Fórmulas de Geometria Analítica

As fórmulas das aulas desta matéria, com as condições que tornam cada relação válida.

1Plano cartesiano e estudo do ponto

Coordenadas de um ponto

P=(x,y),x,y∈RP=(x,y),\quad x,y\in\mathbb R

P nomeia o ponto. x é a abscissa, lida no eixo horizontal; y é a ordenada, lida no vertical. ℝ é o conjunto dos reais e ∈ significa pertence. O par é ordenado: a primeira coordenada e a segunda têm funções diferentes. Com decimais, podemos separar as coordenadas por ponto e vírgula.

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Origem e pertencimento aos eixos

O=(0,0)P∈Ox  ⟺  y=0P∈Oy  ⟺  x=0\begin{gathered}O=(0,0)\\P\in Ox\iff y=0\\P\in Oy\iff x=0\end{gathered}

Ox é o eixo horizontal e Oy, o vertical; O é a origem. ∈ significa pertence e ⇔ significa se, e somente se. A origem pertence aos dois eixos. Pontos sobre os eixos não pertencem a nenhum quadrante.

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Sinais nos quatro quadrantes

xyI++II−+III−−IV+−\begin{array}{c|cc}&x&y\\I&+&+\\II&-&+\\III&-&-\\IV&+&-\end{array}

Os quadrantes são numerados a partir da região superior direita, no sentido anti-horário. + significa estritamente positivo e −, estritamente negativo. Coordenada zero coloca o ponto em um eixo, e não no interior de um quadrante.

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Igualdade de pontos no mesmo referencial

(a,b)=(c,d)  ⟺  a=c e b=d(a,b)=(c,d)\iff a=c\text{ e }b=d

As letras são coordenadas reais no mesmo sistema. Compare primeira com primeira e segunda com segunda. As duas igualdades precisam valer ao mesmo tempo; trocar as coordenadas não preserva um ponto em geral.

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Projeções perpendiculares sobre os eixos

P=(x,y)Px=(x,0),Py=(0,y)\begin{gathered}P=(x,y)\\P_x=(x,0),\quad P_y=(0,y)\end{gathered}

Pₓ e Pᵧ nomeiam os pés das perpendiculares aos eixos, não são os valores numéricos x e y. Na projeção sobre Ox, conserve x e zere y; sobre Oy, conserve y e zere x. Os eixos são perpendiculares.

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Distâncias de um ponto aos eixos

d(P,Ox)=∣y∣,d(P,Oy)=∣x∣d(P,Ox)=|y|,\quad d(P,Oy)=|x|

P=(x,y) em um sistema cartesiano ortogonal com a mesma unidade de comprimento nos dois eixos. | | é o módulo: o valor não negativo da medida. A distância ao eixo horizontal usa a coordenada vertical; a distância ao vertical usa a horizontal.

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Variações das coordenadas de A para B

A=(xA,yA), B=(xB,yB)Δx=xB−xAΔy=yB−yA\begin{gathered}A=(x_A,y_A),\ B=(x_B,y_B)\\\Delta x=x_B-x_A\\\Delta y=y_B-y_A\end{gathered}

Δ, lido delta, indica variação: valor final menos inicial. Os índices A e B identificam os pontos, não potências. As variações têm sinal e podem ser zero. Ao inverter o percurso, ambas trocam de sinal, mas a distância entre os pontos não muda.

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Distância em um segmento horizontal

yA=yB⟹d(A,B)=∣xB−xA∣y_A=y_B\Longrightarrow d(A,B)=|x_B-x_A|

A e B têm a mesma ordenada, no mesmo referencial. O módulo impede uma medida negativa e dá zero se os pontos coincidirem. Sem a hipótese de mesma ordenada, a expressão mede somente a separação horizontal.

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Distância em um segmento vertical

xA=xB⟹d(A,B)=∣yB−yA∣x_A=x_B\Longrightarrow d(A,B)=|y_B-y_A|

A e B têm a mesma abscissa. Se ambas as coordenadas coincidem, a distância é zero. Sem a hipótese de mesma abscissa, a expressão mede somente a separação vertical.

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Distância euclidiana entre dois pontos

d(A,B)=(xB−xA)2+(yB−yA)2d(A,B)=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}
d(A,B)=(xB−xA)2+(yB−yA)2\begin{gathered}d(A,B)=\\\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}\end{gathered}

A e B são pontos reais em eixos perpendiculares com a mesma unidade de comprimento. A raiz é a principal, não negativa. O radicando é sempre não negativo; a distância é zero exatamente quando A=B. A fórmula vem de Pitágoras e também vale nos casos horizontal e vertical.

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Distância até a origem

d(O,P)=x2+y2d(O,P)=\sqrt{x^2+y^2}

O=(0,0) e P=(x,y), no mesmo sistema ortogonal e com unidades compatíveis. O resultado é não negativo. Apenas uma coordenada, ou a soma de seus módulos, não fornece em geral essa distância em linha reta.

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Comparar distâncias pelos quadrados

d(P,A)=d(P,B)  ⟺  d(P,A)2=d(P,B)2d(P,A)=d(P,B)\iff d(P,A)^2=d(P,B)^2

As distâncias são reais e não negativas, por isso elevar ao quadrado conserva a equivalência. Uma equação geral com expressões de qualquer sinal exige outras verificações. Equidistante significa estar à mesma distância dos pontos indicados, sem garantir que P seja o ponto médio.

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Reflexões nos eixos e na origem

P=(x,y)imagemOx(x,−y)Oy(−x,y)O(−x,−y)\begin{array}{c|c}P=(x,y)&\text{imagem}\\Ox&(x,-y)\\Oy&(-x,y)\\O&(-x,-y)\end{array}

A reflexão em Ox preserva a coordenada horizontal e troca o sinal da vertical; em Oy ocorre o contrário. A simetria central de centro O troca os dois sinais. Um ponto sobre o eixo de reflexão fica fixo; na simetria central, somente O fica fixo.

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Coordenadas do ponto médio

M=(xA+xB2,yA+yB2)M=\left(\frac{x_A+x_B}{2},\frac{y_A+y_B}{2}\right)

M pertence ao segmento AB e satisfaz AM=MB. Calcule separadamente a média das abscissas e a média das ordenadas. Para A=B, a expressão ainda dá o próprio ponto. Ser equidistante dos extremos sem pertencer ao segmento não caracteriza o ponto médio.

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Recuperar um extremo pelo ponto médio

xB=2xM−xAyB=2yM−yA\begin{gathered}x_B=2x_M-x_A\\y_B=2y_M-y_A\end{gathered}

A e M são conhecidos e M é o ponto médio de AB. As igualdades resultam de multiplicar cada média por dois e subtrair a coordenada de A. Não multiplique apenas uma parcela do numerador por dois.

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Percorrer o segmento de A para B

P=(xA+t(xB−xA),yA+t(yB−yA))0≤t≤1\begin{gathered}P=(x_A+t(x_B-x_A),\\y_A+t(y_B-y_A))\\0\le t\le1\end{gathered}

t é um parâmetro real que representa a fração do percurso: t=0 dá A e t=1 dá B. Para A≠B, 0<t<1 dá pontos internos; t fora de [0,1] dá pontos da reta fora do segmento. O mesmo t deve funcionar nas duas coordenadas. Se A=B, a expressão é sempre A.

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Divisão interna de um segmento em uma razão

APPB=r>0t=r1+rP=(xA+rxB1+r,yA+ryB1+r)\begin{gathered}\frac{AP}{PB}=r>0\\t=\frac{r}{1+r}\\P=\left(\frac{x_A+rx_B}{1+r},\frac{y_A+ry_B}{1+r}\right)\end{gathered}

A≠B, P é interno ao segmento e AP,PB indicam comprimentos positivos. r é AP dividido por PB, nessa ordem; não é a fração do percurso inteiro. t=AP/AB. O denominador 1+r é positivo; r=1 fornece o ponto médio.

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Divisão externa com razão de comprimentos

APPB=r>0,r≠1t=rr−1P=(rxB−xAr−1,ryB−yAr−1)\begin{gathered}\frac{AP}{PB}=r>0,\quad r\ne1\\t=\frac r{r-1}\\P=\left(\frac{rx_B-x_A}{r-1},\frac{ry_B-y_A}{r-1}\right)\end{gathered}

A≠B e P está na reta AB, fora do segmento. Para r>1, t>1 e P fica além de B; para 0<r<1, t<0 e P fica além de A. A razão usa comprimentos sem sinal. Não existe ponto externo finito com AP=PB para extremos distintos. Esta fórmula não substitui a da divisão interna.

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Baricentro de um triângulo

G=(xA+xB+xC3,yA+yB+yC3)G=\left(\frac{x_A+x_B+x_C}{3},\frac{y_A+y_B+y_C}{3}\right)

A,B,C são vértices não colineares de um triângulo. G é o encontro das três medianas e divide cada uma na razão 2:1 a partir do vértice. Mediana liga um vértice ao ponto médio do lado oposto. A média de três pontos colineares existe, mas não é chamada aqui baricentro de um triângulo não degenerado.

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Converter a distância da malha para o contexto

dreal=s dmalhad_{\text{real}}=s\,d_{\text{malha}}

s>0 é o comprimento real de uma unidade coordenada, na mesma unidade em ambos os eixos. Um desenho ampliado na tela não altera as coordenadas. Eixos com grandezas distintas, como tempo e preço, não representam automaticamente distâncias físicas por Pitágoras.

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Trajeto por direções paralelas aos eixos

L=∣Δx∣+∣Δy∣L=|\Delta x|+|\Delta y|

L é o menor comprimento de um percurso de A a B que usa somente trechos horizontais e verticais sem desvios ou impedimentos, na mesma unidade dos eixos. Não é em geral a distância euclidiana em linha reta; com obstáculos ou voltas, o trajeto pode ser maior.

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2Reta

Equação de uma reta horizontal

y=ky=k

k é real fixo; x percorre todos os reais. A ordenada é constante e o coeficiente angular é zero. Para k=0, a reta é o próprio eixo Ox. Não confunda y=k com x=k.

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Equação de uma reta vertical

x=hx=h

h é real fixo; y percorre todos os reais. A abscissa é constante e não existe coeficiente angular real: a divisão Δy/Δx teria denominador zero para dois pontos distintos. Para h=0, a reta é Oy.

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Coeficiente angular por dois pontos

m=yB−yAxB−xA,xB≠xAm=\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A},\quad x_B\ne x_A

A e B são pontos distintos de uma mesma reta não vertical, em ordem correspondente nas duas diferenças. m é a variação vertical por unidade de variação horizontal. Inverter a ordem nos dois lugares mantém m; inverter somente em um troca seu sinal.

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Variações em uma reta não vertical

Δy=mΔx\Delta y=m\Delta x

Δ, lido delta, indica final menos inicial. A relação vale entre pontos de uma reta não vertical de coeficiente angular m. m não depende do par de pontos distintos escolhido nessa reta; isso expressa uma taxa constante.

