Dos diâmetros conjugados para os eixos

Há problemas em que se tem um par de diâmetros conjugados e se põe a questão de determinar os eixos. Vejamos um processo prático para determinar os eixos (Luís Veiga da Cunha. Desenho Técnico. Fundação Calouste Gulbenkian. Lisboa ).


[A.A.F.)

Sejam [AB] e [CD] um par de diâmetros conjugados. Após termos verificado que [CD] é o menor diâmetro, tomamo-lo como diâmetro de uma circunferência. Tracemos a mediatriz m de [CD] e os pontos K e L de intersecção de m com a circunferência. Por um dos extremos do diâmetro maior (A na imagem), tracemos as semi-rectas AK e AL. A bissectriz do ângulo KÂL dá a direcção do eixo maior. Já podemos traçar, com intersecção em O, o par de rectas perpendiculares (a azul) que contêm os eixos.

Sendo Q a intersecção da semi-recta AL com a recta que contém o eixo menor, |AQ| é o comprimento do semi-eixo maior |QL| é o comprimento do semi-eixo menor.

Diâmetros conjugados segundo Apolónio

Teoremas de Apolónio:

1. Numa elipse a soma dos quadrados de dois semi-diâmetros conjugados é constante e igual à soma dos quadrados dos dois semi-eixos: |AO|² + |CO|² = a² + b².
   Na construção que se segue, pode deslocar os pontos A, F₂ e V₁, confirmando esta afirmação.
   

[A.A.F.]
2. A área do paralelogramo construído sobre dois semi-diâmetros conjugados é constante e igual à área do rectângulo construído sobre os semi-eixos.
Pode deslocar os pontos A, F e V₁ para confirmar este resultado.
[A.A.F.] O mesmo se passa com a hipérbole. Pode deslocar S, V1, O e F2 para confirmar o resultado.
[A.A.F.]

Diâmetro conjugado

Seja [AB] um diâmetro; tracemos uma corda [PQ] paralela a AB; o ponto I de intersecção das tangentes em P e Q à cónica e o ponto O definem o diâmetro [CD] conjugado de [AB].



[A.A.F.]

Feixe harmónico: assintotas e diâmetros

Numa hipérbole, os pares de diâmetros conjugados são conjugados harmónicos em relação às assíntotas. Na construção que se segue, temos o diâmetro d₁ definido pelos pontos A e B; o seu conjugado d₂ é a recta que passa pelo centro e é paralela às tangentes à hipérbole em A e B. Ou seja, (a₁d₂a₂d₁) é um feixe harmónico o que se confirma verificando que determina numa recta r um quaterno harmónico (MNM'N'). [(a₁d₂a₂d₁) =(MNM'N')=-1]




[A.A.F.]


Na construção, pode deslocar os pontos M e M'.

Elipse: diâmetros conjugados

Na elipse da construção tomámos uma corda [AB] que (é polar) tem um pólo P exterior que é a intersecção das tangentes à cónica em A e em B.



[A.A.F.]

Na construção acima pode deslocar o ponto B: há uma posição em que a corda passa pelo centro O e se torna um diâmetro. Qual o seu pólo? Como as tangentes ficaram paralelas, o pólo P é o “ponto do infinito” dessa direcção (um ponto impróprio).
A polar do ponto do infinito da direcção definida pelas paralelas ao diâmetro [AB] vai ser o diâmetro [CD].




Mantenhamos a corda [AB] a passar pelo centro. Dois diâmetros, tais como [AB] e [CD] dizem-se “conjugados”: cada um é a polar da direcção definida pelo outro.

[A.A.F.]

---

É óbvio que, se dois diâmetros são conjugados, cada um bissecta as cordas paralelas ao outro: A.A.F. dixit

Conjugados e separação harmónica

Os pontos conjugados de uma secante p a uma elipse são conjugados harmónicos relativamente aos pontos R e S de intersecção de p com a elipse: (P’RMS) = -1.




[A.A.F.]

Elementos conjugados

Consideremos um ponto P e seja p a sua polar em relação à elipse. A polar p’ de um ponto P’ que pertence a p é uma recta que contem P. Os pontos P e P’ dizem-se conjugados; as rectas p e p’ são conjugadas. Na construção a seguir pode deslocar P.


[A.A.F.]


Dois pontos são conjugados se cada um pertence à polar do outro.
Duas rectas são conjugadas se cada uma passa pelo pólo da outra.
No triângulo [PP’M] cada vértice é o pólo do lado oposto; diz-se, por isso, autopolar.

