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G. SERRANO SOTELO. H = e 0 + E

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Academic year: 2021

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(1)

G. SERRANO SOTELO

1.

Cu´

adricas en un hiperplano af´ın

Sea

E

un

R

-espacio vectorial de dimensi´on

n

+ 1.

Sean

E

=

e1, . . . , e

n

un hiperplano vectorial de

E

y

e0

un vector de

E

que no

est´a en

E

,

e0

/

E

.

Los vectores

{

e0, e1, . . . , e

n

}

forman una base de

E

, y si representamos por (

x0, x1, . . . , x

n)

sus funciones coordenadas, el

hiperplano af´ın

H

definido por

H

=

e0

+

E

tiene por ecuaci´on impl´ıcita

x0

= 1. En este sistema de coordenadas la ecuaci´on

impl´ıci-ta del

hiperplano del infinito

E

es

x0

= 0.

Definici´

on 1.1.

Una cu´adrica de

H

es una familia

C

=

{

λT

2

}

(

λ

R

), formada por

una m´etrica sim´etrica

T

2

sobre

E

y todas sus proporcionales.

El

lugar geom´etrico definido por la cu´adrica

C

es la intersecci´on del hiperplano af´ın

H

con el conjunto de los vectores de

E

que son is´otropos para la m´etrica

T2

locus de

C

=

{

e

E

:

T2

(

e, e

) = 0

} ∩

H

En coordenadas, el locus de

C

representa la ecuaci´on de una

hipersuperficie de grado

2

de

H

. En efecto, si

G

= (

g

ij

) es la matriz de un representante

T2

de la cu´adrica

C

respecto de una base

{

e

0

, e

1

, . . . , e

n

}

de

E

en la que la ecuaci´on de

H

es

x

0

= 1, se

tiene

locus de

C

=

(1

, x1, . . . , x

n)

H

:

1

x1

. . .

x

n

g00

g01

. . .

g0

n

g10

g11

. . .

g1

n

...

... ... ...

g

n0

g

n1

. . .

g

nn

1

x1

...

x

n

= 0

,

de donde resulta

g11x

21

+

· · ·

+

g

nn

x

2n

+ 2(

g12x1x2

+

· · ·

+

g

n−1n

x

n−1xn) + 2(

g01x1

+

· · ·

+

g0

n

x

n) +

g00

= 0

.

Observaci´on

1.2.

La parte cuadr´atica,

g

11

x

21

+

· · ·

+

g

nn

x

2n

+2(

g

12

x

1

x

2

+

· · ·

+

g

n−1n

x

n−1

x

n

),

de esta ecuaci´on se corresponde con la matriz de la restricci´on de la m´etrica

T

2

al

hiperplano del infinito

E

,

T2

|E

=

g11

. . .

g1

n

... ... ...

g

n1

. . .

g

nn

1

(2)

Ejemplo

1.3.

H

=

{

(1

, x, y

)

} ⊂

R

3

,

C

=

{

λT2

}

,

G

=

1

3

1

3 2

1

2

1

2

locus de

C ≡

1

x y

1

3

1

3 2

1

2

1

2

x

1

y

= 0

Curva de grado dos del plano

xy

x

2

+ 2

y

2

+ 2

xy

6

x

+ 4

y

+ 1 = 0

.

Ejemplo

1.4.

H

=

{

(1

, x, y, z

)

} ⊂

R

4

,

C

=

{

λT2

}

,

G

=

0

1

1

0

1

2

3

0

1

3

1 2

0

0

2

1

locus de

C ≡

1

x y z

0

1

1

0

1

2

3

0

1

3

1 2

0

0

2

1

1

x

y

z

= 0

Superficie de grado dos del espacio

xyz

2

x

2

y

2

+

z

2

+ 6

xy

+ 4

yz

2

x

+ 2

y

= 0

.

Observaci´on

1.5.

Llamaremos

c´onicas

a las cu´adricas sobre un plano af´ın de de un

R

-espacio vectorial de dimensi´on 3.

Definici´

on 1.6.

Una

cu´adrica

C

=

{

λT2

}

es

irreducible o no degenerada

si lo es

cualquiera de sus m´etricas representantes.

Ejemplo

1.7.

