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Supongo que la línea $BC$ siempre pasa por un punto fijo con $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$

Antes de hacer esta pregunta: y mathlove dar una respuesta agradable ¿Cómo demostrar que $BC$ siempre pasa por un punto fijo con $\frac{x^2}{4}+y^2=1$ Continúo considerando el siguiente problema.

si el punto fijo $A(uv)$ en la elipse $\Gamma:$ $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1,a>b>0$ y el círculo $\tau:$ $(x-x_{0})^2+(y-y_{0})^2=r^2(0

Pregunta 1: Conjeturo que la línea $BC$ siempre pasa por un punto fijo.

Pregunta 2: si no, encontramos ¿Qué condiciones $x_{0},y_{0},u,v$ entonces $BC$ siempre pasa por un punto fijo?

si el resultado es correcto. ¿Quizás se pueda utilizar la Geometría para explicar los resultados?

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si permitimos que $AB:y=k(x-u)+v$ y $$\begin{cases} b^2x^2+a^2y^2=a^2b^2\\ y=k(x-u)+v \end{cases}\Longrightarrow (b^2+a^2k^2)x^2-2a^2(k^2u+kv)+a^2k^2u^2-2a^2kuv+a^2v^2-a^2b^2=0$$ entonces tenemos $$X_{B}=\dfrac{a^2(k^2u^2-2kuv+v^2-b^2)}{a^2k^2+b^2}$$$$\Longrightarrow y_{B}=\dfrac{ak^3u^2-2k^2a^2uv+a^2kv^2-a^2b^2k-a^2k^2u-b^2uk+a^2kv+b^2v}{a^2k^2+b^2}$$ La siguiente operación es muy compleja, por lo que no puedo resolver el problema

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mathlove Puntos 57124

Permíteme escribir una respuesta no geométrica.

Tu conjetura es falsa: Si $(x_0-u)(y_0-v)=0$, entonces la línea $BC$ no pasa por ningún punto fijo.

Obtuve lo siguiente:

Si $AB,AC$ son tangentes al círculo $(x-x_{0})^2+(y-y_{0})^2=r^2\ (\color{red}{0\lt r\lt \sqrt{(x_0-u)^2+(y_0-v)^2}})$ con $\color{red}{(x_0-u)(y_0-v)\not=0}$, entonces la línea $BC$ pasa por un punto fijo $(F_x,F_y)$ donde $$\color{red}{F_x=\frac{a^2v(y_0+x_0-u-v)(y_0-x_0+u-v)+u(a^2+b^2)(x_0-u)(y_0-v)}{(a^2-b^2)(x_0-u)(y_0-v)}}$$ $$\color{red}{F_y=\frac{b^2u(y_0+x_0-u-v)(y_0-x_0+u-v)-v(a^2+b^2)(x_0-u)(y_0-v)}{(a^2-b^2)(x_0-u)(y_0-v)}}$$ (Nota que se puede eliminar la condición $r\lt b$ y que es necesario tener $r\lt \sqrt{(x_0-u)^2+(y_0-v)^2}$ para trazar dos líneas tangentes $AB,AC$. Además, enfatizo que el círculo puede existir en cualquier lugar siempre y cuando cumpla con $0\lt r\lt\sqrt{(x_0-u)^2+(y_0-v)^2}$.)

La ecuación de la línea que pasa por $A(u,v)$ es dada por $mx-y-mu+v=0.

Queremos que esta línea sea tangente al círculo, así que tenemos $$r=\frac{|mx_0-y_0-mu+v|}{\sqrt{m^2+(-1)^2}},$$ es decir $$(r^2-x_0^2-u^2+2ux_0)m^2+2(x_0y_0-vx_0-uy_0+uv)m+r^2-y_0^2-v^2+2vy_0=0$$ $$\implies m_1+m_2=\frac{2(-x_0y_0+vx_0+uy_0-uv)}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0},\quad m_1m_2=\frac{r^2-y_0^2-v^2+2vy_0}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}\tag1$$ Al eliminar $y$ de $mx-y-mu+v=0$ y $x^2/a^2+y^2/b^2=1$ obtenemos $$(b^2+a^2m^2)x^2+(2a^2mv-2a^2m^2u)x-2a^2muv-a^2b^2+a^2m^2u^2+a^2v^2=0$$ Dado que una de las soluciones es $u$, por la fórmula de Vieta, $$u+X=-\frac{2a^2mv-2a^2m^2u}{b^2+a^2m^2}\implies X=\frac{-2a^2mv+a^2m^2u-ub^2}{b^2+a^2m^2}$$ $$Y=mX-mu+v=\frac{-a^2m^2v-2ub^2m+b^2v}{b^2+a^2m^2}$$ Así, podemos escribir $$B\left(\frac{-2a^2m_1v+a^2m_1^2u-ub^2}{b^2+a^2m_1^2},\frac{-a^2m_1^2v-2ub^2m_1+b^2v}{b^2+a^2m_1^2}\right)$$ $$C\left(\frac{-2a^2m_2v+a^2m_2^2u-ub^2}{b^2+a^2m_2^2},\frac{-a^2m_2^2v-2ub^2m_2+b^2v}{b^2+a^2m_2^2}\right)$$