Elipse: Da polar ao pólo

Dada uma recta p e uma elipse, determinar um ponto P que seja o pólo de p relativamente à elipse

Da polar ao polo

Apresentámos a determinação da polar de um ponto dado relativamente a uma cónica dada. Agora, aqui deixamos um exercício interactivo de determinação do pólo de uma recta dada relativamente a uma dada cónica.

Dada uma recta p e uma cónica c₁, determinar um ponto P que seja o pólo de p relativamente à cónica c₁







Nota: A construção deste exercício foi muito elucidativa das dificulades em trabalhar com reconhecimento de pontos obtidos por construções que recorram à incidência de um ponto sobre uma cónica qualquer. Embora ReC reconheça a incidência e faça deslizar um ponto sobre uma cónica não é garantido utilizar esse ponto ou as suas coordenadas aproximadas em ulteriores determinações delas dependentes.

Elipse: Polo (interior) e polar

Construção da polar de um ponto P interior.

Podemos utilizar o método do quadrilátero circunscrito.
Por P traçamos duas cordas [AC] e [BD]. As tangentes à elipse nos extremos das cordas formam um quadrilátero completo. Os vértices M e N determinados por lados opostos do quadrilátero definem a polar de P.



[A.A.F.]

Repare-se que BC e AD se intersectam sobre a polar de P e, obviamente, o mesmo acontecerá com a intersecção de AB com CD.

Podíamos ter optado pelo quadrilátero inscrito determinado pelos extremos das cordas, o que nos poupa da determinação de tangentes à elipse.

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Esta construção serve tambem para determinar o polo de uma recta exterior relativamente a uma elipse.

Elipse: Polo e polar

Construção da polar de um ponto P exterior

- Método das tangentes: traçamos por P as tangentes à cónica; os pontos de tangência definem a polar.

[A.A.F.]
< - Método do quadrilátero: por P traçamos duas secantes; as intersecções com a cónica determinam um quadrilátero; os dois pontos de intersecção dos lados opostos definem a polar de P.



[A.A.F.]

Cónicas: pólo e polar

Há cerca de um ano atrás, decidimos dar uma determinada orientação a este blogue. De facto, estava a iniciar-se uma "febre" de resolução de problemas de geometria no "Geometriagon" (http://www.polarprof.org/geometriagon/default.asp). Atendendo a que muitos dos problemas exigiam o conhecimento de conceitos geométricos (e propriedades) muito afastados dos actuais programas escolares, considerámos que seria desejável fornecer instrumentos de trabalho para evitar frustrações...

Recentemente têm aparecido no "Geometriagon" uma série de problemas referentes a cónicas que exigem o conhecimento de questões tais como razões harmónicas, polos e polares, elementos conjugados, projectividades, involuções. Daí estarmos a desenvolver tais assuntos na medida em que vão ser necessários para resolver os problemas propostos.
Voltemos, então, às cónicas como foi prometido.

Polo e polar relativamente à elipse

Tomemos um ponto P e uma elipse. Façamos passar por P uma secante s à elipse; sejam A e B os pontos de intersecção. Determinemos o conjugado harmónico P' de P em relação a A e B. Para toda a secante por P à elipse é possível determinar o conjugado harmónico P' de P em relação aos pontos de intersecção.

Demonstra-se que o lugar geométrico de tais conjugados harmónicos é uma recta p que se diz polar de P em relação à elipse; P é o polo de p.
Se P é ponto da cónica, a sua polar é a tangente em P.


[A.A.F.] Ao deslocar o ponto B da elipse, verificará que o conjugado P' de P em qualquer dos quartetos harmónicos da figura vai estar sobre uma reta p. Deslocando P para tomar posições quaisquer no exterior da elipse verificará que a cada posição de P corrresponde um ponto P' e que ao deslocar B verificará que P' tomará, como é de esperar, posições sobre a mesma reta - polar de P.

Círculo polar

Publicamos um exemplo de exercício interactivo em que se aplicam definições de polar de um ponto (relativamente a uma circunferência) como uma actividade de descontração no meio deum grande conjutno de resultados que nos vão levar de volta às cónicas.
Aqui fica: Dados dois pontos P e A, pretende-se determinar uma circunferência que passe por P e em relação à qual uma recta a dada é a polar de A.