Las c´onicas de ecuaciones

(a)

x

2

a

2

+

y

2

b

2

1 = 0

,

(b)

x

2

a

2

y

2

b

2

1 = 0

,

(c)

y

2

2

px

= 0

,

donde

a, b, p

R

− {

0

}

son irreducibles pues las m´etricas representantes, de matrices

(a)

0

1

1

/a

0

2

0

0

0

0

1

/b

2

,

(b)

0

1

1

/a

0

2

0

0

0

0

1

/b

2

,

(c)

0

1

0

1

0

0

0

0

1

/p

,

son no singulares.

2.

Centros de una cu´

adrica

Sea

C

=

{

λT2

}

una cu´adrica sobre el hiperplano af´ın

H

de

E

.

Definici´

on 2.1.

Un vector

e0

E

define un centro de la cu´adrica

C

si

e0

/

E

y

T2

(

e0, e

) = 0 para todo

e

E

.

Proposici´

on 2.2.

Si

C

=

{

λT2

}

es una cu´adrica irreducible y tiene centro ´este es

´

(3)

Demostraci´on.

Sea

e0

E

un vector que define un centro de la cu´adrica

C

.

Como

T2

es una m´etrica irreducible el subespacio ortogonal al hiperplano del infinito,

E

, es una recta, luego

e0

es un generador de ella pues es ortogonal a

E

, y como

e0

/

E

esta recta

e0

corta a

H

en un ´

unico punto,

c

=

e0

� ∩

H

, que es el centro de

la cu´adrica.

Corolario 2.3.

Si

C

=

{

λT2

}

es una cu´adrica irreducible con centro existe una base

{

e0, e1, . . . , e

n

}

de

E

en la que las coordenadas del centro son

c

=

1

,

Adj

g10

Adj

g00

, . . . ,

Adj

g

n0

Adj

g00

,

donde

G

= (

g

ij

)

es la matriz, respecto de esa base, de una m´etrica representante de

C

.

Demostraci´on.

Respecto de la base

{

e0, e1, . . . , e

n

}

de

E

, en la que

e0

es el vector que

define el centro,

E

=

e0

, y

{

e1, . . . , e

n

}

una base de

E

, la ecuaci´on impl´ıcita de

E

es

x0

= 0, luego su subespacio incidente est´a generado por la forma lineal

ω

de

coordenadas en la base dual

ω

= (1

,

0

, . . . ,

0).

Si

G

= (

g

ij

) es la matriz de

T2

en esta base se tiene que

E

=

G

−1

ω

=

e0

con

e

0

=

Adj

g00

|

G

|

,

Adj

g10

|

G

|

,

· · ·

,

Adj

g

n0

|

G

|

)

,

luego el centro es

c

=

1

,

Adj

g

10

|

G

|

,

· · ·

,

Adj

g

n0

|

G

|

)

,

donde Adj

g00

=

|

G

|

es el detreminante de la restricci´on de

G

a

E

.

3.

Cu´

adricas afinmente equivalentes

Sea

E

un espacio vectorial real de dimensi´on

n

+ 1 y

H

un hiperplano af´ın de

E

de

subespacio director

E

.

Definici´

on 3.1.

Sea

C

=

{

λT2

}

una cu´adrica de

H

. Se llaman rango

r

e ´ındice

i

de la

cu´adrica a los de cualquiera de las m´etricas que la representan. Se llaman rango

r

e

´ındice

i

de la cu´adrica en el infinito a los de la restricci´on a

E

de cualquiera de las

m´etricas que la representan.

r

= rg(

T2

)

, i

= indice (

T2

) ;

r

= rg(

T2

|E∞

)

, i

= indice (

T2

|E∞

)

Definici´

on 3.2.

Dos cu´adricas

C

=

{

λT2

}

y

C

=

{

µT

2

}

de

H

son af´ınmente

equiva-lentes si existe un automorfismo

E

f

E

que deja invariante el hiperplano H y tal que

el morfismo inducido

T2

(

E

)

−→

f∗

T2

(

E

) transforma la familia

{

λT2

}

en la familia

{

µT

2�

}

.

Teorema 3.3.