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Sentido da reta quando x aumenta

m>0y aumentam=0y constantem<0y diminui\begin{array}{c|c}m>0&y\text{ aumenta}\\m=0&y\text{ constante}\\m<0&y\text{ diminui}\end{array}

A reta é não vertical e comparamos pontos com x crescente. O sinal de m, e não o sinal de uma coordenada isolada, determina o comportamento. Uma reta vertical não é classificada por m=0.

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Inclinação e tangente

m=tan⁡θ,θ≠90∘m=\tan\theta,\quad\theta\ne90^\circ

θ, lido teta, é a inclinação, medida no sentido anti-horário a partir do sentido positivo de Ox, com 0°≤θ<180°. O sistema é ortogonal e a medida geométrica do ângulo usa a mesma escala nos dois eixos. Horizontal tem θ=0°; vertical tem θ=90° e tangente indefinida. Para 90°<θ<180°, m é negativo.

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Reta por um ponto e um coeficiente angular

y−y0=m(x−x0)y-y_0=m(x-x_0)

P₀=(x₀,y₀) é um ponto conhecido e m é real. A fórmula representa a única reta não vertical com esses dados e inclui P₀, onde ambos os lados são zero. Não divida por x−x₀ e elimine esse ponto. Para reta vertical por P₀, use x=x₀.

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Forma reduzida da reta

y=mx+ny=mx+n

m e n são reais fixos. m é o coeficiente angular; n é o coeficiente linear, a ordenada do ponto (0,n) de interseção com Oy. Não é, em geral, a abscissa onde a reta cruza Ox. Toda reta não vertical admite essa forma, incluindo a horizontal m=0.

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Determinar o coeficiente linear

n=y0−mx0n=y_0-mx_0

m é conhecido e P₀=(x₀,y₀) pertence à reta não vertical. Substitua em y₀=mx₀+n e subtraia mx₀. As coordenadas de outro ponto conhecido precisam satisfazer a mesma equação.

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Forma geral e sua condição

ax+by+c=0,(a,b)≠(0,0)ax+by+c=0,\quad(a,b)\ne(0,0)

a,b,c são reais fixos, com a e b não simultaneamente nulos. x,y são as coordenadas variáveis. A condição impede confundir uma reta com o plano inteiro ou o conjunto vazio. Multiplicar os três coeficientes por um mesmo real não nulo representa a mesma reta.

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Da forma geral à reduzida

b≠0:y=−abx−cbm=−a/b,n=−c/b\begin{gathered}b\ne0:\quad y=-\frac abx-\frac cb\\m=-a/b,\quad n=-c/b\end{gathered}

Isole by e divida a igualdade inteira por b≠0. Se b=0, a condição da forma geral exige a≠0 e a reta é vertical, x=−c/a; não tente usar as duas frações acima.

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Quando os coeficientes de x e y são zero

a=b=0c=0: R2c≠0: ∅\begin{gathered}a=b=0\\c=0:\ \mathbb R^2\\c\ne0:\ \varnothing\end{gathered}

A igualdade ax+by+c=0 vira c=0. Se c=0, qualquer par real serve, formando o plano inteiro ℝ². Se c≠0, nenhum serve e o conjunto é vazio, ∅. Nenhuma dessas situações representa uma reta.

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Forma geral por dois pontos distintos

(yA−yB)x+(xB−xA)y+xAyB−xByA=0(y_A-y_B)x+(x_B-x_A)y+x_Ay_B-x_By_A=0
(yA−yB)x+(xB−xA)y+xAyB−xByA=0\begin{gathered}(y_A-y_B)x+(x_B-x_A)y\\+x_Ay_B-x_By_A=0\end{gathered}

A=(x_A,y_A) e B=(x_B,y_B) são distintos. A expressão vem de igualar os produtos cruzados dos deslocamentos, sem dividir por diferenças de coordenadas. Por isso cobre retas verticais e horizontais. Se A=B, todos os coeficientes ficam nulos e não há reta única determinada.

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Condição de alinhamento com uma base distinta

(xB−xA)(yC−yA)=(yB−yA)(xC−xA)\begin{gathered}(x_B-x_A)(y_C-y_A)\\=(y_B-y_A)(x_C-x_A)\end{gathered}

A≠B é a base que determina a reta; C está nessa reta exatamente quando a igualdade vale. Não há divisão, então ela inclui casos verticais e horizontais. Para uma lista com pontos repetidos, escolha primeiro uma base distinta; todos coincidentes não determinam uma reta única.

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Coeficientes de duas equações da mesma reta

(a′,b′,c′)=λ(a,b,c)λ≠0\begin{gathered}(a',b',c')=\lambda(a,b,c)\\\lambda\ne0\end{gathered}

As duas equações são de retas válidas. Multiplicar todos os coeficientes pelo mesmo real não nulo conserva todos os pontos e permite desfazer a operação. Para retas iguais, os trios são proporcionais. Multiplicar por uma expressão em x ou y, ou por zero, não é a mesma operação.

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Interseções com os eixos quando são únicas

X=(−ca,0),Y=(0,−cb)X=\left(-\frac ca,0\right),\quad Y=\left(0,-\frac cb\right)

Em ax+by+c=0, a fórmula de X exige a≠0 e a de Y exige b≠0. Elas vêm de substituir y=0 ou x=0. Se um denominador é zero, examine a equação: a reta pode não encontrar esse eixo ou coincidir com ele. Os interceptos são coordenadas com sinal, não comprimentos obrigatoriamente positivos.

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Forma segmentária

xp+yq=1,p,q≠0\frac xp+\frac yq=1,\quad p,q\ne0

A reta encontra Ox em (p,0) e Oy em (0,q), com interceptos reais não nulos. Para uma forma geral, isso exige a,b,c não nulos. Retas que passam pela origem, verticais e horizontais não admitem essa escrita com p e q reais não nulos. p ou q podem ser negativos.

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Equações paramétricas da reta

{x=x0+uty=y0+vtt∈R\begin{cases}x=x_0+ut\\y=y_0+vt\end{cases}\quad t\in\mathbb R

P₀=(x₀,y₀) pertence à reta, e o par de direção (u,v) não é (0,0). O mesmo t real é usado nas duas coordenadas. t não é automaticamente tempo nem distância. Se u=v=0, a imagem é apenas P₀, não uma reta.

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Direção e coeficiente angular

u≠0:m=vuu\ne0:\quad m=\frac vu

Na parametrização com direção não nula (u,v), u é a variação horizontal por unidade de t e v, a vertical. Se u=0, a reta é vertical; se v=0 e u≠0, é horizontal. Multiplicar u e v por um mesmo real não nulo conserva a reta, com outra numeração do parâmetro.

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Reta, segmento e semirreta pelo domínio

t∈Rreta0≤t≤1segmentot≥0semirreta\begin{array}{c|c}t\in\mathbb R&\text{reta}\\0\le t\le1&\text{segmento}\\t\ge0&\text{semirreta}\end{array}

Use P=P₀+t(u,v), com direção não nula. O segmento é de P₀ a P₀+(u,v); a semirreta parte de P₀ no sentido (u,v). Alterar o domínio altera o conjunto de pontos, mesmo que as expressões de x e y sejam iguais.

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Equação sem dividir pelas componentes da direção

v(x−x0)−u(y−y0)=0v(x-x_0)-u(y-y_0)=0

P₀ é conhecido e (u,v)≠(0,0). A equação descreve a reta da parametrização com t real irrestrito, inclusive se u=0 ou v=0. Se t estiver restrito, conserve também as restrições necessárias para representar apenas o trecho original.

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Forma simétrica com dois denominadores não nulos

x−x0u=y−y0v\frac{x-x_0}{u}=\frac{y-y_0}{v}

u≠0 e v≠0. As duas frações são o mesmo parâmetro t na reta completa. Se uma componente for zero, use as equações paramétricas ou a forma horizontal/vertical; não escreva divisão por zero.

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Pertencer à interseção de duas retas

{a1x+b1y+c1=0a2x+b2y+c2=0\begin{cases}a_1x+b_1y+c_1=0\\a_2x+b_2y+c_2=0\end{cases}

Cada equação deve representar uma reta válida. Um ponto comum satisfaz as duas simultaneamente. O sistema pode ter um ponto, nenhum ou infinitos. Não combine x de uma solução com y de outra; substitua o par final em ambas.

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3Posições relativas e distâncias

Posições de duas retas não verticais

m1≠m2concorrentesm1=m2, n1≠n2paralelas distintasm1=m2, n1=n2coincidentes\begin{array}{c|c}m_1\ne m_2&\text{concorrentes}\\m_1=m_2,\ n_1\ne n_2&\text{paralelas distintas}\\m_1=m_2,\ n_1=n_2&\text{coincidentes}\end{array}

As equações são y=m₁x+n₁ e y=m₂x+n₂, com coeficientes reais. Retas concorrentes têm um único ponto comum; coincidentes têm todos; paralelas distintas não têm ponto comum no plano. As verticais precisam ser tratadas por x=h ou pela forma geral.

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Teste de concorrência na forma geral

D=a1b2−a2b1D=a_1b_2-a_2b_1

r:a₁x+b₁y+c₁=0 e s:a₂x+b₂y+c₂=0 são retas válidas: cada par (aᵢ,bᵢ) é não nulo. D≠0 significa um único ponto comum. D=0 exige distinguir paralelismo e coincidência; não significa automaticamente retas distintas.

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Coordenadas da interseção quando D não é zero

x=b1c2−b2c1Dy=a2c1−a1c2D\begin{gathered}x=\frac{b_1c_2-b_2c_1}{D}\\y=\frac{a_2c_1-a_1c_2}{D}\end{gathered}

D=a₁b₂−a₂b₁≠0. Os cᵢ são os termos da forma com tudo à esquerda, ax+by+c=0. As fórmulas vêm da eliminação no sistema; substituir o par final nas duas equações evita erros de sinal.

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Distinguir coincidência sem dividir por coeficientes

a1b2−a2b1=0a1c2−a2c1=0b1c2−b2c1=0\begin{gathered}a_1b_2-a_2b_1=0\\a_1c_2-a_2c_1=0\\b_1c_2-b_2c_1=0\end{gathered}

Para duas retas válidas, as três igualdades simultâneas equivalem a trios de coeficientes proporcionais por um fator não nulo: as retas coincidem. Se a primeira vale e alguma das outras falha, são paralelas distintas. O teste evita razões com denominador zero.

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Paralela por um ponto, admitindo coincidência

a(x−x0)+b(y−y0)=0a(x-x_0)+b(y-y_0)=0

r:ax+by+c=0 é válida e P=(x₀,y₀) é conhecido. A equação conserva a direção de r e passa por P. É paralela distinta quando P não pertence a r; coincide com r quando P pertence. Se o enunciado exige reta distinta, verifique essa condição.

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Perpendicularidade por coeficientes angulares

m1m2=−1m_1m_2=-1

Ambas as retas precisam ser não verticais. Nesse caso são perpendiculares exatamente quando o produto vale −1. Para obter m₂=−1/m₁ é preciso ainda m₁≠0. Uma horizontal tem como perpendicular uma vertical, caso que essa escrita não cobre.

