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SINTESI IPERBOLE MATEMATICA, Dispense di Matematica

Sintesi iperbole matematica per liceo

Tipologia: Dispense

2020/2021

Caricato il 21/02/2021

alessandro.campana_
alessandro.campana_ 🇮🇹

1 documento

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e è il luogo geometrico dei punti del piano per i quali è costante la
differenza delle distanze da due punti fissi detti f
fu
uo
oc
ch
hi
i.
Come si evince del grafico, la differenza delle distanze 

è:
positiva se è più vicino a
negativa se è più vicino a
.
Pertanto, per includere entrambi i casi occorre utilizzare il valore assoluto.
|

|=
Il punto medio del segmento
è detto c
ce
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o dell’iperbole.
La distanza fra i fuochi
e
è detta d
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I
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x
Consideriamo l’iperbole che ha il centro nell’origine degli assi cartesiani e
i fuochi
󰇛 ; 0󰇜 e
󰇛− ; 0󰇜 sull’asse .
Dalla definizione si ha che: |

|=2
(avendo indicato con 2>0 la differenza costante).
In un triangolo un lato è maggiore della differenza degli altri due. Pertanto,
nel triangolo 
,
>

, 2 >2 , > .
Indicato con 󰇛 ; 󰇜 un generico punto del piano si ha:
|

|= 2 ;
󰇻󰇛+󰇜
+󰇛0󰇜
󰇛󰇜
+󰇛0󰇜
󰇻 =2 ;
󰇛+󰇜
+
󰇛󰇜
+
= ∓2 ;
Risolviamo la prima equazione: 󰇛+󰇜
+
󰇛󰇜
+
=2

+
+2+
=2+
+
2+
; elevando ambo i membri al quadrato
+
+2+
=4
+
+
2+
+4
+
2+
;
4=4
+4
+
2+
;
44
=4
+
2+
;

=
+
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; elevando ambo i membri al quadrato

+
2
=
󰇛
+
2+
󰇜 ;
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+
2
=
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;
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=
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
= 0 ;
󰇛
󰇜
󰇛
󰇜= 0 ;
Essendo  > ; 
>
; 
>0
Pertanto si può porre 
=
sostituendo si ha:
= 0 ; dividendo per
=
1
E
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io
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ne
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no
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ni
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ca
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no
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ma
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e dell’iperbole a centro con i fuochi appartenenti all’asse
.
Si perviene a questa forma anche risolvendo la seconda equazione: 󰇛+󰇜
+
󰇛󰇜
+
= −2 ;

+
+2+
+2=
+
2+
;
+
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+
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;
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+
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=−4
+
+2+
;
+
=−
+
+2+
; 
+
+2
=
󰇛
+
+2+
󰇜 ;

+
+2
=
+

+2
+
; 
+

= 0 ;
󰇛

󰇜
󰇛

󰇜
=
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;
ponendo

=
si ottiene
=
0
;
=
1
.
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pf4
pf5
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LL’’iippeerrbboollee

L’

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i p

p e

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b o

o l

l e

e è il luogo geometrico dei punti del piano per i quali è costante la

differenza delle distanze da due punti fissi detti ffuuoocchhii.

Come si evince del grafico, la differenza delle distanze ܲܨ

è:

positiva se ܲ è più vicino a ܨ

negativa se ܲ è più vicino a ܨ ଵ

Pertanto, per includere entrambi i casi occorre utilizzare il valore assoluto.

Il punto medio del segmento ܨ ଵ

è detto cceennttrroo dell’iperbole.

La distanza fra i fuochi ܨ ଵ

e ܨ

è detta d

d i

i s

s t

t a

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s

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s

e

e

x

x

Consideriamo l’iperbole che ha il centro nell’origine degli assi cartesiani e

i fuochi ܨ ଵ

e ܨ

sull’asse ݔ.

Dalla definizione si ha che:

(avendo indicato con 2 ܽ > 0 la differenza costante).

In un triangolo un lato è maggiore della differenza degli altri due. Pertanto,

nel triangolo ܲ ܨ ଵ

Indicato con ܲ ሺݔ ; ݕሻ un generico punto del piano si ha:

Risolviamo la prima equazione: ඥሺܿ+ ݔ ሻ

; elevando ambo i membri al quadrato

; elevando ambo i membri al quadrato

Essendo ܿܽ ; ܿ

Pertanto si può porre ܿ

sostituendo si ha:

= 0 ; dividendo per ܽ

EEqquuaazziioonnee ccaannoonniiccaa o nnoorrmmaallee dell’iperbole a centro con i fuochi appartenenti all’asse ݔ.

