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Revista PIBIC, v. 2, p. 121-131, 2005
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MATEMÁTICAAs secções cônicas e suas aplicações
Fábio Silva MeloPesquisador
Maria Elisa Esteves Lopes GalvãoOrientador
Resumo
Desde a antiguidade as secções cônicas despertam o interesse dos matemáticos. Entre os geômetras gregos, na busca pela
resolução do clássico problema da duplicação do cubo, destacamos Menaecmo, que exibiu um método de obtenção dessas
curvas seccionando um cone por um plano perpendicular a sua geratriz. Conforme o ângulo do cone fosse agudo, reto ou
obtuso, obtinham-se as curvas que hoje conhecemos por elipse, parábola e hipérbole. No decorrer dos séculos as cônicas
foram objeto de estudo dos matemáticos e cientistas. O astrônomo Kepler formulou as três leis do movimento planetário,
onde, pela primeira vez, é dito que os planetas têm órbitas elípticas, um belo exemplo de identificação das curvas com as
formas da natureza. O estudo das cônicas se justifica não apenas pelo lado histórico, mas também pela aplicação em
diversas áreas da tecnologia, construção civil e Física. O trabalho se desenvolveu através de pesquisa bibliográfica em
livros, revistas especializadas e Internet, bem como construção de modelos concretos para uso didático. O estudo abriu
novos horizontes para uma abordagem de melhor qualidade, mais motivadora e objetiva do que se pode fazer numa sala
de aula.
Palavras-chave: Cônicas. Elipse. Geometria. Parábola. Hipérbole. Secções cônicas.
Abstract
Since Antiquity, conic sections have caught the interest of mathematicians. Among the Greek geometers, on the search of
the solution of the classic problems of the duplication of the cube, it is important to note the importance of the works of
Menaecmo, who developed a method to obtain these curves by sectioning a cone by a plan perpendicular to its geratrix.
According to the angle of the cone (acute, straight, or obtuse), the curves known today as ellipsis, parabola, and hyperbole
were obtained. Through the centuries, conics have been the object of study of mathematicians and scientists. The astronomer
Kepler formulated the three laws of the planets movement, where, for the first time, it was said that the planets have
elliptical orbits - a nice example of identification of the curves with Nature’s shapes. The study of conics does not justify
itself only by its historic side, but also by its application in various areas of technology, civil construction, and Physics. The
study was developed through bibliographic research on books, specialized magazines, and on the Internet, as well as
through the construction of concrete models for didactical use. The study opened new horizons to an approach with better
quality, more motivating and straightforward than it may be done inside the classroom.
Key-words: Conics. Conics sections. Ellipse. Geometry. Parabola. Hyperbola.
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Fábio Silva Melo
Primeiramente podemos nos perguntar: “O que é uma
secção cônica?” Secção cônica é uma curva que pode
ser obtida seccionando um cone de revolução por um
plano, a exemplo da figura abaixo. Se o plano secante
não passa pelo vértice do cone, então temos uma família
de curvas que chamamos de cônicas não degeneradas,
que são a elipse, a parábola e a hipérbole.
O povo da ilha de Delos, sudeste da Grécia, por volta
do século V a.C. foi assolado por uma epidemia que
dizimava sua população. Então, pelos costumes religiosos
da época, consultaram um oráculo e foram informados
por Zeus que deveriam duplicar o altar de Apolo em
Delfos, na costa do Golfo de Corinto. O formato cúbico
do altar levou muitos geômetras a uma busca pelo então
formado problema da duplicação do cubo, que junto
com o problema da trissecção do ângulo e quadratura
do círculo, foram os mais conhecidos problemas da
antigüidade clássica.
O primeiro passo foi dado por Hipócrates de Chios
(século V a.C.) que reduziu o problema na solução da
proporção 2a x yx y a . Tal proporção nos leva a
encontrar 3 3 32 2x a x a , tarefa difícil para
os matemáticos gregos que dispunham apenas de régua
não graduada e compasso, e mostrando-se possível
apenas no século XIX.
