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Cónicas · Cónicas

Elipse

Te conviene dominar: Lugares geométricos (9.° grado de Educación Básica Integrada (3.° de liceo))

Clavá dos chinches en una cartulina, atá los extremos de un hilo a cada una y trazá con la lapicera manteniendo el hilo siempre tenso: dibujás una elipse. Es la curva de las órbitas de los planetas y de los nanosatélites (con el astro central en un foco, no en el centro) y también la de ciertas galerías con «efecto susurro». ¿Por qué dos personas ubicadas en puntos especiales se escuchan aunque hablen bajito? Lo vamos a explicar al final.

La elipse como lugar geométrico

El hilo del dibujo tiene largo fijo: eso es la constante $2a$. Mirá cómo, al recorrer la curva, un segmento se alarga y el otro se acorta, pero la suma no cambia.

Animación de la definición de la elipse: el punto P recorre la elipse y los segmentos hacia los focos F1 y F2 cambian de longitud, uno se alarga mientras el otro se acorta, y su suma sigue siendo 2a. F₁ F₂ P d(P,F₁) + d(P,F₂) = 2a, siempre lo mismo

La elipse también es una sección plana de un cono: si cortás un cono con un plano que no es paralelo a la base ni a una generatriz, y que corta todas las generatrices, la curva que aparece es una elipse (si el plano es paralelo a la base, una circunferencia).

Para recordar qué significa «lugar geométrico», probá con la circunferencia:

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Dada la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{9} = 1$, determina las coordenadas de sus vértices, las de sus focos y el valor de su excentricidad.

Dada la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{9} = 1$, determina las coordenadas de sus vértices, las de sus focos y el valor de su excentricidad.

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Elementos y ecuación canónica

Elementos de la elipse centrada en el origen: semiejes mayor a y menor b, vértices, focos F₁ y F₂ a distancia focal c, y el triángulo rectángulo que ilustra la relación fundamental a² = b² + c². a b a F₁(-c, 0) F₂(c, 0)
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Escribe la ecuación reducida de una elipse centrada en el origen de coordenadas, sabiendo que uno de sus focos es el punto $F(4, 0)$ y que la longitud de su eje mayor es…

Escribe la ecuación reducida de una elipse centrada en el origen de coordenadas, sabiendo que uno de sus focos es el punto $F(4, 0)$ y que la longitud de su eje mayor es $10$.

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Comprueba si los puntos $P(2, -3)$, $Q(5, 0)$ y $R(4, 2)$ son interiores, exteriores o pertenecen a la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{16} = 1$.

Comprueba si los puntos $P(2, -3)$, $Q(5, 0)$ y $R(4, 2)$ son interiores, exteriores o pertenecen a la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{16} = 1$.

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Excentricidad

Comparación visual de tres elipses con diferente excentricidad: casi circular con e=0,2, intermedia con e=0,7 y muy alargada con e=0,97. e ≈ 0,2 (casi circular) e ≈ 0,7 e ≈ 0,97 (muy alargada)
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Calcula la excentricidad de la elipse cuya ecuación es $16x^2 + 25y^2 = 400$.

Calcula la excentricidad de la elipse cuya ecuación es $16x^2 + 25y^2 = 400$.

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Halla la ecuación de una elipse centrada en el origen, cuyos focos están sobre el eje de ordenadas, sabiendo que la distancia focal es de $8$ unidades y la excentricidad…

Halla la ecuación de una elipse centrada en el origen, cuyos focos están sobre el eje de ordenadas, sabiendo que la distancia focal es de $8$ unidades y la excentricidad es $0,8$.

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La excentricidad de una elipse es $\frac{1}{3}$ y su semieje menor mide $4\sqrt{2}$. Calcula la medida de su semieje mayor.

La excentricidad de una elipse es $\frac{1}{3}$ y su semieje menor mide $4\sqrt{2}$. Calcula la medida de su semieje mayor.

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La órbita de Mercurio alrededor del Sol es una elipse en la que el Sol ocupa uno de sus focos. La distancia mínima de Mercurio al Sol (perihelio) es de $46$ millones de…

La órbita de Mercurio alrededor del Sol es una elipse en la que el Sol ocupa uno de sus focos. La distancia mínima de Mercurio al Sol (perihelio) es de $46$ millones de kilómetros, y la distancia máxima (afelio) es de $70$ millones de kilómetros. Calcula la excentricidad de la órbita de Mercurio y la longitud de su semieje menor en millones de kilómetros.

