La elipse, como curva geométrica, fue estudiada por Menaechmus, investigada por
Euclides, y su nombre se atribuye a
Apolonio de Perge. El foco y la directriz de la sección cónica de una elipse fueron estudiadas por Pappus. En 1602,
Kepler creía que la órbita de
Marte era ovalada, aunque más tarde descubrió que se trataba de una elipse con el
Sol en un foco. De hecho, Kepler introdujo la palabra «focus» y publicó su descubrimiento en 1609.
Halley, en 1705, demostró que el cometa que ahora lleva su nombre trazaba una órbita elíptica alrededor del Sol.
[2]
[editar] Elementos de una elipse
La elipse y algunas de sus propiedades matemáticas.
La elipse es una curva plana y cerrada, simétrica respecto a dos ejes perpendiculares entre sí:
Miden la mitad del eje mayor y menor respectivamente.
[editar] Puntos de una elipse
Los
focos de la elipse son dos puntos equidistantes del centro,
F1 y
F2 en el eje mayor. La suma de las distancias desde cualquier punto
P de la elipse a los dos focos es constante, e igual a la longitud del diámetro mayor, (
PF1 +
PF2 = 2
a).
Si
F1 y
F2 son dos puntos de un plano, y
2a es una constante mayor que la distancia
F1F2, un punto
P pertenecerá a la elipse si se cumple la relación:

donde

es la medida del semieje mayor de la elipse.
[editar] Ejes de una elipse
El eje mayor 2
a, es la mayor distancia entre dos puntos adversos del la elipse. El resultado constante de la suma de las distancias de cualquier punto a los focos equivale al eje mayor. El eje menor 2
b, es la menor distancia entre dos puntos adversos del la elipse. Los ejes de la elipse son
perpendiculares entre si.
[editar] Excentricidad de una elipse
La
excentricidad ε (
épsilon) de una elipse es la razón entre su semidistancia focal (segmento que va del centro de la elipse a uno de sus focos), denominada por la letra
c, y su semieje mayor. Su valor se encuentra entre cero y uno.
, con 
Dado que

, también vale la relación:

o el sistema:

La excentricidad indica la forma de una elipse; una elipse será más redondeada cuanto más se aproxime su excentricidad al valor cero.
[3] La designación tradicional de la excentricidad es la letra griega
ε llamada
épsilon.
(No se debe usar la letra
e para designarla, porque se reserva para la base de los logaritmos naturales o neperianos. Véase:
número e).
[editar] Excentricidad angular de una elipse
La
excentricidad angular α es el ángulo para el cual el valor de la función trigonométrica
seno concuerda con la excentricidad

, esto es:

[editar] Constante de la elipse
En una elipse, por definición, la suma de la longitud de ambos
segmentos (azul + rojo) es una cantidad constante, la cual siempre se igual a la longitud del «eje mayor», 2
a.
En la elipse de la imagen, la constante es 10. Equivale a la longitud medida desde el foco
F1 al punto
P (ubicado en cualquier lugar de la elipse) sumada a la longitud desde el foco
F2 a ese mismo punto
P. (El
segmento de color azul sumado al de color rojo).
El segmento correspondiente, tanto trazo
PF1 (color azul), como al
PF1 (color rojo), se llaman «radio
vector». Los dos «focos»
equidistan del
centro O. En la animación, el punto
P recorre la elipse, y en él convergen ambos segmentos (azul y rojo).
[editar] Directrices de la elipse
La recta
dD es una de las 2 directrices de la elipse.
Cada foco
F de la elipse está asociado con una recta paralela al semieje menor llamada
directriz. Ver ilustración de la derecha. La distancia de cualquier punto
P de la elipse hasta el foco
F es una fracción constante de la distancia perpendicular de ese punto
P a la directriz que resulta en la igualdad:

La relación entre estas dos distancias es la excentricidad

de la elipse. Esta propiedad (que puede ser probada con la herramienta
esferas de Dandelin) puede ser tomada como otra definición alternativa de la elipse.
Una elipse es el lugar geométrico de todos los puntos de un plano para los cuales se cumple que el cociente entre sus distancias a un punto fijo –que se denomina foco– y a una recta dada –llamada directriz– permanece constante y es igual a la excentricidad de la misma.
|
Además de la bien conocida relación

, también es cierto que

, también es útil la fórmula

.
Aunque en la figura solo se dibujó la directiz del foco derecho, existe otra directiz para el foco izquierdo cuya distancia del centro
O es
-d, la cual además es paralela a la directriz anterior.
[editar] Ecuaciones de la elipse
[editar] En coordenadas cartesianas
[editar] Forma cartesiana centrada en origen
La ecuación de una elipse en
coordenadas cartesianas, con centro en el origen, es:

donde
a > 0 y
b > 0 son los semiejes de la elipse (
a corresponde al eje de las
abscisas,
b al eje de las
ordenadas). El origen O es la mitad del segmento [FF']. La distancia entre los focos FF' se llama distancia focal y vale
2c = 2ea, siendo
e la
excentricidad y
a el
semieje mayor.
[editar] Forma cartesiana centrada fuera del origen
Si el centro de la elipse se encuentra en el punto (x
1, y
1), la ecuación es:

[editar] En coordenadas polares
[editar] Forma polar centrada en origen
En
coordenadas polares, con origen en su centro, la ecuación de la elipse es:

[editar] Formas polares centradas en un foco
Coord. ploares sobre un foco.
En
coordenadas polares, con el origen en uno de sus focos, la ecuación de la elipse es:
(501) 
Para el otro foco:
(502) 
"Semi-latus rectum" (en verde) de la elipe.
En el caso un poco más general de una elipse con un foco en el origen y el otro foco en la coordenada angular

