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Ecuaciones de la circunferencia

Te conviene dominar: Distancia entre dos puntos (Geometría)
Te conviene dominar: Identidades algebraicas (Matemáticas de 7.º grado)

Tu celular pierde la señal si estás a más de 6 millas de una torre de telefonía. En un mapa donde la torre está en el origen y cada unidad es 1 milla, tu cabaña está 4 millas al este y 5 millas al norte de la torre. ¿Tienes servicio? Las circunferencias responden a este tipo de preguntas: cuando una circunferencia tiene ecuación, puedes analizar puntos, rectas y otras circunferencias con álgebra.

Forma estándar

Una circunferencia es el conjunto de todos los puntos de un plano que están a la misma distancia de un punto fijo. Ese punto fijo es el centro $C(h, k)$ y la distancia es el radio $r$.

Una circunferencia en el plano de coordenadas con centro C(h, k), radio r y un punto P(x, y) sobre ella. C(h, k) P(x, y) r

¿Por qué funciona? La distancia de $P(x, y)$ a $C(h, k)$ es $\sqrt{(x-h)^2+(y-k)^2}$. Al igualarla a $r$ y elevar al cuadrado, desaparece la raíz cuadrada.

¿Un punto está dentro, sobre o fuera?

Compara la distancia al cuadrado del punto al centro con $r^2$. Sustituye $(x, y)$ en $(x-h)^2+(y-k)^2$:

  • resultado $< r^2$: el punto está dentro de la circunferencia,

  • resultado $= r^2$: el punto está sobre la circunferencia,

  • resultado $> r^2$: el punto está fuera de la circunferencia.

Volviendo al inicio: la cabaña está a $\sqrt{41}\approx 6.4$ millas de la torre, un poco más allá del límite de 6 millas.

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Escriba la ecuación de la circunferencia que describe el área de cobertura de una antena wifi, sabiendo que la antena está situada en el punto $(2, -3)$ de un plano…

Escriba la ecuación de la circunferencia que describe el área de cobertura de una antena wifi, sabiendo que la antena está situada en el punto $(2, -3)$ de un plano cartesiano (medido en millas) y tiene un alcance máximo de $5$ millas.

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Determine las coordenadas del centro y la longitud del radio de la zona circular regada por un aspersor agrícola cuya frontera viene dada por la ecuación…

Determine las coordenadas del centro y la longitud del radio de la zona circular regada por un aspersor agrícola cuya frontera viene dada por la ecuación $(x-4)^2+(y+1)^2=36$.

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Un sismógrafo detecta que el epicentro de un terremoto se sitúa en el origen de coordenadas y que la onda sísmica ha alcanzado un radio exacto de $10$ millas. Compruebe…

Un sismógrafo detecta que el epicentro de un terremoto se sitúa en el origen de coordenadas y que la onda sísmica ha alcanzado un radio exacto de $10$ millas. Compruebe analíticamente si una estación meteorológica situada en el punto $(6, -8)$ ha sentido el sismo o si se encuentra en el límite exacto de la onda.

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Escribir la ecuación a partir de datos

Sea cual sea el dato del problema, tu meta es siempre la misma: hallar el centro $(h, k)$ y el radio $r$. Estas son las situaciones más comunes.

Te dan Centro Radio
Centro y radio dado dado
Centro y un punto de la circunferencia dado distancia del centro al punto
Extremos de un diámetro punto medio del diámetro distancia del centro a un extremo (o la mitad del diámetro)
Circunferencia tangente a los ejes la distancia a cada eje es igual a $r$ dado
Una circunferencia cuyo diámetro tiene extremos A(1, 2) y B(7, -6); el centro es el punto medio M(4, -2). A(1, 2) B(7, -6) M(4, -2)
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Halle la ecuación de la circunferencia que representa el barrido del radar de un barco. Se sabe que el radar está posicionado en las coordenadas $(-1, 4)$ y que en el…

Halle la ecuación de la circunferencia que representa el barrido del radar de un barco. Se sabe que el radar está posicionado en las coordenadas $(-1, 4)$ y que en el extremo exacto de su pantalla detecta una boya situada en el punto $(2, 0)$.

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Escriba la ecuación de la circunferencia que delimita una rotonda, sabiendo que los extremos de uno de sus diámetros (donde se sitúan dos cruces peatonales opuestos)…

Escriba la ecuación de la circunferencia que delimita una rotonda, sabiendo que los extremos de uno de sus diámetros (donde se sitúan dos cruces peatonales opuestos) corresponden a los puntos $(1, 2)$ y $(7, -6)$.