Sol Perihelio Afelio 46 Mkm 70 Mkm
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En la galería de los suspiros, que tiene forma de elipse, dos personas situadas en los focos pueden escucharse perfectamente aunque hablen en un susurro. Si la galería…

En la galería de los suspiros, que tiene forma de elipse, dos personas situadas en los focos pueden escucharse perfectamente aunque hablen en un susurro. Si la galería tiene una longitud total de $34\text{ m}$ y una anchura máxima de $16\text{ m}$, ¿a qué distancia del centro de la sala debe situarse cada persona para aprovechar este fenómeno acústico?

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Deducción de la ecuación desde la definición

Hasta ahora usamos la ecuación como dato. Veamos de dónde sale, planteando un punto genérico $P(x,y)$ del lugar geométrico.

El mismo método sirve con números concretos: para focos $(\pm3, 0)$ y suma $10$, resulta $a=5$, $c=3$, $b^2=16$ y la ecuación $\dfrac{x^2}{25}+\dfrac{y^2}{16}=1$.

Otra caracterización: la elipse es el conjunto de puntos cuya distancia a un foco es una fracción $e<1$ de la distancia a una recta fija (la directriz). Con $F(4,0)$, la recta $x=16$ y razón $\frac12$: $\sqrt{(x-4)^2+y^2}=\frac12|x-16|$. Elevando al cuadrado, $4(x^2-8x+16+y^2)=x^2-32x+256$, o sea $3x^2+4y^2=192$, es decir $\dfrac{x^2}{64}+\dfrac{y^2}{48}=1$.

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Halla la ecuación del lugar geométrico de los puntos del plano $P(x, y)$ cuya suma de distancias a los puntos $F_1(-3, 0)$ y $F_2(3, 0)$ es siempre igual a $10$.…

Halla la ecuación del lugar geométrico de los puntos del plano $P(x, y)$ cuya suma de distancias a los puntos $F_1(-3, 0)$ y $F_2(3, 0)$ es siempre igual a $10$. Simplifica la expresión hasta obtener la ecuación reducida de una elipse.

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Determina el lugar geométrico de los puntos del plano cuya distancia al punto $F(4, 0)$ es igual a la mitad de su distancia a la recta de ecuación $x - 16 = 0$.…

Determina el lugar geométrico de los puntos del plano cuya distancia al punto $F(4, 0)$ es igual a la mitad de su distancia a la recta de ecuación $x - 16 = 0$. Identifica la cónica resultante y calcula su centro y la longitud de sus semiejes.

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Considera la circunferencia de ecuación $x^2 + y^2 = 100$. A cada punto $A(x, y)$ de la circunferencia se le asocia un punto $P(x, y')$ que tiene la misma abscisa, pero…

Considera la circunferencia de ecuación $x^2 + y^2 = 100$. A cada punto $A(x, y)$ de la circunferencia se le asocia un punto $P(x, y')$ que tiene la misma abscisa, pero su ordenada es el $60\%$ de la ordenada de $A$. Demuestra que el lugar geométrico de los puntos $P$ es una elipse y determina su ecuación, su centro y sus focos.

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Halla el lugar geométrico de los centros de las circunferencias que son tangentes interiormente a la circunferencia de ecuación $x^2 + y^2 = 100$ y que pasan por el…

Halla el lugar geométrico de los centros de las circunferencias que son tangentes interiormente a la circunferencia de ecuación $x^2 + y^2 = 100$ y que pasan por el punto fijo $A(6, 0)$. Demuestra que dicho lugar geométrico es una elipse, halla su ecuación canónica y determina las coordenadas de sus focos.

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Elipse con centro $(h,k)$ y ecuación general

Si el centro es $C(h,k)$ y los ejes son paralelos a los coordenados, se reemplaza $x$ por $x-h$ e $y$ por $y-k$:

$$\frac{(x-h)^2}{a^2}+\frac{(y-k)^2}{b^2}=1 \quad(\text{eje mayor horizontal si } a>b)$$

Los focos están a distancia $c$ del centro sobre el eje mayor: $(h\pm c;\ k)$ si es horizontal, $(h;\ k\pm c)$ si es vertical. Al desarrollar se obtiene la forma general $Ax^2+Cy^2+Dx+Ey+F=0$, con $A$ y $C$ del mismo signo y distintos (sin término $xy$).