, la forma polar es:
(503)
}
El ángulo
θ de las ecuaciones (
501),(
502) y (
503) es la llamada
anomalía verdadera del punto y el numerador de las mismas

es el llamado
semi-latus rectum de la elipse, normalmente denotado
l. El
semi-latus rectum es la distancia entre un foco y la misma elipse sobre una línea perpendicular al semieje mayor que pasa por el foco.
[editar] Formas paramétricas
La
ecuación paramétrica de una elipse con centro en
(h,k) es:

con
no es el ángulo θ del sistema de coordenadas polares con origen en el centro de la elipse (tampoco es el ángulo del sistema de coordenadas polares con origen en algún foco de la elipse). La relación entre
α y θ es
-
.
La ecuación paramétrica de una elipse con centro en
(h,k) en la que el parámetro
θ sea concordante con el ángulo polar respecto al centro desplazado
(h,k) es:

con

. El parámetro
θ es el ángulo de un sistema polar cuyo origen está centrado en
(h,k).
[editar] Área interior de una elipse
El
área de la superficie interior de una elipse es:

Siendo
a y
b los semiejes.
[4]
[editar] Longitud de una elipse
El cálculo del
perímetro de una elipse requiere del cálculo de
integrales elípticas de segunda especie.
Sin embargo, el matemático
Ramanujan ideó una ecuación más simple que se aproxima razonablemente a la longitud de la elipse, pero en grado menor que la obtenida mediante integrales elípticas. Ramanujan, en su fórmula, entre otros valores utiliza el “semieje mayor” y el “semieje menor”. Ecuación de la longitud de una elipse:
![P \approx \pi \left[3(a+b) -
\sqrt{(3a+b)(a+3b)}\right]\!\,](http://upload.wikimedia.org/math/4/5/3/4531867e543bc27be7c45f80a7599da1.png)
[editar] Propiedades notables
La elipse goza de ciertas propiedades asociadas a sus componentes, como se puede ver en
Analogía de Michelson y Morley.
[editar] La elipse como cónica
La elipse surge de la intersección de una superficie cónica con un plano, de tal manera que la inclinación del plano no supere la inclinación de la recta
generatriz del cono, consiguiendo así que la intersección sea una curva cerrada. En otro caso el corte podría ser una
hipérbola o una
parábola. Es por ello que a todas estas figuras bidimensionales se las llama
secciones cónicas o simplemente cónicas.
[editar] La elipse como hipotrocoide
La elipse es un caso particular de
hipotrocoide, donde
R =
2r, siendo
R el radio de la circunferencia directriz, y
r el radio de la circunferencia
generatriz.
En una curva hipotrocoide, la
circunferencia que contiene al punto generatriz, gira tangencialmente por el interior de la circunferencia
directriz.
La elipse como caso particular de hipotrocoide. Datos: R = 10, r = 5, d = 1.
[editar] Construcción paramétrica de una elipse
Se dibujan dos circunferencias concéntricas cuyos diámetros equivalen a la medida de los ejes ortogonales de la futura elipse. Si trazamos segmentos palalelos a los ejes principales
X e
Y, partiendo del extremo de los radios alineados, la intersección de dichos segmentos son puntos de la elipse.
[editar] Anamorfosis de un círculo en una elipse
Cierta trasformación de la
circunferencia (al deformar ortogonalmente el plano cartesiano asociado a ella), se denomina
anamorfosis. Se corresponde a una perspectiva especial. El término anamorfosis proviene del idioma griego y significa trasformar.
Una circunferencia en un plano cartesiano no deformado. | Esta circunferencia se transforma en una elipse mediante una anamorfosis, donde el eje Y se ha contraído y el X se ha dilatado. |
En el caso de la circunferencia, si el plano cartesiano se divide en cuadrados, cuando dicho plano se «deforma» en sentido del eje X, el Y, o ambos, la circunferencia se transforma en una elipse, y los cuadrados en rectángulos.
[editar] Elipses semejantes
Se dice que dos figuras son semejantes cuando se diferencian sólo en el tamaño (pero no en la forma), de tal manera que multiplicando todas las longitudes por un factor dado, se pasa de una figura a la otra. Hay un teorema de utilidad en Física
[5] acerca de la intersección de una recta con dos elipses semejantes y concéntricas.
Teorema: Si la intersección de una recta con la corona comprendida entre dos elipses semejantes con el mismo centro y ejes correspondientes colineales consta de dos segmentos, entonces éstos tienen igual longitud.
|
Demostración: El teorema es cierto, por simetría, en el caso particular en que las elipses dadas sean dos circunferencias concéntricas. Contrayendo o dilatando uniformemente una de las direcciones coordenadas, podemos transformar cualquier caso en este caso particular. Al contraer o dilatar uniformemente una de las direcciones coordenadas, todos los segmentos con la misma pendiente cambian su longitud en la misma proporción. Por tanto, puesto que al final del proceso los dos segmentos de la recta tienen la misma longitud, la tenían ya al principio.
QED.
No deben confundirse las elipses semejantes con las
elipses cofocales.
[editar] La elipse en mecánica celeste
En
mecánica celeste, un cuerpo sometido a la
atracción gravitatoria de otro y que gira a su alrededor, describe una
órbita elíptica ideal. Uno de los focos de la elipse coincide con el cuerpo atractor. La excentricidad de la trayectoria depende de las condiciones iniciales. Esto está descrito en las
leyes de Kepler.