Polaridade

Polar de um ponto em relação a duas rectas

Tomemos um ponto P e duas rectas r e r' concorrentes em O. Façamos passar por P uma recta s que intersecta r e r' em A e B; determinemos o conjugado harmónico, P', de P em relação a A e a B: (PP'AB) = -1.
Qual será o lugar geométrico dos pontos P' conjugados harmónicos de P em relação aos pontos A e B quando s varia?
Demonstra-se que é uma recta d´definida por P' e O. Diz-se que d' é a polar do ponto P em relação às rectas r e r'.





Se a polar de P passa por P', a polar de P' passa por P.

Considerámos duas rectas concorrentes. Se as rectas são paralelas mantém-se o que foi dito.

Polar de um ponto em relação a uma circunferência

Tomemos um ponto P e uma circunferência (c). Façamos passar por P uma secante s à circunferência; sejam A e B os pontos de intersecção. Determinemos o conjugado harmónico P' de P em relação a A e B. Para toda a secante por P à circunferência é possível determinar o conjugado harmónico P' de P em relação aos pontos de intersecção. Demonstra-se que o lugar geométrico de tais conjugados harmónicos é uma recta p que se diz polar de P em relação à circunferência; P é o polo de p.





Para determinar a polar de P, basta fazer passar por P duas secantes e determinar os dois conjugados harmónicos de P. Claro que se traçarmos as tangentes ªa circunferência por P, a polar é definida pelos pontos de tangência.

Considerámos o ponto P exterior à circunferência. Se P for interior, a polar será uma recta exterior.

Se P é ponto da circunferência, a sua polar é a tangente à circunferência em





Um exemplo notável de polo e polar: já foi referido que, na elipse e na hipérbole, cada directriz é a polar do foco correspondente em relação ao círculo principal.

Pontos conjugados em relação a uma circunferência: A e B são conjugados se a polar de cada um passa pelo outro.
Rectas conjugadas em relação a uma circunferência: a e b são conjugadas se o polo de cada uma pertence à outra.

A razão positiva

Se a razão dupla anarmónica (ABCD) = k for positiva, C e D não separam A e B, que é o mesmo que dizer que C e D ou estão ambos entre A e B ou ambos fora do segmento [AB].
Para determinar um quaterno anarmónico de razão dupla positiva, por exemplo, (ABCD)=1/4, basta fazer uma construção semelhante à que fizemos no artigo anterior, mas em que tomamos sobre a recta tirada por A dois segmentos 4 para 1 num dos semiplanos definidos pela recta dos pontos AB.
Assim:


[A.A.M.]
Na nossa construção pode fazer variar a recta m (AMN) e os pontos A, B e C.

Razão anarmónica

Até agora temos vindo a considerar casos de divisão e separação harmónica em que a razão dupla de quatro pontos colineares (ABCD) =(|AC|/ |BC|) / (|AD|/ |BD|)= 1, (ou -1, considerando os vectores).

Podemos considerar casos de divisão e separação não harmónica em que a razão dupla (ABCD)=k diferente de -1. Dizemos que tal razão é anarmónica. Interessante é saber determinar o quarto anarmónico, isto é, determinar sobre uma recta r, o ponto D assim relacionado com A, B e C: |AC|/|BC| = k. (|AD|/|BD|). Para o exemplo de construção que se segue, consideramos k=2 (k=-2, se considerássemos os vectores).



[A.A.M.]

Por A fazemos passar uma recta m qualquer em que marcamos dois segmentos na razão 2 para 1. Com o extremo do segmento 2 (de m) e o ponto C definimos uma recta n; n intersecta a recta p paralela a m tirada por B. Unindo esta intersecção (de m com p) ao extremo do segmento 1 de m, definimos uma recta que intersecta r no ponto D.

Nota: No caso da nossa construção, não haverá ponto próprio D, correspondendo a um ponto C que seja tal que |AC|=2.|BC|.

Feixes harmónicos

Se tivermos quatro pontos - A, B, C e D - colineares e tais que (ABCD)=-1, dizemos que um feixe de rectas paralelas ou concorrentes que passem por eles é um feixe harmónico e convencionamos escrever O(ABCD)= (abcd)=-1.


[AdAM]
Se um recta corta um feixe num quarteto harmónico convencionamos chamá-lo de feixe harmónico porque qualquer outra recta que corta o feixe o faz segundo um quarteto harmónico (a harmonia é invariante por projecção central ou paralela). Um exemplo simples e interessante de feixe harmónico é constituído por dois lados de um triângulo qualquer e as bissectrizes internas e externas do ângulo formado por esses dois lados.