Si dos cu´adricas

C

=

{

λT2

}

y

C

=

{

µT

2

}

de

H

son af´ınmente

equiva-lentes, tienen iguales sus rangos, ´ındices, rangos en el infinito e ´ındices en el infinito,

r

=

r

, i

=

i

;

r

=

r

, i

=

i

.

Demostraci´on.

Como

C

y

C

son af´ınmente equivalentes existe un automorfismo

f

de

E

tal que

f

(

T2

) =

µT

2

para alg´

un

µ

R

. Adem´as, como

f

deja invariante

H

,

f

restringe

a un automorfismo

E

f

E

cuyo morfismo inducido

T2

(

E

)

−→

f∗

T2

(

E

) transforma

la m´etrica

T2

|E∞

en la m´etrica

µT

2�|E∞

. Puesto que el rango y el ´ındice de una m´etrica

(4)

Demostraremos que el rec´ıproco de este teorema tambi´en es cierto. Para ello

obten-dremos primero las ecuaciones reducidas afines de las cu´adricas.

4.

Ecuaciones reducidas afines de las cu´

adricas

4.1.

Ecuaciones reducidas de las cu´

adricas con centro.

Sea

e

0

H

un centro de la cu´adrica

C

=

{

λT

2

}

y

{

e

1

, . . . , e

n

}

una base reducida

para la m´etrica

T2

|E∞

. En la base

{

e0, e1, . . . , e

n

}

de

E

la matriz de la m´etrica

T2

es

T

2

(

e

0

, e

0

) 0

. . .

. . .

. . .

0

0

..

.

1

. ..

1

..

.

1

. ..

1

..

.

0

0

. ..

0

Se presentan pues dos posibilidades,

(1)

Si

T2

(

e0, e0

) = 0, el centro

e0

es un vector is´otropo para la m´etrica

T2

, esto es

un punto del locus de la cu´adrica.

En este caso la matriz es

0

1

. ..

1

1

. ..

1

0

. ..

0

,

y se deduce que el rango e ´ındice de la cu´adrica coinciden con el rango e ´ındice de la

cu´adrica en el infinito

r

=

r

,

i

=

i

La ecuaci´on reducida af´ın de la cu´adrica es

x

21

+

· · ·

+

x

2p

x

2p+1

− · · · −

x

2p+q

= 0

,

donde los n´

umeros

p

y

q

son respectivamente el n´

umero de ra´ıces positivas y el n´

umero

de ra´ıces negativas de la ecuaci´on secular de la restricci´on de la m´etrica al hiperplano

del infinito

E

e

i

= m´ın(

p, q

) y

r

=

n

(

p

+

q

).

(5)

(2)

Si

T2

(

e0, e0

) =

α

= 0, tomando como representante inicial de la cu´adrica la

m´etrica

1

α

, la matriz de esta m´etrica en la base

{

e0, e1, . . . , e

n

}

de

E

es

1

1

. ..

1

1

. ..

1

0

. ..

0

,

de la que se deducen las relaciones entre los rangos e ´ındices de la cu´adrica y los de

su restricci´on al infinito, que dan los dos casos siguientes

r

=

r

+ 1

,

i

=

i

,

si

p

q

r

=

r

+ 1

,

i

=

i

+ 1

,

si

p > q

Los n´

umeros

p

y

q

son respectivamente el n´

umero de ra´ıces positivas y el n´

umero de

ra´ıces negativas de la ecuaci´on secular de la restricci´on de la m´etrica al hiperplano del

infinito

E

.

En ambos casos, la ecuaci´on reducida af´ın de la cu´adrica es

x

21

+

· · ·

+

x

2p

x

2p+1

− · · · −

x

2p+q

= 1

4.2.

Ecuaciones reducidas de las cu´

adricas sin centro.

En este caso, de la definici´on de centro se sigue que

E

E

, luego Rad

T2

|E∞

=

E

E

=

E

∞⊥

y como Rad

T

2

E

resulta

dim Rad

T2

|E∞

= dim

E

∞⊥

= dim

E

dim

E

+ dim(Rad

T2

E

) = 1 + dim Rad

T2

As´ı pues existen vectores

e1

y

v

tales que,

e1

Rad

T2

|E

, e1

/

Rad

T2

y

v

E

E

, T2

(

v, e1

) =

β

= 0

La matriz de la restricci´on de la m´etrica

T2

al plano

v, e1

,

T2

|�v,e1�

=

α β

β

0

, es

no singular y de ´ındice uno. Por tanto,

v, e1

define un plano hiperb´olico y es posible

seleccionar otra base

{

e0, e1

}

de este plano en la que la matriz de la restricci´on es

0

1

1

0

.