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Perpendicularidade na forma geral

a1a2+b1b2=0a_1a_2+b_1b_2=0

As duas equações gerais representam retas válidas, em eixos ortogonais com a mesma unidade de comprimento. O teste inclui horizontal com vertical e não exige divisão por coeficientes. Retas perpendiculares formam ângulo reto e são concorrentes no plano.

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Perpendicular por um ponto na forma geral

b(x−x0)−a(y−y0)=0b(x-x_0)-a(y-y_0)=0

r:ax+by+c=0 é válida e P=(x₀,y₀) é conhecido. A nova reta passa por P e é perpendicular a r, inclusive nos casos a=0 ou b=0. Os coeficientes (b,−a) são não nulos como par.

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Pares de direção e normal de uma reta

direc¸a˜o (b,−a),normal (a,b)\text{direção }(b,-a),\qquad\text{normal }(a,b)

Para ax+by+c=0, com (a,b)≠(0,0), um deslocamento (b,−a) conserva ax+by; o par normal (a,b) é perpendicular à direção. Normal significa perpendicular. Esses pares são deslocamentos, não pontos obrigatórios da reta.

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Menor ângulo por coeficientes angulares

tan⁡φ=∣m2−m11+m1m2∣\tan\varphi=\left|\frac{m_2-m_1}{1+m_1m_2}\right|

As duas retas são não verticais e 1+m₁m₂≠0. φ é o menor ângulo, 0°≤φ≤90°; o módulo escolhe a tangente não negativa. Se 1+m₁m₂=0, φ=90° e não se calcula essa divisão. Para direções paralelas, φ=0°.

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Menor ângulo na forma geral

cos⁡φ=∣a1a2+b1b2∣a12+b12a22+b22\cos\varphi=\frac{|a_1a_2+b_1b_2|}{\sqrt{a_1^2+b_1^2}\sqrt{a_2^2+b_2^2}}

As duas retas são válidas; eixos ortogonais, mesma unidade de comprimento; 0°≤φ≤90°. A expressão inclui verticais, paralelas e perpendiculares. O módulo fornece o menor ângulo entre as direções, não um ângulo orientado nem necessariamente o ângulo interno indicado em um polígono.

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Tangente do menor ângulo sem formas reduzidas

tan⁡φ=∣a1b2−a2b1∣∣a1a2+b1b2∣\tan\varphi=\frac{|a_1b_2-a_2b_1|}{|a_1a_2+b_1b_2|}

As retas são válidas e a₁a₂+b₁b₂≠0. Se esse denominador for zero, o ângulo é 90°. O numerador zero indica direções paralelas e φ=0°. A fórmula inclui retas verticais, desde que o denominador indicado não zere.

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Por que o pé da perpendicular é o ponto mais próximo

PQ2=PH2+HQ2≥PH2PQ^2=PH^2+HQ^2\ge PH^2

H pertence à reta r e PH é perpendicular a r; Q é qualquer ponto de r. A igualdade ocorre apenas para Q=H. Se P já pertence a r, H=P e a distância é zero. O argumento é euclidiano e usa Pitágoras.

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Projeção ortogonal de ponto sobre reta

K=ax0+by0+c,N=a2+b2H=(x0−aKN, y0−bKN)\begin{gathered}K=ax_0+by_0+c,\quad N=a^2+b^2\\H=\left(x_0-\frac{aK}{N},\ y_0-\frac{bK}{N}\right)\end{gathered}
K=ax0+by0+cN=a2+b2xH=x0−aKNyH=y0−bKN\begin{gathered}K=ax_0+by_0+c\\N=a^2+b^2\\x_H=x_0-\frac{aK}{N}\\y_H=y_0-\frac{bK}{N}\end{gathered}

P=(x₀,y₀), r:ax+by+c=0, (a,b)≠(0,0), portanto N>0. K é o resultado da substituição do ponto na expressão da reta, com sinal. H pertence a r e é o pé da perpendicular; quando K=0, H=P.

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Distância de ponto a reta

d(P,r)=∣ax0+by0+c∣a2+b2d(P,r)=\frac{|ax_0+by_0+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}

P=(x₀,y₀) e r:ax+by+c=0 é válida; eixos ortogonais e mesma unidade de comprimento. d≥0 e vale zero exatamente quando P pertence a r. O módulo é indispensável; multiplicar a equação inteira por qualquer real não nulo não altera a distância.

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Distâncias a retas horizontal e vertical

d(P,y=k)=∣y0−k∣,d(P,x=h)=∣x0−h∣d(P,y=k)=|y_0-k|,\quad d(P,x=h)=|x_0-h|

P=(x₀,y₀), h e k reais fixos, em eixos ortogonais de mesma unidade. Para Ox, k=0; para Oy, h=0. O comprimento considera apenas a coordenada que varia no trajeto perpendicular.

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Reflexão de um ponto em uma reta

P′=2H−P=(2xH−x0, 2yH−y0)P'=2H-P=(2x_H-x_0,\ 2y_H-y_0)

H é a projeção ortogonal de P na reta. A reflexão deixa H como ponto médio de PP′, com o segmento perpendicular ao eixo de reflexão. Se P pertence ao eixo, P′=P. Refletir não é apenas trocar sinais das coordenadas em uma reta qualquer.

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Distância entre paralelas com coeficientes igualados

d(r,s)=∣c2−c1∣a2+b2d(r,s)=\frac{|c_2-c_1|}{\sqrt{a^2+b^2}}

As equações precisam estar escritas ax+by+c₁=0 e ax+by+c₂=0, com exatamente os mesmos a,b e (a,b)≠(0,0). Normalize primeiro, inclusive os sinais. Se c₁=c₂, as retas coincidem e d=0; concorrentes também têm distância mínima zero, mas não se usa esta fórmula nelas.

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Pontos a uma distância fixa de uma reta

ax+by+c=±da2+b2ax+by+c=\pm d\sqrt{a^2+b^2}

r é válida e d≥0 é a distância desejada, na mesma unidade das coordenadas. Para d>0, as duas escolhas do sinal dão duas paralelas distintas, uma de cada lado. Para d=0, ambas dão a própria reta. Não admita d negativo como comprimento.

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Igualar distâncias a duas retas

∣a1x+b1y+c1∣a12+b12=∣a2x+b2y+c2∣a22+b22\frac{|a_1x+b_1y+c_1|}{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}=\frac{|a_2x+b_2y+c_2|}{\sqrt{a_2^2+b_2^2}}

As duas retas são válidas e usamos distância perpendicular, não apenas o valor absoluto do numerador. Para concorrentes, o lugar geométrico é a união das duas bissetrizes; para paralelas distintas, é a paralela média; para coincidentes, qualquer ponto do plano é equidistante.

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Duas bissetrizes de retas concorrentes

a1x+b1y+c1a12+b12=±a2x+b2y+c2a22+b22\frac{a_1x+b_1y+c_1}{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}=\pm\frac{a_2x+b_2y+c_2}{\sqrt{a_2^2+b_2^2}}

As retas são concorrentes. Cada escolha do sinal fornece uma bissetriz, e as duas são perpendiculares. É necessário especificar qual ângulo ou região para escolher uma só; o sinal mais não significa universalmente bissetriz interna. Alterar o sinal de uma equação apenas troca os nomes das duas escolhas.

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Mediatriz de dois pontos distintos

(xB−xA)(x−xM)+(yB−yA)(y−yM)=0\begin{gathered}(x_B-x_A)(x-x_M)\\+(y_B-y_A)(y-y_M)=0\end{gathered}

A≠B e M=((x_A+x_B)/2,(y_A+y_B)/2) é o ponto médio de AB. A mediatriz é perpendicular ao segmento em M e reúne exatamente os pontos equidistantes de A e B. Se A=B, qualquer ponto é equidistante e não há mediatriz única.

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Área por base e distância à reta suporte

S=AB⋅d(C,rAB)2S=\frac{AB\cdot d(C,r_{AB})}{2}

A≠B e r_AB é a reta inteira por A e B. A altura é a distância perpendicular do terceiro ponto à reta suporte, mesmo se a projeção cair fora do segmento AB. A área é não negativa; para C na reta, S=0 e a figura é degenerada.

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Área do triângulo pelas coordenadas

S=∣(xB−xA)(yC−yA)−(yB−yA)(xC−xA)∣2S=\frac{\left|(x_B-x_A)(y_C-y_A)-(y_B-y_A)(x_C-x_A)\right|}{2}
u=xB−xA,v=yB−yAp=xC−xA,q=yC−yAS=∣uq−vp∣2\begin{gathered}u=x_B-x_A,\quad v=y_B-y_A\\p=x_C-x_A,\quad q=y_C-y_A\\S=\frac{|uq-vp|}{2}\end{gathered}

Coordenadas no mesmo sistema ortogonal, com a mesma unidade de comprimento. Na escrita empilhada, (u,v)=B−A e (p,q)=C−A são os dois pares de deslocamentos. A expressão vem de base vezes altura e inclui área zero para pontos colineares. Inverter dois vértices troca o sinal do interior do módulo, conservando a área. A unidade da área é a unidade de comprimento ao quadrado.

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Parâmetro da projeção sobre a reta AB

t∗=(px−xA)u+(py−yA)vu2+v2t_* =\frac{(p_x-x_A)u+(p_y-y_A)v}{u^2+v^2}

A≠B, (u,v)=B−A, P=(pₓ,pᵧ). O asterisco identifica o parâmetro que produz a projeção na reta A+t(u,v); não é multiplicação. A projeção pertence ao segmento exatamente quando esse parâmetro está entre zero e um, inclusive.

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Ponto mais próximo de um segmento

t∗<0A0≤t∗≤1H=A+t∗(B−A)t∗>1B\begin{array}{c|c}t_*<0&A\\0\le t_*\le1&H=A+t_*(B-A)\\t_*>1&B\end{array}

A≠B e t com asterisco é o parâmetro da projeção na reta suporte. A distância ao segmento é o comprimento até o ponto selecionado. Quando A=B, o segmento é um único ponto e a distância é PA, sem usar o denominador u²+v². Não substitua automaticamente a distância ao segmento pela distância à reta.

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4Circunferência

Circunferência como lugar geométrico

CP=r,r>0CP=r,\qquad r>0

C é o centro fixo, P um ponto variável e r o raio real positivo. Circunferência é o contorno, não toda a região interna. O sistema de coordenadas é ortogonal e usa a mesma unidade de comprimento nos dois eixos.

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Equação reduzida da circunferência

(x−a)2+(y−b)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2=r^2

Centro C=(a,b), raio r>0, x,y reais. A equação vem de CP²=r², equivalência válida porque CP e r são não negativos. O sinal dentro de cada parêntese é o oposto da respectiva coordenada do centro. O lado direito é r², não r.

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Centro na origem

x2+y2=r2,r>0x^2+y^2=r^2,\qquad r>0

É o caso a=b=0. Interseções com os eixos são (±r,0) e (0,±r). O raio não é o valor de x ou de y em todos os pontos: ele é a distância ao centro.

