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Eje radical

  Dos círculos, centrados en M 1 , M 2
  Eje radical, con punto de muestra P
  Distancias tangenciales de ambos círculos a P
Las líneas tangentes deben tener la misma longitud para cualquier punto del eje radical: Si P , T1 , T2 se encuentran en una tangente común, entonces P es el punto medio de

En geometría euclidiana , el eje radical de dos circunferencias no concéntricas es el conjunto de puntos cuya potencia respecto de las circunferencias es igual. Por este motivo, el eje radical también se denomina línea de potencia o bisectriz de potencia de las dos circunferencias. En detalle:

Para dos círculos c 1 , c 2 con centros M 1 , M 2 y radios r 1 , r 2 las potencias de un punto P con respecto a los círculos son

El punto P pertenece al eje radical, si

Si los círculos tienen dos puntos en común, el eje radical es la línea secante común de los círculos.
Si el punto P está fuera de los círculos, P tiene la misma distancia tangencial a ambos círculos.
Si los radios son iguales, el eje radical es la bisectriz del segmento de línea de M 1 , M 2 .
En cualquier caso, el eje radical es una línea perpendicular a

Sobre las notaciones

La notación eje radical fue utilizada por el matemático francés M. Chasles como axe radical . [1]
J. V. Poncelet utilizó chorde ideale . [2]
J. Plücker introdujo el término Chordale . [3]
J. Steiner llamó al eje radical línea de potencias iguales ( en alemán : Linie der gleichen Potenzen ) lo que dio lugar a línea de potencia ( Potenzgerade ). [4]

Propiedades

Forma geométrica y su posición

Sean los vectores de posición de los puntos . Entonces la ecuación que define la recta radical se puede escribir como:

Definición y cálculo de

De la ecuación correcta se obtiene

( es un vector normal al eje radical !)

Dividiendo la ecuación por , se obtiene la forma normal hessiana . Insertando los vectores de posición de los centros se obtienen las distancias de los centros al eje radical:

,
con .

( puede ser negativo si no está entre .)

Si las circunferencias se cortan en dos puntos, la recta radical pasa por los puntos comunes. Si solo se tocan entre sí, la recta radical es la recta tangente común.

Posiciones especiales

Eje radical: variaciones
El eje radical de dos círculos en contacto es su tangente común.
El eje radical de dos círculos que no se intersectan es la secante común de dos círculos equipower convenientes (ver más abajo Círculos ortogonales ).

Círculos ortogonales

Los puntos de contacto de las tangentes se encuentran en el círculo ortogonal (verde).
Si es un punto del eje radical, entonces los cuatro puntos se encuentran en el círculo , que interseca los círculos dados ortogonalmente .

Sistema de círculos ortogonales

El método descrito en la sección anterior para la construcción de un lápiz de círculos que intersecan ortogonalmente dos círculos dados se puede extender a la construcción de dos sistemas de círculos que se intersecan ortogonalmente: [5] [6]

Sean dos círculos que se encuentran separados (como en la sección anterior), sus centros y radios y su eje radical. Ahora, todos los círculos se determinarán con centros en la línea , que tienen junto con la línea como eje radical, también. Si es un círculo cuyo centro tiene distancia al centro y radio . Del resultado en la sección anterior se obtiene la ecuación

, donde se fijan.

Con la ecuación se puede reescribir como:

.
Sistema de círculos ortogonales: construcción

Si se da el radio, a partir de esta ecuación se encuentra la distancia al eje radical (fijo) del nuevo centro. En el diagrama, el color de los nuevos círculos es violeta. Cualquier círculo verde (ver diagrama) tiene su centro en el eje radical e interseca los círculos ortogonalmente y, por lo tanto, todos los nuevos círculos (violetas) también. Eligiendo el eje radical (rojo) como eje y y la línea como eje x, los dos lápices de círculos tienen las ecuaciones:

púrpura:
verde:

( es el centro de un círculo verde.)

Propiedades:
a) Dos círculos verdes cualesquiera se intersecan en el eje x en los puntos , los polos del sistema ortogonal de círculos. Esto significa que el eje x es la línea radical de los círculos verdes. b) Los círculos morados no tienen puntos en común. Pero, si se considera el plano real como parte del plano complejo, entonces dos círculos morados cualesquiera se intersecan en el eje y (su eje radical común) en los puntos .

Sistema parabólico ortogonal
Círculos coaxiales: tipos

Casos especiales:
a) En el caso de que los círculos verdes se toquen entre sí en el origen con el eje x como tangente común y los círculos violetas tengan el eje y como tangente común. Un sistema de círculos de este tipo se llama círculos parabólicos coaxiales (ver más abajo). b) Al reducirse a su centro , es decir , las ecuaciones se convierten en una forma más simple y se obtiene .