Elijiendo ahora una base reducida

{

e2, . . . , e

n

}

para la m´etrica restricci´on

T2

|�e0,e1

(6)

0

1

. . .

. . .

. . .

0

1

..

.

0

1

. ..

1

..

.

1

. ..

1

..

.

0

0

. ..

0

.

Esto permite obtener la siguiente relaci´on entre los rangos e ´ındices de la cu´adrica y

los de su restricci´on al infinito

r

=

r

+ 2

,

i

=

i

+ 1

En este caso, la ecuaci´on reducida af´ın de la cu´adrica es

x

2

2

+

· · ·

+

x

2p

x

2p+1

− · · · −

x

2p+q

2

x

1

= 0

,

donde los n´

umeros

p

y

q

son respectivamente el n´

umero de ra´ıces positivas y el

umero de ra´ıces negativas de la ecuaci´on secular de la restricci´on de la m´etrica al

hiperplano del infinito

E

.

5.

Clasificaci´

on af´ın

De las ecuaciones reducidas afines del apartado anterior se sigue que si dos cu´adricas

tienen iguales sus rangos, ´ındices, rangos en el infinito e ´ındices en el infinito son

af´ınmente equivalentes. Combinando este resultado con el teorema

??

obtenemos el

teorema de clasificaci´on.

Teorema 5.1.

La condici´on necesaria y suficiente para que dos cu´adricas

C

=

{

λT2

}

y

C

=

{

µT

2

}

de

H

sean af´ınmente equivalentes es que tengan iguales sus rangos, ´ındices,

rangos en el infinito e ´ındices en el infinito,

r

=

r

, i

=

i

;

r

=

r

, i

=

i

.

Utilizando este teorema obtenemos los siguientes cuadros de clasificaci´on af´ın de

c´onicas y cu´adricas.

(7)

5.1.

Clasificaci´

on af´ın de c´

onicas en

H

R

3

.

r

3 (

Irreducibles

)

2

1

0

r

i

\

i

1

0

1

0

0

0

Par de rectas

1

Hip´erbola

reales

x

2

y

2

= 1

no paralelas

x

2

y

2

= 0

2

Par de rectas

Elipse

Elipse

imaginarias

0

real

imaginaria

no paralelas

x

2

+

y

2

= 1

x

2

+

y

2

=

1

x

2

+

y

2

= 0

Par de rectas Par de rectas

Par´

abola

reales

imaginarias

Recta real

1

0

y

2

= 2

x

paralelas

paralelas

doble

x

2

= 1

x

2

=

1

x

2

= 0

Recta real

Conjunto

Plano

0

0

x

= 0

vac´ıo

af´ın

Ejemplo

5.2

.

Clasificar af´ınmente las c´

onicas siguientes

(

a

)

x

2

2

xy

+

y

2

+ 4

x

6

y

+ 1 = 0

(

b

)

x

2

+ 4

xy

+ 4

y

2

2

x

4

y

3 = 0

(

a

) Escribamos la matriz

G

de la m´etrica

T

2

y la matriz

G

de su restricci´

on al infinito

G

=

1

2

2

1

3

1

3

1

1

;

G

=

1

1

1

1

Calculemos el n´

umero de ra´ıces nulas

r

0

, el n´

umero de ra´ıces positivas

r

+

y el n´

umero

de ra´ıces negativas

r

de la ecuaci´

on secular de la m´etrica

T

2

y de la m´etrica

T

2|E∞

p

(

x

) =

|

xI

G

|

=

x

3

3

x

2

11

x

+ 1

, r

0

(

p

(

x

)) = 0

, r

+

(

p

(

x

)) = 2

, r

(

p

(

x

)) = 1

p

(

x

) =

|

xI

G

|

=

x

2

2

x ,

r

0

(

p

(

x

)) = 1

, r

+

(

p

(

x

)) = 1

, r

(

p

(

x

)) = 0

Luego los rangos y los ´ındices de

T

2

y de su restricci´

on al infinito son

r

= 3

, i

= 1 ;

r

= 1

, i

= 0

Por tanto, es una c´

onica irreducible sin centro de matriz reducida

0

1

0

1 0

0

0

0

1

y

ecuaci´

on reducida af´ın

y

2

2

x

= 0, esto es, una

Par´

abola

.

