sábado, 20 de abril de 2013

Lugares geométricos: Diferencia de cuadrados de distancias a dos puntos fijos

lugares_geométricosEl estudio de los diferentes lugares geométricos que aparecen en los modelos gráficos más comunes permite comprender y estructurar las construcciones gráficas que sirven para resolver muchos problemas clásicos.


Dados dos puntos fijos, B y C en la figura, se trata de determinar las posiciones que puede ocupar el punto A para que la diferencia entre los cuadrados de la distancia desde A a dichos puntos sea constante.


enunciado lugar geometrico


Para determinar este lugar geométrico haremos uso del teorema de pitágoras. Buscaremos triángulos rectángulos y relacionaremos la longitud de sus lados (distancia entre sus vértices)  mediante este célebre teorema.


geometria_triangulo


En la figura supondremos que B y C son los puntos fijos, y A pertenece al lugar geométrico buscado. La distancia "a" entre B y C es un valor constante, no varía al ser B y C dos puntos fijos. Si se determina el punto medio M de este lado y el punto H en la perpendicular desde A al lado BC, obtendremos la altura h y la mediana m del triángulo ABC.


Aplicando pitágoras a los triángulos ABH y AHC tendremos:


ecuaciones


Que nos relaciona los cuadrados de los lados de los triángulos (distancias buscadas). Si restamos una ecuación a la otra tendremos:


resultado


Esta ecuación nos indica que si queremos que la diferencia de cuadrados sea constante, el producto 2ad debe de serlo y, como a es un valor constante, el segmento d debe permanecer invariable.


Geométricamente debe mantenerse fijo el punto H y por lo tanto el punto A, que se encuentra sobre la altura del triángulo, debe permenecer sobre una recta perpendicular a BC que pase por H.




El lugar geométrico de puntos cuya diferencia de cuadrados de distancias a dos puntos fijos es constante, es una recta perpendicular al segmento que determinan los puntos fijos.



Este lugar geométrico es de gran interés para el estudio del eje radical de dos circunferencias.


Geometría Métrica

miércoles, 17 de abril de 2013

Aplicación del teorema de Pitágoras: Ecuación de la circunferencia

circunferenciaUna de las primeras aplicaciones que podemos encontrar en el teorema de Pitágoras, es su uso en la determinación de la ecuación de una circunferencia.


La relación métrica entre los dos catetos de un triángulo rectángulo son esencialmente la expresión del concepto de medida euclídeo.


Los puntos de una circunferencia se encuentran a igual distancia del centro de la misma (O).


Una circunferencia es el lugar geométrico de los puntos de un plano que equidistan de otro punto fijo y coplanario llamado centro en una cantidad constante llamada radio.(W)


Para determinar la ecuación de la circunferencia analizaremos primero el caso en que ésta se encuentre con su centro en el origen del sistema de referencia, para generalizar a continuación a cualquier posición del plano.


circunferencia_origen

La distancia de cualquier punto P(x,y) de la circunferencia a su centro O es igual a su radio R. En la figura se aprecia que es la hipotenusa de un triángulo rectángulo que tiene por catetos a las coordenadas x e y del punto P. Por ello, aplicando el teorema de pitágoras:


ecuacion_circunferencia


Si desplazamos el centro de la circunferencia a un punto de coordenadas (Xo, Yo), como se aprecia en la figura:


Circunferencia_no_origen


los puntos de la circunferencia seguiran a distancia R del centro, pero en este caso los catetos del triángulo ya no serán las coordenadas, sino la diferencia entre estas y las del centro. La nueva ecuación será:


ecuacion_circunferencia_no_origen


Podemos desarrollar esta ecuación y agrupar los coeficientes y las variables de forma ordenada, con lo que tendremos:


ecuacion_desplazada


O simplificar agrupando


ecuacion_coeficientes


Siendo


coeficientes


Una aplicación directa por lo tanto de un teorema de gran importancia en la geometría.




[caption id="" align="aligncenter" width="150"]Curso de Geometría Métrica Curso de Geometría Métrica[/caption]

martes, 26 de marzo de 2013

Fundamentos del Sistema Diédrico

proyeccion sobre dos planosHemos visto al presentar los Sistemas de Representación que la geometría descriptiva es el conjunto de técnicas de carácter geométrico que permite representar el espacio tridimensional sobre una superficie bidimensional.