Harmonia que se projecta

Se na recta r, C e D separam harmonicamente A e B, (ABCD)=-1, os seus transformados, por projecção de centro O sobre s, são tais que C' e D' separam harmonicamente A' e B'.


[A.dA.M.]
A razão harmónica é invariante por projecção (seja ela paralela, seja central). No caso, pode verificar que a razão harmónica se mantém invariante, quando desloca O (muda o centro da projecção), quando desloca S (faz variar a recta s), e ainda quando deslocar A, B ou C sobre a recta r.

Harmonia que se projecta

Se na recta r, C e D separam harmonicamente os pontos A e B, as imagens por projecção paralela sobre s, C' e D' separam harmonicamente os pontos A' e B'.



[A.dA.M.]
Na construção, pode deslocar os pontos A,B e C sobre r, bem como A' sobre s e mudando de uma para outra projecção paralela. Pode ainda verificar factos de que as harmonias se matem para cada ABC-->D depende de Q e A'B'C'-->D' não depende de T e variando as posições de P pode obter prova de que não depende do destino da projecção paralela.

Quadrilátero completo

Chamamos quadrilátero completo à figura formada por 4 rectas (lados) que se cortam duas a duas, de tal modo que haja 6 intersecções (vértices). Às 3 rectas definidas por vértices não consecutivos, damos o nome de diagonais e ao triângulo por elas formado, damos o nome de triângulo diagonal.


[A.A.M]
E, como é óbvio, cada diagonal é dividida harmonicamente pelas outras duas.
Usando a liberdade de C, D, E pode, sem mudar as posições de A e B, pode deslocar P até que coincida com a posição do ponto médio de [AB], e verá que CE fica paralelo a AB e deixamos de ter o triângulo diagonal (Q está no infinito ou, se quisermos, é um ponto impróprio).
Dito de outro modo, não falamos do conjugado harmónico de P relativamente a A e a B, se P for ponto médio de [AB] ( se fosse |AP|=|BP|, para haver conjugado harmónico de P relativamente a A e B, teria de haver em AB um ponto Q fora de [AB] tal que |AQ|=|BQ|).

Conjugados harmónicos, com régua

Sejam [AB] e P de [AB]. A partir de A e B construimos um quadrilátero completo de vértices A, B, C, D, E e F obrigando a que uma diagonal passe por P (E tem de ficar determinado sobre a recta PC). A outra diagonal DF intersecta AB em Q, que é o conjugado harmónico de P relativamente a A e B.



[A.A.M.]
Na figura, pode movimentar o ponto C e verificar que as mudanças no quadrilátero não influenciam e para um ponto fixo P há um só conjugado Q. Movimentando o ponto P verifica que as variações de comprimentos dos vectores não prejudicam a igualdade das razões. Para cada ponto P há um conjugado Q relativamente a A e B.
Claro que também pode movimentar A e B e verificar que para cada par (A,B) há um conjugado de P.

---

À margem:
Estas entradas sobre divisões harmónicas resolvem problemas de divisão e multiplicação de segmentos (em linha).
Se P e Q são conjugados harmónicos relativamente a A e B, |AP|/|BP|=|AQ|/|BQ|. Por exemplo, dizer que |AP|/|BP|=3 é o mesmo que dizer |AB|=4|BP| e determinar o conjugado de P é determinar um ponto Q tal que |AQ|=3|BQ|.
|AB|=|AQ|-|BQ|=2|BQ|, logo |AQ|=1,5|AB|

Conjugados harmónicos, com régua e compasso.

Sabendo que as bissectrizes do ângulo C de um triângulo [ABC] determinam sobre AB conjugados harmónicos relativamente a [AB], podemos tratar de encontrar um processo geral para determinar o conjugado de um ponto qualquer da recta AB relativamente a A e B.

Tomando a mediatriz de [AB] e uma circunferência que passe por A e B, bem como o diâmetro [MN] sobre a mediatriz , a recta que passa por M e qualquer ponto P entre A e B é a bissectriz de um ângulo ACB, em que C é um ponto de MP sobre a circunferência. A recta NC é bissectriz externa do mesmo ângulo e, por isso, intersecta AB em Q que é o conjugado de P. De modo análogo, podemos partir de um ponto exterior a [AB] unindo-o a N para determinar o seu conjugado relativamente a A e B.

