{11}{5}).$$
Identificar a cônica $8y^2+6xy-12x-26y+11=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
Identifique a cônica $5 x^2+12 x y= 1$ e seu parâmetros associados.
Suponha que o sistema de coordenadas $x'y'$ tenha sido obtido pela rotação de um sistema de coordenadas $xy$ por um ângulo $\theta$. Mostre que, para cada valor de $\theta$, a equação $x^2+y^2=r^2$ é transformada na equação $x'^2+y'^2=r^2$. Dê uma explicação geométrica.
Os extremos de uma corda elástica com um nó em $K(x,y)$ são presos a um ponto fixo $A(a,b)$ e um ponto $P$ sobre a borda de um pneu de raio $r$ centrado em $(0,0)$. Conforme o pneu gira, $K$ traça uma curva $C$. Encontre a equação desta curva. Assuma que a corda permanece presa e estica uniformemente (ou seja, a razão $\alpha:=|KP|/|AP|$ é constante).
Reduza a equação $2x^2+2y^2-z^2+8xy-4xz-4yz=2 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Tome $x'y'$ o sistema de eixos do plano que é a translação do sistema $xy$ para a nova origem $O'=(1,1)$, i.e., $ x'=x-1$ e $y'=y-1$.
Dado o ponto $P=(1,4)$ no sistema $xy$, encontre as coordenadas de $P$ no sistema $x'y'$.
Dado o ponto $A=(2,1)$ no sistema $x'y'$, encontre as coordenadas de $A$ no sistema $xy$.
Considere a reta $\mathcal{L}$ que no sistema $xy$ tem equação $2x - 3y + 4 = 0$. Qual seria a equação de $\mathcal{L}$ no sistema $x'y'$? Mudando-se a equação, muda-se $\mathcal{L}$ de lugar? O desenho muda?
Dada a curva $\mathcal{C}$, do plano, cujos pontos têm coordenadas $(x,y)$, no sistema $xy$, satisfazendo a equação $x^2-4x+y^2-6y=12$, encontre a equação que os pontos de $\mathcal{C}$ com coordenadas $(x',y')$ no sistema $x'y'$ devem satisfazer nas variáveis $x'y'$.
Identifique a cônica descrita pela equação $16x^2+16y^2-16x+8y-59=0$.
A mudança de coordenadas entre os sistemas $xy$ e $x_{1}y_{1}$ é feita através de uma matriz ortogonal $U$, como segue
\[ \begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{\,4}{5}} \\{\frac{\,-4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix}\quad \text{ e }\quad\begin{pmatrix}x\\ y\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}{\frac{\,3}{5}} & {\frac{-4}{5}} \\ {\frac{\,4}{5}} & {\frac{\,3}{5}} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_{1}\\ y_{1}\end{pmatrix},\quad \text{ lembrar que } U^{-1} = U^{t}.\]
Já a mudança entre os sistemas $x_{1}y_{1}$ e $XY$ é dada por $X = x_{1}+1$, $Y = y_{1}+1$.
Encontre as coordenadas dos pontos $a_{1}$ e $b_{1}$ (Figura 1) nos sistemas $xy$ e $x_{1}y_{1}$.
Encontre as coordenadas dos pontos $c_{1}$, ,$d_{1}$, $\textbf{O}$, e $A_{2}$ (Figura 2) em relação aos eixos $xy$, $x_{1}y_{1}$ e $XY$.