En particular veremos con detalle el denominado "Sistema diédrico" (ver la clasificación de los sistemas de representación) que se basa en las relaciones perspectivas que aparecen en la proyección cilíndrica ortogonal sobre dos planos de proyección.



Proyección ortogonal


Para entender en profundidad el modelo basado en la proyección cilíndrica ortogonal repasaremos previamente algunos teoremas espaciales que nos facilitaran el análisis.




Una recta es perpendicular a un plano si lo es a dos rectas no paralelas contenidas en dicho plano.



proyeccion ortogonal

La proyección de un punto (P) del espacio sobre un determinado plano de proyección se obtiene determinando la recta "r" que contiene al punto y es perpendicular a dicho  plano, por lo tanto perpendicular a dos rectas cualesquiera "a" y "b" que no sean paralelas de dicho plano.


La proyección P' será la intersección de la recta r con el plano.


Otro teorema espacial que será de gran utilidad es el siguiente:




Si una recta es perpendicular a un plano, todos los planos que la contengan también son ortogonales a dicho plano.



planos_ortogonalesSi la recta r es perpendicular al plano, los planos que determina con las rectas que pasan por P' (a, b, etc) son planos ortogonales al primero.


Podemos pensar que la recta r es la línea de bisagras de una puerta y los planos las infinitas posiciones que ocupa al girar sobre su eje.


Por último necesitaremos establecer una relación entre tres planos ortogonales entre si:




Si un plano es perpendicular a otros dos planos, lo es a la recta intersección de estos.



Tres_planos_ortogonalesLa recta intersección de los dos planos, i, es la dirección común a ambos planos. Los tres planos se cortarán en un punto I.


Si proyectamos ortogonalmente el punto (P) sobre los planos H y V, las rectas (P)-P' y (P)-P'' serán ortogonales a ellos respectivamente.


El plano que contenga a (P)-P' será ortogonal al plano H y de forma análoga, el plano que contenga a la recta (P)-P'' lo será a V. Por lo tanto, si consideramos el plano formado por los puntos (P)-P'-P'' y el punto I, este será perpendicular a V y H y por lo tanto a su dirección común, recta i.


Esta última propiedad nos permitirá establecer la relación perspectiva que existe entre dos proyecciones vinculadas.



Sistema diédrico


Si abatimos el plano horizontal de proyección sobre el plano vertical ( o al revés), podremos ver las dos proyecciones sobre un mismo plano.


Abatimiento_plano_proyeccion




Al abatir el plano horizontal H sobre el vertical V obtendremos dos proyecciones ortogonales sobre un mismo plano que haremos coincidir con el del dibujo.



Este modelo de representación se conoce con el nombre de "Sistema diédrico" ya que necesitaremos las proyecciones sobre dos planos ortogonales, al menos, para determinar inequívocamente las posiciones en el espacio de los puntos representados.


El proceso de "restitución" espacial debe permitir saber cómo se encuentran localizados en el espacio los elementos geométricos representados en este sistema.


Podemos observar que al abatir el plano horizontal sobre el vertical, las proyecciones P' y P'' quedan alineadas en una recta que es perpendicular a la intersección i de ambos planos. Esta línea se denomina "Línea de referencia" entre las proyecciones de los puntos. A la recta i se la conoce con el nombre de "Línea de tierra"




Las líneas de referencia entre dos proyecciones son ortogonales a la correspondiente línea de tierra.



Veremos que podemos prescindir de la línea de tierra cuando desarrollemos el sistema. De momento nos sirve para entender la esencia del mismo.


Plano_abatido


Podemos etiquetar de diferente forma a las proyecciones sobre los planos. Algunas biografías utilizan subíndices, otras tildes o números romanos.


Normalmente la proyección sobre el plano horizontal se conocerá como "la primera" proyección, sobre el vertical será "la segunda" y sobre un tercer plano ortogonal a los anteriores, denominado plano de perfil, tendremos "la tercera" proyección.


Siguiente lección ... Proyección de la recta




[caption id="attachment_13573" align="aligncenter" width="400"]Sistemas_de_representacion Sistemas_de_representacion[/caption]

miércoles, 20 de marzo de 2013

El problema de los dos pueblos y el puente

Pueblos y puente_thumbUno de los primeros problemas de geometría métrica que propongo a mis alumnos sirve para iniciar el modelo geométrico de análisis a la vez que repasamos las transformaciones básicas estudiadas en etapas anteriores.