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Passos da construção com régua e compasso:

• de n=1 a n=5 determina-se o conjugado de um ponto do segmento [AB];
• de n=6 até n=10 determina-se o conjugado de um ponto da reta AB exterior ao segmento [AB]

[AdAM]

Na figura, pode movimentar o centro O da circunferência e verificar que para um ponto fixo P há um só conjugado Q. Ao movimentar o ponto P verifica que para cada ponto P há um conjugado Q. Pode também movimentar A e B.

harmonia triangular

Seja o triângulo [ABC] e as bissectrizes interna e externa do ângulo C que intersectam a recta AB em P (entre A e B) e Q. Estão dados os comprimentos |PA|, |PB|, |QA| e |QB|, para verificar que |PA|/|PB|= |QA|/|QB|. Pode mover os potos A, B sobre a recta r e C livremente na folha. Constatará que as razões se mantêm iguais.


[A.A.M.]

Quando há esta relação de igualdade entre as razões |PA|/|PB| e |QA|/|QB|, dizemos que é harmónica a separação operada por P e Q no segmento [AB] e que P e Q são conjugados harmónicos relativamente a A e B.

Para continuar as cónicas mais adiante

Só aparentemente é que vamos interromper a série de propridades e exercícios sobre cónicas. Para continuar esse trabalho, sentimos necessidade de fazer algumas viagens por conceitos que não são leccionados nas escolas portuguesas e são, por isso, estranhos à maioria dos leitores portugueses deste "blog".
Cónicas, até já!

Em busca da hipérbole IV

Traçar uma hipérbole de que se conhece um ponto Q, uma assíntota a₁ e uma directriz d₁.

Em busca da hipérbole III

Traçar uma hipérbole de que se conhece um ponto Q, uma assíntota a₁ e as duas directrizes, d₁ e d₂.

Em busca da hipérbole II

Determinar uma hipérbole de que se conhecem dois ponto P e Q, uma direcção assíntótica a₁ e a directriz d₁.

Em busca da hipérbole I

Apresentadas algumas propriedades das hipérboles, é altura de procurarmos uma ou outra a partir de alguns elementos.

Determinar a hipérbole que passa pelo ponto P, admite a₁ como assíntota e tem F₁ como foco.

Hipérbole: assintotas e directrizes.

Há problemas referentes a hipérboles em que é necessário calcular a excentricidade (e = c/a) ou a distância das directrizes a O (d = a/e = a^2/c). Pode utilizar-se o processo clássico de recurso ao teorema de Thales (a/c = 1/e, e/a = 1/d, c/a = a/d), como se ilustra na figura que se segue.
Há, porém, relações entre os elementos da hipérbole que permitem obter de modo muito mais simples a posição de uma directriz.


[A.A.F.]


Pelo foco F2 tiremos tangentes ao círculo principal; os pontos de tangência T1 e T2 definem a directriz d2. De facto, no triângulo [OT1F2] temos:
|OT'|/|OT1| = |OT1|/|OF2| ou |OT'|/a = a/c ou |OT'| = a^2/c

T' é a intersecção da directriz com o eixo transverso.
Pela forma como foi feita a construção, conclui-se que uma directriz da hipérbole é a polar do respectivo foco relativamente ao círculo principal.

---

A recta OT2 é assíntota. Basta notar que os triângulos [OT'T2] e [OV2J] são semelhantes.

---

A distância de um ponto P da hipérbole a um foco é igual à distância de P à directriz correspondente a esse foco, lida numa paralela, que passe por P, a uma assíntota.



[A.A.F.]

Por P tracemos uma paralela à assíntota a1. Por definição de hipérbole é |PF2|/|PP'| = c/a ou a/|PP'|=c/|PF2|. Porque os triângulos [PP'Q] e [OCF2] são semelhantes, é |OC|/|PP'|=|OF2|/|PQ|=|CF2|/|P'Q| ou a/|PP'| = c/|PQ|. Verifica-se, portanto, que |PF2| = |PQ|.

Da elipse para a hipérbole

A hipérbole pode ser definida como um lugar geométrico de pontos cuja diferença das distâncias a dois pontos, F e F', fixos é constante, 2a>0. Ou, dito de outro modo:
Dados dois pontos, F e F' e um segmento 2a de comprimento menor que |FF'|, ao lugar geométrico dos ponto P tais que |PF|+2a=|PF'| chamamos hipérbole.