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Interior, contorno e exterior por distância ao quadrado

(x−a)2+(y−b)2<r2interior(x−a)2+(y−b)2=r2contorno(x−a)2+(y−b)2>r2exterior\begin{array}{c|c}(x-a)^2+(y-b)^2<r^2&\text{interior}\\(x-a)^2+(y-b)^2=r^2&\text{contorno}\\(x-a)^2+(y-b)^2>r^2&\text{exterior}\end{array}
d2=(x−a)2+(y−b)2d2<r2: interiord2=r2: contornod2>r2: exterior\begin{gathered}d^2=(x-a)^2+(y-b)^2\\d^2<r^2:\ \text{interior}\\d^2=r^2:\ \text{contorno}\\d^2>r^2:\ \text{exterior}\end{gathered}

r>0. Na apresentação empilhada, d é a distância do ponto ao centro. O círculo fechado reúne interior e contorno, usando ≤; o disco aberto usa < e exclui o contorno. A classificação compara distâncias ao quadrado, sem precisar extrair raízes.

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Centro e raio pelos extremos de um diâmetro

C=(xA+xB2,yA+yB2)r=AB2\begin{gathered}C=\left(\frac{x_A+x_B}{2},\frac{y_A+y_B}{2}\right)\\r=\frac{AB}{2}\end{gathered}

A e B são extremos distintos de um diâmetro, não apenas de uma corda qualquer. O centro é o ponto médio e o raio é metade do comprimento AB. Se A=B, não se determina uma circunferência de raio positivo por esse diâmetro.

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Duas semicircunferências e seu domínio

y=b±r2−(x−a)2a−r≤x≤a+r\begin{gathered}y=b\pm\sqrt{r^2-(x-a)^2}\\a-r\le x\le a+r\end{gathered}

r>0 e a raiz é a principal, não negativa. A escolha mais descreve a metade superior; a menos, a inferior. Nos extremos do intervalo as duas se encontram. A circunferência completa não associa um único y a cada x interior; cada semicircunferência, separadamente, o faz.

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Forma geral normalizada

x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2+y^2+Dx+Ey+F=0

D,E,F são coeficientes reais fixos. Os coeficientes de x² e y² estão igualados a um e não há termo xy. Essa forma pode representar circunferência, ponto ou conjunto vazio: complete quadrados ou teste o valor de ρ antes de afirmar que existe raio positivo.

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Completar um quadrado

x2+Dx=(x+D2)2−D24x^2+Dx=\left(x+\frac D2\right)^2-\frac{D^2}{4}

D é real. Metade do coeficiente linear é D/2; seu quadrado é somado e subtraído, conservando a expressão. A mesma identidade vale para y²+Ey. Não acrescente o quadrado em apenas um lado da igualdade.

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Centro candidato e raio ao quadrado

C=(−D2,−E2)ρ=D2+E24−F\begin{gathered}C=\left(-\frac D2,-\frac E2\right)\\\rho=\frac{D^2+E^2}{4}-F\end{gathered}

A equação está normalizada como x²+y²+Dx+Ey+F=0. ρ, lido rô, é o lado direito após completar quadrados. Só se ρ>0 há circunferência própria, com raio r=√ρ; ρ não é o próprio raio.

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Existência real após completar quadrados

ρ>0circunfereˆnciaρ=0um pontoρ<0∅\begin{array}{c|c}\rho>0&\text{circunferência}\\\rho=0&\text{um ponto}\\\rho<0&\varnothing\end{array}

A equação é (x−a)²+(y−b)²=ρ, com a,b,ρ reais. Soma de quadrados reais é não negativa. Para ρ=0, ambos os quadrados são zero e resta (a,b); para ρ<0, não existe ponto real. Um ponto é um caso degenerado, não uma circunferência de raio positivo.

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Normalização de coeficientes iguais não nulos

A(x2+y2)+Lx+My+N=0D=L/A,E=M/A,F=N/A\begin{gathered}A(x^2+y^2)+Lx+My+N=0\\D=L/A,\quad E=M/A,\quad F=N/A\end{gathered}

A≠0, coeficientes reais, sem termo xy. Divida toda a equação por A antes de usar as fórmulas do centro e de ρ. A pode ser negativo. Se A=0, examine a equação restante como linear ou constante; não divida por zero.

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Determinar a circunferência por três pontos

xi2+yi2+Dxi+Eyi+F=0,i=1,2,3x_i^2+y_i^2+Dx_i+Ey_i+F=0,\quad i=1,2,3

Os três pontos dados são distintos e não colineares: nessas condições existe uma única circunferência por eles. Substitua cada par e resolva o sistema linear em D,E,F; depois complete quadrados. Três pontos distintos colineares não pertencem a uma circunferência; dados repetidos não fornecem três condições independentes.

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Posição de uma reta em relação à circunferência

δ<rsecante: dois pontosδ=rtangente: um pontoδ>rexterior: nenhum\begin{array}{c|c}\delta<r&\text{secante: dois pontos}\\\delta=r&\text{tangente: um ponto}\\\delta>r&\text{exterior: nenhum}\end{array}

r>0 e δ=d(C,ℓ)≥0 é a distância perpendicular do centro à reta válida ℓ. A classificação é do contorno. Na tangência, o único ponto é a projeção do centro sobre a reta.

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Distância do centro à reta

δ=∣ua+vb+w∣u2+v2\delta=\frac{|ua+vb+w|}{\sqrt{u^2+v^2}}

C=(a,b) e ℓ:ux+vy+w=0, com (u,v)≠(0,0). Compare δ com o raio r, e não com r². O módulo envolve a substituição inteira. A fórmula inclui retas horizontais e verticais.

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Substituir uma reta não vertical

Aq=1+m2Bq=2[m(n−b)−a]Cq=a2+(n−b)2−r2Aqx2+Bqx+Cq=0\begin{gathered}A_q=1+m^2\\B_q=2[m(n-b)-a]\\C_q=a^2+(n-b)^2-r^2\\A_qx^2+B_qx+C_q=0\end{gathered}

A circunferência tem centro (a,b), raio r>0 e a reta é y=mx+n. O índice q identifica os coeficientes da equação quadrática; C com índice q não é o centro. O coeficiente de x² é positivo, portanto a equação continua sendo de segundo grau. Para uma reta vertical, substitua x diretamente em vez de inventar um m real.

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Discriminante e número de interseções com uma reta

Δ=Bq2−4AqCqΔ=4(1+m2)(r2−δ2)\begin{gathered}\Delta=B_q^2-4A_qC_q\\\Delta=4(1+m^2)(r^2-\delta^2)\end{gathered}

Nas condições da substituição y=mx+n, Δ>0 dá duas interseções, Δ=0 uma e Δ<0 nenhuma real. Cada raiz x deve ser recolocada na mesma reta para obter seu y. O símbolo Δ, lido delta, é aqui o discriminante, não o determinante de posições relativas.

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Tangente em um ponto da circunferência

(tx−a)(x−tx)+(ty−b)(y−ty)=0(t_x-a)(x-t_x)+(t_y-b)(y-t_y)=0
(tx−a)(x−tx)+(ty−b)(y−ty)=0\begin{gathered}(t_x-a)(x-t_x)\\+(t_y-b)(y-t_y)=0\end{gathered}

T=(tₓ,tᵧ) precisa pertencer à circunferência de centro (a,b) e raio r>0. A normal da tangente é o raio CT, não nulo. A construção inclui a tangente vertical. Não substitua um ponto externo nesta fórmula como se fosse ponto de tangência.

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Forma equivalente da tangente

(tx−a)(x−a)+(ty−b)(y−b)=r2(t_x-a)(x-a)+(t_y-b)(y-b)=r^2
(tx−a)(x−a)+(ty−b)(y−b)=r2\begin{gathered}(t_x-a)(x-a)\\+(t_y-b)(y-b)=r^2\end{gathered}

T pertence à circunferência própria. Substituir x−tₓ=(x−a)−(tₓ−a), e analogamente em y, usa (tₓ−a)²+(tᵧ−b)²=r². Para centro na origem, a forma é tₓx+tᵧy=r².

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Tangência por distância ao centro

∣ua+vb+w∣=ru2+v2|ua+vb+w|=r\sqrt{u^2+v^2}

Centro C=(a,b), raio r>0 e reta ux+vy+w=0 válida. Ao procurar parâmetros, conserve ambos os sinais do módulo. Se u e v também dependem de um parâmetro, confira antes se a equação continua sendo uma reta.

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Quantidade de tangentes por um ponto

CP<r0CP=r1CP>r2\begin{array}{c|c}CP<r&0\\CP=r&1\\CP>r&2\end{array}

Circunferência de raio r>0 e ponto P no mesmo plano. As tangentes são retas distintas. Uma busca apenas por y=mx+n pode omitir uma solução vertical; teste essa possibilidade separadamente.

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Potência de um ponto e sinal

p=CP2−r2=(px−a)2+(py−b)2−r2p=CP^2-r^2=(p_x-a)^2+(p_y-b)^2-r^2
p=CP2−r2p=(px−a)2+(py−b)2−r2\begin{gathered}p=CP^2-r^2\\p=(p_x-a)^2+(p_y-b)^2-r^2\end{gathered}

P=(pₓ,pᵧ), C=(a,b), r>0. p minúsculo é um número com sinal, chamado potência de P: negativo no interior, zero no contorno e positivo no exterior. Tem unidade de comprimento ao quadrado; não é por si só o comprimento de uma tangente.

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Comprimento do segmento tangente

PT=CP2−r2PT=\sqrt{CP^2-r^2}

P é externo, T é ponto de tangência e r>0. O triângulo CTP é retângulo em T e a raiz é não negativa. No caso limite P na circunferência, o segmento tem comprimento zero, mas ainda existe uma reta tangente. Para P interno, não há tangente real e não se usa raiz de número negativo.

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Comprimento de uma corda pela distância ao centro

L=2r2−δ2L=2\sqrt{r^2-\delta^2}

r>0 e δ é a distância do centro à reta suporte da corda. Para dois extremos distintos, 0≤δ<r. A perpendicular do centro encontra o ponto médio da corda. Para δ=0, L=2r é um diâmetro; δ=r é o caso limite de um único ponto e comprimento zero.

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Posições de duas circunferências próprias

d>R+rexterioresd=R+rtangentes externas∣R−r∣<d<R+rsecantesd=∣R−r∣>0tangentes internasd<∣R−r∣internas sem encontro\begin{array}{c|c}d>R+r&\text{exteriores}\\d=R+r&\text{tangentes externas}\\|R-r|<d<R+r&\text{secantes}\\d=|R-r|>0&\text{tangentes internas}\\d<|R-r|&\text{internas sem encontro}\end{array}
d>R+rexterioresd=R+rtangentesexternas∣R−r∣<d<R+rsecantesd=∣R−r∣>0tangentesinternasd<∣R−r∣internas semencontro\begin{array}{c|c}d>R+r&\text{exteriores}\\d=R+r&\begin{gathered}\text{tangentes}\\\text{externas}\end{gathered}\\|R-r|<d<R+r&\text{secantes}\\d=|R-r|>0&\begin{gathered}\text{tangentes}\\\text{internas}\end{gathered}\\d<|R-r|&\begin{gathered}\text{internas sem}\\\text{encontro}\end{gathered}\end{array}

R,r>0 e d é a distância entre os centros. Se d=0 e R=r, são coincidentes e têm infinitos pontos comuns; esse caso fica fora das cinco linhas. Se d=0 e R≠r, são concêntricas distintas, incluídas no último caso. O número de pontos comuns se refere aos contornos, não à sobreposição dos discos.

