Geometria analitiko

Geometria analitikoa edo kartesiarra matematikaren adar bat da, eta irudiak, haien distantziak, azalerak, ebakitze-puntuak, inklinazio-angeluak, zatiketa-puntuak, bolumenak eta abar aztertzen ditu. Xehetasunez aztertzen ditu irudi geometrikoen datuak, analisi matematikoaren eta aljebraren oinarrizko tekniken bidez, koordenatu-sistema jakin batean. Haren garapen historikoa geometria kartesiarrarekin hasten da, Carl Friedrich Gaussen geometria diferentzialaren agerpenarekin jarraitzen du, eta geroago geometria aljebraikoaren garapenarekin segitzen du. Aplikazio ugari ditu, matematikatik eta ingeniaritzatik harago. Gaur egun, erabakiak hartzeko estrategien eta logistikaren plangintzan erabiltzen da.

Hauek dira geometria analitikoaren funtsezko bi alderdiak:

 Koordenatu-sistema baten leku geometrikoa kontuan hartuta, ekuazioa lortzea.
 Koordenatu-sistema batean ekuazioa emanda, ekuazio hori betetzen duten puntuen grafikoa edo leku geometrikoa zehaztea.

Geometria analitikoak irudi geometrikoak  ekuazioaren bidez adierazten ditu, non  funtzio bat den. Horrela, zuzenak   ekuazio orokorraren bidez adierazten dira, zirkunferentziak eta gainerako konikoak 2. mailako ekuazio polinomiko gisa (zirkunferentzia, ; hiperbola ).

Historia

Antzinako Grezia 
Menecmo matematikari grekoak problemak ebatzi eta teoremak frogatu zituen koordenatuen erabileraren oso antzekoa zen metodo bat erabiliz. Hori dela eta, geometria analitikoa sortu zuela esan izan da.

Pergeko Apoloniok, "De Sectione Determinata" izeneko lanean, dimentsio bateko geometria analitiko dei dakiokeen moduan landu zituen problemak; zuzen batean besteen proportzioan zeuden puntuak aurkitzeko problemarekin aritu zen. Gainera, Apoloniok geometria analitikoaren oso antzekoa den metodo bat garatu zuen "Conics" lanean. Hain da antzekoa, haren lanak Descartesen lanari 1800 urtez aurrea hartu ziola esan ohi dela. Erreferentzia-lerroak, diametroa eta tangentea erabili zituen gaur egun koordenatu-sistema erabiltzen den antzeko moduan; diametroan zehar tangentzia-puntutik neurtutako distantziak abzisak dira, eta ardatzaren eta kurbaren artean tangentearekiko paraleloak diren segmentuak ordenatuak dira. Gainera, abzisen eta dagozkien ordenatuen arteko erlazioak garatu zituen, kurben ekuazio erretorikoen (hitzetan adieraziak) baliokideak direnak. Hala ere, nahiz eta Apolonio geometria analitikoa garatzetik hurbil egon, ez zuen lortu, ez baitzituen kontuan hartu magnitude negatiboak. Koordenatu-sistema emandako kurba batean a posteriori gainjartzen zen, a priori egin beharrean. Hau da, ekuazioak kurben bidez zehaztuta zeuden, baina kurbak ez zeuden ekuazioen bidez zehaztuta. Koordenatuak, aldagaiak eta ekuazioak egoera geometriko jakin bati aplikatutako nozio lagungarriak ziren.

Persia 
XI. mendeko Omar Jayam matematikari persiarrak harreman estua ikusi zuen geometriaren eta aljebraren artean, eta zuzen zebilen aljebra numerikoaren eta geometrikoaren arteko tartea osatzen lagundu zuenean ekuazio kubiko orokorren soluzio geometrikoarekin. Hala ere, urrats erabakigarria Descartesek eman zuen. Omar Jayami geometria aljebraikoaren oinarriak identifikatzea egozten zaio, eta geometria analitikoaren printzipioak ezarri zituen Tratado sobre la demostración de problemas de álgebra y equilibrio (1070) liburua, gerora Europara iritsi zen matematika pertsiarren parte da. Ekuazio aljebraikoen ikuspegi geometriko osoa dela eta, Jayam Descartesen aitzindaritzat har daiteke geometria analitikoaren asmakuntzan.