Também interessa ter sempre presente, à semelhança do que dissémos para as outras cónicas, que

chamamos hipérbole ao lugar geométrico dos pontos cujas distâncias a um ponto (foco) e a uma recta (directriz) estão numa razão constante (maior que 1).

Por estas definições, se torna óbvio que às propriedades da elipse se podem associar propriedades análogas da hipérbole. Várias destas analogias podem ser vistas em ilustrações já publicadas neste "lugar geométrico".

O que foi referido para secantes e tangentes da elipse é aplicável com a adaptação conveniente a secantes e tangentes da hipérbole.

Nos artigos que se seguem, iremos tratar de propriedades da hipérbole que nos parecem merecer referência por não serem comuns à elipse real.

Elipses e triângulos

Mariana Sacchetti relacionou propriedades dos triângulos ou relações entre elementos dos triângulos com propriedades das elipses. Aqui deixamos a ligação a essa síntese:

Elipses e Triângulos

Clicando sobre elipses e triângulos pode descarregar o documento elaborado pela Mariana.

a recta que intersecta a parábola

Na sua "Geometria Métrica", Puig Adam mostra que o processo utilizado para determinar as intersecções de uma recta com a elipse ou hipérbole pode também ser usado para a parábola:



Suponhamos a parábola definida por F e directriz d. Determinar as intersecções da cónica com a recta r equivale a achar em r os centros das circunferências que passam por F e são tangentes à directriz.
Tomemos o simétrico S de F em relação a r. Toda a circunferência que passa por F e S tem o seu centro em r; reciprocamente, toda a circunferência que passa por F e tem centro em r passa por S. O problema equivale a achar os centros das circunferências que passam por F e S e são tangentes a uma recta dada (a directriz da parábola).
Seja M a intersecção de FS com d; o ponto T de tangência tem de verificar a condição MT^2 = MS.MF. Traçamos uma circunferência auxiliar que passe por F e S. Por M tiramos uma tangente à circunferência auxiliar e seja T' o ponto de tangência.

Os pontos P1 e P2 (caso existam) são as intersecções da recta com a cónica.

Elipse: Tangente por um ponto exterior

No 2º volume da GEOMETRIA MÉTRICA, já referenciada neste lugar algumas vezes, Puig Adam apresenta a determinação da tangente por um ponto, P, exterior a uma elipse de que se conhecem os focos e o eixo maior. Esta construção não exige a determinação de qualquer outro elemento da elipse. É elegante e simples.
Com centro num dos focos, por exemplo F₁, trace-se a circunferência directora (ou focal). A circunferência centrada em P e que passa por F₂ corta a anterior em dois pontos S₁ e S₂. As tangentes à eipse tiradas por P são as mediatrizes dos segmentos [ F₂ S₁] e [ F₂ S₂]. Para além do mais os pontos de trangência ficam determinados como intersecções dessas mediatrizes (tangentes) com os segmentos [ F₁ S₁] e [ F₁ S₂].

Elipse: Tangentes

1. Tangente num ponto da elipse

Obtemos a tangente no ponto P da elipse pelo processo já referido para a parábola: a tangente no ponto P é a bissectriz externa do ângulo F₁PF₂.




2. Tangente por um ponto exterior à elipse

Traçam-se duas circunferências: uma de centro P e raio PF₂; outra de centro F₂ e raio 2a = [V₁V₂]. Sejam R e s os seus pontos de intersecção; as rectas F₁R e F₁S intersectam a elipse nos pontos de tangência.



3. Tangentes paralelas a uma direcção r

Traçamos uma recta r' paralela a r; sejam A e B os seus pontos de intersecção com a elipse. A recta definida pelo centro O e pelo ponto M (ponto médio do segmento) determina sobre a elipse os pontos de tangência



(Fonte: "Desenho Técnico" de Luís Veiga Cunha)

Note-se que apenas conseguimos ter os pontos de tangência se tivermos a elipse desenhada. Será possível determinar os pontos de tangência sem ter a elipse?

4. Uma habilidade especial: obter os pontos de tangência sem ter a elipse!

Recordemos, antes de mais, que:
- se chama excentricidade ao quociente e = c/a;
- as directrizes são rectas perpendiculares ao eixo maior e cujas abcissas são x = - a/e e x = a/e; a razão das distâncias de cada ponto da elipse a um foco e à directriz correspondente é constante e igual à excentricidade e.