El problema se plantea como un caso real de estudio, aderezado con una historia que varía según se profundiza en el análisis, y de forma jocosa lo denomino "El puente sobre el río Guay", o el "problema de los dos pueblos y el puente".


La idealización del caso de estudio es sencilla y, como veremos, es una curiosa introducción a la teoría de resolución de problemas mediante geometría aplicada.




Dos pueblos tienen que construir un puente que cruce un río y permita a sus ciudadanos pasar de uno a otro. Como tienen que pagarlo entre ambos, quisieran que su situación "equidistara" de ambos pueblos.



Tenemos que encontrar por lo tanto una posición en el río cuya distancia "d" a los dos pueblos sea la misma.




[caption id="attachment_16953" align="aligncenter" width="334"]El problema del puente para unir dos pueblos El problema del puente para unir dos pueblos[/caption]

El primer paso es buscar un modelo geométrico sencillo que idealice el problema, expresado en términos básicos de la geometría, es decir, puntos y rectas. Cada objeto puede ser representado mediante la figura geométrica que más se aproxime a su forma o, en un nivel de abstracción mayor, por cualquier elemento geométrico que nos interese por una u otra propiedad.


Podemos suponer que los pueblos se idealizan como puntos (representados como círculos) y el río como una curva o línea recta.




[caption id="attachment_16954" align="aligncenter" width="303"]Idealización del problema Idealización del problema[/caption]

Geométricamente la solución es sencilla. El puente, representado por el punto "P" se encuentra a igual distancia de los dos pueblos, puntos "A" y "B", luego debe estar en la mediatriz "m" del segmento "AB"




[caption id="attachment_16956" align="aligncenter" width="281"]Solución básica del problema Solución básica del problema[/caption]

La solución propuesta se basa en suponer que el puente es un punto (en la idealización que hemos realizado) ya que el río lo hemos reducido a una línea sin espesor. El análisis interesante del problema empieza cuando suponemos que el río tiene un cierto espesor y, en consecuencia, la distancia que debemos medir es desde cada punto a la posición del puente situado en la orilla más próxima a cada pueblo.




[caption id="attachment_16960" align="aligncenter" width="274"]Puente sobre un río ancho Puente sobre un río ancho[/caption]

El modelo anterior ya no es válido, ni aunque consideremos la línea media del río. ¿En qué ha cambiado el problema? Interesaría describir este cambio en términos geométricos. ¿Podemos adaptar la solución anterior con alguna modificación?


En este punto del análisis suelo terminar el problema. Dejo las preguntas en el aire para que mis alumnos lo piensen y traten de encontrar la solución por ellos mismos. Os dejaré la misma incógnita en el aire ... dentro de unos días publicaré la solución en este enlace:




  • Solución al problema de los dos pueblos y el puente

domingo, 17 de marzo de 2013

Geometría proyectiva: Cuaternas ordenadas de elementos


cuatroDe forma análoga a la definición que vimos de "ternas ordenadas de elementos", podemos enunciar una definición que implique a cuatro elementos.


La no conservación de la razón simple en proyecciones cónicas obliga a estudiar un nuevo modelo que sea de aplicación en estas representaciones, con un nuevo invariante presente en las razones dobles.


Dados cuatro elementos geométricos pertenecientes a una misma forma de primera categoría, podemos enunciar:




Cuatro elementos pertenecientes a una forma de primera categoría determinan una cuaterna. La ordenación de los puntos permite asociarles un valor denominado “característica de la cuaterna”.



[caption id="attachment_16769" align="aligncenter" width="193"]Cuaternas de rectas y de puntos Cuaternas de rectas y de puntos[/caption]

Dados cuatro puntos, rectas o planos, la cuaterna se escribe matemáticamente con el siguiente simbolismo:



  • puntos: (ABCD)

  • rectas:  (abcd)

  • planos: (abgd)


De forma análoga a lo visto para la razón simple que obteníamos en las ternas, una razón doble es el cociente de dos razones simples, como se expresa en la siguiente ecuación para puntos:


Definicion cuaterna


o para cuatro rectas:

Definicion cuaternas rectas

pero las ternas de rectas expresaban un cociente, tal y como vimos, lo que nos permite desarrollar la expresión de una cuaterna con objeto de relacionar las cuaternas de puntos y las de rectas, o planos, que los proyectan.