Reduza a equação $4x^2+6y^2+4z^2-4xz+1=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $z^2 + 4xy + 1 = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
A equação da quádrica $z^2 + 4xy + 1 = 0$ pode ser escrita em forma matricial:
$$X^tAX+1=0,$$
onde:
$$X=\begin{pmatrix}x \\ y \\ z\end{pmatrix}, \ A=\begin{pmatrix}0 & 2 & 0 \\2 & 0 & 0 \\0 & 0 & 1\end{pmatrix}. $$
Seja:
$$P(\lambda)=\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}-\lambda & 2 & 0 \\2 & -\lambda & 0 \\0 & 0 & 1-\lambda\end{pmatrix}=-\lambda^3+\lambda^2+4\lambda-4.$$
As raízes de $P(\lambda)$ são $1$, $2$ e $-2$. Considere os sistemas lineares referentes às raízes $1$ e $2$, $(A-I) X = 0$ e $(A-2I) X = 0$. Uma solução de norma unitária desses sistemas consiste em $U_1=(0,0,1)$ e $U_2=(1/\sqrt{2},1/\sqrt{2},0)$, respectivamente. Sejam $U_3=U_1 \times U_2 = (-1/\sqrt{2},1/\sqrt{2},0)$, $Q=(U_1,U_2,U_3)$ e $X'=\begin{pmatrix}x' \\ y' \\ z'\end{pmatrix}.$ Dessa forma, com a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$, a equação $z^2 + 4xy + 1 = 0$ se transforma em:
$$-(x')^2-\dfrac{(y')^2}{1/2}+\dfrac{(z')^2}{1/2}=1,$$
que é a equação de um hipérbolóide de duas folhas.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+5x+y-9=0$.
Considere a cônica definida pela equação $2xy+x-2=0.$
Determinar seu centro.
Classificar a cônica.
Esboçar seu gráfico.
Identificar a cônica $4x^2+4xy+y^2-6x+3y+2=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
Considere o polinômio $p(\lambda)=\det(A-\lambda I_3)$, em que$$ A= \left[\begin{array}{ccc} a & d/2 & e/2 \\ d/2 & b & f/2 \\ e/2 & f/2 & c \end{array}\right]. $$
Sejam $\alpha$ e $\beta$ raízes reais (pois $A$ é simétrica) distintas de $p(\lambda)$. Mostre que se $X_1$ é solução de $(A-\alpha I_2)X=\vec{0}$ e $X_2$ é solução de $(A-\beta I_2)X=\vec{0}$, então $X_1$ e $X_2$ são ortogonais. (Sugestão: Mostre que $\alpha X_1\cdot X_2=\beta X_1\cdot X_2$)
Mostre que se $p(\lambda)$ tem raízes reais distintas, então sempre existe uma matriz $Q$ tal que $$ Q^tAQ = \left[\begin{array}{ccc} a' & 0 & 0 \\ 0 & b' & 0 \\ 0 & 0 & c' \end{array}\right]. $$ Conseqüentemente, a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$ transforma a equação $$ ax^2+by^2 + cz^2 + dxy+exz+fyz+gx+hy+iz+j=0 $$ na equação $$a'x'^2+b'y'^2+c'z'^2+g'x'+h'y'+i'z + j=0, $$ onde os termos "cruzados" $xy$, $xz$ e $yz$ são eliminados.
Reduza a equação $xz = 1$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
A equação da quádrica $xz = 1$ pode ser escrita em forma matricial:
$$X^tAX-1=0,$$
onde:
$$X=\begin{pmatrix}x \\ y \\ z\end{pmatrix}, \ A=\begin{pmatrix}0 & 0 & 1/2 \\0 & 0 & 0 \\1/2 & 0 & 0\end{pmatrix}. $$
Seja:
$$P(\lambda)=\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}-\lambda & 0 & 1/2 \\0 & -\lambda & 0 \\1/2 & 0 & -\lambda\end{pmatrix}=-\lambda^3+\lambda/4.$$
As raízes de $P(\lambda)$ são $0$, $-1/2$ e $1/2$. Considere os sistemas lineares referentes às raízes $0$ e $1/2$: $A X = 0$ e $(A-1/2 I) X = 0$. Uma solução de norma unitária desses sistemas consiste em $U_1=(0,1,0)$ e $U_2=(1/\sqrt{2},0,1/\sqrt{2})$, respectivamente. Sejam $U_3=U_1 \times U_2 = (1/\sqrt{2},0,-1/\sqrt{2})$, $Q=(U_1,U_2,U_3)$ e $X'=\begin{pmatrix}x' \\ y' \\ z'\end{pmatrix}.$ Dessa forma, com a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$, a equação $xz=1$ se transforma em:
$$\dfrac{(y')^2}{2}-\dfrac{(z')^2}{2}=1,$$
que é a equação de um cilindro hiperbólico.