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Subtrair duas equações normalizadas

(D1−D2)x+(E1−E2)y+F1−F2=0(D_1-D_2)x+(E_1-E_2)y+F_1-F_2=0
(D1−D2)x+(E1−E2)y+F1−F2=0\begin{gathered}(D_1-D_2)x+(E_1-E_2)y\\+F_1-F_2=0\end{gathered}

As equações são x²+y²+Dᵢx+Eᵢy+Fᵢ=0. Para centros diferentes, a diferença é a reta dos pontos de igual potência, chamada eixo radical. Todo ponto comum pertence a ela, mas é preciso resolver também uma equação original. Se as circunferências não se encontram, o eixo ainda pode existir. Centros iguais exigem tratar coincidência ou contradição, pois a diferença não será uma reta válida.

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Parametrização angular da circunferência

{x=a+rcos⁡ty=b+rsin⁡t0≤t<2π\begin{cases}x=a+r\cos t\\y=b+r\sin t\end{cases}\quad0\le t<2\pi

Centro (a,b), r>0, t é um ângulo em radianos, e π é a constante pi. O intervalo percorre a circunferência uma vez sem repetir o ponto inicial. Com t real irrestrito, os pontos se repetem a cada 2π. t não é tempo nem comprimento de arco sem uma relação adicional.

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Distância mínima até o contorno

d(P,circunfereˆncia)=∣CP−r∣d(P,\text{circunferência})=|CP-r|

r>0, P em qualquer posição e todos os pontos do contorno permitidos. Se P está no centro, todos os pontos do contorno ficam à distância r. No interior estrito, a distância ao contorno é positiva; na borda é zero. A distância à região fechada é zero em todo o disco.

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Distância mínima até a região fechada

d(P,disco)={0,CP≤rCP−r,CP>rd(P,\text{disco})=\begin{cases}0,&CP\le r\\CP-r,&CP>r\end{cases}

O disco inclui interior e borda e tem raio r>0. Um ponto dentro da região já pertence ao conjunto permitido; por isso a distância até ele é zero. A fórmula não é a distância até apenas a linha da circunferência.

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5Parábola

Equidistância ao foco e à diretriz

PF=d(P,ℓ)PF=d(P,\ell)

F é um ponto fixo, chamado foco, e ℓ é uma reta fixa, a diretriz, com F fora de ℓ. P varia no plano. A distância até a reta é perpendicular. Eixos ortogonais usam a mesma unidade de comprimento. A condição define uma parábola própria.

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Parâmetro com sinal e distâncias geométricas

VF=∣p∣,d(F,ℓ)=2∣p∣VF=|p|,\qquad d(F,\ell)=2|p|

Nesta aula, p≠0 é o deslocamento do vértice V ao foco na coordenada do eixo, com sinal. A distância é |p|, sempre positiva. p>0 indica abertura no sentido positivo do eixo, e p<0 no negativo. Outra convenção pode chamar de parâmetro a distância foco-diretriz: nessa convenção a medida seria 2|p|.

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Parábola de eixo vertical e vértice na origem

x2=4py,p≠0x^2=4py,\qquad p\ne0

V=(0,0), foco F=(0,p), diretriz y=−p e eixo x=0. Para p>0 abre para cima; para p<0, para baixo. O coeficiente que multiplica y é 4p, não o próprio p.

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Parábola de eixo horizontal e vértice na origem

y2=4px,p≠0y^2=4px,\qquad p\ne0

V=(0,0), foco F=(p,0), diretriz x=−p e eixo y=0. Para p>0 abre à direita; para p<0, à esquerda. A coordenada elevada ao quadrado varia perpendicularmente ao eixo.

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Forma reduzida com eixo vertical

(x−h)2=4p(y−k)V=(h,k),F=(h,k+p)ℓ:y=k−p,eixo x=h\begin{gathered}(x-h)^2=4p(y-k)\\V=(h,k),\quad F=(h,k+p)\\\ell:y=k-p,\quad\text{eixo }x=h\end{gathered}

h,k são reais e p≠0. O vértice V é o ponto médio entre F e sua projeção na diretriz. A simetria troca x por 2h−x, conservando y. p>0 abre para cima; p<0 para baixo.

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Forma reduzida com eixo horizontal

(y−k)2=4p(x−h)V=(h,k),F=(h+p,k)ℓ:x=h−p,eixo y=k\begin{gathered}(y-k)^2=4p(x-h)\\V=(h,k),\quad F=(h+p,k)\\\ell:x=h-p,\quad\text{eixo }y=k\end{gathered}

h,k são reais e p≠0. A simetria troca y por 2k−y, conservando x. p>0 abre à direita; p<0 à esquerda. Não inverta as coordenadas de foco e vértice ao comparar com o caso vertical.

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O caso excluído p igual a zero

(x−h)2=0x=h(y−k)2=0y=k\begin{array}{c|c}(x-h)^2=0&x=h\\(y-k)^2=0&y=k\end{array}

Se colocarmos p=0 nas formas reduzidas, resta uma reta inteira, não uma parábola própria. Geometricamente, foco sobre a diretriz também faz a condição de equidistância produzir a perpendicular à diretriz pelo foco. Por isso F fora de ℓ e p≠0 são condições essenciais.

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Reconstruir a partir de foco e diretriz horizontal

F=(f,g),ℓ:y=dh=f,k=g+d2p=g−d2\begin{gathered}F=(f,g),\quad\ell:y=d\\h=f,\quad k=\frac{g+d}{2}\\p=\frac{g-d}{2}\end{gathered}

f,g,d são reais e g≠d. A diretriz horizontal produz eixo vertical; o vértice tem a mesma abscissa do foco. A diferença com sinal determina o lado da abertura. Depois use (x−h)²=4p(y−k).

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Reconstruir a partir de foco e diretriz vertical

F=(f,g),ℓ:x=dh=f+d2,k=gp=f−d2\begin{gathered}F=(f,g),\quad\ell:x=d\\h=\frac{f+d}{2},\quad k=g\\p=\frac{f-d}{2}\end{gathered}

f,g,d são reais e f≠d. A diretriz vertical produz eixo horizontal. Depois use (y−k)²=4p(x−h). A distância foco-diretriz é o dobro da distância vértice-foco.

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Parâmetro por vértice e outro ponto, no caso vertical

p=(u−h)24(v−k)p=\frac{(u-h)^2}{4(v-k)}

V=(h,k), o eixo foi declarado vertical e Q=(u,v) é um ponto dado fora do eixo, com u≠h e v≠k. A fórmula vem da substituição na equação e fornece p≠0. Se Q=V, o dado não determina p; se apenas uma das diferenças for zero, os dados são incompatíveis com uma parábola própria de eixo vertical.

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Corda focal perpendicular ao eixo vertical

A=(h−2∣p∣,k+p)B=(h+2∣p∣,k+p)AB=4∣p∣\begin{gathered}A=(h-2|p|,k+p)\\B=(h+2|p|,k+p)\\AB=4|p|\end{gathered}

p≠0. A corda passa pelo foco e é perpendicular ao eixo; também é chamada lado reto ou latus rectum. Seu ponto médio é F. O módulo conserva o comprimento positivo quando p<0.

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Corda focal perpendicular ao eixo horizontal

A=(h+p,k−2∣p∣)B=(h+p,k+2∣p∣)AB=4∣p∣\begin{gathered}A=(h+p,k-2|p|)\\B=(h+p,k+2|p|)\\AB=4|p|\end{gathered}

p≠0, para (y−k)²=4p(x−h). A corda é vertical, passa pelo foco e tem ponto médio F. Os sinais ±2p fornecem o mesmo par de extremos, mas o comprimento usa 4|p|.

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Forma de função para eixo vertical

y=k+(x−h)24py=k+\frac{(x-h)^2}{4p}

p≠0 e x pode ser qualquer real. Para p>0, a imagem é y≥k; para p<0, é y≤k. Imagem é o conjunto de ordenadas produzidas. O vértice é mínimo ou máximo, respectivamente.

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Duas expressões de y para eixo horizontal

y=k±4p(x−h)p(x−h)≥0\begin{gathered}y=k\pm\sqrt{4p(x-h)}\\p(x-h)\ge0\end{gathered}

p≠0. Para p>0, x≥h; para p<0, x≤h. Nos x além do vértice no lado permitido, aparecem duas ordenadas. A curva completa não é uma única função y de x; pode ser escrita como x=h+(y−k)²/(4p), com y real irrestrito.

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Função quadrática e elementos geométricos

y=ax2+bx+c,a≠0h=−b2a,k=c−b24ap=14a\begin{gathered}y=ax^2+bx+c,\quad a\ne0\\h=-\frac b{2a},\quad k=c-\frac{b^2}{4a}\\p=\frac1{4a}\end{gathered}

a,b,c são reais fixos; h,k são as coordenadas do vértice. Complete quadrados para obter y=a(x−h)²+k e compare com 1/(4p). O coeficiente a não é o parâmetro focal p. Se a=0, a relação é linear ou constante, não uma parábola própria.

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Equação geral sem termo misto, com eixo vertical

Ax2+Bx+Cy+D=0h=−B2A,p=−C4Ak=B2/(4A)−DC\begin{gathered}Ax^2+Bx+Cy+D=0\\h=-\frac B{2A},\quad p=-\frac C{4A}\\k=\frac{B^2/(4A)-D}{C}\end{gathered}

A e C precisam ser não nulos. Complete o quadrado em x e isole y; a forma reduzida é (x−h)²=4p(y−k). Se C=0, pode haver duas retas paralelas, uma reta ou conjunto vazio; se A=0, examine a relação linear ou constante. Letras maiúsculas são coeficientes, não pontos.

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Equação geral sem termo misto, com eixo horizontal

Ay2+By+Cx+D=0k=−B2A,p=−C4Ah=B2/(4A)−DC\begin{gathered}Ay^2+By+Cx+D=0\\k=-\frac B{2A},\quad p=-\frac C{4A}\\h=\frac{B^2/(4A)-D}{C}\end{gathered}

A≠0 e C≠0. Complete o quadrado em y e isole x. As formas desta aula tratam de eixos paralelos aos eixos coordenados; a presença de xy exige outro tratamento e não autoriza descartar a possibilidade de uma parábola rotacionada.

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Excentricidade da parábola

e=PFd(P,ℓ)=1e=\frac{PF}{d(P,\ell)}=1

P pertence à parábola própria. A distância à diretriz é positiva: se fosse zero, P teria de ser o foco e estar na diretriz, o que foi excluído. e é a razão das duas distâncias, chamada excentricidade; aqui vale um em qualquer ponto da curva.

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Substituição de reta não paralela ao eixo vertical

(x−h)2=4p(mx+n−k)x2−(2h+4pm)x+h2−4p(n−k)=0\begin{gathered}(x-h)^2=4p(mx+n-k)\\x^2-(2h+4pm)x\\+h^2-4p(n-k)=0\end{gathered}

p≠0 e a reta é y=mx+n. A equação quadrática tem coeficiente de x² igual a um: discriminante positivo dá duas interseções, zero dá tangência e negativo nenhuma interseção real. A reta vertical x=q, paralela ao eixo, fica fora desse teste: tem um ponto comum e não é tangente.