Captura de pantalla 2013-02-12 a la(s) 21.40.21

que nos permiten obtener

Captura de pantalla 2013-02-12 a la(s) 23.05.16

La razón doble de cuatro rectas con vértice común, es la de los cuatro puntos en que las secciona cualquier recta que no pase por dicho vértice.



Conservación de la razón doble


La ecuación anterior es de gran importancia puesto que nos permite establecer un invariante proyectivo, que relaciona los elementos independientemente del tipo de proyección empleada.




[caption id="attachment_16782" align="aligncenter" width="653"]Perspectividades entre elementos de formas de primera categoria. Perspectividades entre elementos de formas de primera categoria.[/caption]

Geometría Proyectiva

domingo, 3 de marzo de 2013

El código secreto [ Libro ]

codigo_secreto_600

Hay libros y libros. Algunos sirven mayoritariamente para equilibrar alguna mesa coja, mientras, otros, no dejan de apasionar.


La geometría como ciencia milenaria se encuentra reflejada en todos los aspectos que rodean la historia del ser humano. Su conocimiento ha permitido el desarrollo de la pintura, la arquitectura, la interpretación de la naturaleza ...


En particular el segmento áureo, la denominada proporción divina o regla de oro  de la geometría, aparece de forma sistemática en todos los modelos geométricos siendo un tema básico de la formación de nuestros ingenieros actuales.


El código secreto nos sumerge de forma amena en estas relaciones geométricas conduciéndonos por la historia de la humanidad en su empleo de forma magistral. Un libro para los amantes de la geometría y de la historia.




[caption id="attachment_16877" align="alignleft" width="600"]El código secreto El código secreto[/caption]

En 1853 Ohm dio por primera vez la denominación de sección àurea refiriéndose "al valor estético que en el Renacimiento se atribuía a la división de un segmento en razón media y extrema". Esta relación matemática la encontró Herodoto en las Pirámides, Fidias la aplicó en el Partenón, Platón habló de ella en relación a la ciencia, Euclides la utilizó en matemáticas y un largo etc en la Historia para el uso de la divina proporción que este libro nos va desvelando en cada capítulo. (Casa del libro)




  • Editoral: TASCHEN BENEDIKT

  • Lengua: ESPAÑOL

  • ISBN: 9783836507097

lunes, 18 de febrero de 2013

El verdadero tamaño de Africa

africa_thumbEl término "Immappancy" puede traducirse como "insuficiente conocimiento de geografía". Incluso aquellos que piensan tener un conocimiento extenso de esta disciplina a veces son poco conscientes de la distorsión espacial que tenemos de la misma, debido a la forma en que contemplamos los documentos gráficos que nos han servido para formarnos.


Uno de los ejemplos más llamativos se da en el tamaño del continente africano que, dado que normalmente usamos proyecciones de "Mercator", la distorsión que introduce en las regiones situadas en el ecuador es muy inferior a las situadas en los trópicos, magnificando las áreas en estas últimas regiones.




La proyección de Mercator es un tipo de proyección cartográfica cilíndrica, ideada por Gerardus Mercator en 1569, para elaborar mapas de la superficie terrestre. Ha sido muy utilizada desde el siglo XVIII para cartas náuticas porque permitía trazar fácilmente las rutas de rumbo constante o loxodrómicas como líneas rectas.(W)



[caption id="attachment_16822" align="aligncenter" width="450"]La proyección Mercator es una proyección cilíndrica. La proyección Mercator es una proyección cilíndrica. (fuente wikipedia)[/caption]

Una proyección que respete las áreas y que a su vez permita en un mismo gráfico superponer diferentes regiones del planeta nos puede acercar mucho más a esta realidad objetiva del tamaño del continente africano.


El trabajo de Kai Krause es un acierto en este sentido, permitiendo comprender, en toda su extensión, la amplitud del término "Immappancy"




Kai Krause (born 1957) is a software and graphical user interface designer, best known for founding MetaCreations Corp., his Kai's Power Tools series of products, and for his contributions to graphical user interface design.[w]



[caption id="attachment_16823" align="aligncenter" width="300"]Tamaños relativos de diferentes áreas geográficas Tamaños relativos de diferentes áreas geográficas[/caption]