Reduza a equação $4x^2+4y^2+9z^2+8xy+12xz+10x+y+4z+1=0 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identificar a cônica $x^2-3y^2-2xy -x-y=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
Reduza a equação $4x^2+3y^2-z^2-12xy+4xz-8yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Na equação $18x^2+12xy+2y^2+94\frac{\sqrt{10}}{10}x-282\frac{\sqrt{10}}{10}y+94=0$, elimine, por meio de uma rotação, o termo $xy$. Identifique o conjunto solução e nos casos em que for uma cônica encontre as coordenadas, no sistema inicial, do(s) foco(s) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $4x^2-2y^2+z^2=1$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
$\dfrac{x^2}{1/4} - \dfrac{y^2}{1/2} + z^2 = 1$: hiperbolóide de uma folha.
Reduza a equação $x^2+y+z^2=0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
$y=-(x^2+z^2)$: parabolóide elíptico.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $\displaystyle 4y^2-4y-24x+9=0$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Encontre ou mostre a impossibilidade de encontrar $\gamma\in\mathbb{R}$ tal que $\displaystyle x^2+\gamma y^2-4xy+ \gamma x = \gamma$ represente uma parábola.
Considere a cônica definida pela equação $x^2+xy-1=0.$
Determinar seu centro.
Classificar a cônica.
Esboçar seu gráfico.
Reduza a equação $3x^2+4y^2+z^2-12x-8y-2z+16=0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
$\dfrac{(x-2)^2}{1/3}+\dfrac{(y-1)^2}{1/4}+(z-1)^2=1$: elipsóide.
Identifique a cônica $3 x^2-12 x y+12 y^2+ 2 \sqrt{5} x+\sqrt{5} y=0$ e seu parâmetros associados.
Seja $A$ uma matriz $2\times 2$ simétrica e $k$ um escalar. Mostre que o gráfico da equação quadrática $\textbf{x}^tA\textbf{x}=k$ é:
uma hipérbole se $k\neq 0$ e $\det A<0$;
uma elipse, círculo ou cônica imaginária se $k\neq 0$ e $\det>0$;
um par de retas ou uma cônica imaginária se $k\neq 0$ e $\det A=0$;
um par de retas ou um único ponto se $k=0$ e $\det A \neq 0$;
uma linha reta se $k=0$ e $\det A=0$.
[Dica: use o Teorema dos Eixos Principais.]
Identificar a cônica $x^2+3y^2-2xy+3=0$ e calcular os focos, diretrizes, e assíntotas (quando couber).
Considere a quádrica $x^2 +(m+1)y^2 +mz^2-2yz+2xy+2x+2z+4 = 0$, calcule $m$ para que a quádrica seja um parabolóide hiperbólico e obtenha sua equação reduzida.
Encontre ou mostre a impossibilidade de encontrar $\gamma\in\mathbb{R}$ tal que $\displaystyle x^2+3y^2-2xy=\gamma$ represente uma elipse.
Reduza a equação $2x^2+y^2+2z^2+2xy-2yz=1 $ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Reduza a equação $-2x^2+4y^2+6z^2+2xy+6xz+6yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $\displaystyle 4x^2-4x+9y^2-18y=26$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+2x+y^2+2y+2=0$.
Decida se a cônica $C$ determinada pela equação $4x^2-8x-9y^2+6y-68=0$ é degenerada ou não. Se não for degenerada, encontre os vértices (ou vértice), os focos (ou foco) e esboce o gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2-2y^2+4xy-6=0$.
Seja $C$ o lugar geométrico dos pontos $P = (x,y)$ de um plano cujas coordenadas $x$ e $y$ satisfazem a equação $9x^2-24xy+16y^2-34x-38y+51=0$.
Qual a natureza da cônica $C$?
Escrever a forma canônica da equação de $C$.