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Tangente em um ponto, para eixo vertical

(tx−h)(x−h)=2p(y+ty−2k)(t_x-h)(x-h)=2p(y+t_y-2k)
(tx−h)(x−h)=2p(y+ty−2k)\begin{gathered}(t_x-h)(x-h)\\=2p(y+t_y-2k)\end{gathered}

T=(tₓ,tᵧ) pertence a (x−h)²=4p(y−k), com p≠0. O coeficiente angular da tangente é (tₓ−h)/(2p). No vértice, ela é horizontal y=k; não há tangente vertical a uma parábola de eixo vertical.

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Tangente em um ponto, para eixo horizontal

(ty−k)(y−k)=2p(x+tx−2h)(t_y-k)(y-k)=2p(x+t_x-2h)
(ty−k)(y−k)=2p(x+tx−2h)\begin{gathered}(t_y-k)(y-k)\\=2p(x+t_x-2h)\end{gathered}

T pertence a (y−k)²=4p(x−h), p≠0. No vértice a tangente é vertical x=h; os outros pontos têm tangentes não verticais. A fórmula não divide por tᵧ−k e conserva o caso do vértice.

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Tangente com coeficiente angular dado, no caso vertical

y=mx+k−mh−pm2y=mx+k-mh-pm^2

p≠0, m real e parábola (x−h)²=4p(y−k). O contato tem tₓ=h+2pm e tᵧ=k+pm². A fórmula vem de discriminante zero ou da tangente no ponto. Uma reta paralela ao eixo, x=q, não é uma solução perdida desta família.

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Normal à parábola de eixo vertical

2p(x−tx)+(tx−h)(y−ty)=02p(x-t_x)+(t_x-h)(y-t_y)=0
2p(x−tx)+(tx−h)(y−ty)=0\begin{gathered}2p(x-t_x)\\+(t_x-h)(y-t_y)=0\end{gathered}

p≠0 e T pertence à curva. Normal é a reta por T perpendicular à tangente, não necessariamente a reta que liga T ao foco. No vértice, a normal coincide com o eixo x=h.

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Normal à parábola de eixo horizontal

(ty−k)(x−tx)+2p(y−ty)=0(t_y-k)(x-t_x)+2p(y-t_y)=0
(ty−k)(x−tx)+2p(y−ty)=0\begin{gathered}(t_y-k)(x-t_x)\\+2p(y-t_y)=0\end{gathered}

p≠0 e T pertence à curva. No vértice, a normal é horizontal y=k. Os coeficientes de x e y das retas tangente e normal satisfazem o teste de perpendicularidade da aula de posições relativas.

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Parametrização polinomial, eixo vertical

{x=h+2pty=k+pt2t∈R\begin{cases}x=h+2pt\\y=k+pt^2\end{cases}\quad t\in\mathbb R

p≠0. O mesmo parâmetro real t gera as duas coordenadas e percorre a curva inteira, sem repetição. Sua inversa é t=(x−h)/(2p). t não é automaticamente ângulo nem tempo.

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Parametrização polinomial, eixo horizontal

{x=h+pt2y=k+2ptt∈R\begin{cases}x=h+pt^2\\y=k+2pt\end{cases}\quad t\in\mathbb R

p≠0. A inversa é t=(y−k)/(2p), mostrando que cada ponto da parábola é atingido uma vez. Restringir t seleciona somente um trecho e precisa ser mantido no modelo.

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Distância focal de um perfil refletor

p=W216dp=\frac{W^2}{16d}

Perfil y=x²/(4p), com p>0; W>0 é a largura total na borda e d>0 é a profundidade, ambas na mesma unidade. A borda tem x=±W/2 e y=d. A distância focal p é medida do vértice ao foco; não é necessariamente igual à profundidade d.

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6Elipse

Soma das distâncias aos focos

PF1+PF2=2a,F1F2=2cPF_1+PF_2=2a,\qquad F_1F_2=2c

Os focos são fixos e distintos; a>c>0. P percorre o contorno da elipse. Eixos ortogonais usam a mesma unidade de comprimento. A soma é 2a; a distância entre os focos é 2c, não c.

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Condições sobre a soma e a separação dos focos

2a>2celipse2a=2csegmento F1F22a<2c∅\begin{array}{c|c}2a>2c&\text{elipse}\\2a=2c&\text{segmento }F_1F_2\\2a<2c&\varnothing\end{array}

Focos distintos, c>0 e soma prescrita 2a positiva. Pela desigualdade triangular, a soma não pode ser menor que F₁F₂; a igualdade ocorre no segmento entre os focos, incluindo extremos. Focos coincidentes com a>0 produzem uma circunferência, caso circular da elipse.

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Semieixos e distância do centro ao foco

a2=b2+c2,c=a2−b2a^2=b^2+c^2,\qquad c=\sqrt{a^2-b^2}

Para focos distintos, a>b>0 e c>0. a é o semieixo maior; b, o menor; c, a distância do centro a cada foco. Os eixos medem 2a e 2b. Para o caso circular, a=b>0 e c=0. Não use a²+b² para calcular c².

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Elipse horizontal com centro na origem

x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1

a>b>0, c²=a²−b². Focos (±c,0), vértices do eixo maior (±a,0), extremos do menor (0,±b). O maior denominador está sob a coordenada do eixo maior. Os denominadores são quadrados das medidas.

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Elipse vertical com centro na origem

x2b2+y2a2=1\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{a^2}=1

a>b>0, c²=a²−b². Focos (0,±c), vértices (0,±a), extremos do menor (±b,0). A letra a continua designando a maior medida, mesmo sob y².

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Centro deslocado e eixo maior horizontal

(x−h)2a2+(y−k)2b2=1C=(h,k),F1,2=(h±c,k)V1,2=(h±a,k),B1,2=(h,k±b)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{a^2}+\frac{(y-k)^2}{b^2}=1\\C=(h,k),\quad F_{1,2}=(h\pm c,k)\\V_{1,2}=(h\pm a,k),\quad B_{1,2}=(h,k\pm b)\end{gathered}
(x−h)2a2+(y−k)2b2=1C=(h,k)F1,2=(h±c,k)V1,2=(h±a,k)B1,2=(h,k±b)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{a^2}\\+\frac{(y-k)^2}{b^2}=1\\C=(h,k)\\F_{1,2}=(h\pm c,k)\\V_{1,2}=(h\pm a,k)\\B_{1,2}=(h,k\pm b)\end{gathered}

a>b>0 e c=√(a²−b²). h,k são coordenadas fixas do centro. As retas de simetria são y=k e x=h. B₁,B₂ nomeiam os extremos do eixo menor, também chamados covértices.

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Centro deslocado e eixo maior vertical

(x−h)2b2+(y−k)2a2=1C=(h,k),F1,2=(h,k±c)V1,2=(h,k±a),B1,2=(h±b,k)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{b^2}+\frac{(y-k)^2}{a^2}=1\\C=(h,k),\quad F_{1,2}=(h,k\pm c)\\V_{1,2}=(h,k\pm a),\quad B_{1,2}=(h\pm b,k)\end{gathered}
(x−h)2b2+(y−k)2a2=1C=(h,k)F1,2=(h,k±c)V1,2=(h,k±a)B1,2=(h±b,k)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{b^2}\\+\frac{(y-k)^2}{a^2}=1\\C=(h,k)\\F_{1,2}=(h,k\pm c)\\V_{1,2}=(h,k\pm a)\\B_{1,2}=(h\pm b,k)\end{gathered}

a>b>0 e c=√(a²−b²). O maior denominador acompanha y−k. A translação muda o centro, não as medidas a,b,c. Coordenadas dos focos variam ao longo do eixo maior.

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Reconstruir centro e semieixos pelos focos e pela soma

C=(f1+f22,g1+g22)c=F1F22,b=a2−c2\begin{gathered}C=\left(\frac{f_1+f_2}{2},\frac{g_1+g_2}{2}\right)\\c=\frac{F_1F_2}{2},\quad b=\sqrt{a^2-c^2}\end{gathered}

F₁=(f₁,g₁) e F₂=(f₂,g₂). O centro é o ponto médio calculado coordenada a coordenada. A soma das distâncias fornece 2a, com a>c>0. Para as formas horizontal/vertical, os focos precisam estar na mesma horizontal ou vertical.

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Determinar o raio vertical por um ponto

B2=(v−k)21−(u−h)2/A2B^2=\frac{(v-k)^2}{1-(u-h)^2/A^2}

Na equação (x−h)²/A²+(y−k)²/B²=1, A>0 é o raio horizontal conhecido e B>0 o vertical desconhecido. Q=(u,v) tem v≠k e |u−h|<A. Esses dados garantem denominador positivo. Um extremo (h±A,k) não determina B; dados incompatíveis precisam ser tratados antes de dividir.

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Completar quadrados sem termo misto

Ux2+Vy2+Dx+Ey+G=0h=−D2U,k=−E2VR=D24U+E24V−GU(x−h)2+V(y−k)2=R\begin{gathered}Ux^2+Vy^2+Dx+Ey+G=0\\h=-\frac D{2U},\quad k=-\frac E{2V}\\R=\frac{D^2}{4U}+\frac{E^2}{4V}-G\\U(x-h)^2+V(y-k)^2=R\end{gathered}
Ux2+Vy2+Dx+Ey+G=0h=−D2U,k=−E2VR=D24U+E24V−GU(x−h)2+V(y−k)2=R\begin{gathered}Ux^2+Vy^2+Dx\\+Ey+G=0\\h=-\frac D{2U},\quad k=-\frac E{2V}\\R=\frac{D^2}{4U}+\frac{E^2}{4V}-G\\U(x-h)^2\\+V(y-k)^2=R\end{gathered}

U,V são não nulos. Para classificar o caso elíptico, normalize o sinal para U,V>0: R>0 fornece raios ao quadrado R/U e R/V; R=0, um ponto; R<0, conjunto vazio. Se U=V e R>0, é circunferência. Coeficientes de sinais opostos não satisfazem este teste.

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Dois ramos, domínio e imagem

y=k±B1−(x−h)2A2h−A≤x≤h+A,k−B≤y≤k+B\begin{gathered}y=k\pm B\sqrt{1-\frac{(x-h)^2}{A^2}}\\h-A\le x\le h+A,\quad k-B\le y\le k+B\end{gathered}
y=k±B1−(x−h)2A2h−A≤x≤h+Ak−B≤y≤k+B\begin{gathered}y=k\pm B\sqrt{1-\frac{(x-h)^2}{A^2}}\\h-A\le x\le h+A\\k-B\le y\le k+B\end{gathered}

A,B>0 são os raios horizontal e vertical. A curva inteira não é uma única função y de x: para h−A<x<h+A existem duas ordenadas. Cada escolha do sinal define um ramo; a imagem do superior é [k,k+B], e a do inferior [k−B,k].