A Menaecmo (por volta do século IV a.C.) coube o
mérito de obter uma descrição para a solução quando
fez a intersecção de duas parábolas da forma (na grafia
atual) 2x ay e 2 2y ax , onde a intersecção ocorre
no ponto 3 32, 4a a . Também a ele cabe a menção
de ter alcançado uma maneira de obter essas curvas na
secção de um cone. Para isso, considerava a secção de
um cone por um plano perpendicular a uma geratriz.
Conforme o ângulo do cone fosse agudo, reto ou obtuso,
obtinha-se a el i pse, parábola e hipérbole,
respectivamente. Entretanto, até então se trabalhava com
o cone de uma folha.
Ainda da Grécia antiga não podemos deixar de
mencionar Apolônio de Pérgamo (século III a.C.). Seu
trabalho foi de tal profundidade que marcou uma
revolução no conhecimento das cônicas. Os nomes pelos
quais as conhecemos hoje são de sua atribuição. Pelo
foco da curva e perpendicular ao eixo focal há o latus
rectum, segmento particular de cada curva. Em cada
ponto, se considerarmos um retângulo com essa altura,
na medida onde retângulo intercepta a curva, faz-se um
quadrado; conforme a área do retângulo é menor, igual
ou superior à área do quadrado, temos a elleipsis, a
parabole e a hyperbole, que significam “falta”,
“igualdade” e “excesso”.
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Apolônio introduziu o cone de duas folhas gerado
pelo conjunto de retas que passam por uma
circunferência e um ponto fora do ponto desta; assim,
obteve a hipérbole com dois ramos da maneira que
conhecemos hoje. O trabalho de Apolônio foi editado
numa obra inti tulada “As Cônicas”, composta
originalmente em oito volumes, dos quais o último se
perdeu. No século XVIII Edmund Halley fez uma
tradução dos sete exemplares existentes.
Pappus de Alexandria (século IV d.C.) foi o último
geômetra da antiguidade que contribuiu efetivamente
para o estudo das cônicas, demonstrando a propriedade
foco-diretriz, equivalente às secções feitas por Apolônio.
Sendo P um ponto da curva, r sua diretriz e a razão
podemos formular:
na elipse ocorre 0 < e < 1, na parábola e = 1 e na
hipérbole e > 1 . Definir as cônicas como lugares
geométricos no plano com essa propriedade, equivale a
obter a secção de um cone por um plano que intercepta
todas as suas geratrizes, ou que seja paralelo a uma
delas ou que intercepte as duas folhas do cone.
No século XVII, Johannes Kepler (1571 a 1630)
descobriu e enunciou as três leis do movimento
planetário:
1ª Lei ou lei das órbitas: Todos os planetas
descrevem órbitas elípticas em torno do Sol e este ocupa
um dos focos. Ao deduzir-se essa lei chegamos à equação
polar da elipse:
sendo que r é a r distância do planeta ao Sol em função
do ângulo, que chamamos de raio vetor; ´e é a
excentricidade, em particular, da Terra é e = 0,016637,
ou seja, a órbita da Terra é “quase” uma circunferência,
r0 é o raio inicial, ou seja, para
2ª Lei ou lei das áreas: O raio vetor que une o Sol a
qualquer planeta varre áreas iguais em intervalos de
tempos iguais; o planeta ao passar próximo do Sol
desenvolve uma velocidade maior que estando longe dele.
3ª Lei ou lei dos períodos: O quadrado do período
de revolução de um planeta é proporcional ao semi-
eixo maior de sua órbita, ou
onde T é o período (tempo para uma revolução completa
ao redor do Sol), a é a medida do semi-eixo maior da
elipse, G = 6,6726 . 10-11 N . m2 . kg-2 é a constante de
gravitação universal e M = 1,99 . 1030 kg a massa do
Sol. A princípio Kepler entristeceu-se ao descobrir que
a órbita da Terra era elíptica e não circular como se
acreditou por muito tempo, e também pelo lado religioso,
pois na época acreditava-se que as construções de Deus
eram perfeitas, tendo em vista que a elipse não era
considerada uma curva perfeita.