Uma elipse está definida pelo ponto F, pela excentricidade e e pela directriz d. Determinar a(s) tangente(s) à elipse tirada(s) pelo ponto P, exterior, e o(s) respectivo(s) ponto(s) de contacto.

Seja C o pé da perpendicular baixada de P para d. Tracemos a circunferência de centro P e raio PC.e. Por F tracemos uma tangente a essa circunferência que intersecta d em D: a recta DP é a tangente t à elipse. Por F tiremos uma perpendicular a FD: o pé da perpendicular é o ponto T de tangência.

+


Claro que, sendo o ponto P exterior à elipse, haverá outra tangente à circunferência tirada por F, logo haverá outra solução,

(Fonte "Géometrie" , Th Caronnet)

Elipse: determinação de pontos

Os vértices do eixo maior e os focos de uma elipse definem univocamente todos os seus pontos. Em desenho geométrico é sempre apresentado o seguinte processo de determinação de pontos:




Tomado um ponto X qualquer de [V₁V₂], são pontos da elipse os pontos de intersecção da circunferência de centro em F₁ e raio |XV₁| com a circunferência de centro em F₂ e raio |XV₂|.

Há outras formas de determinar pontos da elipse já apresentados neste lugar geométrico. Um dos mais interessantes, recorre às duas circunferências cujos diâmetros são os eixos da elipse. Tomado um raio que corte em Y o círculo menor e em X o círculo maior é ponto da elipse aquele que tem ordenada (?) de Y e abcissa(?) de X.

Pode ver ilustração destas construções de pontos em duplo andamento

Elipse: dos focos e da tangente aos vertices

De uma elipse, conhecemos os focos e uma tangente. Propomos que determine os vértices do eixo menor.

Exercício interactivo:

Elipse: um ponto, um vértice e um foco -> outro foco

De uma elipse, conhecemos um ponto, um vértice do eixo menor e um foco. Propomos que determine o outro foco.

Exercício interactivo:

Elipse: de uma tangente e vértices aos focos

De uma elipse, conhecemos os vértices do eixo menor e uma tangente. Propomos que determine os focos.

Exercício interactivo:

Elipse: de uma tangente e vértices aos focos

De uma elipse, conhecemos os dois vértices do eixo maior e uma tangente. Propomos que determine os focos.

Exercício interactivo

Elipse: de uma tangente ao foco que falta

De uma elipse, conhecemos um dos vértices, um dos focos e uma tangente. Propomos que determine o outro foco.

Exercício interactivo:

Elipse: dos vértices à tangente

De uma elipse, conhecemos os quatro vértices e um ponto M. Propomos que determine a tangente à elipse em M.

Exercício interactivo:

Algumas propriedades da elipse

1. Tome-se a normal e a tangente num ponto M da elipse. A circunferência circunscrita ao triângulo formado por M e pelas intersecções T da tangente e N da normal com a recta que contém o eixo menor passa pelos focos.




[A.A.F.]

2. Se o vértice de um ângulo recto percorre o círculo principal mantendo~se um dos lados a passar por um foco, o outro lado é envolvente da elipse.




[A.A.F.]
Ilustramos, a seguir, as duas propriedades:

3. Os pés das perpendiculares às tangentes tiradas pelos focos são pontos do círculo principal.



4. Para uma dada elipse, o lugar geométrico dos simétricos F' de um foco F₁, relativamente às tangentes, é uma circunferência centrada no outro foco F₂ e cujo raio é o eixo maior (círculo director) (Dualmente: As perpendiculares a uma tangente da elipse tiradas por pontos do círculo director passam pelos focos.)

Pode clicar sobre o ponto P ou T para animar a contrução.



[A.A.F.]

A elipse

Sobre a elipse há, neste lugar geométrico, muitas entradas. Nas próximas entradas, vamos propor exercícios interactivos sobre elipses.

a elipse em dois andamentos

o ponto da escada que desliza

elipse inscrita num paralelogramo

elipse como envolvente

dos focos aos vértices da elipse

a recta que intersecta a cónica

Nesta entrada, lembramos ou relembramos algumas formas mais comuns de chegar à elipse, bem como as propriedades.