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Escriba la ecuación de la circunferencia que describe el chasis de una aspiradora robótica de $15$ pulgadas de radio cuando se encuentra encajada exactamente en la…

Escriba la ecuación de la circunferencia que describe el chasis de una aspiradora robótica de $15$ pulgadas de radio cuando se encuentra encajada exactamente en la esquina de una habitación. Considere que las paredes coinciden con los semiejes positivos de coordenadas (cuadrante I) y la aspiradora es tangente a ambas paredes.

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Forma general y completar el cuadrado

Si desarrollas los cuadrados de la forma estándar, los paréntesis desaparecen:

¿Por qué? Al desarrollar se obtiene $x^2-2hx+h^2+y^2-2ky+k^2-r^2=0$. Al comparar los términos con $x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$ salen los valores anteriores.

Diagrama que muestra que al desarrollar, la forma estándar de la circunferencia pasa a la forma general, y completar el cuadrado hace el camino de vuelta. (x−h)² + (y−k)² = r² desarrollar completar el cuadrado x² + y² + Dx + Ey + F = 0

Para ir en sentido contrario, completa el cuadrado en $x$ y en $y$. Suma $\left(\tfrac{\text{coeficiente}}{2}\right)^2$ a ambos lados por cada variable.

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Halle el centro y el radio de la circunferencia que describe el borde exterior de un engranaje en un plano de diseño asistido por computadora, cuya ecuación general es…

Halle el centro y el radio de la circunferencia que describe el borde exterior de un engranaje en un plano de diseño asistido por computadora, cuya ecuación general es $x^2+y^2-6x+8y=0$.

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Determine si la ecuación $2x^2+2y^2+4x-8y+20=0$ representa matemáticamente una circunferencia válida en el motor físico de un videojuego. Justifique su respuesta…

Determine si la ecuación $2x^2+2y^2+4x-8y+20=0$ representa matemáticamente una circunferencia válida en el motor físico de un videojuego. Justifique su respuesta calculando su centro y el valor de su radio al cuadrado.

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Determine la ecuación de la circunferencia que define el carril exterior de una pista de atletismo, sabiendo que es concéntrica a la circunferencia del carril interior…

Determine la ecuación de la circunferencia que define el carril exterior de una pista de atletismo, sabiendo que es concéntrica a la circunferencia del carril interior $x^2+y^2-10x+4y+13=0$ y que pasa por la posición de salida situada en $(1, 1)$.

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Circunferencias por puntos o con una condición sobre el centro

A veces no te dan el centro. Hay dos estrategias que funcionan.

Estrategia 1: tres puntos. Sustituye cada punto en $x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$. Obtienes tres ecuaciones lineales en $D$, $E$, $F$. Resuélvelas y luego completa el cuadrado. Así también se halla la circunferencia circunscrita a un triángulo: la que pasa por sus tres vértices. Si no te dan los vértices, primero hállalos intersecando los lados.

Estrategia 2: centro sobre una recta. Llama al centro $(h, k)$ y usa la recta para escribir $k$ en términos de $h$. El centro está a la misma distancia de dos puntos cualesquiera de la circunferencia, así que iguala esas dos distancias al cuadrado y resuelve.

Practica★★☆Sin empezar
Halle la ecuación de la circunferencia que reconstruye el borde de una antigua vasija de cerámica encontrada en una excavación arqueológica. Los restauradores han medido…

Halle la ecuación de la circunferencia que reconstruye el borde de una antigua vasija de cerámica encontrada en una excavación arqueológica. Los restauradores han medido tres puntos intactos del borde, que en un sistema de ejes coordenados corresponden a $(0, 0)$, $(4, 0)$ y $(0, 3)$.

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Calcule la ecuación de la circunferencia que perfila la estructura principal de una rueda de la fortuna. Se sabe que el eje central de rotación descansa sobre un pilar…

Calcule la ecuación de la circunferencia que perfila la estructura principal de una rueda de la fortuna. Se sabe que el eje central de rotación descansa sobre un pilar inclinado representado por la recta $x+y-4=0$ y que las cabinas pasan por las plataformas de abordaje situadas en los puntos $(2, 0)$ y $(0, 2)$.

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Practica★★★Sin empezar
Halle la ecuación de la circunferencia circunscrita al parque triangular delimitado por las avenidas cuyas ecuaciones son $x=0$, $y=0$ y $3x+4y-12=0$.

Halle la ecuación de la circunferencia circunscrita al parque triangular delimitado por las avenidas cuyas ecuaciones son $x=0$, $y=0$ y $3x+4y-12=0$.

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Una recta y una circunferencia

Una recta y una circunferencia pueden tener dos puntos en común (secante), exactamente uno (tangente) o ninguno (exterior).

Una circunferencia con una recta secante, una tangente y una exterior, rotuladas según la distancia d del centro a la recta comparada con el radio r. r d < r: secante d = r: tangente d > r: exterior

Hay dos maneras de decidirlo, y conviene conocer ambas.

