Enunciado

Sejam F 1 e F 2 os focos da elipse E : x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 , e r 1 e r 2 as respectivas diretrizes associadas. Seja E ' a elipse definida como na Observação 22-37, tomando-se e = c / a , F = F 1 e r = r 2 . Explique por que as duas elipses são semelhantes e calcule a razão de semelhança de E ' para E .

Passo 1

As elipses são semelhantes pois possuem mesmo valor de excentricidade (definição).

Passo 2

Na definição 22-37, a elipse é definida como: dados um ponto F e uma reta r (foco e diretriz) tais que F não pertença a reta, o lugar geométrico dos pontos tais que d X , F = e ⋅ d X , r será uma elipse se 0 < e < 1 .

Observação: lembre-se que as retas diretrizes da elipse x 2 / a 2 + y 2 / b 2 = 1 estão localizadas em x = ± a 2 / c .

Passo 3

Suponha que F esteja em c ,   0 . Partindo da definição, temos que

d X ,   F = c a ⋅ d X ,   r ⟹ x - c 2 + y 2 = c a ⋅ x + a 2 c ⟺

∴ x - c 2 + y 2 = c 2 a 2 x + a 2 c 2 ⟹ x 2 - 2 x c + c 2 + y 2 = c 2 a 2 x 2 + 2 a 2 c x + a 4 c 2 ⟺

x 2 - 2 x c + c 2 + y 2 = c 2 a 2 x 2 + 2 c ⋅ x + a 2 ⟺

x 2 1 - c 2 a 2 + 4 c ⋅ x + y 2 = a 2 - c 2

Passo 4

Como a 2 = b 2 + c 2 ⟹ a 2 - c 2 = b 2 . Logo,

x 2   b 2 a 2 + 4 c ⋅ x + y 2 = b 2

x 2 a 2 + 4 c 1 b 2 x + 4 c 2 a 2 b 4 + y 2 b 2 = 1 + 4 c 2 a 2 b 4

x a + 2 a c b 2 2 + y 2 b 2 = b 4 + 4 c 2 a 2 b 4

Passo 5

Como

b 4 + 4 c 2 a 2 = a 2 - c 2 2 + 4 c 2 a 2 = a 4 - 2 a 2 c 2 + c 4 + 4 c 2 a 2

b 4 + 4 c 2 a 2 = a 4 + 2 a 2 c 2 + c 4 = a 2 + c 2 2

Portanto, temos a equação da elipse:

x a + 2 a c b 2 2 + y 2 b 2 = a 2 + c 2 2 b 4 ⟹ x + 2 a 2 c b 2 2 a 2 ⋅ a 2 + c 2 b 2 2 + y 2 b 2 ⋅ a 2 + c 2 b 2 2 = 1

Passo 6

Então, vemos que para essa elipse,

a ' = a ⋅ a 2 + c 2 b 2

b ' = b ⋅ a 2 + c 2 b 2

De modo que a

a ' a = b ' b = a 2 + c 2 b 2

que é, justamente, a razão de semelhança.

Resposta

São semelhantes pois a mesma excentricidade; a razão de semelhança é ( a 2 + c 2 ) / b 2 .

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