Mendebaldeko Europa 
Geometria analitikoa René Descartesek eta Pierre de Fermatek modu independentean asmatu zuten, nahiz eta batzuetan asmakuntzaren ospea Descartesi ematen zaion. Geometria kartesiarrak, geometria analitikorako erabiltzen den beste terminoak, Descartesen izena darama.

Descartesek metodoetan aurrerapen nabarmena egin zuen La Géométrie izeneko saiakeran. Frantsesez idatzi zuen, bere ama-hizkuntza, eta 1637an argitaratu zen Metodoaren diskurtsoa lanarekin batera. La Géométrie saiakerak eta haren printzipio filosofikoek Europan Kalkuluaren oinarriak finkatzen lagundu zuten. Hasieran, lana ez zen ondo hartu, argudioetan eta ekuazio konplexuetan hutsune asko zeudelako. Latinerara itzuli ondoren eta Frans van Schootenek 1649an iruzkinak gehitu eta beste lan batzuk egin ondoren, Descartesen maisulanak behar bezalako onarpena jaso zuen.

Pierre de Fermat ere aitzindaria izan zen geometria analitikoaren garapenean. Bizi izan zen artean argitaratua izan ez zen arren, Ad locos plano et solidos isagoge (Leku lau eta solidoetarako sarrera) izeneko eskuizkribua ezaguna zen Parisen 1637an, Descartesen Metodoaren diskurtsoa argitaratu baino lehentxeago. Argi idatzita eta ongi jasoa, Sarrerak geometria analitikorako oinarriak ere ezarri zituen. Fermaten eta Descartesen tratamenduen arteko diferentzia nagusia ikuspuntuan dago: Fermat beti ekuazio aljebraiko batekin hasten zen, eta, gero, ekuazio hori betetzen zuen kurba geometrikoa deskribatzen zuen; Descartes, aldiz, kurba geometrikoekin hasten zen, eta haien ekuazioak sortzen zituen kurben propietate moduan. Ikuspegi horren ondorioz, Descartesek ekuazio konplexuagoei aurre egin behar izan zien eta maila handiagoko ekuazio polinomikoekin lan egiteko metodoak garatu behar izan zituen. Leonhard Eulerrek aplikatu zuen lehen aldiz koordenatuen metodoa, gainazal eta kurba espazialen azterketa sistematiko batean.

Oinarrizko eraikuntzak 
Koordenatu kartesiarren sistema batean, planoko puntu bat bi zenbakik zehazten dute: puntuaren abzisa eta ordenatua. Prozedura horren arabera, planoko puntu orori beti bi zenbaki erreal ordenatu (abzisa eta ordenatua) dagozkio, eta, alderantziz, zenbakizko bikote ordenatu orori planoko puntu bakar bat dagokio. Ondorioz, sistema kartesiarrak kontzeptu geometriko baten (planoko puntua) eta kontzeptu aljebraiko baten (zenbakizko bikote ordenatu) artean bana-banako korrespondentzia ezartzen du. Korrespondentzia hori geometria analitikoaren oinarria da.

Geometria analitikoari esker, irudi geometriko lauak bi ezezagun dituzten ekuazio eta inekuazioen bidez zehaztu daitezke. Problemak ebazteko beste metodo bat da, edo, gutxienez, problemari aurre egiteko ikuspuntu berri bat ematen digu.

Puntu bat plano kartesiarrean kokatzea

Ardatzekiko distantzia gisa 

Plano batean (paper milimetratuan, adibidez) bi zuzen marrazten dira, haien artean perpendikularrak direnak (ardatzak) —normalean, bietako bat horizontala eta bestea bertikala marrazten dira—, eta planoko puntu bakoitza puntutik ardatz bakoitzetara dagoen distantzien arabera zehaztuta geratzen da. Zeinuaren bidez adierazten da zuzen bakoitzak zehaztutako zein erdiplanotan neurtuko den distantzia. Zenbaki pare hori, koordenatuak,  bikote ordenatu baten bidez adierazten da,  ardatz baterako distantzia izanik (normalean, ardatz bertikalera) eta  beste ardatzerako distantzia (horizontalera).   

 koordenatuan, zeinu positiboak distantzia ardatz horizontalean (abzisa) eskuinerantz hartzen dela  adierazten du, eta negatiboak aldiz, ezkerrerantz.  koordenaturako, zeinu positiboak distantzia ardatz bertikalean (ordenatua) gorantz hartzen dela adierazten du, eta negatiboak beherantz. Zeinu positiboak normalean ez dira jartzen, negatiboak aldiz beti jartzen dira. 

 koordenatuari puntuaren abzisa esaten zaio, eta  koordenatuari puntuaren ordenatua. 