Si perviene a questa forma anche risolvendo la seconda equazione: ඥሺܿ+ ݔ ሻ

ݕ +

− ඥሺܿ− ݔ ሻ

ݕ +

= − 2 ܽ ;

ݔඥ

ܿ+

  • 2 ܿ ݕ + ݔ

  • 2 ܽ ݔඥ =

ܿ+

− 2 ܿ ݕ + ݔ

;

ݔ

ܿ+

  • 2 ܿ ݕ + ݔ

  • 4 ܽ

  • 4 ܽ ඥݔ

ܿ+

  • 2 ܿ ݕ + ݔ

ݔ =

ܿ+

− 2 ܿ ݕ + ݔ

;

4 ܿ ݔ 4 ܽ

  • 4 ܽ ඥݔ

ܿ+

  • 2 ܿݕ + ݔ

= 0 ; 4 ܿ + ݔ 4 ܽ

= − 4 ܽ ඥݔ

ܿ+

  • 2 ܿݕ + ݔ

;

ܿܽ+ ݔ

ܽ− = ඥݔ

ܿ+

  • 2 ܿݕ + ݔ

; ܿ

ݔ

ܽ+

  • 2 ܽ

ܿ ܽ= ݔ

ሺݔ

ܿ+

  • 2 ܿ ݕ + ݔ

ሻ ;

ܿ

ݔ

ܽ+

  • 2 ܽ

ܿ ܽ= ݔ

ݔ

ܽ+

ܿ

  • 2 ܽ

ܿ ܽ+ ݔ

ݕ

; ܿ

ݔ

ܽ+

ܽ−

ݔ

ܽ−

ܿ

ܽ−

ݕ

= 0 ;

ሺ ܿ

− ܽ

ሻ ݔ

− ܽ

ݕ

− ܽ

ሺ ܿ

− ܽ

ሻ = 0 ; ponendo ܿ

− ܽ

= ܾ

si ottiene ܾ

ݔ

− ܽ

ݕ

− ܽ

ܾ

= 0 ;

= 1.

Proprietà 1

L’iperbole è una curva ssiimmmmeettrriiccaa rispetto all’asse ݔ, all’asse ݕ e all’origine.

Infatti, poiché nell’equazione dell’iperbole sia la variabile ݔ sia la variabile ݕ compaiono solo elevate a potenza pari, se

un punto ܲ ଵ

ሺݔ ; ݕሻ è un punto dell’iperbole, lo sono anche i punti ܲ

ሺݔ− ; ݕ−ሻ perché le loro

coordinate ne verificano l’equazione, dato che ሺ∓ݔሻ

e ሺ∓ݕሻ

Proprietà 2

I fuochi dell’iperbole hanno coordinate ܨ

; 0 ൯ e ܨ

L’iperbole interseca l’asse ݔ nei punti ܸ ଵ

ሺܽ ; 0ሻ e ܸ

ሺܽ− ; 0ሻ detti v

v e

e r

r t

t i

i c

c i

i dell’iperbole.

L’iperbole non interseca l’asse ݕ. I punti ܸ ଷ

e ܸ

sono detti vveerrttiiccii nnoonn rreeaallii dell’iperbole.

Il segmento ܸ

= 2 ܽ è detto a

a s

s s

s e

e t

t r

r a

a s

s v

v e

e r

r s

s o

o. Il segmento ܸ

= 2 ܾ è detto a

a s

s s

s e

e n

n o

o n

n t

t r

r a

a s

s v

v e

e r

r s

s o

o.

Infatti risolvendo i due sistemi:

ݔ

ܽ

ݕ

ܾ

= 1

= ݕ 0

ݔ

ܽ

= 1

= ݕ 0

ݔ

ܽ=

= ݕ 0

= ݔ ∓ܽ

= ݕ 0

ݔ

ܽ

ݕ

ܾ

= 1

= ݔ 0

ݕ

ܾ

= − 1

= ݔ 0

∄ሺݔ; ݕሻ ∈ R

Proprietà 3

L’iperbole è una ccuurrvvaa iilllliimmiittaattaa.

Riscrivendo l’equazione sotto la forma ݕ

ሻ si deduce che: ݔ

൒ 0 cioè ܽ− ൑ ݔ ∨ ܽ൒ ݔ.

I punti della curva si trovano quindi al di fuori della striscia limitata delle rette ܽ− = ݔ e ܽ= ݔ , e quindi è formata da

due rami.