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Contorno, interior e exterior

S=(u−h)2A2+(v−k)2B2S=\frac{(u-h)^2}{A^2}+\frac{(v-k)^2}{B^2}

A,B>0. Para Q=(u,v), S=1 indica contorno; S<1, interior; S>1, exterior. A região fechada usa S≤1. O centro tem S=0 e fica dentro, não no contorno.

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Excentricidade e proporções da elipse

e=ca=1−b2a2,0<e<1e=\frac ca=\sqrt{1-\frac{b^2}{a^2}},\qquad 0<e<1
e=ca=1−b2a20<e<1\begin{gathered}e=\frac ca=\sqrt{1-\frac{b^2}{a^2}}\\0<e<1\end{gathered}

a>b>0. A excentricidade é adimensional e depende da razão b/a, não do tamanho absoluto. Quanto mais próxima de um, mais alongada a elipse. No caso circular, e=0; e=1 não é elipse própria de b>0.

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Diretrizes do caso horizontal

ℓ±:x=h±aeF±=(h±c,k),PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:x=h\pm\frac ae\\F_\pm=(h\pm c,k),\quad\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}
ℓ±:x=h±aeF±=(h±c,k)PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:x=h\pm\frac ae\\F_\pm=(h\pm c,k)\\\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}

a>b>0, c²=a²−b² e e=c/a. P está no contorno. Emparelhe o foco e a diretriz do mesmo sinal. As diretrizes ficam além dos vértices porque a/e>a. Na circunferência e=0 e estas diretrizes finitas não são definidas.

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Diretrizes do caso vertical

ℓ±:y=k±aeF±=(h,k±c),PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:y=k\pm\frac ae\\F_\pm=(h,k\pm c),\quad\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}
ℓ±:y=k±aeF±=(h,k±c)PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:y=k\pm\frac ae\\F_\pm=(h,k\pm c)\\\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}

a>b>0 e e=c/a. Foco e diretriz do mesmo sinal formam o par da razão de distâncias. O denominador é positivo; a curva está entre as diretrizes. Aqui a/e=a²/c.

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Corda focal perpendicular ao eixo maior

L=2b2aL=\frac{2b^2}{a}

a>b>0. Para eixo maior horizontal, a corda por (h±c,k) tem extremos de ordenadas k±b²/a; para eixo vertical, as abscissas são h±b²/a na altura k±c. O foco é ponto médio desta corda, também chamada lado reto.

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Área da região elíptica

A=πab\mathcal A=\pi ab

a,b>0 são semieixos. A fórmula mede a região interior com o contorno e usa unidade quadrada. Não substitua pelos comprimentos inteiros 2a e 2b. A escala horizontal e a vertical multiplicam a área de um disco unitário.

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Parametrização dos raios horizontal e vertical

{x=h+Acos⁡ty=k+Bsin⁡t0≤t<2π\begin{cases}x=h+A\cos t\\y=k+B\sin t\end{cases}\quad0\le t<2\pi
{x=h+Acos⁡ty=k+Bsin⁡t0≤t<2π\begin{gathered}\begin{cases}x=h+A\cos t\\y=k+B\sin t\end{cases}\\0\le t<2\pi\end{gathered}

A,B>0 são os raios horizontal e vertical, não necessariamente a e b nessa ordem. t é um parâmetro em radianos. O intervalo percorre todo o contorno uma vez no sentido anti-horário; em 2π o ponto inicial se repetiria. Em geral t não é o ângulo polar do ponto nem representa velocidade constante.

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Interseções com uma reta não vertical

(x−h)2A2+(mx+n−k)2B2=1\frac{(x-h)^2}{A^2}+\frac{(mx+n-k)^2}{B^2}=1
(x−h)2A2+(mx+n−k)2B2=1\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{A^2}\\+\frac{(mx+n-k)^2}{B^2}=1\end{gathered}

A,B>0. Substitua y=mx+n, desenvolva a quadrática e examine Δ: positivo, dois pontos; zero, tangência; negativo, nenhum. O coeficiente de x² é 1/A²+m²/B²>0. Para uma vertical x=q, substitua diretamente: |q−h|<A dá dois pontos, =A tangência e >A nenhum.

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Tangente no ponto da elipse

(tx−h)(x−h)A2+(ty−k)(y−k)B2=1\frac{(t_x-h)(x-h)}{A^2}+\frac{(t_y-k)(y-k)}{B^2}=1
(tx−h)(x−h)A2+(ty−k)(y−k)B2=1\begin{gathered}\frac{(t_x-h)(x-h)}{A^2}\\+\frac{(t_y-k)(y-k)}{B^2}=1\end{gathered}

A,B>0 e T=(tₓ,tᵧ) pertence ao contorno. A fórmula conserva tangentes verticais em (h±A,k) e horizontais em (h,k±B). Usar um ponto que não pertence à curva não fornece sua tangente de contato nesse ponto.

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Normal perpendicular à tangente no contato

A2(ty−k)(x−tx)−B2(tx−h)(y−ty)=0A^2(t_y-k)(x-t_x)-B^2(t_x-h)(y-t_y)=0
A2(ty−k)(x−tx)−B2(tx−h)(y−ty)=0\begin{gathered}A^2(t_y-k)(x-t_x)\\-B^2(t_x-h)(y-t_y)=0\end{gathered}

A,B>0 e T pertence ao contorno. Os coeficientes desta reta e da tangente satisfazem o teste de perpendicularidade. Nos extremos dos eixos a normal passa pelo centro; em geral não passa pelo centro nem por um foco.

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Tangentes de coeficiente angular dado

y=mx+nn=k−mh±A2m2+B2\begin{gathered}y=mx+n\\n=k-mh\pm\sqrt{A^2m^2+B^2}\end{gathered}

A,B>0, m real, mesma equação por raios horizontal/vertical. Resulta de discriminante zero. Para cada m existem duas tangentes paralelas distintas. As tangentes verticais x=h±A não aparecem na família y=mx+n e precisam ser examinadas separadamente.

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Distâncias mínima e máxima de um foco ao contorno

dmin⁡=a−c,dmax⁡=a+cd_{\min}=a-c,\qquad d_{\max}=a+c

a>b>0 e c²=a²−b². Para um foco fixo, os extremos ocorrem nos vértices do eixo maior. Num modelo orbital elíptico, o corpo central ocupa um foco; não confunda essas distâncias com as medidas desde o centro geométrico.

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Altura de um perfil semielíptico

y=b1−x2a2,−a≤x≤ay=b\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}},\qquad -a\le x\le a
y=b1−x2a2−a≤x≤a\begin{gathered}y=b\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}}\\-a\le x\le a\end{gathered}

Modelo com base horizontal em y=0, centro na origem e metade superior; a>b>0 neste arranjo. O vão inteiro mede 2a e a altura máxima b. Preserve o sinal positivo e o trecho físico. Um arco real só é tratado assim quando o modelo semielíptico foi declarado.

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7Hipérbole

Diferença de distâncias com módulo

∣PF1−PF2∣=2a,F1F2=2c|PF_1-PF_2|=2a,\quad F_1F_2=2c

F₁,F₂ são focos distintos e fixos; 0<a<c. P varia no plano. A diferença tem módulo para incluir os dois ramos. Comprimentos usam a mesma unidade em eixos ortogonais.

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Condições para a diferença prescrita

0<2a<2chipeˊrbole2a=0mediatriz2a=2cduas semirretas2a>2c∅\begin{array}{c|c}0<2a<2c&\text{hipérbole}\\2a=0&\text{mediatriz}\\2a=2c&\text{duas semirretas}\\2a>2c&\varnothing\end{array}

Focos distintos, c>0, diferença prescrita 2a não negativa. Em 2a=2c, as semirretas ficam na reta dos focos, a partir de cada foco para fora do segmento, incluindo os focos. A igualdade zero produz a mediatriz, não o segmento.

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Relação entre a, b e c

c2=a2+b2,b=c2−a2c^2=a^2+b^2,\quad b=\sqrt{c^2-a^2}

a,b>0 e c>a. O eixo real ou transverso liga os vértices e mede 2a; ele está na reta dos focos, que ficam além dos vértices. O eixo conjugado mede 2b; seus extremos não pertencem à curva. a não é chamado semieixo maior: pode ser menor, igual ou maior que b.

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Hipérbole horizontal com centro na origem

x2a2−y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1

a,b>0 e c=√(a²+b²). Vértices (±a,0), focos (±c,0). O termo positivo indica o eixo transverso. Pontos do ramo direito têm x≥a; do esquerdo x≤−a.

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Hipérbole vertical com centro na origem

y2a2−x2b2=1\frac{y^2}{a^2}-\frac{x^2}{b^2}=1

a,b>0, c²=a²+b². Vértices (0,±a), focos (0,±c). O termo positivo acompanha y², independentemente de qual denominador seja maior.

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Centro deslocado e eixo transverso horizontal

(x−h)2a2−(y−k)2b2=1C=(h,k),V±=(h±a,k)F±=(h±c,k)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{a^2}-\frac{(y-k)^2}{b^2}=1\\C=(h,k),\quad V_\pm=(h\pm a,k)\\F_\pm=(h\pm c,k)\end{gathered}
(x−h)2a2−(y−k)2b2=1C=(h,k)V±=(h±a,k)F±=(h±c,k)\begin{gathered}\frac{(x-h)^2}{a^2}\\-\frac{(y-k)^2}{b^2}=1\\C=(h,k)\\V_\pm=(h\pm a,k)\\F_\pm=(h\pm c,k)\end{gathered}

a,b>0, c=√(a²+b²); h,k são coordenadas do centro. O ramo direito começa em h+a e o esquerdo termina em h−a. As simetrias são em x=h, y=k e no centro.

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Centro deslocado e eixo transverso vertical

(y−k)2a2−(x−h)2b2=1C=(h,k),V±=(h,k±a)F±=(h,k±c)\begin{gathered}\frac{(y-k)^2}{a^2}-\frac{(x-h)^2}{b^2}=1\\C=(h,k),\quad V_\pm=(h,k\pm a)\\F_\pm=(h,k\pm c)\end{gathered}
(y−k)2a2−(x−h)2b2=1C=(h,k)V±=(h,k±a)F±=(h,k±c)\begin{gathered}\frac{(y-k)^2}{a^2}\\-\frac{(x-h)^2}{b^2}=1\\C=(h,k)\\V_\pm=(h,k\pm a)\\F_\pm=(h,k\pm c)\end{gathered}

a,b>0, c²=a²+b². Os ramos têm y≥k+a ou y≤k−a. Coordenadas dos focos variam ao longo do eixo transverso vertical.

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Assíntotas da hipérbole horizontal

y−k=±ba(x−h)y-k=\pm\frac ba(x-h)

a,b>0. As duas retas passam pelo centro e são diagonais do retângulo auxiliar de semidimensões a na horizontal e b na vertical. A hipérbole própria desta forma não as encontra; substituir uma delas na equação produz 0=1.

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Assíntotas da hipérbole vertical

y−k=±ab(x−h)y-k=\pm\frac ab(x-h)

a,b>0. Aqui a mede na vertical e b na horizontal, então o coeficiente angular em módulo é a/b. A orientação vem do termo positivo, não do tamanho dos denominadores.

