Posiciones Relativas de una Recta y una Circunferencia

¿Cómo sabes si una recta corta, toca o no interseca una circunferencia? Todo depende del sistema de ecuaciones que forman. Cuando resuelves este sistema, pueden ocurrir tres situaciones diferentes.

Si el sistema no tiene solución, la recta es exterior a la circunferencia, lo que significa que no la corta en ningún punto. Cuando el sistema tiene una única solución, la recta es tangente a la circunferencia, tocándola exactamente en un punto. Y si el sistema tiene dos soluciones, entonces la recta es secante a la circunferencia, cortándola en dos puntos distintos.

Para determinar esto, necesitarás resolver un sistema entre la ecuación de la recta y la ecuación de la circunferencia, sustituyendo una en otra y analizando las soluciones resultantes.

💡 Consejo práctico: El número de soluciones del sistema te indica directamente el tipo de posición relativa: ninguna solución (exterior), una solución (tangente) o dos soluciones (secante).

Análisis de Intersección: Un Ejemplo Práctico

Veamos cómo determinar los puntos donde una recta y una circunferencia se intersecan. Tenemos las ecuaciones:

• Circunferencia: $x^2 + y^2 - 8x + 2y + 4 = 0$
• Recta: $x + y - 4 = 0$

El proceso es sencillo: primero despejamos una variable de la ecuación de la recta en este caso $y = 4 - x$ y la sustituimos en la ecuación de la circunferencia. Esto nos llevará a una ecuación cuadrática: $2x^2 - 18x + 28 = 0$ que simplificada queda: $x^2 - 9x + 14 = 0$.

Al factorizar obtenemos $(x - 7)(x - 2) = 0$, lo que nos da $x = 7$ o $x = 2$. Sustituyendo estos valores en la ecuación de la recta, encontramos los valores correspondientes de $y$: cuando $x = 7$, $y = -3$ y cuando $x = 2$, $y = 2$.

Los puntos de intersección son entonces $(7,-3)$ y $(2,2)$. Al obtener dos puntos de intersección, podemos concluir que la recta es secante a la circunferencia.

🔍 Recuerda: La factorización es una herramienta poderosa para resolver ecuaciones cuadráticas. Si logras expresar la ecuación como un producto de factores, las soluciones serán inmediatas.

Representación Gráfica y Análisis Visual

Para complementar el análisis algebraico, es útil representar gráficamente la situación. Primero, convertimos la ecuación de la circunferencia a su forma canónica para identificar su centro y radio.

Partiendo de $x^2 + y^2 - 8x + 2y + 4 = 0$, completando cuadrados obtenemos $(x - 4)^2 + (y + 1)^2 = 13$. Esto nos indica que el centro de la circunferencia está en el punto $(4,-1)$ y su radio es $\sqrt{13} ≈ 3,6$.

Al graficar tanto la circunferencia como la recta, junto con los puntos de intersección $(7,-3)$ y $(2,2)$ que calculamos anteriormente, podemos visualizar claramente la posición secante. La recta atraviesa la circunferencia cortándola exactamente en estos dos puntos.

La representación gráfica confirma nuestro análisis algebraico: cuando una recta corta a una circunferencia en dos puntos distintos, se dice que la recta es secante a la circunferencia.

🌟 Visualización: Graficar siempre te ayudará a entender mejor el problema y a verificar tus resultados algebraicos. Si obtienes dos puntos de intersección, deberías ver claramente en tu gráfica cómo la recta atraviesa la circunferencia.

Uso del Discriminante para Determinar Posiciones

Existe un método más directo para determinar la posición relativa sin necesidad de calcular todos los puntos de intersección: el uso del discriminante.

Cuando sustituimos la ecuación de la recta en la de la circunferencia, obtenemos una ecuación cuadrática de la forma $ax^2 + bx + c = 0$. El discriminante de esta ecuación, $\Delta = b^2 - 4ac$, nos indica directamente la posición relativa:

• Si $\Delta < 0$: La recta es exterior (no hay puntos de intersección)
• Si $\Delta = 0$: La recta es tangente (hay un único punto de intersección)
• Si $\Delta > 0$: La recta es secante (hay dos puntos de intersección)

En el ejercicio que vemos, al sustituir $y = \frac{2x}{3} + 5$ en la ecuación de la circunferencia y resolver, llegamos a la ecuación $\frac{13x^2}{9} + \frac{52x}{3} + 52 = 0$. Al calcular el discriminante, encontramos que $\Delta = 0$, lo que confirma que la recta es tangente a la circunferencia.