Proprietà 4

La relazione ܿ

può essere interpretata come la relazione del teorema

di Pitagora applicata al triangolo ܸܱ ଵ

Proprietà 5

L’iperbole ha per a

a s

s i

i n

n t

t o

o t

t i

i le rette ݕ = ∓

Consideriamo le intersezioni dell’iperbole con una retta generica passante per l’origine:

si ottengono le soluzioni ቀ = ݔ ∓

௔௕

√௕

ି ௔

௠௔௕

√௕

ି ௔

Queste soluzioni sono reali solo se ܾ

0 cioè se −

L’iperbole è quindi intersecata da rette passanti per l’origine

che si trovano all’interno dei due angoli opposti al vertice

formati dalle rette = ݕ ∓

ݔ e contenenti l’asse x.

Osserviamo inoltre che, assegnando al coefficiente angolare

݉ , valori sempre più vicini a ∓

l’espressione a

denominatore ܾ

diventa sempre più piccola, di

conseguenza le frazioni = ݔ ∓

௔௕

√௕

ି ௔

e = ݕ ∓

௠௔௕

√௕

ି ௔

diventano sempre più grandi.

In casi come questi si dice che le rette = ݕ ∓

ݔ intersecano

la curva all’infinito (tali rette sono dette asintoti per la curva).

Proprietà 6

L’eecccceennttrriicciittàà dell’iperbole è il rapporto: ݁ =

Proprietà 2

I fuochi dell’iperbole hanno coordinate ܨ ଵ

൯ e ܨ

L’iperbole interseca l’asse ݕ nei punti ܸ ଷ

ሺ 0 ; ܾ ሻ e ܸ

ሺ 0 ; ܾ− ሻ detti v

v e

e r

r t

t i

i c

c i

i dell’iperbole.

L’iperbole non interseca l’asse ݔ. I punti ܸ ଵ

e ܸ

sono detti vveerrttiiccii nnoonn rreeaallii dell’iperbole.

Il segmento ܸ

= 2 ܾ è detto a

a s

s s

s e

e t

t r

r a

a s

s v

v e

e r

r s

s o

o. Il segmento ܸ

= 2 ܽ è detto a

a s

s s

s e

e n

n o

o n

n t

t r

r a

a s

s v

v e

e r

r s

s o

o.

Proprietà 3

L’iperbole è una ccuurrvvaa iilllliimmiittaattaa.

Riscrivendo l’equazione sotto la forma ݔ

ሻ si deduce che: ݕ

൒ 0 cioè ܾ− ൑ ݕ ∨ ܾ൒ ݕ.

I punti della curva si trovano quindi al di fuori della striscia limitata delle rette ܾ− = ݕ e ܾ= ݕ , e quindi è formata da

due rami.

Proprietà 4

La relazione ܿ

può essere interpretata come la relazione del teorema di

Pitagora applicata al triangolo ܸܱ ଵ

Proprietà 5

L’iperbole ha per a

a s

s i

i n

n t

t o

o t

t i

i le rette ݕ = ∓

Consideriamo le intersezioni dell’iperbole con una retta generica

passante per l’origine:

si ottengono le soluzioni

௔௕

√௔

ି ௕

௠௔௕

√௔

ି ௕

Queste soluzioni sono reali solo se ܽ

0 cioè se

L’iperbole è quindi intersecata da rette passanti per l’origine che si

trovano all’esterno dei due angoli opposti al vertice formati dalle

rette = ݕ ∓

ݔ e contenenti l’asse x.

Osserviamo inoltre che, assegnando al coefficiente angolare ݉ ,

valori sempre più vicini a ∓

l’espressione a denominatore

diventa sempre più piccola, di conseguenza le frazioni

௔௕

√௔

ି ௕

e = ݕ ∓

௠௔௕

√௔

ି ௕

diventano sempre più grandi.

In casi come questi si dice che le rette = ݕ ∓

ݔ intersecano la

curva all’infinito (tali rette sono dette asintoti per la curva).