Caso $C$ seja uma elipse ou uma hipérbole, encontre os focos e a excentricidade. Caso seja uma hipérbole, encontre também as equações das retas assíntotas no sistema $xy$ original.
Considere a equação
$$x^{2} - 14 x y + y^{2} = 1.$$
Efetue a troca de variáveis $x = u \cos \theta + v\,\textrm{sen} \theta$ e $y = - u\, \textrm{sen} \theta + v \cos \theta$. Escolha, usando sua intuição ou fazendo as contas, $\theta$ de forma que a equação obtida em $u$ e $v$ seja a equação canônica de uma hipérbole. Explique o significado geométrico deste resultado e obtenha, nas coordenadas $x$ e $y$, as equações das retas que servem de assíntotas à tal hipérbole.
Reduza a equação $7x^2 + 7y^2 + 10z^2 - 2xy - 4xz + 4yz - 12x + 12y + 60z = 24$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a cônica descrita pela equação $49x^2-42xy+9y^2+56x-24y+16=0$.
Na equação $4x^2-20xy+25y^2-15x-6y=0$, elimine, por meio de uma rotação, o termo $xy$. Identifique o conjunto solução e nos casos em que for uma cônica encontre as coordenadas, no sistema inicial, do(s) foco(s) e esboce o gráfico.
Reduza a equação $144x^2+100y^2+81z^2-216xz-540x-720z=0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Suponha que o sistema de coordenadas $x'y'$ tenha sido obtido pela rotação de um sistema de coordenadas $xy$ por um ângulo $\theta$. Explique como podemos encontrar as coordenadas $xy$ de um ponto cujas coordenadas $x'y'$ sejam conhecidas.
Reduza a equação $3x^2+3z^2+4xy+8xz+4yz$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
Identifique a curva $\ell$ consistindo de todos os pontos $P=(x,y)$ cujas coordenadas satisfazem a equação $x^2+(1/5)xy +y^2+2x+2y+2=0$.
Reduza a equação $45x^2 + 54y^2 + 63z^2 - 36xy + 36yz - 24x - 24y + 6z + 1 = 0$ de forma a identificar a quádrica que ela representa e esboce o seu gráfico.
A equação da quádrica $45x^2 + 54y^2 + 63z^2 - 36xy + 36yz - 24x - 24y + 6z + 1 = 0$ pode ser escrita em forma matricial:
$$X^tAX+KX+1=0,$$
onde:
$$X=\begin{pmatrix}x \\ y \\ z\end{pmatrix}, \ K=\begin{pmatrix}-24 & -24 & 6\end{pmatrix}, \ A=\begin{pmatrix}45 & -18 & 0 \\-18 & 54 & 18 \\0 & 18 & 63\end{pmatrix}. $$
Seja:
$$P(\lambda)=\det(A-\lambda I)=\det\begin{pmatrix}45-\lambda & -18 & 0 \\-18 & 54-\lambda & 18 \\0 & 18 & 63-\lambda\end{pmatrix}=-\lambda^3+162\lambda^2+-8019\lambda +118098.$$
As raízes de $P(\lambda)$ são $27$, $54$ e $81$. Considere os sistemas lineares referentes às raízes $27$ e $54$: $(A-27I) X = 0$ e $(A-54I)=0$. Uma solução de norma unitária desses sistemas são $U_1=(-2/3,-2/3,1/3)$ e $U_2=(-2/3,1/3,-2/3)$, respectivamente. Sejam $U_3=U_1 \times U_2 = (1/3,-2/3,-2/3)$, $Q=(U_1,U_2,U_3)$ e $X'=\begin{pmatrix}x' \\ y' \\ z'\end{pmatrix}.$ Dessa forma, com a mudança de coordenadas dada por $X=QX'$, a equação $45x^2 + 54y^2 + 63z^2 - 36xy + 36yz - 24x - 24y + 6z + 1 = 0$ se transforma em:
$$\dfrac{(x'+17/27)^2}{796/2187}+\dfrac{(y'+1/27)^2}{796/4374}+\dfrac{(z'+2/81)^2}{796/6561}=1,$$
que é a equação de um elipsóide.