(

b

)

G

=

3

1

1

1

2

2

2

2

4

;

G

=

1 2

2 4

p

(

x

) =

|

xI

G

|

=

x

3

2

x

2

20

x , r

0

(

p

(

x

)) = 1

, r

+

(

p

(

x

)) = 1

, r

(

p

(

x

)) = 1

(8)

p

(

x

) =

|

xI

G

|

=

x

2

5

x ,

r

0

(

p

(

x

)) = 1

, r

+

(

p

(

x

)) = 1

, r

(

p

(

x

)) = 0

Los rangos y los ´ındices de la m´etrica

T

2

y de su restricci´

on al infinito son

r

= 2

, i

= 1 ;

r

= 1

, i

= 0

Es una c´

onica degenerada con centro, de matriz reducida

0

1 0 0

1 0

0

0 0

y ecuaci´

on

reducida af´ın

x

2

1 = 0, que representa una

Par de rectas reales y paralelas

.

Ejemplo

5.3

.

Calcular el centro, los ejes principales y la ecuaci´

on reducida m´etrica de la curva

de grado dos del plano real de ecuaci´

on

3

x

2

+ 3

y

2

2

xy

+ 2

x

4

y

+ 1 = 0

Soluci´

on.

Sea

G

la matriz de una m´etrica

T

2

representante de la c´

onica en

H

R

3

y

G

su restricci´

on

al infinito.

G

=

1

1

1

3

2

1

2

1

3

;

G

=

3

1

1

3

|

xI

G

|

=

x

3

7

x

2

+ 9

x

+ 3 ;

|

xI

G

|

= (

x

2)(

x

4)

Se tiene

r

= 3

i

= 1

r

= 2

i

= 0

onica irreducible con centro:

x

2

+

y

2

= 1 (

Elipse real

)

(

a

) Centro de la elipse=

1

8

,

5

8

)

Por el Corolario

??

,

c

=

1

,

Adj

g

10

|

G

|

,

Adj

g

20

|

G

|

) = (1

,

1

8

,

5

8

)

(

b

) Calculemos una base ortonormal de diagonalizaci´

on para

G

.

ker(

G

2

I

) =

(0

,

1

,

1)

;

ker(

G

4

I

) =

(0

,

1

,

1)

{

u

1

=

1

2

(0

,

1

,

1)

, u

2

=

1

2

(0

,

1

,

1)

}

es la base buscada.

(

c

) En la base

{

c, u

1

, u

2

}

la matriz de

T

2

es

T

2

(

0

c, c

) 0 0

2 0

0

0 4

,

con

T

2

(

c, c

) =

3

8

Luego la ecuaci´

on reducida m´etrica de la elipse es

¯

x

2

3

/

16

+

¯

y

2

3

/

32

= 1

,

donde ¯

x

y ¯

y

son las coordenadas asociadas a la base

{

u

1

, u

2

}

.

(

d

) Ecuaciones de la transformaci´

on af´ın efectuada para pasar del sistema de referencia

inicial en

H

, en el que las coordenadas son

{

x, y

}

, al sistema de referencia de origen

(9)

Si

B

representa la matriz del cambio de base realizado en

E

, esto es

B

=

1

2

1

1

1

1

, componiendo el automorfismo de cambio de base con la traslaci´

on

de vector

c

se obtienen las ecuaciones

x

y

=

B

¯

x

¯

y

+

1

/

5

5

/

8

=

¯

x

=

1

2

(

x

+

y

4 8

)

¯

y

=

1

2

(

x

y

+

6 8

)

(

e

) Los ejes principales de la elipse son las rectas

c

+

u

1

,

c

+

u

2

de ecuaciones respectivas

¯

y

= 0

x

y

+

6

8

= 0 ;

x

¯

= 0

x

+

y

4

8

= 0

(

f

) Las medidas sobre los semiejes,

a

y

b

, la excentricidad y los focos

F

y

F

de la elipse,

respecto del sistema de referencia inicial, son

a

=

3

16

;

b

=

3

32

c

=

a

2

b

2

=

3

32

=

Excentricidad

=

c

a

=

2

2

¯

F

= (

3

32

,

0) =

F

= (

3

1

8

,

3 + 5

8

)

¯

F

= (

3

32

,

0) =

F

= (

3

1

8

,

3 + 5

8

)

Ejemplo

5.4

.