Proprietà 6

L’eecccceennttrriicciittàà dell’iperbole è il rapporto: ݁ =

P

P o

o s

s i

i z

z i

i o

o n

n i

i d

d i

i u

u n

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a r

r e

e t

t t

t a

a r

r i

i s

s p

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e t

t t

t o

o a

a u

u n

n ’

’ i

i p

p e

e r

r b

b o

o l

l e

e

Per stabilire la posizione di una retta di equazione ܽ

= 0 rispetto a un’iperbole di equazione

occorre considerare il sistema formato dalle due equazioni:

  1. Se l’equazione risolvente è di II grado, si studia il segno del discriminante:

 Se ∆ > 0 , la retta è secante l’iperbole in due punti;

 Se ∆ = 0 , la retta è tangente l’iperbole in un punto;

 Se ∆ < 0 , la retta è esterna all’iperbole;

  1. Se l’equazione risolvente è di I grado, la retta è secante l’iperbole in un solo punto.

La retta è secante l’iperbole in due punti

La retta è tangente l’iperbole in un punto

(la retta non è parallela agli asintoti)

La retta è esterna all’iperbole

La retta è secante l’iperbole in un punto

(la retta è parallela a un asintoto)

I

I p

p e

e r

r b

b o

o l

l e

e t

t r

r a

a s

s l

l a

a t

t a

a

TTEEOORREEMMAA

L’equazione di una iperbole con centro nel punto ܱ ’ሺ ݌ ; ݍሻ

e assi paralleli agli assi cartesiani è del tipo :

Dimostrazione

Consideriamo l’iperbole a centro di equazione:

Effettuiamo la traslazione di vettore ݒԦ ሺ ݌ , ݍሻ della

iperbole portando il centro dell’iperbole ܱ ሺ0 ; 0ሻ nel

punto ܱ ′ሺ ݌ ; ݍሻ.

Le equazioni della traslazione sono: ൜

Utilizzando le equazioni inverse: ൜

si ottiene l’equazione:

Eliminando gli apici, si ottiene

Il c

c e

e n

n t

t r

r o

o di simmetria ha coordinate: ܱ ’

Gli aassiinnttoottii hanno equazioni: ݕ − ݍ = +

ሺݔ − ݌ሻ e ݕ − ݍ = −

I

v

v e

e r

r t

t i

i c

c i

i hanno coordinate:

I ffuuoocchhii hanno coordinate: ܨ ଵ

L’equazione ottenuta può essere riscritta anche in altra forma:

ponendo

si ottiene l’equazione࡭࡭࢞

࢞࡯ + ࢟ࡰ + ࡱ + = ૙ con A e B discordi.

L’equazione dell’iperbole traslata è un’equazione di II grado in ݔ e ݕ con i coefficienti dei termini di secondo grado di

segno opposto ሺA ܾ=

e B ܽ− =

Gli aassssii ddii ssiimmmmeettrriiaa hanno equazione: ݔ = −

Le coordinate del c

c e

e n

n t

t r

r o

o d

d i

i s

s i

i m

m m

m e

e t

t r

r i

i a

a sono: ܱ

Infatti:

ଶ௕

ଶ஺

ଶ௔

ଶ஻

Il medesimo ragionamento è valido per l’iperbole con l’asse trasverso parallelo all’asse y.

Matematica www.mimmocorrado.it 8

T

T

E

E

O

O

R

R

E

E

M

M

A

A

I

I

N

N

V

V

E

E

R

R

S

S

O

O

Dimostriamo adesso il teorema inverso, cioè che:

con A e B discordi

rappresenta l’equazione di una iperbole con gli assi paralleli

agli assi cartesiani

Dimostrazione

Consideriamo l’equazione: ݔܣ

Sostituiamo ܣ = ܾ

e ܤ = −ܽ

per avere evidenti informazioni sui segni dei due coefficienti:

Raccogliamo parzialmente: ܾ

ି௔

Sommiamo e sottraiamo il quadrato della metà del coefficiente del termine di primo grado:

Poniamo:

otteniamo:

ܾ

Si possono verificare tre casi:

Dividiamo i due membri per +ߜ > 0

Dividiamo i due membri per −ߜ > 0

Iperbole con asse trasverso

parallelo all’asse x

Centro in ቀ−

ଶ௕

ିଶ௔

cioè nel punto ܱ

ଶ஺

ଶ஻

Iperbole con asse trasverso

parallelo all’asse y

Centro in ቀ−

ଶ௕

ିଶ௔

cioè nel punto ܱ

ଶ஺

ଶ஻

Iperbole degenere

Coppia di rette passanti per il

punto ቀ−

ଶ௕

ିଶ௔

cioè per il punto ቀ−

ଶ஺

ଶ஻

Esempio 2

Traccia il grafico della curva di equazione: ࢞૛

Metodo - Completamento del quadrato

= −1 ; ܿ݁ℎ è ݈݁݀ ݋݌݅ݐ

Si tratta di una iperbole con asse trasverso parallelo all’asse y immagine dell’iperbole