Podemos dizer que Kepler reviveu o assunto das
cônicas, e depois dele muitos outros geômetras
estudaram-nas, particularmente quando do surgimento
da Geometria Projetiva, com a qual é possível dar um
,,
d P Fe
d P r
011 cos
e rr
e
2 3 32 3
3
4 4T T aa GM GM
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outro enfoque a essas curvas. Podemos destacar o francês
Charles J. Brianchon (1785 a 1864), autor do célebre teorema
que leva seu nome: as diagonais de um hexágono (pode ser
estendido ao triângulo, quadrado e pentágono) circunscrito
a uma cônica são concorrentes num ponto, chamado ponto
de Brianchon. Não só Brianchon, mas podemos citar muitos
outros e muitas obras escritas sobre o assunto do século
XVI em diante. Entre eles, Blaise Pascal, Girárd Desargues e
René Descartes.
As definições e os principais elementos dessas curvas
podem hoje ser dadas mais facilmente, recorrendo à
Geometria Analítica Plana, que foi criada por Descartes
e Fermat, motivados exatamente por problemas e técnicas
contidas no trabalho de Apolônio.
Dados dois pontos distintos, F1 e F2, que chamamos
de focos, a elipse pode ser entendida como o conjunto
dos pontos do plano cuja soma das distâncias a esses
focos é uma constante 2a, isto é, PF1 + PF2 = 2a.
O ponto médio do segmento F1F2, o centro da elipse,
é tomado como a origem de um sistema coordenado
e ao longo do eixo dos x colocamos esse mesmo
segmento. A equação reduzida da el ipse f ica2 2
2 2 1x ya b
, onde a é a medida do semi-eixo maior
e b é a medida do semi-eixo menor. O valor da constante
c é dado por a2 = b2 + c2. A elipse tem duas retas diretrizes
de equação 2ax
c .
Dada uma reta r , chamada de diretriz, e um ponto F,
que chamamos de foco, de modo que F r, a parábola
pode ser entendida como o conjunto dos pontos do
plano que eqüidistam do ponto e da reta. Colocando o
ponto médio entre F e r, o vértice da parábola, sobre a
origem de um sistema de eixos e abaixo do eixo dos x
a diretriz, a equação reduzida da parábola fica
x2 = 4py , onde 2p é a distância do foco à diretriz.
Dados dois pontos distintos F1 e F2, que obviamente
serão chamados de focos, a hipérbole pode ser entendida
como o conjunto de pontos do plano cuja diferença em
módulo é uma constante 2a, ou seja, PF1 - PF2 = 2a.
Do mesmo modo que fizemos na elipse, colocando a
hipérbole sobre o plano ordenado, coincidindo seu
centro com o centro deste, sua equação reduzida fica
x2 _ y2= 1
a2 b2
A medida a é a do semi-eixo transverso, b é a medida
do semi-eixo imaginário e c pode ser obtida por
c2 = a2 + b2. Familiarizados com os principais termos
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quando trocamos a circunferência pela esfera. Sendo
assim, temos PF1 PV1 pois são tangentes a E1 por P;
do mesmo modo PF2 PV2 pois são tangentes a E2 por
P. Assim, a propriedade métrica pode ser escrita como
PV1 + PV2 = PF1 + PF2 = V1V2, como o segmento V1V2 é
de comprimento constante, podemos determinar que
V1V2 = 2a, logo, PF1 + PF2 = 2a.
Tomamos um plano que contenha uma geratriz do
cone. Qualquer plano paralelo e não coincidente a este
tem na secção uma curva que é uma parábola. Inserimos
a esfera E que tangencia o cone segundo a circunferência
G e o plano secante no ponto F. Escolhemos um ponto
P sobre a curva e traçamos a geratriz . S e j a
M = PV G. A reta r, diretriz da curva, é dada pela
intersecção do plano que contém a diretriz G e o plano
de secção. Pela mesma propriedade citada acima, temos
PM PF IS. Provando que PF1 PL1, onde PL1 é a
PVsuur
dessas curvas, já podemos dar um tratamento mais
técnico e compreender suas múltiplas aplicações.