Calcular el v´ertice, los ejes principales, la ecuaci´

on reducida m´etrica, el foco y

la directriz de la par´

abola del ejemplo

??

x

2

2

xy

+

y

2

+ 4

x

6

y

+ 1 = 0

Soluci´

on.

Sean

G

y

G

como en el ejemplo anterior.

G

=

1

2

2

1

3

1

3

1

1

;

G

=

1

1

1

1

Tenemos que encontrar una base

{

e, v

1

, v

2

}

en la que la matriz de

T

2

es de la forma

α

0

α

0

0

0

0

0

β

con

α , β

= 0. El vector

e

define el v´ertice de la par´

abola y

{

v

1

, v

2

}

es una base

ortonormal de diagonalizaci´

on para

G

.

(

a

) Calculemos

v

1

y

v

2

.

|

xI

G

|

=

x

(

x

2)

Forma diagonal

0 0

0 2

β

= 2

ker

G

x

y

= 0

v

1

=

1

2

(0

,

1

,

1)

ker(

G

2

I

)

x

+

y

= 0

v

2

=

1

2

(0

,

1

,

1)

(

b

) V´ertice de la par´

abola

V

= (

31

8

,

11

8

)

El vector

e

que define el v´ertice est´

a en

H

, luego sus coordenadas son de a forma

(10)

Calculemos

x

e

y

resolviendo el sistema determinado por la primera y tercera

condiciones

T

2

(

e, e

) = 0

x

2

2

xy

+

y

2

+ 4

x

6

y

+ 1 = 0

T

2

(

e, v

2

) = 0

5 + 2

x

2

y

= 0

x

=

31

8

,

y

=

11

8

=

e

= (1

,

31

8

,

11

8

)

(

c

) En la base

{

e, v

1

, v

2

}

la matriz de

T

2

es

T

2

(

e, v

0

1

)

T

2

(

e, v

0

1

) 0

0

0

0

2

,

con

T

2

(

e, v

1

) =

1

2

,

luego la ecuaci´

on reducida m´etrica de la par´

abola es ¯

y

2

=

1

2

x ,

¯

donde ¯

x

y ¯

y

son las

coordenadas asociadas a la base

{

v

1

, v

2

}

.

(

d

) Ecuaciones de la transformaci´

on af´ın efectuada para pasar del sistema de referencia

inicial en

H

, en el que las coordenadas son

{

x, y

}

, al sistema de referencia de origen

e

y ejes las rectas

e

+

v

1

,

e

+

v

2

, respecto del que las coordenadas son

{

x,

¯

y

¯

}

.

Si

B

representa la matriz del cambio de base realizado en

E

, esto es

B

=

1

2

1

1

1

1

, componiendo el automorfismo de cambio de base con la traslaci´

on

de vector

e

se obtienen las ecuaciones

x

y

=

B

¯

x

¯

y

+

31

/

5

11

/

8

=

¯

x

=

1

2

(

x

+

y

+

21 4

)

¯

y

=

1

2

(

x

y

+

10 4

)

(

e

) Los ejes principales de la par´

abola son las rectas

e

+

v

1

,

e

+

v

2

de ecuaciones

respectivas

Eje de simetr´ıa ¯

y

= 0

x

y

+

10

4

= 0 ;

x

¯

= 0

x

+

y

+

21

4

= 0

(

f

) Calculemos por ´

ultimo el foco

F

y la directriz

d

de la par´

abola, respecto de las

coordenadas iniciales

x

e

y

.

Comparando la ecuaci´

on reducida m´etrica ¯

y

2

=

1

2

x

¯

con ¯

y

2

= 2

px

x

¯

, resulta que

p

=

1

2

2

y las coordenadas del foco y la ecuaci´

on de la directriz son (

p/

2

,

0) y

¯

x

=

p/

2.