Uma elipse pode ser definida como lugar geométrico de pontos

cuja soma das distâncias a dois pontos dados é uma determinada constante;

Tomando dois pontos F e F' , chamados focos e designando por 2c=|FF'|, os pontos P de uma elipse serão tais que |FP|+|F'P|= 2a >2c (2a é o que chamamos eixo maior)

cuja razão das distâncias a um ponto e a uma recta é uma determinada constante;

A parábola de outros tempos, aqui

Antes de dar por finda esta sucessão de referências a parábolas, convém lembrar que animações e problemas com parábolas foram aparecendo ao longo dos tempos neste lugar geométrico. Recuperamos aqui algumas das referências ao passado, para que possam ser visitadas em romagem:

1. Parábola simples (animação; cinderella)


2. Parábola como envolvente (animação; cinderella)


3. Parábola como lugar geométrico dos pontos (x,x²)


4. Parábola como lugar geomético dos pontos (x, √x) e sua inversa


5. Parábola exinscrita a um triângulo

Uma propriedade magnífica

Cada trio de tangentes a uma parábola de foco F forma um triângulo cujo círculo circunscrito passa por F. Os três pés das perpendiculares tiradas por F a essas tangentes à parábola estão sobre a tangente à parábola no seu vértice. O que significa que para qualquer trio de tangentes, os pés das perpendiculares tiradas por F estão sobre a tangente ao vértice
Os pontos médios das diagonais de cada um dos quadriláteros de tangentes estão sobre uma paralela ao eixo da parábola - recta de Newton.



[A.A.F.]

A parábola das duas tangentes

Se tivermos duas tangentes - t₁ e t₂ - a uma parábola e conhecermos os respectivos pontos de tangência - T₁ e T₂ - podemos determinar o foco F e a tangente à parábola tirada pelo seu vértice.
É o que lhe propomos que faça no exercício interactivo que se segue:
0

Triângulo de tangentes da parábola

Se tivermos duas tangentes t₁ e t₂ a uma parábola, a circunferência que passa pelo ponto T de tangência de t₁ e é tangente a t₂ no ponto A de intersecção de t₁ com t₂ contém o foco F. A animação seguinte ilustra essa propriedade.



E estamos em boas condições de resolver o problema seguinte:

De uma parábola de que se conhecem três tangentes - AB, BC e CA - e o ponto T de tangência de BC, determinar o foco e a tangente no seu vértice.

Parábolas definidas por tangentes

Propomos um novo problema sobre parábolas definidas por tangentes. Antes, porém, lembramos algumas propriedades:

1. O lugar geométrico dos simétricos do foco relativamente às tangentes da parábola é a sua directriz.
2. O lugar geométrico dos pés das perpendiculares às tangentes tiradas pelo foco é a tangente no vértice.



3. O lugar geométrico dos focos das parábolas tangentes a três rectas dadas é o círculo circunscrito definido pelos três pontos de intersecção das rectas.



Problema: Determinar o foco e a tangente no vértice de uma parábola tangente a quatro rectas dadas: t₁, t₂, t₃ e t₄.


%

De dois pontos da parábola ao foco

Consideremos uma parábola em que d é a directriz, V é o vértice e F é o foco; sejam A e B pontos da parábola e designemos por p o parâmetro da parábola (p - distância da directriz ao foco). Chamemos T ao ponto de intersecção da tangente em A com o eixo da parábola.

Demonstra-se que:

(a) Se M é o ponto médio de [AB], os pés das perpendiculares tiradas por M a AB e ao eixo da parábola distam p.
(b) Se A₁ é o pé da perpendicular baixada de A para o eixo, um ponto do eixo que diste p de A₁, está sobre a normal à parábola em A; a perpendicular à normal é a tangente em A.
(c) O ponto médio do segmento TA₁ é o vértice V.

que o ajuda a resolver um problema de enunciado simples e atraente:

Determinar o foco de uma parábola de que são dados o eixo e dois pontos, A e B.

O que se pode tirar de dois pontos de uma parábola

A construção seguinte ilustra uma propriedade da parábola muito interessante que permite determinar a distância do foco à directriz se conhecermos o eixo e dois dos seus pontos.


[A.A.F.]
Tomados dois pontos A e B da parábola, consideremos o ponto M médio de [AB]. As perpendiculares tiradas por M a AB e ao eixo da parábola intersectam o eixo em dois pontos P e Q tais que |PQ|=p que é a distância de F a d.

NOTA DE CONTROLE:
Desloque A e B (livremente sobre a parábola) para verificar que o processo conduz a um segmento de comprimento constante.