Outro personagem importante foi o belga Germinal
Pierre Dandelin (1794 a 1847) que, juntamente com
Lambert Adolphe Jacques Quételet (belga, 1796 a 1874),
demonstrou, de uma forma bastante interessante, a
propriedade métrica das cônicas como a secção de um
cone circular reto. O trabalho desse matemático ficou
conhecido por três denominações: “teorema de
Dandelin”, “teoremas belgas” e “esferas de Dandelin”
devido à inserção destas no cone. Demonstraremos esses
resultados em linhas bem gerais.
Fazendo a secção no cone de modo que o plano
secante intercepte todas as geratrizes do cone, a curva
de da intersecção obtida é uma elipse. Inserimos as
esferas E1 e E2 n semi-planos superior e inferior
determinado pelo plano secante. Essas esferas
tangenciam o plano secante nos pontos F1 e F2 (focos).
Sejam C1 e C2 as circunferências de tangência das esferas
E1 e E2, respectivamente, com o cone, conforme a figura
9. Tomamos um ponto P qualquer da curva e
por ele traçamos a geratriz PV (V é o vértice). Sejam
V1 = C1 PV e V2 = C2 PV. Da geometria plana
sabemos que dois segmentos tangentes a uma
circunferência por um ponto fora dela são congruentes,
sendo o mesmo válido para a Geometria Espacial,
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distância de P a r, provamos a propriedade métrica da
parábola. Sejam N = s VB e S = s T .Como t // VB,
a figura BNSI é um paralelogramo, logo, BN // SI. Como
MP PF BN IS PL PF, portanto, a curva é uma
parábola.
Para obtermos a hipérbole, o plano deve seccionar
as duas folhas de um cone de vértice V. No cone
inserimos as esferas E1 e E2, que tangenciam o cone
segundo as circunferências C1 e C2, respectivamente; e
também, tangenciam o plano secante em F1 e F2 (focos).
Escolhemos um ponto P da curva e por ele
traçamos a geratriz PV. Sejam V1 = C1 PV e
V2 = C2 PV. Usando a mesma propriedade já
citada, temos PV1 PF1, pois são tangentes a E1 por P;
analogamente, PV2 PF2, tangentes a E2 por P. A
propriedade métrica da hipérbole pode ser escrita da
forma PF1 - PF2 = PV1 - PV2 = V1V2, como o segmento
V1V2 tem tamanho fixo para qualquer ponto tomado
sobre a curva (independe do ponto), então podemos
estabelecer V1V2 = 2a e conseqüentemente,
PF1 - PF2 = 2a. Está demonstrada a propriedade métrica
da hipérbole.
Aplicações muito importantes dessas curvas ocorrem
na tecnologia. Quando nos deparamos com antenas
paraból icas, telescópios e “salões ovais” temos
aplicações diretas da propriedade refletora das cônicas.
Numa elipse, os raios luminosos ou sonoros que saem
de um dos focos, ao incidirem na superfície elíptica
interna, são refletidos para o outro foco. Numa parábola
os raios que incidem sobre um espelho ou superfície no
formato parabólico, desde que paralelos ao eixo da
curva, são refletidos para o foco; do mesmo modo, os
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raios enviados do foco, ao incidirem sobre a curva, são
refletidos paralelamente ao eixo. Numa hipérbole os
raios emi tidos de um dos focos, ao incidi rem
(“internamente”) sobre a superfície hiperbólica, são
refletidos como se tivessem partido do outro foco; ou,
Temos ainda vários outros métodos de construção
das cônicas. Em analogia com o papel quadriculado,
podemos elaborar um “papel circulado”; ou seja,
marcam-se dois pontos, F1 e F2, na folha e desenham-se
circunferências concêntricas de modo que a diferença
do raio de uma para outra seja uma constante h
Com 2c = 7h, coloquemos ci rcunferências
centralizadas ora em F1 ora em F2, cujos raios vão se
abrindo de h, ou seja, o raio da mais externa é maior
em h unidades. Nomeemos as circunferências de
centro em F1 de para i = 2, 3, ...; assim, a
circunferência tem centro em F1 e raio 2h. Da
os raios que incidem (“externamente”) sobre a superfície
na direção de um foco, são desviados e vão para o
outro foco. Para demonstração desses fatos, podemos
usar as equações paramétricas das cônicas ou mesmo a
Geometria Plana.
mesma maneira, àquelas centralizadas em F2 chamemos
d e para j= 2, 3, ... .