En las coordenadas iniciales se tiene

F

= (

30

8

,

10

(11)

5.2.

Clasificaci´

on af´ın de cu´

adricas en

H

R

4

.

5.2 Clasificaci´ on af ´ın de cu ´adricas en H ⊂ R 4 r 4 ( Irr educibles ) 3 ( Conos y Cilindr os ) 2 1 0 r ∞ i ∞ \ i 2 1 0 1 0 1 0 0 0 Hip erb oloide Hip erb oloide 1 reglado no reglado Cono real x 2 − y 2 + z 2 = 1 x 2 − y 2 − z 2 = 1 x 2 − y 2 + z 2 = 0 3 Elipsoide Elipsoide Cono 0 rea l imaginario imaginario x 2 + y 2 + z 2 = 1 x 2 + y 2 + z 2 = − 1 x 2 + y 2 + z 2 = 0 Par planos Par ab oloide Cilindr o reales 1 reglado hip erb´ olic o no pa ralelos y 2 − z 2 − 2 x = 0 x 2 − y 2 = 1 x 2 − y 2 = 0 2 Par planos Par ab oloide Cilindr o Cilindr o imaginarios 0 no reglado el ´ıptic o imaginario no pa ralelos y 2 + z 2 − 2 x = 0 x 2 + y 2 = 1 x 2 + y 2 = − 1 x 2 + y 2 = 0 Par planos Par planos Par planos Cilindr o reales imaginarios reales 1 0 pa ra b´olic o pa ralelos pa ralelos coincidentes y 2 − 2 x = 0 x 2 = 1 x 2 = − 1 x 2 = 0 Plano rea l Conjunto Esp acio 0 0 x = 0 vac ´ıo af ´ın 11

(12)

Ejemplo

5.5

.

Clasificar af´ınmente las cu´

adricas siguientes

(

a

) 2

x

2

+ 2

z

2

2

xy

+ 2

xz

2

yz

3 = 0

(

b

) 2

y

2

+ 4

xz

+ 2

x

4

y

+ 6

z

+ 5 = 0

(

a

) Las matrices

G

y

G

son

G

=

3

0

0

0

0

2

1

1

0

1

0

1

0

1

1

2

;

G

=

2

1

0

1

1

1

1

1

2

Calculemos los rangos y los ´ındices de la cu´

adrica y de su restricci´

on al infinito

p

(

x

) =

x

4

x

3

11

x

2

+ 5

x

+ 6

, r

0

(

p

(

x

)) = 0

, r

+

(

p

(

x

)) = 2

, r

(

p

(

x

)) = 2

p

(

x

) =

x

3

4

x

2

+

x

+ 2

, r

0

(

p

(

x

)) = 0

, r

+

(

p

(

x

)) = 2

, r

(

p

(

x

)) = 1

r

= 4

, i

= 2 ;

r

= 3

, i

= 1

Es una cu´adrica irreducible con centro, de matriz reducida

1 0

0

0

0

1

0

0

0

0

1 0

0

0

0

1

y

ecuaci´

on reducida af´ın

x

2

y

2

+

z

2

= 1. Luego es un

Hiperboloide reglado

.

Calculemos su centro

c

=

1

,

Adj

g

10

|

G

|

,

Adj

g

20

|

G

|

,

Adj

g

30

|

G

|

) = (1

,

0

,

0

,

0)

,

esto es, el centro es el origen de coordenadas,

Centro

= (0

,

0

,

0)

(

b

)

G

=

5

1

2 3

1

0

0

2

2 0

2

0

3

2

0

0

;

G

=

0 0 2

0 2 0

2 0 0

p

(

x

) =

x

4

7

x

3

8

x

2

+ 36

x , r

0

(

p

(

x

)) = 1

, r

+

(

p

(

x

)) = 2

, r

(

p

(

x

)) = 1

p

(

x

) =

x

3

2

x

2

4

x

+ 8

,

r

0

(

p

(

x

)) = 0

, r

+

(

p

(

x

)) = 2

, r

(

p

(

x

)) = 1

Los rangos y los ´ındices de la cu´

adrica y de su restricci´

on al infinito son

r

= 3

, i

= 1 ;

r

= 3

, i

= 1

Es una cu´

adrica degenerada con centro, de matriz reducida

0 0

0

0

0 1

0

0

0 0

1 0

0 0

0

1

y

(13)

5.3.