Usando $(1)$, tenemos $$b_y-c_y=\frac{-a^2m_1^2v-2ub^2m_1+b^2v}{b^2+a^2m_1^2}-\frac{-a^2m_2^2v-2ub^2m_2+b^2v}{b^2+a^2m_2^2}$$ $$\begin{align}&=\frac{(-a^2m_1^2v-2ub^2m_1+b^2v)(b^2+a^2m_2^2)-(-a^2m_2^2v-2ub^2m_2+b^2v)(b^2+a^2m_1^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2b^2(m_1-m_2)(ua^2m_1m_2-a^2v(m_1+m_2)-ub^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)b^2(ua^2\frac{r^2-y_0^2-v^2+2vy_0}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}-a^2v\frac{2(-x_0y_0+vx_0+uy_0-uv)}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}-ub^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)(ub^2(a^2-b^2)r^2+k_1)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}\end{align}$$

donde $$k_1=b^2(b^2u(x_0-u)^2+2a^2v(x_0-u)(y_0-v)-a^2u(y_0-v)^2)$$

y

$$b_x-c_x=\frac{-2a^2m_1v+a^2m_1^2u-ub^2}{b^2+a^2m_1^2}-\frac{-2a^2m_2v+a^2m_2^2u-ub^2}{b^2+a^2m_2^2}$$ $$\begin{align}&=\frac{(-2a^2m_1v+a^2m_1^2u-ub^2)(b^2+a^2m_2^2)-(-2a^2m_2v+a^2m_2^2u-ub^2)(b^2+a^2m_1^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2a^2(m_1-m_2)(-b^2v+ub^2(m_1+m_2)+a^2vm_1m_2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2a^2(m_1-m_2)(-b^2v+ub^2\frac{2(-x_0y_0+vx_0+uy_0-uv)}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}+a^2v\frac{r^2-y_0^2-v^2+2vy_0}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0})}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)(a^2v(a^2-b^2)r^2+k_2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}\end{align}$$

donde $$k_2=a^2(b^2v(x_0-u)^2-2b^2u(x_0-u)(y_0-v)-a^2v(y_0-v)^2)$$

y

$\quad -c_xb_y+b_xc_y$ $$\small\begin{align}&=\frac{2a^2m_2v-a^2m_2^2u+ub^2}{b^2+a^2m_2^2}\cdot\frac{b^2v-a^2m_1^2v-2ub^2m_1}{b^2+a^2m_1^2}+\frac{a^2m_1^2u-2a^2m_1v-ub^2}{b^2+a^2m_1^2}\cdot\frac{b^2v-a^2m_2^2v-2ub^2m_2}{b^2+a^2m_2^2}\\\\&=\frac{(2a^2m_2v-a^2m_2^2u+ub^2)(-a^2m_1^2v-2ub^2m_1+b^2v)+(-2a^2m_1v+a^2m_1^2u-ub^2)(-a^2m_2^2v-2ub^2m_2+b^2v)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)(-a^4v^2m_1m_2-a^2b^2u^2m_1m_2-b^4u^2-a^2b^2v^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)(-a^4v^2\frac{r^2-y_0^2-v^2+2vy_0}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}-a^2b^2u^2\frac{r^2-y_0^2-v^2+2vy_0}{r^2-x_0^2-u^2+2ux_0}-b^4u^2-a^2b^2v^2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)}\\\\&=\frac{2(m_1-m_2)(-r^2(a^2+b^2)(a^2v^2+b^2u^2)+k_3)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}\end{align}$$

donde $$k_3=(a^2v^2+b^2u^2)(a^2(y_0-v)^2+b^2(x_0-u)^2)$$

Entonces, la ecuación de la línea $BC$ es $$(b_x-c_x)y=(b_x-c_x)x-c_xb_y+b_xc_y,$$ es decir, $$\frac{2(m_1-m_2)(a^2v(a^2-b^2)r^2+k_2)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}y=\frac{2(m_1-m_2)(ub^2(a^2-b^2)r^2+k_1)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}x+\frac{2(m_1-m_2)(-r^2(a^2+b^2)(a^2v^2+b^2u^2)+k_3)}{(b^2+a^2m_1^2)(b^2+a^2m_2^2)(r^2-(x_0-u)^2)}$$ lo cual puede escribirse como $$r^2(k_4y-k_5x+k_6)=-k_2y+k_1x+k_3$$ donde $$k_4=a^2v(a^2-b^2),\quad k_5=ub^2(a^2-b^2),\quad k_6=(a^2+b^2)(a^2v^2+b^2u^2)$$

Resolviendo el sistema $k_4y-k_5x+k_6=-k_2y+k_1x+k_3=0$ obtenemos que la línea $BC$ pasa por $$\left(\frac{k_3k_4+k_2k_6}{k_2k_5-k_1k_4},\frac{k_3k_5+k_1k_6}{k_2k_5-k_1k_4}\right)=\left(\frac{a^2v(y_0+x_0-u-v)(y_0-x_0+u-v)+u(a^2+b^2)(x_0-u)(y_0-v)}{(a^2-b^2)(x_0-u)(y_0-v)},\frac{b^2u(y_0+x_0-u-v)(y_0-x_0+u-v)-v(a^2+b^2)(x_0-u)(y_0-v)}{(a^2-b^2)(x_0-u)(y_0-v)}\right)$$ si $(x_0-u)(y_0-v)\not=0$.

Si $x_0-u=0$ y $y_0-v\not=0$, entonces debemos tener $$k_4y-k_5x+k_6=0\implies a^2vy-ub^2x=\frac{-(a^2+b^2)(a^2v^2+b^2u^2)}{a^2-b^2}$$ pero $$-k_2y+k_1x+k_3=\frac{-2a^2b^2(y_0-v)^2(a^2v^2+b^2u^2)}{a^2-b^2}$$ no es igual a $0$.

Si $x_0-u\not=0$ y $y_0-v=0$, entonces debemos tener $$k_4y-k_5x+k_6=0\implies a^2vy-ub^2x=\frac{-(a^2+b^2)(a^2v^2+b^2u^2)}{a^2-b^2}$$ pero $$-k_2y+k_1x+k_3=\frac{2a^2b^2(x_0-u)^2(a^2v^2+b^2u^2)}{a^2-b^2}$$ no es igual a $0$.

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