Escolheremos pontos de intersecção da maneira
para
pois 2a = 11h. Note-se que para cada intersecção teremos
dois pontos a serem marcados. Estes são pontos de uma
elipse.
Procedendo assim, teremos os pontos de uma elipse.
Tal afirmação é verdadeira pois a soma das distâncias
de P a F1 e de P a F2 é sempre constante igual a 11h, o
que confere com a definição métrica da elipse.1,ih£
1,2h£
2, jh£
1, 2,ih jhP £ £ , : 1 1i j i j h h
*h ¡
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Façamos a distância entre F1 e F2 valer 2c. Traçamos
os pontos de intersecção de modo que
1, 2,ih jhP £ £ para , : 2i j i j h h ,
pois agora fazemos 2a = 2h. Da mesma maneira, para
cada intersecção teremos um par de pontos.
A curva obtida nesse processo é uma hipérbole pois
a diferença entre as distâncias de P a F1 e de P a F2 é
sempre constante igual a 2h, o que confere com a
definição métrica da hipérbole. Por exemplo, um ponto
dado por 1,3 2,5h h£ £ é de uma hipérbole pois
1 2 5 3 2PF PF h h h .
Para a construção da parábola devemos proceder
de uma maneira diferente na construção do papel
circulado. Escolhemos no plano uma reta r e fora dela
um ponto F, que serão, respectivamente, a diretriz e o
foco da curva. Seja *h ¡ , com o qual faremos o
parâmetro da curva valer 2h = p. Centralizadas em F,
desenhamos uma família de circunferências ih£ , onde
i = 2, 3, ... indica quantas vezes h é o raio da
circunferência. Restringimos o índice i para os inteiros
maiores que 2 pois a primeira circunferência tangenciará
a curva no vértice que dista 2h do foco. Paralelas à
diretriz, traçaremos uma famíl ia de retas sjh para
j = 2, 3, ...; assim, a reta s3h é a reta paralela à diretriz e
que dista 3h. Restringimos os valores do índice j para
os inteiros maiores que 2 pois a reta mais próxima da
diretriz deve distar de si 2h , pois tangenciará a curva
no vértice.
Tracemos pontos de intersecção da manei ra
ih jhP s £ para , :i j i j e, mais uma vez,
percebamos que haverá sempre dois pontos a serem
marcados a cada intersecção, pois, com exceção de 2h£e s2h que são tangentes, os demais pares são secantes.
Pela definição métrica dessa curva, que é o conjunto
de pontos do plano que eqüidistam de uma reta e de um
ponto fora dela, verificamos que a curva assim produzida
é de fato uma parábola.
Podemos obter uma elipse também com a seguinte
construção: traçamos duas retas paralelas e marcamos
pontos simetricamente, em cada uma, nos valores
inteiros de -10 a 10. Em seguida, basta ligar essas retas
de modo que o valor em uma delas seja o inverso na
outra, isto é, ligar os valores x com 1 .
x
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Ainda sobre a mesma cônica, a seguinte construção
também resulta na elipse: façamos um retângulo ABCD
de altura AD = a e largura DC = 2a (a largura é o dobro
da altura). Traçamos os segmentos que dividem o
retângulo original em quatro retângulos menores de
2aa , isto é, um segmento ST paralelo à base (de
medida 2a) na altura (ordenada) a e um segmento VW
paralelo a AD distante de a, conforme a figura 20.
Dividiremos AD e BC em oito segmentos congruentes.
O mesmo faremos a ST. Considerando ST como o “marco
zero”, adotamos a cada um dos quatro pontos de AS e
SD os valores 1’, 2’ e 3’, idem para o lado BC.