Beraz, abzisa-ardatzeko puntuen ordenatua  da eta puntuak  formakoak dira; ordenatu-ardatzeko puntuen abzisa, aldiz,  da eta puntuak  formakoak dira.

Bi ardatzak gurutzatzen diren puntua  distantziara dago bi ardatzetatik; beraz, abzisa  da eta ordenatua ere . Puntu hori  puntua da eta koordenatu-jatorri deritzo.

Ardatzen gaineko proiekzio gisa 

Elkarren artean perpendikular diren bi zuzen orientatu (ardatz) hartzen dira, "x" eta "y", jatorri komuna dutenak bi zuzenen O ebaki-puntuan.

P puntu baten koordenatuak zehazteko, zera egin behar da:

P puntutik pasatzen diren eta ardatzekiko perpendikularrak diren zuzenak egiten dira. Ardatz bakoitzarekin ebaki-puntu bat lortzen da: P' (x ardatzean) eta P'' (y ardatzean).

Bi puntu horiek P puntuaren proiekzio ortogonalak dira x eta y ardatzetan.

P' eta P'' puntuek jatorrira duten distantzia zenbaki batez adierazten da. P' puntua O-ren ezkerrean badago, zenbaki hori negatiboa da. Modu berean, P'' puntua O puntuaren azpitik badago, zenbaki hori negatiboa da.

P' eta P'' puntuekin erlazionatutako zenbaki horiek, ordena horretan, P puntuaren koordenatuen balioak dira.

1. adibidea: P' puntua O-ren eskuinaldean dago, 2 unitateko distantziara. P'' puntua O-tik gora dago, 3 unitateko distantziara. Beraz, P-ren koordenatuak (2, 3) dira.

2. adibidea: P' puntua O-ren eskuinean dago, 4 unitate.  P'' puntua O-tik behera dago, 5 unitate. Beraz, P-ren koordenatuak (4, -5) dira.

3. adibidea: P' puntua O-ren ezkerraldean dago, 3 unitate. P'' puntua O-tik behera dago, 2 unitate. Beraz, P-ren koordenatuak (-3, -2) dira.

4. adibidea: P' puntua O-ren ezkerraldean dago, 6 unitate. P'' puntua O-tik gora dago, 4 unitate. Beraz, P-ren koordenatuak (-6, 4) dira.

Zuzenaren ekuazioak planoan 
Zuzena honako baldintza betetzen duten planoko puntuen leku geometrikoa da: edozein bi puntu hartuta, maldaren kalkulua konstantea da beti.

Zuzenaren ekuazio orokorra honako hau da:

non malda m = -A/B den, eta jatorrirako ordenatua b = -C/B den.

Planoko zuzen bat horrelako funtzio lineal baten bidez adierazten da:Adierazpen orokor gisa, funtzio horri puntu-malda ekuazioa deitzen zaio. Bi kasu partikular bereiz daitezke. Zuzen batek ardatzetako bat ebakitzen ez badu, ardatzarekiko paraleloa delako izango da. Bi ardatzak perpendikularrak direnez, bietako bat mozten ez badu, bestea nahitaez moztu behar du (funtzioa jarraitua bada zenbaki erreal guztietarako). Hiru kasu daude:

 Zuzen bertikalek ez dute ordenatu-ardatza ebakitzen eta ardatz horrekiko paraleloak dira; zuzen bertikal deritze. Abzisa-ardatzarekin  puntuan dute ebaki-puntua. Zuzen horien ekuazioa honakoa da:

 

 Zuzen horizontalek ez dute abzisa-ardatza ebakitzen eta, beraz, ardatz horrekiko paraleloak dira; zuzen horizontal deritze. Ordenatu-ardatzarekin . puntuan dute ebaki-puntua. Zuzen horien ekuazioa honakoa da:

 

 Beste edozein zuzen motari zuzen zeihar deritzo. Abzisa-ardatzarekin  ebakitze-puntua dute eta ordenatu-ardatzarekin .  balioak abzisa jatorrian izena hartzen du, eta  balioak ordenatua jatorrian.