= − 1 nella traslazione

di vettore ݒԦ

Il centro di simmetria ha coordinate: ܱ ’

cioè ܱ ’

I vertici reali hanno coordinate:

ሺ݌; ܾ− ݍ ሻ cioè ܸ

ሺ2; − 4 − 2 ሻ cioè ܸ

Gli asintoti hanno equazione:

Il suo grafico è il seguente:

Esempio 3

Traccia il grafico della curva di equazione: ࢞ૢ

Metodo - Completamento del quadrato

Dimostrazione

Effettuiamo una rotazione di 45° in senso antiorario

dell’iperbole equilatera riferita agli assi con i fuochi

sull’asse ݔ (ramo verde).

Per effetto della rotazione il vertice ܸ

ሺܽ ; 0ሻ viene

portato nel punto ܸ

tale che ܸܱ ′

rappresenta la diagonale del quadrato di lato

Pertanto:

ᇱ തതതതത

Quindi: ܸ

√ଶ

√ଶ

ቁ e ܸ

√ଶ

√ଶ

Per effetto della rotazione il vertice ܨ

viene

portato nel punto ܸ

tale che ܱܨ ′

rappresenta la diagonale del quadrato di lato

Pertanto:

തതതതത

Quindi: ܨ

= ሺܽ ; ܽ ሻ e ܨ

Applicando la definizione di iperbole

Ponendo

݇= si ottiene l’equazione ݇= ݕݔ con ݇> 0.

Dalla posizione

݇= si ottiene: ܽ= √

= ൫√ 2 ݇ ; √ 2 ݇ ൯ e ܨ

= ൫√݇ ; √݇ ൯ e ܸ

Effettuando una rotazione di 45° in senso orario dell’iperbole equilatera riferita agli assi con i fuochi sull’asse ݔ si

ottiene invece l’altra equazione ݔ ∙ ݇= ݕ con ݇ < 0.

F

F u

u n

n z

z i

i o

o n

n e

e o

o m

m o

o g

g r

r a

a f

f i

i c

c a

a

La funzione omografica è un’iperbole equilatera con gli asintoti paralleli agli assi cartesiani.

La sua equazione è:

Se ܿ= 0 il grafico è una retta.

Infatti l’equazione diventa = ݕ

Se ݀ܽ= ܾܿ− 0 il grafico è una retta parallela

all’asse ݔ, privata del punto ቀ−

Infatti se ݀ܽ = ܾܿ− 0 ; ⇒

௔௫ା௕

௖௫ାௗ

௔ቀ௫ା

௖ቀ௫ା

௔ቀ௫ା

௖ቀ௫ା

è una retta parallela all'asse ݔ

privato del punto ݔ = −

Dimostrazione

Dimostriamo che, se ്ܿ 0 ∧ ്ܾ݀ܽܿ− 0 l’equazione = ݕ

௔௫ା௕

௖௫ାௗ

rappresenta un’iperbole equilatera traslata.

Effettuiamo pertanto la traslazione che porta il centro di simmetria C della funzione omografica nell’origine.

Le equazioni della traslazione sono: ൝

utilizzando le equazioni inverse ൝

si ottiene: ݕ

௔ቀ௫

ቁା௕

௖ቀ௫

ቁାௗ

Eliminando gli apici ininfluenti si ha:

௔ቀ௫ି

ቁା௕

௖ቀ௫ି

ቁାௗ

௔௫ି

ೌ ೏

ା௕

௖௫ିௗା

௔௫

௖௫

ି

ೌ೏

ା௕

௖௫

ି

೏ೌ

ା௕

௖௫

షೌ೏శ್೎

ି ௔ௗା௕௖

Ponendo ݇ =

si ottiene la forma ݕݔ =݇

VVeerrttiiccii ܸ ଵ

FFuuoocchhii ܨ ଵ

C Ceennttrroo ddii ssiimmmmeettrriiaa ܱ ’ ቀ −

ቁ AAssiinnttoottii ݕ =

Nota

Pur essendo l’equazione della funzione omografica = ݕ

௔௫ା௕

௖௫ାௗ

costituita da quattro parametri: ܽ , ܾ , ܿ, ݀ , per determinare la

sua equazione occorrono soltanto tre parametri indipendenti.

Infatti, essendo l’equazione definita per ്ܿ 0 è possibile dividere numeratore e denominatore per ്ܿ 0.

; ponendo:

si ottiene la forma: ࢟ =