Elipse con centro trasladado al punto (h, k), con sus semiejes horizontal y vertical y la posición de sus focos respecto a los ejes de coordenadas. C(h, k) centro trasladado del origen
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A partir de la ecuación de la elipse $\frac{(x-1)^2}{16} + \frac{(y+4)^2}{9} = 1$, indica las coordenadas de su centro y la longitud de sus semiejes.

A partir de la ecuación de la elipse $\frac{(x-1)^2}{16} + \frac{(y+4)^2}{9} = 1$, indica las coordenadas de su centro y la longitud de sus semiejes.

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Una elipse tiene su centro en el punto $C(-2, 3)$, su eje mayor es paralelo al eje de abscisas y mide $12$ unidades, y su eje menor mide $8$ unidades. Escribe su…

Una elipse tiene su centro en el punto $C(-2, 3)$, su eje mayor es paralelo al eje de abscisas y mide $12$ unidades, y su eje menor mide $8$ unidades. Escribe su ecuación en forma canónica.

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Dada la ecuación general $9x^2 + 4y^2 - 36x + 24y + 36 = 0$, demuestra que corresponde a una elipse. Para ello, exprésala en forma canónica y determina las coordenadas…

Dada la ecuación general $9x^2 + 4y^2 - 36x + 24y + 36 = 0$, demuestra que corresponde a una elipse. Para ello, exprésala en forma canónica y determina las coordenadas de su centro, sus vértices y sus focos.

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Explorar con GeoGebra

Antes de construir, predecí: si los focos se separan y la suma de distancias se mantiene, ¿la elipse se vuelve más circular o más alargada?

En GeoGebra creá un deslizador $c$ entre $0$ y $4{,}5$, fijá $a=5$ y ubicá $F_1=(-c,0)$ y $F_2=(c,0)$. Graficá $x^2/25+y^2/(25-c^2)=1$. Poné un punto $P$ sobre la curva y medí sus distancias a los focos. Al mover $P$, anotá la suma; al cambiar $c$, anotá el semieje vertical. Observá cómo se relacionan centro, vértices y focos.

Dos elipses con semieje mayor a=5 que muestran cómo al aumentar c de 3 a 4 el semieje menor b baja de 4 a 3. c = 3, b = 4c = 4, b = 3

No uses $c=5$: anularía un denominador y la «elipse» degeneraría en el segmento entre los focos.

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Un puente de piedra sobre un río tiene la forma de un semiarco elíptico. La anchura del río (eje mayor de la elipse) es de $20\text{ m}$ y la altura máxima del arco en…

Un puente de piedra sobre un río tiene la forma de un semiarco elíptico. La anchura del río (eje mayor de la elipse) es de $20\text{ m}$ y la altura máxima del arco en el centro del río es de $6\text{ m}$. Calcula a qué altura se encuentra el arco a una distancia de $4\text{ m}$ del centro del río.

20 m 6 m 4 m h = ?
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Recta y elipse: posiciones y tangentes

Para estudiar la posición de una recta respecto de una elipse se resuelve el sistema formado por ambas ecuaciones: se despeja una variable de la recta, se sustituye en la elipse y queda una ecuación de segundo grado. El discriminante $\Delta$ decide:

  • $\Delta>0$: la recta es secante (dos puntos).

  • $\Delta=0$: la recta es tangente (un punto).

  • $\Delta<0$: la recta es exterior (ningún punto).

Un punto $(x_0,y_0)$ es interior, está en la elipse o es exterior según $\dfrac{x_0^2}{a^2}+\dfrac{y_0^2}{b^2}$ sea menor, igual o mayor que $1$.

Para las tangentes por un punto exterior $P$ se usa una recta de pendiente $m$ por $P$: $y-y_P=m(x-x_P)$. Se sustituye en la elipse y se impone $\Delta=0$; la ecuación en $m$ da las pendientes (hasta dos tangentes). Revisá también si la tangente vertical $x=x_P$ cumple, porque no tiene pendiente.

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Estudia la posición relativa de la recta de ecuación $2x + y - 5 = 0$ y la elipse $\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1$. Si se cortan, halla las coordenadas de los puntos…

Estudia la posición relativa de la recta de ecuación $2x + y - 5 = 0$ y la elipse $\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1$. Si se cortan, halla las coordenadas de los puntos de intersección.

