Hola, me piden que demuestre que la distancia focal de la hiperbola es f=raiz(a^2+b^2) de la ecuacion de la hiperbola x^2/a^2 - y^2/b^2 = 1. He hecho algunos calculos y creo que estoy bastante cerca de demostrarlo pero no logro dar con ello,
tratando de hacer algo similar a la distancia focal de una elipse.
Has considerado el punto P(f,k), perteneciente a la hipérbola, con abscisa focal en el primer cuadrante, por lo que la ordenada de este punto debe ser positiva.
Luego, como el punto P pertenece a la hipérbola, sustituyes sus componentes en la ecuación de dicha curva, y queda:
f2/a2 - k2/b2 = 1, restas f2/a2 en ambos miembros, y queda:
-k2/b2 = -f2/a2 + 1, multiplicas por -1 en todos los términos, y queda:
k2/b2 = f2/a2 - 1, multiplicas por b2 en todos los términos, y queda:
k2 = b2*(f2/a2 - 1) (1), extraes raíz cuadrada positiva, y distribuyes la raíz en el segundo miembro, y queda:
k = b*√(f2/a2 - 1) (2),
que es la expresión de la ordenada del punto P en función de su abscisa y de los semiejes de la hipérbola.
Luego, tienes planteadas las coordenadas de los focos: F1(-f,0) y F2(f,0);
luego, planteas las expresiones de las distancias del punto P a cada uno de ellos, y queda:
d1 = |F1P| = √( (f+f)2 + (k-0)2 ) = √( (2*f)2 + k2 ) = √( 4*f2 + k2 ) (3);
d2 = |F2P| = √( (f-f)2 + (k-0)2 ) = √( (0)2 + k2 ) = √( k2 ) = |k| = k (4) (recuerda que k es positivo).
Luego, planteas la definición de la hipérbola como lugar geométrico, y queda la ecuación:
|d1 - d2| = 2*a, sustituyes las expresiones de las distancias señaladas (3) (4), y queda:
|√( 4*f2 + k2 ) - k| = 2*a, resuelves el valor absoluto (observa que su argumento es positivo), y queda:
√( 4*f2 + k2 ) - k = 2*a, sumas k en ambos miembros, y queda:
√( 4*f2 + k2 ) = 2*a + k, elevas al cuadrado en ambos miembros, y queda:
4*f2 + k2 = ( 2*a + k )2,
desarrollas el segundo miembro (observa que simplificamos raíces y potencias), y queda:
4*f2 + k2 = 4*a2 + 4*a*k + k2, restas k2 en ambos miembros, desarrollas binomios, y queda:
4*f2 = 4*a2 + 4*a*k, divides por 4 en todos los términos, y queda:
f2 = a2 + a*k, sustituyes la expresión señalada (2), y queda:
f2 = a2 + a*b*√(f2/a2 - 1), restas a2 en ambos miembros, y queda:
f2 - a2 = a*b*√(f2/a2 - 1),
elevas al cuadrado en ambos miembros (observa que operamos en el segundo miembro), y queda:
(f2 - a2)2 = a2*b2*(f2/a2 - 1),
desarrollas el primer miembro, distribuyes el segundo miembro, y queda:
f4 - 2*a2*f2 + a4 = b2*f2 - a2*b2,
restas b2*f2 y sumas a2*b2 en ambos miembros, y queda:
f4 - 2*a2*f2 - b2*f2 + a4 + a2*b2 = 0,
expresas al primer término como un cuadrado, extraes factor común entre el segundo y el tercer término, extraes factor común entre los dos últimos términos, y queda:
(f2)2 - (2*a2+b2)*f2 + a2*(a2+b2) = 0,
que es una ecuación "bicuadrática" para la incógnita f, cuyos coeficientes son:
A = 1,
B = -(2*a2+b2),
C = a2*(a2+b2);
y cuyo discriminante queda expresado:
D = B2 - 4*A*C, sustituyes expresiones, y queda:
D = (2*a2+b2)2 - 4*a2*(a2+b2), desarrollas los dos términos, y queda:
D = 4*a4 + 4*a2*b2 + b4 - 4*a4 - 4*a2*b2, cancelas términos opuestos, reduces términos semejantes, y queda:
D =b4, extraes raíz cuadrada en ambos miembros, y queda:
√(D) = b2;
luego, planteas la ecuación de las soluciones de la ecuación "bicuadrática", y queda:
f2 = ( -B ± √(D) ) / (2*A), sustituyes expresiones, resuelves el denominador, y queda:
f2 = ( 2*a2+b2 ± b2 ) / 2,
y a partir de aquí tienes dos opciones
1°)
f2 = ( 2*a2+b2 - b2 ) / 2, cancelas términos opuestos en el numerador, y queda:
f2 = 2*a2/2, simplificas, y queda:
f2 = a2, extraes raíz cuadrada positiva (recuerda que el punto P pertenece al primer cuadrante), y queda:
f = a,
que no tiene sentido para este problema, porque la abscisa focal coincide con la abscisa de uno de los vértices reales de la hipérbola;
2°)
f2 = ( 2*a2+b2 + b2 ) / 2, reduces términos semejantes en el numerador, y queda:
f2 =( 2*a2 + 2*b2 )/2, distribuyes el denominador, simplificas en ambos términos, y queda:
f2 = a2 + b2, extraes raíz cuadrada positiva (recuerda que el punto P pertenece al primer cuadrante), y queda:
f = √(a2 + b2),
que es la expresión de la abscisa del punto P, y el valor de la distancia focal, en función de los valores correspondientes al semieje real (a) y al semieje imaginario (b) de la hipérbola cuya ecuación y gráfico has planteado.
Espero haberte ayudado.