Método 1: sustituir. Despeja $y$ (o $x$) en la recta y sustitúyelo en la circunferencia. Obtienes una ecuación cuadrática. Su discriminante te dice el número de soluciones: $\Delta>0$ significa secante, $\Delta=0$ significa tangente, $\Delta<0$ significa exterior. Sus soluciones dan los puntos de intersección.

Método 2: comparar distancias. Halla la distancia $d$ del centro a la recta y compárala con $r$.

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Estudie analíticamente la posición relativa entre la órbita de un satélite artificial, modelada por la circunferencia $x^2+y^2=4$, y la trayectoria rectilínea de un…

Estudie analíticamente la posición relativa entre la órbita de un satélite artificial, modelada por la circunferencia $x^2+y^2=4$, y la trayectoria rectilínea de un asteroide dada por la ecuación $y=x+2$. Determine los puntos de intersección en caso de que existan.

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Calcule la longitud de la superficie libre del agua dentro de una tubería circular de ecuación $x^2+y^2=100$. Se sabe que el nivel del agua se ha estabilizado formando…

Calcule la longitud de la superficie libre del agua dentro de una tubería circular de ecuación $x^2+y^2=100$. Se sabe que el nivel del agua se ha estabilizado formando una cuerda horizontal sobre la recta $y=6$.

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Escriba la ecuación de la circunferencia que representa una polea cuyo eje de rotación está fijado en el punto $(3, -2)$ y que está en contacto tangencial con una correa…

Escriba la ecuación de la circunferencia que representa una polea cuyo eje de rotación está fijado en el punto $(3, -2)$ y que está en contacto tangencial con una correa de transmisión cuya línea de acción es la recta $4x-3y+2=0$.

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Recta tangente en un punto

Una recta tangente toca la circunferencia en un solo punto y es perpendicular al radio trazado a ese punto. Por eso su pendiente es el recíproco negativo de la pendiente del radio.

Una recta tangente que toca una circunferencia en un punto P, perpendicular al radio trazado a P. P C radio tangente
Practica★★☆Sin empezar
Calcule la ecuación de la recta tangente a la trayectoria circular trazada por un lanzador de martillo en el momento exacto en que suelta el cable. La trayectoria del…

Calcule la ecuación de la recta tangente a la trayectoria circular trazada por un lanzador de martillo en el momento exacto en que suelta el cable. La trayectoria del martillo viene dada por la circunferencia $x^2+y^2=25$ y el atleta suelta el cable cuando la bola pasa por el punto $(3, 4)$.

X Y P(3,4) Tangente
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Rectas tangentes con otras condiciones

Muchas veces no te dan el punto de tangencia. En su lugar te dan un punto exterior, una dirección (paralela a una recta dada) o una recta con un parámetro desconocido. En los tres casos se usa la misma idea: la distancia del centro a la recta tangente es igual a $r$.

  • Desde un punto exterior: escribe una recta que pase por el punto con pendiente desconocida $m$ y luego iguala la distancia a $r$. Hay dos rectas tangentes. Si el punto está sobre la circunferencia hay una, y si está dentro no hay ninguna.

  • Paralela a una recta dada: una recta paralela a $Ax+By+C_0=0$ tiene la forma $Ax+By+c=0$ con los mismos $A$ y $B$. Iguala la distancia a $r$ y despeja $c$.

  • Una familia con parámetro $k$: iguala la distancia a $r$ (o iguala a $0$ el discriminante de la ecuación cuadrática obtenida al sustituir) y despeja $k$.

Dos rectas tangentes trazadas desde un punto exterior P a una circunferencia, que la tocan en T1 y T2. P T₁ T₂ C
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Un dron realiza una maniobra evasiva siguiendo una trayectoria rectilínea dada por la familia de rectas $y=2x+k$. El espacio aéreo restringido alrededor de un radar se…

Un dron realiza una maniobra evasiva siguiendo una trayectoria rectilínea dada por la familia de rectas $y=2x+k$. El espacio aéreo restringido alrededor de un radar se define mediante la circunferencia $x^2+y^2=5$. Determine los valores del parámetro $k$ para los cuales el dron roza el espacio restringido sin llegar a penetrar en él (es decir, la recta es tangente a la circunferencia).

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El diseño de un nudo vial exige trazar dos carreteras rectas que sean tangentes a una plaza circular central cuya ecuación es $x^2+y^2-6x+8y=0$. Además, por motivos de…

El diseño de un nudo vial exige trazar dos carreteras rectas que sean tangentes a una plaza circular central cuya ecuación es $x^2+y^2-6x+8y=0$. Además, por motivos de planificación urbana, estas carreteras deben ser paralelas a una avenida principal de ecuación $3x-4y=0$. Encuentre las ecuaciones de ambas carreteras tangentes.

