Formas quadráticas, cónicas e quádricas
Retirar termos cruzados por diagonalização ortogonal, encontrar centros e reconhecer formas canónicas.
A equação descreve uma elipse, mas o termo esconde os seus eixos.
A matriz simétrica , já usada nas mudanças de base, fornece as direções desses eixos. Uma mudança ortonormada retira o termo cruzado e conserva os comprimentos necessários para ler os semieixos.
Da equação à matriz simétrica
Uma forma quadrática em duas variáveis escreve-se
A entrada fora da diagonal é metade do coeficiente de : as duas entradas produzem uma parcela cada uma.
Em três variáveis, fazemos o mesmo para .
Por exemplo, corresponde a .
Retirar o termo cruzado
Uma matriz real simétrica admite uma base ortonormada de vetores próprios. Se tiver esses vetores como colunas, . Ao escrever ,
A base ortonormada conserva comprimentos e ângulos. Nota a diferença para a diagonalização comum: a igualdade não é a substituição que aparece na forma quadrática, que produz .
Normalizar uma base ortogonal de vetores próprios permite usar e conservar a unidade dos comprimentos. Se usares vetores ortogonais não normalizados, os coeficientes de incluem os quadrados das suas normas.
No exemplo, as direções próprias são e , com valores próprios 3 e 1. Normalizando,
A equação passa a
É uma elipse de semieixos e , com o eixo mais comprido na direção e centro na origem.
Termos lineares e centro
Para , com real simétrica, vetor de coeficientes lineares e constante , uma translação elimina os termos lineares se
Se é invertível, há um centro único .
Desenvolvendo,
o termo linear desaparece exatamente quando .
Substituindo,
Na equação
temos e , logo . A substituição direta dá . Depois da translação e da mudança ortonormada,
É a mesma elipse, agora centrada em , com novas coordenadas e .
Se for singular, não uses a fórmula da inversa. Resolve : pode não existir centro ou pode existir uma família de centros.
Reconhecer uma cónica
Depois de diagonalizar e de completar quadrados, compara com uma forma canónica. Os parâmetros da tabela são positivos.
| Forma | Curva |
|---|---|
| Elipse | |
| Hipérbole | |
| , com | Parábola |
| Um ponto | |
| Duas retas concorrentes | |
| Duas retas paralelas | |
| Uma reta dupla | |
| (conjunto vazio: o segundo membro negativo decide, não apenas os sinais próprios) | Conjunto vazio |
O sinal dos valores próprios ajuda, mas o termo independente também conta: dois valores positivos podem dar uma elipse, um ponto ou o conjunto vazio. Um valor próprio nulo não significa automaticamente parábola. Olha para o termo linear na direção sem termo quadrático.
Por exemplo, é uma parábola, enquanto é um par de retas, embora a matriz da parte quadrática seja a mesma nos dois casos.
Reconhecer uma quádrica
Em três dimensões, começamos pelo mesmo processo. Estas formas canónicas mostram os principais casos, com :
| Forma | Superfície |
|---|---|
| Elipsoide | |
| Hiperboloide de uma folha | |
| Hiperboloide de duas folhas | |
| Cone elíptico | |
| Cilindro elíptico, livre na direção | |
| Paraboloide elíptico | |
| Paraboloide hiperbólico |
Uma variável ausente significa que a superfície se prolonga livremente nessa direção. Os casos degenerados, como pontos, retas, planos ou conjunto vazio, exigem resolver a equação final; não desaparecem da análise por não estarem nesta tabela.
Uma folha ou duas?
Podemos distinguir os dois hiperboloides cortando-os por planos horizontais . Para , cada corte satisfaz
Há uma circunferência para qualquer : em , o raio é 1; em , é . Os cortes nunca desaparecem e ligam-se numa superfície de uma folha.
Para , o corte satisfaz
Se , não há pontos, porque o primeiro membro não pode ser negativo. Em , o corte é um ponto; para , é uma circunferência de raio . A faixa vazia separa a superfície em duas folhas, uma com e outra com .
Elipsoide rodado e transladado (opcional)
Considera . A parte quadrática em é a do exemplo da elipse e aparece só com . O centro resolve
logo . A constante no centro é . Com , e , a equação fica
A mudança ortonormada , deixa inalterado. Obtemos , ou seja,
É um elipsoide de semieixos , centrado em . O eixo mais curto segue a direção , associada ao coeficiente 3.
Exercícios
Um valor nulo não prova parábola
Classifica e indica a matriz simétrica.
Pista
A entrada cruzada é metade de 4.
Solução
A matriz é , com valores próprios 5 e 0. A equação equivale a ou : duas retas paralelas. Não há termo linear na direção nula que crie uma parábola.
Confere a tua resposta:
- Constrói a matriz.
- Identifica as duas retas.
Erros frequentes
A entrada fora da diagonal é metade do coeficiente de . Um valor próprio zero não implica, por si só, uma parábola.
Centro e semieixos
Encontra centro e semieixos de .
Pista
Resolve .
Solução
Com , a equação fica com : o termo linear cancela porque e a constante é . A mudança ortonormada , dá . Os semieixos são , com o maior na direção .
Confere a tua resposta:
- Obtém o centro e a equação transformada.
- Usa coordenadas ortonormadas para os semieixos.
Erros frequentes
Retirar termos cruzados não retira os termos lineares. Faz também a translação e só depois lê os semieixos.
Secções de uma superfície
Distingue de por secções de z constante.
Pista
Isola x²+y².
Mais uma pista
Os raios ao quadrado são 1+z² e z²-1.
Solução
Na primeira, : há uma circunferência de raio para todo , incluindo . É um hiperboloide de uma folha. Na segunda, . Para não há pontos; para o corte é um ponto; para é uma circunferência. A faixa vazia separa duas folhas.
Confere a tua resposta:
- Calcula os raios ao quadrado.
- Relaciona as secções com as folhas.
Erros frequentes
Olha para os valores de que permitem uma secção real. As duas equações não descrevem o mesmo número de folhas.
Valor próprio zero e termo linear
Classifica . Obtém coordenadas ortonormadas que retirem o termo cruzado, decide se existe centro e identifica o vértice e o eixo.
Pista
A matriz quadrática é . Os vetores e dão as direções próprias.
Mais uma pista
Escolhe e . O termo linear continua presente na direção de valor próprio zero.
Solução
Os valores próprios são 2 e 0. Nas coordenadas indicadas,
É uma parábola, com vértice na origem e eixo , isto é, , abrindo na direção .
Um centro teria de satisfazer , ou seja, . As duas linhas de são simétricas uma da outra; as equações exigiriam simultaneamente e . É impossível, logo não há centro. O valor próprio zero não basta para classificar: é o termo linear nessa direção que produz a parábola.
Confere a tua resposta:
- Mantém o termo linear depois da rotação.
- Justifica a falta de centro e identifica vértice e eixo na base original.
Erros frequentes
Diagonalizar só a parte quadrática não transforma esta equação em duas retas. O termo linear na direção nula não desaparece.