Sekzio konikoak 

Kono baten gainazalaren eta plano baten arteko ebakiduraren ondorioz, sekzio koniko deritzenak sortzen dira: parabola, elipsea (zirkunferentzia elipse kasu berezi bat da) eta hiperbola.

 Parabola foku izeneko puntu finko batetik eta zuzentzailea izeneko zuzen finko batetik distantzia berera dauden puntu guztien leku geometrikoa da.

Abzisa-ardatzarekiko paraleloa den simetria-ardatza duen parabola bat (A irudia) ekuazio honen bidez adierazten da:

 Elipsea honako baldintza betetzen duten puntuen leku geometrikoa da: foku izeneko bi puntu finkotarako distantzien batura konstante positibo bat da beti, eta erpinen arteko distantziaren berdina.

Ardatzetan zentratuta dagoen eta ardatzerdien luzerak a eta b dituen elipsea (B irudia), horrela adierazten da:

 Bi ardatzak berdinak badira eta c izendatzen baditugu:

 emaitza zirkunferentzia bat da:

 Hiperbola honako baldintza betetzen duten puntuen leku geometrikoa da: foku izeneko bi puntu finkotara duten distantzien kenketaren balio absolutua konstante positibo bat da beti, eta erpinen arteko kenketaren berdina.

Hiperbola (C irudia) horrela adierazten da:

Adierazpen aljebraikoa 
Koordenatu kartesiarretan, konikak forma aljebraikoan adierazten dira, honako forma duten (x,y) bi aldagaiko ekuazio koadratikoen bidez:

 

Parametroen balioen arabera, zera lortuko da:

 h²–ab: hiperbola.

 h² = ab: parabola.

 h²’ab: elipsea.

 a = b eta h = 0: zirkunferentzia.

Funtzio trigonometrikoak

Eraikuntzak hiru dimentsioko espazioan 

Modu berean arrazonatuz, ardatz koordenatuak eraiki daitezke espazioko puntu baterako eta zenbakien hirukote ordenatu baterako. Horretarako, X eta Y ardatzekiko perpendikularra den hirugarren zuzen bat sartu besterik ez da egin behar: Z ardatza.

Hala ere, zuzen baten maldaren kontzeptuaren parekorik ez dago. Horrelako ekuazio lineal bakar batek:espazioan plano bat adierazten du. Hiru dimentsioko espazioan zuzen bat ekuazioen bidez adierazi nahi bada, aurrekoa bezalako bi ekuazio lineal zehaztu behar ditugu. Izan ere, zuzenak bi planoren ebakidura gisa idatz daiteke. Hala, zuzen bat espazioan horrela adieraz daiteke:Kontuan hartu behar da aurreko adierazpena ez dela bakarra, zuzen bera plano-bikote desberdinen ebakidura moduan adieraz baitaiteke.

Geometria analitikoaren sailkapena geometriaren barruan 
Kleinen geometrien sailkapenaren ikuspegitik (Erlangenen Programa), geometria analitikoa berez ez da geometria bat.

Ikuspuntu didaktikotik, geometria analitikoa ezinbesteko zubia da geometria euklidearraren eta matematikaren eta geometriaren beraren beste adar batzuen artean, hala nola analisi matematikoa bera, aljebra lineala, geometria afina, geometria diferentziala edo geometria aljebraikoa.

Fisikan, koordenatu-sistemak erabiltzen dira mugimenduak, bektoreak eta bestelako magnitudeak adierazteko.

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 René Descartes

Kanpo estekak 

 GeoGebra Geometria
 GeoGebra Kalkulagailu Grafikoa
  Wolfram MathWorld, Geometry
  Math Open Reference
  Wolfram Alpha OnLine Tresna erabiltzeko apunteak eta ariketak euskaraz  
  Portal de Matemática
  Support tools for solving Analytic Geometry exercises

René Descartes
Geometria analitikoa