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En un mecanismo de relojería, un engranaje tiene forma elíptica. Se sabe que su ecuación de contorno viene dada por $x^2 + 4y^2 = 16$. Se desea colocar un pequeño…

En un mecanismo de relojería, un engranaje tiene forma elíptica. Se sabe que su ecuación de contorno viene dada por $x^2 + 4y^2 = 16$. Se desea colocar un pequeño pasador en un punto de la elipse cuya abscisa sea el doble que su ordenada. Calcula las coordenadas de dicho punto (asumiendo que ambas son positivas) y la distancia exacta de este punto al centro del engranaje.

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Halla las ecuaciones de las rectas tangentes a la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{16} = 1$ que pasan por el punto exterior $P(0, 5)$.

Halla las ecuaciones de las rectas tangentes a la elipse de ecuación $\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{16} = 1$ que pasan por el punto exterior $P(0, 5)$.

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Determina las ecuaciones de las rectas tangentes a la elipse $x^2 + 2y^2 = 18$ que son paralelas a la recta de ecuación $x - y + 4 = 0$.

Determina las ecuaciones de las rectas tangentes a la elipse $x^2 + 2y^2 = 18$ que son paralelas a la recta de ecuación $x - y + 4 = 0$.

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Calcula los valores del parámetro $k$ para que la recta $x + 2y + k = 0$ sea tangente a la elipse de ecuación $x^2 + 4y^2 = 20$.

Calcula los valores del parámetro $k$ para que la recta $x + 2y + k = 0$ sea tangente a la elipse de ecuación $x^2 + 4y^2 = 20$.

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Problemas con elipses

En los problemas se traduce la situación a una ecuación ubicando los ejes y el centro, y se usa $c^2=a^2-b^2$ y la propiedad de la suma de distancias.

Para datos de puntos, se sustituyen en $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$ y se resuelve un sistema en $a^2$ y $b^2$ (conviene llamar $u=1/a^2$ y $v=1/b^2$, que da un sistema lineal). Para un rectángulo inscrito de lados paralelos a los ejes, un vértice es $(x,y)$ con $y=b\sqrt{1-x^2/a^2}$, y el área es $4xy$.

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Se quiere diseñar una ventana rectangular que esté inscrita en un hueco elíptico de ecuación $\frac{x^2}{16} + \frac{y^2}{9} = 1$. Los lados del rectángulo deben ser…

Se quiere diseñar una ventana rectangular que esté inscrita en un hueco elíptico de ecuación $\frac{x^2}{16} + \frac{y^2}{9} = 1$. Los lados del rectángulo deben ser paralelos a los ejes de la elipse. Si se desea que el rectángulo tenga un área total de $24\text{ m}^2$, ¿cuáles deben ser sus dimensiones exactas?

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Una plaza mayor tiene forma de elipse. Se quiere pavimentar un camino recto que una el foco situado más a la izquierda, $F_1$, con un punto $P$ de la elipse situado en…

Una plaza mayor tiene forma de elipse. Se quiere pavimentar un camino recto que una el foco situado más a la izquierda, $F_1$, con un punto $P$ de la elipse situado en el segundo cuadrante. Se sabe que el eje mayor de la plaza mide $100\text{ m}$ y el eje menor $60\text{ m}$. Si el ángulo que forma el segmento $F_1P$ con el semieje positivo de abscisas es de $60^\circ$, calcula la longitud exacta del camino pavimentado.

Plaza elíptica con camino recto pavimentado desde el foco F₁ hasta el punto PxyO2.º cuadrante100 m (eje mayor)60 m(eje menor)60°d = ?F₂F₁P
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Una elipse está centrada en el origen y sus ejes de simetría coinciden con los ejes de coordenadas cartesianas. Si se sabe que la elipse pasa por los puntos…

Una elipse está centrada en el origen y sus ejes de simetría coinciden con los ejes de coordenadas cartesianas. Si se sabe que la elipse pasa por los puntos $A(2, \sqrt{3})$ y $B(\sqrt{2}, \frac{\sqrt{15}}{2})$, halla la ecuación de la elipse y calcula la distancia exacta entre sus focos.

Resolver

Volvamos al principio: en una sala elíptica, el sonido que sale de un foco rebota en la pared y llega al otro foco. Todos los recorridos foco → pared → foco miden lo mismo, $2a$, así que los sonidos llegan juntos y se refuerzan.

Resumen

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