Centralizamos ST sobre o eixo dos x de um sistema
coordenado, de modo que ST VW = O seja a origem
desse sistema. Então, aos quatro segmentos de SO e OT
marquemos valores 1, 2 e 3. Teremos pontos da elipse
pela intersecção de segmentos determinados da seguinte
maneira: que partem de W e passam por 1 de SO e que
partem de V e passam por 1’ de AS, assim para os demais
valores; para o lado direito, segmentos que partem de
W e passam por 1 de OT e que partem de V e passam
por 1’ de BT. O ponto em que cada par de segmentos
nessas configurações se cruza pertence à elipse de
equação reduzida 2 2
22: 1
2
x ya a
ou
x2 + 4y2 = a2. Podemos generalizar os pontos de
intersecção da forma P = WJ VJ’ , com J = 1, 2, 3 e
J’ = 1’, 2’, 3’.
Para a parábola podemos construí-la traçando dois
segmentos de retas concorrentes e marcando sobre eles
pontos a uma mesma distância. Em cada um deles
numeramos os pontos de 1 a 10, sendo o primeiro o
mais próximo do ponto de concorrência. Ligando um
ponto de um segmento com um ponto do outro, da
forma 1 10, 2 10 , obtemos uma
parábola envolta por suas tangentes.
Muitos de nós já vimos nos livros de Gramática os
termos elipse, parábola e hipérbole. Segundo a Gramática
são figuras de linguagem. Porém, a Matemática as
considera como curvas. Será que há alguma ligação?
Antes de entrarmos nesses detalhes, teremos que
compreender o conceito do Latus Rectum de uma cônica.
Tal segmento é perpendicular ao eixo de simetria da
curva e passa pelo foco. Desenvolvendo os cálculos
analiticamente, concluímos que na elipse e na hipérbole
mede 22b
a e na parábola 4p. Coloquemos esse
segmento sobre o vértice da cônica e construímos um
retângulo a uma largura qualquer. O ponto em que a
aresta interceptar a cônica dará o comprimento do lado
do quadrado que devemos fazer, conforme a figura 22.
Seja AQ a área do quadrado e AR a do retângulo.
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e que é facilmente identificado” (PASCHOALIN, 1989,
p. 365). Analisando a parábola, conclui-se que em
AQ = AR, há igualdade das áreas; pela Gramática:
“Narração alegórica na qual o conjunto de elementos
evoca, por comparação (igualdade), outras realidades
de ordem superior” (FERREIRA, 1988, p. 481). Por último,
na hipérbole ocorre AQ > AR, ou seja, há excesso de
áreas comparando o quadrado e o retângulo; analisando
a Gramática: “Figura que através do exagero (excesso)
procura tornar mai s expressiva uma idéia”
(PASCHOALIN, 1989, p. 363).
Muitas são as atividades que podem ser desenvolvidas
com alunos do Ensino Médio no que se refere ao assunto
das secções cônicas. Certamente, maior será a satisfação
de uma classe quando os alunos perceberem que o
conteúdo dos l ivros e as “enfadonhas” aulas de
Matemática podem estar presentes em suas vidas, na
natureza ou na tecnologia. Novas formas de abordar
um conteúdo, diferente de “aulas régias”, resultam em
maior participação aos alunos. Certamente, uma
contribuição generosa ao futuro docente da Matemática.
No que se refere à atividade de pesquisa, de iniciação
científica precisamente, temos certeza de que foi uma
at ivi dade intel ectualmente grat i f i cante e
profissionalmente compensadora, pela experiência
proporcionada. Pois pesquisar, tentar compreender os
detalhes de cada teoria, escrever os resultados
encontrados trazem um novo conceito de aprendizagem:
a aprendizagem independente.
É possível calcular as diferenças entre as áreas AQ e
AR. Para a elipse chegaremos à conclusão de que
AQ < AR, ou seja, há falta de área no quadrado em
relação ao retângulo; segundo a Gramática, eis a
definição de elipse: “Ocorre quando há o ocultamento
(falta) de um termo, que fica subentendido pelo contexto
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