🧩 Atajo matemático: El discriminante te ahorra trabajo cuando solo necesitas saber qué tipo de posición relativa existe, sin necesitar conocer los puntos exactos de intersección.

Puntos de Tangencia y Verificación

Cuando una recta es tangente a una circunferencia, es importante identificar el punto exacto de tangencia. Continuando con nuestro ejemplo, al resolver la ecuación cuadrática $x^2 + 12x + 36 = 0$, obtenemos una única solución: $x = -6$.

Sustituyendo este valor en la ecuación de la recta $y = \frac{2}{3}x + 5$, encontramos que $y = 1$. Por lo tanto, el punto de tangencia es $(-6,1)$.

Para verificar nuestros resultados, convertimos la ecuación de la circunferencia a su forma canónica: $(x + 4)^2 + (y + 2)^2 = 13$. Esto nos indica que el centro está en $(-4,-2)$ y el radio es $\sqrt{13} \approx 3,6$.

Al graficar la circunferencia, la recta y el punto de tangencia, confirmamos visualmente que la recta toca la circunferencia exactamente en un solo punto, lo que define la posición tangente.

💯 Verificación completa: Una buena práctica es hacer tres comprobaciones: resolver algebraicamente, analizar el discriminante, y confirmar gráficamente. Si los tres métodos coinciden, puedes estar seguro de tu respuesta.

Caso de Recta Exterior a la Circunferencia

Veamos ahora un caso diferente: determinar la posición relativa entre la circunferencia $x^2 + y^2 - 10x - 6y + 9 = 0$ y la recta $y = 3x + 6$.

Siguiendo nuestro método, sustituimos $y = 3x + 6$ en la ecuación de la circunferencia, lo que nos lleva a $x^2 + (3x + 6)^2 - 10x - 6(3x + 6) + 9 = 0$. Desarrollando y agrupando términos semejantes, obtenemos la ecuación cuadrática $10x^2 + 8x + 9 = 0$.

Al intentar resolver esta ecuación mediante la fórmula cuadrática, encontramos que $x = \frac{-8 \pm \sqrt{64 - 360}}{20} = \frac{-8 \pm \sqrt{-296}}{20}$. La raíz cuadrada de un número negativo nos indica que no existen soluciones reales.

Esto significa que la ecuación cuadrática no tiene soluciones reales, y por tanto, la recta y la circunferencia no tienen puntos de intersección. Concluimos que la recta es exterior a la circunferencia.

🔍 Interpretación clave: Cuando el discriminante es negativo y obtienes raíces imaginarias, significa físicamente que la recta y la circunferencia no se tocan en ningún punto del plano real.

Representación Gráfica y Ejercicios Adicionales

Para confirmar nuestra conclusión de que la recta es exterior a la circunferencia, convertimos la ecuación de la circunferencia a su forma canónica: $(x - 5)^2 + (y - 3)^2 = 25$. Esto nos indica que el centro está en $(5,3)$ y el radio es $5$.

Al graficar la recta $y = 3x + 6$, podemos verificar visualmente que efectivamente no interseca la circunferencia en ningún punto, confirmando así la posición exterior.

Es importante practicar con diferentes ejercicios para dominar este tema. Algunos problemas que puedes intentar incluyen:

• Determinar la posición relativa de la recta $-2x-y+7=0$ con respecto a la circunferencia $x^2 + y^2 - 14x+8y +60=0$
• Analizar la posición relativa entre la recta $y-4=0$ y la circunferencia $x^2+y^2+12x-2y+28=0$

Recuerda que para el examen institucional deberás estudiar tanto las posiciones relativas entre recta y circunferencia como las posiciones relativas entre dos circunferencias.

📝 Prepárate para la evaluación: Practica con variedad de ejemplos que cubran los tres casos posibles: secante, tangente y exterior. Asegúrate de poder identificar cada caso tanto algebraica como gráficamente.

