-
Cambio de sistema de referencia
-
1. Transformaciones afines 2D
- Avisos y abusos
- Sistemas de referencias en el plano
- Matriz inversa
- Transformación afín invertible
- Coordenadas homogéneas
- El comando AplicaMatriz
- Árbol de Pitágoras
- Grupo afín
-
2. Propiedades
- Incidencia y concurrencia
- Paralelismo
- Colinealidad y razón simple
- Proporción de áreas
- Convexidad y baricentros
- Una aplicación sencilla
- Ni proporciones de distancias ni ángulos
-
3. Isometrías 2D
- Isometrías
- Traslación
- Giro o rotación
- Reflexión (simetría axial)
- Simetría central
- Reflexión desplazada
- Grupo de isometrías
- Isometrías afines
-
4. Afines 2D no isométricas
- Corte (deslizamiento sesgado)
- Escalado
- Escalado con punto fijo
-
5. Cálculo simbólico (CAS)
- Polígonos
- Coordenadas literales (P → P')
- Coordenadas literales (P' → P)
- Curvas planas
- Curvas afínmente equivalentes
-
6. Cónicas
- Elipse
- Parábola
- Hipérbola
- Cónicas degeneradas
-
7. Funciones en una variable
- Polinómicas grado 1 (o cero)
- Polinómicas grado 2
- Maravilloso CAS
- Polinómicas grado 3
- Polinómicas grado 4
- Polinómicas grado 4 con CAS
- Cualquier función
-
8. Transformaciones afines 3D
- Sistemas de referencias en el espacio
- Matriz inversa
- Transformación afín invertible
- Coordenadas homogéneas
-
9. Isometrías 3D
- Isometrías
- Traslación
- Giro o rotación
- Reflexión
- Simetría central
- Grupo de isometrías
- Isometrías afines
-
10. Afines 3D no isométricas
- Corte (deslizamiento sesgado)
- Escalado
- Lineales 3D, afines 2D
Cambio de sistema de referencia
Rafael Losada Liste, Jan 28, 2021

En este libro se analiza el efecto de un cambio de sistema de referencia en el plano, que resulta equivalente a la aplicación de una transformación afín invertible. En los cinco primeros capítulos se exponen todas los tipos de transformaciones afines invertibles (isometrías, cortes y escalas), así como el uso del comando de GeoGebra AplicaMatriz. En los siguientes capítulos, se usa el CAS de GeoGebra para obtener las ecuaciones correspondientes a la aplicación de un cambio de sistema de referencia a diversos objetos geométricos, como polígonos, cónicas y funciones polinómicas, buscando, cuando sea posible, el correspondiente objeto canónico del que derivan todos los demás.
Table of Contents
- Transformaciones afines 2D
- Avisos y abusos
- Sistemas de referencias en el plano
- Matriz inversa
- Transformación afín invertible
- Coordenadas homogéneas
- El comando AplicaMatriz
- Árbol de Pitágoras
- Grupo afín
- Propiedades
- Incidencia y concurrencia
- Paralelismo
- Colinealidad y razón simple
- Proporción de áreas
- Convexidad y baricentros
- Una aplicación sencilla
- Ni proporciones de distancias ni ángulos
- Isometrías 2D
- Isometrías
- Traslación
- Giro o rotación
- Reflexión (simetría axial)
- Simetría central
- Reflexión desplazada
- Grupo de isometrías
- Isometrías afines
- Afines 2D no isométricas
- Corte (deslizamiento sesgado)
- Escalado
- Escalado con punto fijo
- Cálculo simbólico (CAS)
- Polígonos
- Coordenadas literales (P → P')
- Coordenadas literales (P' → P)
- Curvas planas
- Curvas afínmente equivalentes
- Cónicas
- Elipse
- Parábola
- Hipérbola
- Cónicas degeneradas
- Funciones en una variable
- Polinómicas grado 1 (o cero)
- Polinómicas grado 2
- Maravilloso CAS
- Polinómicas grado 3
- Polinómicas grado 4
- Polinómicas grado 4 con CAS
- Cualquier función
- Transformaciones afines 3D
- Sistemas de referencias en el espacio
- Matriz inversa
- Transformación afín invertible
- Coordenadas homogéneas
- Isometrías 3D
- Isometrías
- Traslación
- Giro o rotación
- Reflexión
- Simetría central
- Grupo de isometrías
- Isometrías afines
- Afines 3D no isométricas
- Corte (deslizamiento sesgado)
- Escalado
- Lineales 3D, afines 2D
Avisos y abusos