Conclusión:
a) Para cualquier círculo real el lápiz

tiene la propiedad: El eje y es el eje radical de .
En el caso de que los círculos se intersequen en los puntos .
En caso de que no tengan puntos en común.
En caso de que se toquen en y el eje y sea su tangente común.

b) Para cualquier círculo real los dos lápices

Forman un sistema de círculos ortogonales . Esto significa que dos círculos cualesquiera se intersecan ortogonalmente.

c) De las ecuaciones de b), se obtiene una representación libre de coordenadas:

Sistema ortogonal de círculos a polos dados
Para los puntos dados , su punto medio y su segmento de línea bisectriz las dos ecuaciones
con en , pero no entre , y en
describe el sistema ortogonal de círculos determinado unívocamente por cuáles son los polos del sistema.
También hay que prescribir los ejes del sistema. El sistema es parabólico :
con una y otra vez .

Construcción con regla y compás:

Sistema ortogonal de círculos: construcción con regla y compás

Un sistema de círculos ortogonales está determinado únicamente por sus polos :

  1. Los ejes (ejes radicales) son las rectas y la bisectriz del segmento de recta de los polos.
  2. Los círculos (verdes en el diagrama) tienen su centro en . Se pueden dibujar fácilmente. Para un punto, el radio es .
  3. Para dibujar un círculo del segundo lápiz (en el diagrama azul) con centro en , se determina el radio aplicando el teorema de Pitágoras : (ver diagrama).

En caso de que se deban elegir los ejes adicionales, el sistema es parabólico y se puede dibujar fácilmente.

Círculos coaxiales

Definición y propiedades:

Sean dos círculos y sus funciones de potencia. Entonces, para cualquier

es la ecuación de un círculo (ver más abajo). Un sistema de círculos de este tipo se denomina círculos coaxiales generados por los círculos . (En el caso de la ecuación describe el eje radical de .) [7] [8]

La función de potencia de es

.

La ecuación normada (los coeficientes de son ) de es .

Un cálculo simple muestra:

Permitiendo moverse hasta el infinito, se reconoce, que son miembros del sistema de círculos coaxiales: .

(E): Si se cortan en dos puntos , cualquier círculo contiene , también, y la recta es su eje radical común. Un sistema de este tipo se llama elíptico . (P): Si son tangentes en , cualquier círculo es tangente a en el punto , también. La tangente común es su eje radical común. Un sistema de este tipo se llama parabólico . (H): Si no tienen ningún punto en común , entonces cualquier par del sistema, también. El eje radical de cualquier par de círculos es el eje radical de . El sistema se llama hiperbólico .

En detalle:

Introduciendo coordenadas tales que

,

entonces el eje y es su eje radical (ver arriba).

El cálculo de la función potencia da como resultado la ecuación del círculo normado:

Completando el cuadrado y la sustitución (coordenada x del centro) se obtiene la forma centrada de la ecuación.

.

En el caso de los círculos tienen los dos puntos

en común y el sistema de círculos coaxiales es elíptico .

En el caso de que los círculos tengan punto en común y el sistema sea parabólico .

En el caso de que los círculos no tengan ningún punto en común y el sistema sea hiperbólico .

Ecuaciones alternativas:
1) En la ecuación definitoria de un sistema coaxial de círculos se pueden utilizar también múltiplos de las funciones de potencia.
2) La ecuación de uno de los círculos se puede sustituir por la ecuación del eje radical deseado. El eje radical se puede ver como un círculo con un radio infinitamente grande. Por ejemplo:

,

describe todos los círculos que tienen como eje radical la línea en el primer círculo. 3) Para expresar la igualdad de condiciones de los dos círculos se suele utilizar la siguiente forma:

Pero en este caso la representación de un círculo por los parámetros no es única .

Aplicaciones:
a) Las inversiones de círculos y las transformaciones de Möbius preservan los ángulos y los círculos generalizados . Por lo tanto, los sistemas ortogonales de círculos desempeñan un papel esencial en las investigaciones sobre estas aplicaciones. [9] [10]
b) En el electromagnetismo, los círculos coaxiales aparecen como líneas de campo . [11]

Centro radical de tres círculos, construcción del eje radical

Centro radical de tres círculos
El círculo verde interseca los tres círculos ortogonalmente.
Demostración: el eje radical contiene todos los puntos que tienen la misma distancia tangencial a los círculos . El punto de intersección de y tiene la misma distancia tangencial a los tres círculos. Por lo tanto , también es un punto del eje radical .
Esta propiedad permite construir el eje radical de dos círculos que no se intersectan y que tienen centros : Dibuje un tercer círculo con centro no colineal a los centros dados que interseca a . Se pueden dibujar los ejes radicales . Su punto de intersección es el centro radical de los tres círculos y se encuentra en . La línea a través de la cual es perpendicular a es el eje radical .