Resolución de Ejercicios: Caso Secante

Resolvamos el primer ejercicio propuesto: determinar la posición relativa entre la recta $-2x - y + 7 = 0$ y la circunferencia $x^2 + y^2 - 14x + 8y + 60 = 0$.

Primero, despejamos $y$ de la ecuación de la recta: $y = -2x + 7$. Luego, sustituimos esta expresión en la ecuación de la circunferencia y desarrollamos:

$x^2 + (-2x + 7)^2 - 14x + 8(-2x + 7) + 60 = 0$

Expandiendo y agrupando términos semejantes, llegamos a la ecuación cuadrática: $5x^2 - 58x + 165 = 0$

Usando la fórmula cuadrática, obtenemos: $x = \frac{58 \pm \sqrt{3364 - 3300}}{10} = \frac{58 \pm \sqrt{64}}{10} = \frac{58 \pm 8}{10}$

Esto nos da dos soluciones: $x = 6,6$ y $x = 5$. Sustituyendo estos valores en la ecuación de la recta, encontramos que cuando $x = 6,6$, $y = -6,2$ y cuando $x = 5$, $y = -3$.

Los puntos de intersección son $(6,6,-6,2)$ y $(5,-3)$. Al tener dos puntos de intersección, concluimos que la recta es secante a la circunferencia.

🌟 Metodología clara: Sigue siempre estos pasos: despeja una variable de la recta, sustituye en la circunferencia, resuelve la ecuación cuadrática, encuentra los puntos de intersección y determina la posición relativa.

Análisis Gráfico del Caso Secante

Para complementar nuestro análisis algebraico del ejercicio anterior, convertimos la ecuación de la circunferencia a su forma canónica para poder graficarla.

Partiendo de $x^2 + y^2 - 14x + 8y + 60 = 0$ y completando cuadrados, obtenemos $(x - 7)^2 + (y + 4)^2 = 5$. Esto nos indica que el centro de la circunferencia está en $(7,-4)$ y su radio es $\sqrt{5} \approx 2,2$.

Al graficar la circunferencia, la recta $y = -2x + 7$ y los puntos de intersección $(6,6,-6,2)$ y $(5,-3)$, confirmamos visualmente que la recta corta a la circunferencia en dos puntos, lo que valida nuestra conclusión algebraica de que la recta es secante a la circunferencia.

La representación gráfica es una herramienta poderosa que nos permite visualizar la situación y confirmar nuestros cálculos. Siempre es recomendable realizar tanto el análisis algebraico como el gráfico para tener una comprensión completa.

🔄 Doble verificación: Al resolver estos problemas, siempre verifica tu respuesta algebraica con una representación gráfica. Esto te ayudará a detectar posibles errores de cálculo y reforzará tu comprensión visual del concepto.

Caso de Recta Tangente: Análisis Final

Resolvamos el segundo ejercicio: determinar la posición relativa entre la recta $y - 4 = 0$ y la circunferencia $x^2 + y^2 + 12x - 2y + 28 = 0$.

La ecuación $y - 4 = 0$ nos indica que $y = 4$ (una recta horizontal). Sustituimos este valor en la ecuación de la circunferencia:

$x^2 + (4)^2 + 12x - 2(4) + 28 = 0$ $x^2 + 16 + 12x - 8 + 28 = 0$ $x^2 + 12x + 36 = 0$

Factorizando, obtenemos $(x + 6)^2 = 0$, lo que nos da una única solución: $x = -6$. Por lo tanto, el único punto de intersección es $(-6, 4)$.

Para confirmar, convertimos la ecuación de la circunferencia a la forma canónica: $(x + 6)^2 + (y - 1)^2 = 9$. Esto nos indica que el centro está en $(-6, 1)$ y el radio es $3$.

Al tener una única solución, concluimos que la recta es tangente a la circunferencia. Gráficamente, podemos visualizar cómo la recta horizontal $y = 4$ toca la circunferencia exactamente en un solo punto.

✨ Concepto fundamental: Una recta tangente a una circunferencia la toca en exactamente un punto, y además, es perpendicular al radio de la circunferencia en ese punto de tangencia. Esta propiedad es útil para verificar tus resultados.