Incidencia y concurrencia


Isometrías
M=(a | b) es la matriz de cambio de base de una isometríaM es una matriz ortogonal.
Esto significa que M', la inversa de M, debe coincidir con Mt, la traspuesta de M (o, si se prefiere, el producto de M por su traspuesta es la identidad). Si llamamos Δ al determinante de M, resulta entonces que: Que es equivalente a decir que:Δ2=1 ax2+bx2=1 ay=-Δ bx by=Δ ax
Estas igualdades, juntas, condicionan fuertemente cómo ha de ser la matriz M. A partir de la segunda condición (ax2+bx2=1), se nos ocurre realizar el cambio de variable ax=cos(t), bx=sen(t), es decir, pasar a coordenadas polares. De este modo, las únicas matrices posibles toman una de estas dos formas: Observa que, en ambos casos, los vectores a y b son ortogonales y unitarios (es decir, ortonormales; esto es algo que caracteriza a las matrices ortogonales). El primer caso corresponde a Δ=1 y determinará un movimiento que conserva la orientación: el giro. El segundo corresponde a Δ=-1 y determinará un movimiento que invierte la orientación: la reflexión. Ambos tipos de movimientos, reunidos, forman el llamado grupo ortonormal, simbolizado como O(2) (el número 2 corresponde a la dimensión del plano). Nota: La conservación de la orientación según sea positivo o no el determinante de la matriz de cambio de base no es exclusiva de las isometrías, sino que es extensible a cualquier transformación afín. En la construcción, puedes elegir cada uno de estos casos. Observa que en todos ellos la imagen del cuadrado unidad sigue siendo un cuadrado unidad (no varía la forma ni el tamaño). Observa también cómo varían las orientaciones de los vectores a y b según los dos casos.

Corte (deslizamiento sesgado)
- En el corte X, el vector a permanece inalterado (coincide con i), mientras el vector b abandona la vertical, "inclinándose" respecto a ella, de tal modo que el cuadrado unidad se transforma en un romboide de base y altura 1. Observa que cada sección horizontal (segmento azul) del romboide es la misma que la del cuadrado unidad original.
- En el corte Y, el vector b permanece inalterado (coincide con j), mientras el vector a abandona la horizontal, "inclinándose" respecto a ella, de tal modo que el cuadrado unidad se transforma en un romboide de base y altura 1. Observa que cada sección vertical (segmento azul) del romboide es la misma que la del cuadrado unidad original.
Corte X: Corte Y:
donde cx y cy son los factores de corte:- cx = tg(α), siendo α el ángulo de inclinación de b con respecto al eje Y.
- cy = tg(β), siendo β el ángulo de inclinación de a con respecto al eje X.


Polígonos


Elipse
x2 + y2 - 1 = 0
Es sencillo entender por qué. Basta escalar y girar los radios i y j de la circunferencia unidad para obtener a y b, los semiejes de la elipse. Solo queda una traslación del (0, 0) hasta O para completar el cambio de sistema de referencia. De hecho, dado el sistema de referencia {O, a, b}, si no nos interesa la ecuación algebraica, una manera muy rápida y sencilla de construir la elipse de centro O y semiejes a y b es editar su ecuación vectorial con el comando Curva:Curva(O + a cos(t) + b sen(t), t, 0, 2π)
Nota: En la construcción, observa que el vector b viene determinado por la posición del punto B. Esto es debido a que queremos forzar a que el vector b sea uno de los semiejes de la elipse y, por lo tanto, ortogonal al vector a. Para ello, hemos definido el punto B como un punto arbitrario de la recta perpendicular al vector a por O. De la construcción se deduce inmediatamente el área de la elipse: como hemos escalado los vectores canónicos i y j por el módulo de a y b, respectivamente, el área del círculo unidad quedará multiplicada por esos valores:área = |a| |b|
Nota: Gracias a los comandos específicos para cónicas de GeoGebra, resulta sencillo invertir el proceso, es decir, dada la ecuación general de la elipse ec', averiguar el cambio de sistema de referencia con respecto al círculo unidad:- O = Centro(ec')
- a = LongitudSemiejeMayor(ec') Dirección(EjeMayor(ec'))
- b = LongitudSemiejeMenor(ec') Dirección(EjeMenor(ec'))


Polinómicas grado 1 (o cero)
y = 0
Esta recta canónica queda determinada por el vértice en (0, 0) y la dirección i. Por lo tanto, una vez aplicado el cambio al sistema de referencia {O, a, b} se obtendrá una recta que pasa por O con dirección a. Nota: Observemos que si la primera componente de a es 0, la recta queda igualmente definida pero ya no sería la representación de una función. Como vemos, el vector b no interviene; por comodidad, tomaremos b=j. Nota: Si a también tomase la misma dirección que j, la recta dejaría de ser la representación de una función, así que los vectores a y b tienen garantizada su independencia. Por lo tanto, la matriz de cambio de base es: Nota: Resulta sencillo invertir el proceso, es decir, dada la ecuación de la recta y= A x + B, averiguar el cambio de sistema de referencia con respecto a la recta canónica y=0:- O = (0, B)
- a = (1, A)
- b = (0, 1)