Ejercicios.

1

.

Clasificar af´ınmente las c´

onicas siguientes:

(

a

)

x

2

+ 2

y

2

2

x

+ 4

y

+ 2 = 0

(

b

)

x

2

2

xy

+

y

2

+ 4

x

6

y

+ 1 = 0

(

c

) 3

x

2

5

xy

+

y

2

x

+ 2

y

+ 1 = 0

(

d

)

x

2

+ 4

xy

+ 4

y

2

2

x

4

y

= 3

(

e

)

x

2

+ 2

y

2

+ 3

xy

+ 2

x

+ 5

y

3 = 0

(

f

)

x

2

+

y

2

+

xy

+

x

+

y

+ 1 = 0

(

g

)

x

2

+

y

2

xy

x

y

+ 1 = 0

(

h

)

x

2

+ 4

y

2

+ 4

xy

2

x

4

y

+ 2 = 0

2

.

Clasificar af´ınmente seg´

un los valores del par´

ametro

λ

la familia de c´

onicas siguiente:

x

2

+ (2

λ

2

+ 1)

y

2

2

xy

= 2

λ

2

3

λ

+ 1

3

.

Calcular el centro, los ejes principales, la ecuaci´

on reducida m´etrica y la representaci´

on

gr´

afica de las curvas de grado dos siguientes:

3

x

2

2

xy

+ 3

y

2

+ 2

x

4

y

+ 1 = 0

,

x

2

y

2

+ 2

xy

6

x

+ 4

y

+ 3 = 0

4

.

Demostar que la curva plana de ecuaci´

on

4

x

2

+

y

2

+ 4

xy

+ 6

x

+ 1 = 0

,

es una par´

abola. Calcular su v´ertice, eje principal, ecuaci´

on reducida m´etrica y representaci´

on

gr´

afica.

5

.

Clasificar af´ınmente las cu´

adricas siguientes:

(

a

) 2

x

2

+ 2

y

2

+ 2

z

2

2

xy

+ 2

xz

2

yz

+ 1 = 0

(

b

) 6

x

2

+

y

2

+ 6

z

2

2

xy

+ 12

xz

2

yz

+ 1 = 0

(

c

)

x

2

y

2

z

2

2

yz

x

+ 3

y

+ 3

z

2 = 0

(

d

) 2

x

2

+ 3

y

2

2

z

= 0

(

e

)

2

z

2

2

xy

+ 2

xz

+ 2

yz

+ 2

x

+ 2

y

4

z

= 1

6

.

Representar gr´

aficamente la superficie de grado dos:

3

x

2

+ 2

y

2

+ 3

z

2

2

xz

2

x

4

y

2

z

5 = 0

,

calculando previamente su centro, ejes principales y ecuaci´

on reducida m´etrica.

7

.

Demostrar que las cu´

adricas:

x

2

+

y

2

+

z

2

4

xz

4

y

+ 2 = 0

,

x

2

+

y

2

z

2

+ 2

xz

2

x

+ 1 = 0

,

representan hiperboloides reglado y no reglado, respectivamente. Calcular para cada uno de

ellos el centro, los ejes principales y la ecuaci´

on reducida m´etrica.

8

.

Demostrar que la superficie de segundo grado:

x

2

+ 2

y

2

+ 4

xy

+ 4

z

+ 3 = 0

,

es un paraboloide hiperb´

olico. Calcular el v´ertice, eje principal, plano tangente en el v´ertice

y ecuaci´

on reducida m´etrica.

(14)

9

.

Demostrar que la superficie de segundo grado:

2

y

2

+ 4

xz

+ 2

x

y

+ 6

z

+ 5 = 0

,

es un cono. Calcular el v´ertice, eje principal y ecuaci´

on reducida m´etrica.

10

.

Clasificar af´ınmente seg´

un los valores del par´

ametro

λ

la familia de cu´

adricas siguiente:

x

2

2

y

2

+

λz

2

2

xz

+ 2

yz

+ 2

x

+ 1 = 0

.

En cada caso, hacer un estudio lo m´

as completo posible de las superficies de segundo grado

resultantes.

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