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Halle las ecuaciones de las dos rectas tangentes trazadas desde un faro situado en el punto $(0, 4)$ hacia un tanque cilíndrico de combustible cuya base ocupa la región…

Halle las ecuaciones de las dos rectas tangentes trazadas desde un faro situado en el punto $(0, 4)$ hacia un tanque cilíndrico de combustible cuya base ocupa la región delimitada por la circunferencia $x^2+y^2=4$. Estas rectas representan los límites de las sombras proyectadas en el suelo.

X Y Tanque F(0,4)
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Dos circunferencias

Dos circunferencias se relacionan mediante dos datos: la distancia $d$ entre sus centros y sus radios $r_1$ y $r_2$.

Cinco posiciones de dos circunferencias: separadas, tangentes exteriores, secantes en dos puntos, tangentes interiores y una dentro de la otra. d > r₁ + r₂ separadas d = r₁ + r₂ tangentes |r₁−r₂| < d < r₁+r₂ 2 puntos d = |r₁ − r₂| tangentes d < |r₁ − r₂| anidadas

Para hallar los centros y los radios, escribe primero cada ecuación en forma estándar (completa el cuadrado si hace falta).

Cuando dos circunferencias se cortan, resta sus ecuaciones (ambas escritas en forma general). Los términos $x^2$ y $y^2$ se cancelan y obtienes una recta que pasa por los puntos de intersección. Algunos problemas llaman a esta recta eje radical. Sustitúyela en cualquiera de las circunferencias para hallar los puntos.

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Estudie la posición relativa entre los frentes de onda generados por dos gotas al caer en un estanque, modelados por las circunferencias $C_1: x^2+y^2=9$ y…

Estudie la posición relativa entre los frentes de onda generados por dos gotas al caer en un estanque, modelados por las circunferencias $C_1: x^2+y^2=9$ y $C_2: (x-4)^2+y^2=4$.

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Halle la ecuación del eje radical de las dos circunferencias que modelan el área de influencia de dos antenas de radio: $x^2+y^2-4x+2y-4=0$ y $x^2+y^2+6x-2y+6=0$.

Halle la ecuación del eje radical de las dos circunferencias que modelan el área de influencia de dos antenas de radio: $x^2+y^2-4x+2y-4=0$ y $x^2+y^2+6x-2y+6=0$.

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El sistema GPS de un teléfono celular recibe señales de dos torres de telecomunicaciones. La primera torre está en el origen de coordenadas y estima que el celular está…

El sistema GPS de un teléfono celular recibe señales de dos torres de telecomunicaciones. La primera torre está en el origen de coordenadas y estima que el celular está a $5$ millas de distancia. La segunda torre está en el punto $(5, 0)$ y estima que el celular está a $4$ millas de distancia. Halle las coordenadas exactas de los dos posibles puntos donde podría encontrarse el teléfono celular calculando la intersección de ambas circunferencias.

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Circunferencias como lugares geométricos

Un lugar geométrico es el conjunto de todos los puntos que cumplen una condición geométrica. Algunos lugares geométricos resultan ser circunferencias. Para demostrarlo y hallar la ecuación:

  1. Sea $P(x, y)$ un punto cualquiera.

  2. Escribe la condición con la fórmula de la distancia.

  3. Eleva al cuadrado ambos lados para eliminar las raíces, desarrolla y simplifica.

  4. Completa el cuadrado y reconoce $(x-h)^2+(y-k)^2=r^2$ con $r^2>0$.

Una circunferencia con centro (-1, 0) y radio 3, formada por los puntos cuya distancia a A(8, 0) es el triple de su distancia al origen. O A(8, 0) P PA = 3 PO
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En un experimento de acústica, se busca el lugar geométrico de todos los puntos del plano donde el sonido emitido por una bocina situada en $A(6, 0)$ se percibe con la…

En un experimento de acústica, se busca el lugar geométrico de todos los puntos del plano donde el sonido emitido por una bocina situada en $A(6, 0)$ se percibe con la cuarta parte de la intensidad que el sonido emitido por otra bocina idéntica en el origen $O(0, 0)$. Esto equivale a hallar los puntos $P(x, y)$ cuya distancia al punto $A$ es el doble que su distancia al punto $O$. Demuestre que este lugar geométrico es una circunferencia y halle su centro y su radio.

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En un problema de optimización de redes, se requiere encontrar el lugar geométrico de los puntos del plano tales que la suma de los cuadrados de sus distancias a dos…

En un problema de optimización de redes, se requiere encontrar el lugar geométrico de los puntos del plano tales que la suma de los cuadrados de sus distancias a dos servidores fijos situados en $(-2, 0)$ y $(2, 0)$ sea exactamente igual a $20$. Demuestre analíticamente que la figura resultante es una circunferencia y obtenga su ecuación.

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Resumen

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