Sistemas de referencias en el espacio
i =, j = y k =,
las coordenadas de P significan que el vector de posición de P (que denominamos p) es una combinación lineal de los vectores i, j, k:p= px+py+pz
Es decir:p = px i + py j + pz k
Esta combinación lineal depende del sistema de referencia S3={(0, 0, 0), i, j, k}, formada por el centro de coordenadas y los vectores independientes {i, j, k}. Este conjunto de tres vectores se denomina base canónica, por lo que al sistema S3 le llamaremos sistema de referencia canónico (también se conoce como sistema de referencia universal) del espacio euclídeo. Si ahora tomamos un sistema de referencia diferente S={O, a, b, c}, donde O=(ox, oy, oz) es un punto del espacio y a, b, c son vectores independientes, un punto P' de coordenadas las mismas que P pero con respecto a este nuevo sistema de referencia S tendrá como vector de posición, en S, una combinación lineal de los vectores a, b, c:= px a + py b+ pz c
Por lo que sus coordenadas en el espacio serán:p'= = +px+py+pz
La expresión de P' se puede manejar con mayor facilidad sustituyendo la ecuación vectorial por su equivalente ecuación matricial. Para ello, consideramos la matriz M = (a | b | c), denominada matriz de cambio de base:
De este modo, P' se puede expresar simplemente como:P' = O + M P
En la construcción, mueve P para observar qué le sucede a P'. Observa que cuando P ocupa la posición (1, 1, 1), P' ocupa la posición O + 1a + 1b + 1c. Nota: Que P' quede determinado por S={O, a, b, c} no significa que S quede determinado por P'. Es decir, el mismo punto P' puede ser imagen del mismo punto P respecto a varios sistemas de referencia diferentes. Nota: El eje X es el rojo, el Y el verde y el Z el azul; es fácil recordarlo porque sigue el orden del popular código de color RGB (red, green, blue). Para mover los vectores es preciso mover sus extremos A, B y C (al contrario que en el plano, los vectores 3D de GeoGebra no se pueden mover directamente en la gráfica). Además, se debe pulsar sobre cada punto para conmutar entre moverlo en un plano paralelo al plano XY o en una recta paralela al eje Z.

Isometrías
M=(a | b | c) es la matriz de cambio de base de una isometríaM es una matriz ortogonal.
Esto equivale a que los vectores a, b y c son ortogonales y unitarios (es decir, ortonormales). Además, el determinante de M ha de valer 1 o -1. En el primer caso determinará un movimiento que conserva la orientación: el giro. En el segundo, determinará un movimiento que invierte la orientación: la reflexión. Ambos tipos de movimientos, reunidos, forman el llamado grupo ortonormal, simbolizado como O(3) (el número 3 corresponde a la dimensión del espacio). En la construcción, puedes elegir las posiciones de a, b y c (esta última viene determinada por a y b, salvo en el sentido del vector). Observa que en todos ellos la imagen del cubo unidad sigue siendo un cubo unidad (no varía la forma ni el tamaño).

Corte (deslizamiento sesgado)
- En el corte XY, los vectores a y b permanecen inalterados (coinciden con i y j), mientras el vector c abandona la ortogonalidad con el plano XY, "inclinándose" respecto a él. Cada sección paralela al plano XY del cubo unidad mantiene su forma y tamaño.
- En el corte XZ, los vectores a y c permanecen inalterados (coinciden con i y k), mientras el vector b abandona la ortogonalidad con el plano XZ, "inclinándose" respecto a él. Cada sección paralela al plano XZ del cubo unidad mantiene su forma y tamaño.
- En el corte YZ, los vectores b y c permanecen inalterados (coinciden con j y k), mientras el vector a abandona la ortogonalidad con el plano YZ, "inclinándose" respecto a él. Cada sección paralela al plano YZ del cubo unidad mantiene su forma y tamaño.
Corte XY: Corte XZ: Corte YZ:
donde cxz = tg(αz), cyz = tg(βz), cxy = tg(αy), czy = tg(γy), cyx = tg(βx), czx = tg(γx) son los factores de corte, siendo:- αz, βz son, respectivamente, los ángulos de inclinación de c con respecto al plano YZ y XZ.
- αy, γy son, respectivamente, los ángulos de inclinación de b con respecto al plano YZ y XY.
- βx, γx son, respectivamente, los ángulos de inclinación de a con respecto al plano XZ y XY.