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Completar quadrados com coeficientes de sinais opostos

Ux2+Vy2+Dx+Ey+G=0h=−D2U,k=−E2VR=D24U+E24V−GU(x−h)2+V(y−k)2=R\begin{gathered}Ux^2+Vy^2+Dx+Ey+G=0\\h=-\frac D{2U},\quad k=-\frac E{2V}\\R=\frac{D^2}{4U}+\frac{E^2}{4V}-G\\U(x-h)^2+V(y-k)^2=R\end{gathered}
Ux2+Vy2+Dx+Ey+G=0h=−D2U,k=−E2VR=D24U+E24V−GU(x−h)2+V(y−k)2=R\begin{gathered}Ux^2+Vy^2+Dx\\+Ey+G=0\\h=-\frac D{2U},\quad k=-\frac E{2V}\\R=\frac{D^2}{4U}+\frac{E^2}{4V}-G\\U(x-h)^2\\+V(y-k)^2=R\end{gathered}

UV<0. Para R≠0, divida todos os termos por R; o coeficiente que ficar positivo determina o eixo transverso. Se R=0, são duas retas concorrentes, não uma hipérbole própria. Termo xy exige outro tratamento de orientação.

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Determinar b por um ponto no caso horizontal

b2=(v−k)2(u−h)2/a2−1b^2=\frac{(v-k)^2}{(u-h)^2/a^2-1}

C=(h,k), a>0 e Q=(u,v) está fora da faixa entre os vértices: |u−h|>a, com v≠k. O denominador é positivo. Um vértice dado novamente não determina b. Se |u−h|=a, é necessário v=k; se |u−h|<a, ou se |u−h|>a com v=k, os dados são incompatíveis.

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Ordenadas e abscissas no caso horizontal

y=k±b(x−h)2a2−1x≤h−a ou x≥h+a\begin{gathered}y=k\pm b\sqrt{\frac{(x-h)^2}{a^2}-1}\\x\le h-a\ \text{ou}\ x\ge h+a\end{gathered}

a,b>0. As ordenadas da curva inteira cobrem ℝ. As escolhas ± dão partes superior e inferior dos dois ramos; os ramos geométricos são esquerdo e direito. Cada ramo pode ser escrito como x=h±a√(1+(y−k)²/b²), para y real.

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Dois ramos de função no caso vertical

y=k±a1+(x−h)2b2x∈Ry≤k−a ou y≥k+a\begin{gathered}y=k\pm a\sqrt{1+\frac{(x-h)^2}{b^2}}\\x\in\mathbb R\\y\le k-a\ \text{ou}\ y\ge k+a\end{gathered}

a,b>0. Cada sinal define um ramo, superior ou inferior, para todo x real. A imagem do superior é [k+a,+∞), e a do inferior (−∞,k−a]. Não há pontos na faixa k−a<y<k+a.

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Excentricidade maior que um

e=ca=1+b2a2>1e=\frac ca=\sqrt{1+\frac{b^2}{a^2}}>1

a,b>0, c²=a²+b². É uma razão sem unidade. Para a=b, e=√2; isso é hipérbole equilátera, não circunferência. e=1 não ocorre numa hipérbole própria de b>0.

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Diretrizes emparelhadas com os focos horizontais

ℓ±:x=h±aeF±=(h±c,k),PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:x=h\pm\frac ae\\F_\pm=(h\pm c,k),\quad\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}
ℓ±:x=h±aeF±=(h±c,k)PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:x=h\pm\frac ae\\F_\pm=(h\pm c,k)\\\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}

a,b>0, e=c/a>1. Foco e diretriz do mesmo sinal formam o par. Como a/e<a, as diretrizes ficam entre os vértices, sem cortar a curva. A razão vale nos dois ramos.

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Diretrizes emparelhadas com os focos verticais

ℓ±:y=k±aeF±=(h,k±c),PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:y=k\pm\frac ae\\F_\pm=(h,k\pm c),\quad\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}
ℓ±:y=k±aeF±=(h,k±c)PF±d(P,ℓ±)=e\begin{gathered}\ell_\pm:y=k\pm\frac ae\\F_\pm=(h,k\pm c)\\\frac{PF_\pm}{d(P,\ell_\pm)}=e\end{gathered}

a,b>0 e e=c/a. As diretrizes estão a distância a/e=a²/c do centro, dentro da faixa entre os vértices. P está na curva e a distância perpendicular no denominador é positiva.

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Corda focal perpendicular ao eixo transverso

L=2b2aL=\frac{2b^2}{a}

a,b>0. No caso horizontal, em x=h±c os extremos têm y=k±b²/a. No vertical, em y=k±c têm x=h±b²/a. Cada foco é ponto médio da respectiva corda.

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Hipérbole equilátera

a=b>0,c=a2,e=2a=b>0,\quad c=a\sqrt2,\quad e=\sqrt2

Se a=b, as assíntotas são y−k=±(x−h), perpendiculares. A curva continua aberta, com dois ramos e sinal de subtração. O retângulo auxiliar vira quadrado, mas a curva não é circunferência.

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Produto constante e função recíproca

(x−h)(y−k)=Ky=k+Kx−h,x≠h\begin{gathered}(x-h)(y-k)=K\\y=k+\frac K{x-h},\quad x\ne h\end{gathered}

K≠0, com unidade de produto de coordenadas. É uma hipérbole equilátera de assíntotas x=h e y=k, com eixos de simetria oblíquos. Se K>0, os dois deslocamentos têm mesmo sinal; se K<0, sinais opostos. Em K=0, a equação de produto é a união das duas retas; a fração não permite x=h.

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Parametrização trigonométrica horizontal

x=h+a/cos⁡t,y=k+btan⁡tt∈[0,2π)∖{π/2,3π/2}\begin{gathered}x=h+a/\cos t,\quad y=k+b\tan t\\t\in[0,2\pi)\setminus\{\pi/2,3\pi/2\}\end{gathered}
x=h+acos⁡ty=k+btan⁡t0≤t<2πt≠π2,3π2\begin{gathered}x=h+\frac a{\cos t}\\y=k+b\tan t\\0\le t<2\pi\\t\ne\frac\pi2,\frac{3\pi}2\end{gathered}

a,b>0. A identidade 1/cos²t−tan²t=1 garante pertencimento. cos t≠0 é essencial. O intervalo indicado percorre ambos os ramos uma vez; t não é automaticamente ângulo polar nem tempo. Para eixo vertical, troque os papéis de x−h e y−k.

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Substituição de reta no caso horizontal

(b2−a2m2)X2−2a2mqX−a2(q2+b2)=0(b^2-a^2m^2)X^2-2a^2mqX-a^2(q^2+b^2)=0
(b2−a2m2)X2−2a2mqX−a2(q2+b2)=0\begin{gathered}(b^2-a^2m^2)X^2\\-2a^2mqX\\-a^2(q^2+b^2)=0\end{gathered}

a,b>0, X=x−h e q=mh+n−k para y=mx+n. Só use Δ se b²−a²m²≠0. Se esse coeficiente zera e q≠0, resta uma equação linear com um ponto comum, sem tangência; q=0 dá a própria assíntota, sem interseção.

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Tangente no ponto da hipérbole horizontal

(tx−h)(x−h)a2−(ty−k)(y−k)b2=1\frac{(t_x-h)(x-h)}{a^2}-\frac{(t_y-k)(y-k)}{b^2}=1
(tx−h)(x−h)a2−(ty−k)(y−k)b2=1\begin{gathered}\frac{(t_x-h)(x-h)}{a^2}\\-\frac{(t_y-k)(y-k)}{b^2}=1\end{gathered}

a,b>0 e T=(tₓ,tᵧ) pertence à curva. Nos vértices, as tangentes são verticais x=h±a. Não basta uma única interseção para chamar uma reta paralela à assíntota de tangente.

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Tangente no ponto da hipérbole vertical

(ty−k)(y−k)a2−(tx−h)(x−h)b2=1\frac{(t_y-k)(y-k)}{a^2}-\frac{(t_x-h)(x-h)}{b^2}=1
(ty−k)(y−k)a2−(tx−h)(x−h)b2=1\begin{gathered}\frac{(t_y-k)(y-k)}{a^2}\\-\frac{(t_x-h)(x-h)}{b^2}=1\end{gathered}

a,b>0 e T pertence à curva. Nos vértices, as tangentes são horizontais y=k±a. A forma sem divisão por deslocamentos preserva esses casos.

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Normal no caso horizontal

a2(ty−k)(x−tx)+b2(tx−h)(y−ty)=0a^2(t_y-k)(x-t_x)+b^2(t_x-h)(y-t_y)=0
a2(ty−k)(x−tx)+b2(tx−h)(y−ty)=0\begin{gathered}a^2(t_y-k)(x-t_x)\\+b^2(t_x-h)(y-t_y)=0\end{gathered}

a,b>0 e T pertence à curva. A normal passa por T e é perpendicular à tangente. No vértice, coincide com o eixo transverso; fora dele não precisa passar pelo centro nem pelo foco.

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Normal no caso vertical

b2(ty−k)(x−tx)+a2(tx−h)(y−ty)=0b^2(t_y-k)(x-t_x)+a^2(t_x-h)(y-t_y)=0
b2(ty−k)(x−tx)+a2(tx−h)(y−ty)=0\begin{gathered}b^2(t_y-k)(x-t_x)\\+a^2(t_x-h)(y-t_y)=0\end{gathered}

a,b>0 e T pertence à curva vertical. As posições de a² e b² refletem a orientação da equação. Nos vértices a normal é vertical x=h.

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Tangentes por coeficiente angular, no caso horizontal

y=mx+nn=k−mh±a2m2−b2∣m∣>b/a\begin{gathered}y=mx+n\\n=k-mh\pm\sqrt{a^2m^2-b^2}\\|m|>b/a\end{gathered}

A hipérbole tem eixo transverso horizontal, a,b>0. A desigualdade é estrita: |m|=b/a fornece direções assintóticas, sem tangente; |m|<b/a não fornece tangentes dessa forma. Inclua separadamente as verticais x=h±a.

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Diferença de tempos e distâncias no modelo ideal

∣d1−d2∣=v ∣Δt∣=2a|d_1-d_2|=v\,|\Delta t|=2a

d₁,d₂ são as distâncias da fonte aos receptores fixos separados por 2c. Δt=t₁−t₂ compara tempos de chegada da mesma emissão, no mesmo referencial de relógio. v>0 é a mesma velocidade constante nos dois percursos, com unidades compatíveis. 0<v|Δt|<2c produz hipérbole; o sinal do atraso seleciona um ramo, sem determinar sozinho uma posição única.

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Raio de um perfil hiperbólico horizontal

r(y)=a1+(y−k)2b2r(y)=a\sqrt{1+\frac{(y-k)^2}{b^2}}

Modelo x²/a²−(y−k)²/b²=1 com a,b>0, eixo vertical de revolução x=0 e r=x>0. O diâmetro é 2r, e k é a altura da cintura. A função matemática é real para todo y, mas um objeto físico usa apenas o intervalo de alturas declarado.

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