Método de construcción adicional:

Construcción del eje radical con círculos de igual potencia. Es .

Todos los puntos que tienen la misma potencia respecto de un círculo dado se encuentran en un círculo concéntrico a . Lo llamaremos círculo de equipower . Esta propiedad se puede utilizar para un método de construcción adicional del eje radical de dos círculos:

Para dos círculos que no se cortan , se pueden dibujar dos círculos equipower , que tienen la misma potencia con respecto a (ver diagrama). En detalle: . Si la potencia es suficientemente grande, los círculos tienen dos puntos en común, que se encuentran en el eje radical .

Relación con las coordenadas bipolares

En general, dos círculos disjuntos y no concéntricos pueden alinearse con los círculos de un sistema de coordenadas bipolares . En ese caso, el eje radical es simplemente el eje de este sistema de coordenadas. Cada círculo sobre el eje que pasa por los dos focos del sistema de coordenadas interseca los dos círculos ortogonalmente. Una colección máxima de círculos, todos con centros en una línea dada y todos los pares con el mismo eje radical, se conoce como un lápiz de círculos coaxiales .

Centro radical en coordenadas trilineales

Si los círculos se representan en coordenadas trilineales de la forma habitual, entonces su centro radical se da convenientemente como un determinado determinante. En concreto, sea X = x  :  y  :  z un punto variable en el plano de un triángulo ABC con lados a = | BC |, b = | CA |, c = | AB |, y representemos los círculos de la siguiente manera:

( dx + ey + fz ) ( ax + by + cz ) + g ( ayz + bzx + cxy ) = 0
( hx + iy + jz ) ( ax + by + cz ) + k ( ayz + bzx + cxy ) = 0
( lx + my + nz ) ( ax + by + cz ) + p ( ayz + bzx + cxy ) = 0

Entonces el centro radical es el punto

Plano radical e hiperplano

El plano radical de dos esferas no concéntricas en tres dimensiones se define de manera similar: es el lugar geométrico de los puntos desde los cuales las tangentes a las dos esferas tienen la misma longitud. [12] El hecho de que este lugar geométrico sea un plano se deduce por rotación en la tercera dimensión del hecho de que el eje radical es una línea recta.

La misma definición se puede aplicar a las hiperesferas en el espacio euclidiano de cualquier dimensión, dando el hiperplano radical de dos hiperesferas no concéntricas.

Notas

  1. ^ Michel Chasles, CH Schnuse: Die Grundlehren der neuern Geometrie, erster Theil , Verlag Leibrock, Braunschweig, 1856, p. 312
  2. ^ Ph. Fischer: Lehrbuch der analytische Geometrie , Darmstadt 1851, Verlag Ernst Kern, p. 67
  3. ^ H. Schwarz: Die Elemente der analytischen Geometrie der Ebene , Verlag HW Schmidt, Halle, 1858, p. 218
  4. ^ Jakob Steiner: Einige geometrische Betrachtungen . En: Journal für die reine und angewandte Mathematik , Banda 1, 1826, p. 165
  5. ^ A. Schoenfliess, R. Courant: Einführung in die Analytische Geometrie der Ebene und des Raumes , Springer-Verlag, 1931, p. 113
  6. ^ C. Carathéodory: Funktionentheorie , Birkhäuser-Verlag, Basilea, 1961, ISBN 978-3-7643-0064-7, p. 46
  7. ^ Dan Pedoe: Círculos: una visión matemática , Asociación matemática de Estados Unidos, 2020, ISBN 9781470457327, pág. 16
  8. ^ R. Lachlan: Un tratado elemental sobre geometría pura moderna , MacMillan&Co, Nueva York, 1893, pág. 200
  9. ^ Carathéodory: Funktionentheorie , p. 47.
  10. ^ R. Sauer: Ingenieur-Mathematik: Zweiter Band: Differentialgleichungen und Funktionentheorie , Springer-Verlag, 1962, ISBN 978-3-642-53232-0, p. 105
  11. ^ Clemens Schaefer: Elektrodynamik und Optik , Verlag: De Gruyter, 1950, ISBN 978-3-11-230936-0, p. 358.
  12. ^ Véase el diccionario en línea Merriam–Webster.

Referencias

Lectura adicional

Enlaces externos