Answer on Question #78592 – Math – Analytic Geometry
Question
Check whether or not the conicoid represented by
5 x 2 + 4 y 2 − 4 y z + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 5x^2 + 4y^2 - 4yz + 2xz + 2x - 4y - 8z + 2 = 0 5 x 2 + 4 y 2 − 4 yz + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0
is central or not. If it is, transform the equation by shifting the origin to the centre. Else, change any one coefficient to make the equation that of a central conicoid.
Solution
Theorem 1
The origin O ( 0 , 0 , 0 ) O(0,0,0) O ( 0 , 0 , 0 ) is a centre of the conicoid
F ( x , y , z ) = a x 2 + b y 2 + c z 2 + 2 f y z + 2 g z x + 2 h x y + 2 u x + 2 v y + 2 w z + d = 0 F(x,y,z) = ax^2 + by^2 + cz^2 + 2fyz + 2gzx + 2hxy + 2ux + 2vy + 2wz + d = 0 F ( x , y , z ) = a x 2 + b y 2 + c z 2 + 2 f yz + 2 g z x + 2 h x y + 2 ux + 2 v y + 2 w z + d = 0
if and only if u = v = w = 0 u = v = w = 0 u = v = w = 0
We have that
u = 1 ≠ 0 , v = − 2 ≠ 0 , w = − 4 ≠ 0 u = 1 \neq 0, v = -2 \neq 0, w = -4 \neq 0 u = 1 = 0 , v = − 2 = 0 , w = − 4 = 0
Therefore, the origin O ( 0 , 0 , 0 ) O(0,0,0) O ( 0 , 0 , 0 ) is not the centre of the conicoid.
Theorem 2
A conicoid S S S , given by the equation
F ( x , y , z ) = a x 2 + b y 2 + c z 2 + 2 f y z + 2 g z x + 2 h x y + 2 u x + 2 v y + 2 w z + d = 0 F(x,y,z) = ax^2 + by^2 + cz^2 + 2fyz + 2gzx + 2hxy + 2ux + 2vy + 2wz + d = 0 F ( x , y , z ) = a x 2 + b y 2 + c z 2 + 2 f yz + 2 g z x + 2 h x y + 2 ux + 2 v y + 2 w z + d = 0
has the point P ( x 0 , y 0 , z 0 ) P(x_0,y_0,z_0) P ( x 0 , y 0 , z 0 ) as a centre if and only if
{ a x 0 + h y 0 + g z 0 + u = 0 h x 0 + b y 0 + f z 0 + v = 0 g x 0 + f y 0 + c z 0 + w = 0 \left\{
\begin{array}{l}
ax_0 + hy_0 + gz_0 + u = 0 \\
hx_0 + by_0 + fz_0 + v = 0 \\
gx_0 + fy_0 + cz_0 + w = 0
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ a x 0 + h y 0 + g z 0 + u = 0 h x 0 + b y 0 + f z 0 + v = 0 g x 0 + f y 0 + c z 0 + w = 0
We have that
{ 5 x 0 + z 0 + 1 = 0 4 y 0 − 2 z 0 − 2 = 0 x 0 − 2 y 0 − 4 = 0 \left\{
\begin{array}{l}
5x_0 + z_0 + 1 = 0 \\
4y_0 - 2z_0 - 2 = 0 \\
x_0 - 2y_0 - 4 = 0
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ 5 x 0 + z 0 + 1 = 0 4 y 0 − 2 z 0 − 2 = 0 x 0 − 2 y 0 − 4 = 0
Augmented matrix
( 5 0 1 − 1 0 4 − 2 2 1 − 2 0 4 ) \begin{pmatrix}
5 & 0 & 1 & -1 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
1 & -2 & 0 & 4
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 5 0 1 0 4 − 2 1 − 2 0 − 1 2 4 ⎠ ⎞ ( 5 0 1 − 1 0 4 − 2 2 1 − 2 0 4 ) → R 1 / 5 ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 4 − 2 2 1 − 2 0 4 ) \begin{pmatrix}
5 & 0 & 1 & -1 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
1 & -2 & 0 & 4
\end{pmatrix}
\xrightarrow{R_1/5}
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
1 & -2 & 0 & 4
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 5 0 1 0 4 − 2 1 − 2 0 − 1 2 4 ⎠ ⎞ R 1 /5 ⎝ ⎛ 1 0 1 0 4 − 2 1/5 − 2 0 − 1/5 2 4 ⎠ ⎞ ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 4 − 2 2 1 − 2 0 4 ) → R 3 − R 1 ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 4 − 2 2 0 − 2 − 1 / 5 21 / 5 ) \begin{pmatrix}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
1 & -2 & 0 & 4
\end{pmatrix}
\xrightarrow{R_3-R_1}
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
0 & -2 & -1/5 & 21/5
\end{pmatrix} ⎝ ⎛ 1 0 1 0 4 − 2 1/5 − 2 0 − 1/5 2 4 ⎠ ⎞ R 3 − R 1 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 4 − 2 1/5 − 2 − 1/5 − 1/5 2 21/5 ⎠ ⎞ ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 4 − 2 2 0 − 2 − 1 / 5 21 / 5 ) → R 2 / 4 ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 − 2 − 1 / 5 21 / 5 ) ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 − 2 − 1 / 5 21 / 5 ) → R 3 + ( 2 ) R 2 ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 − 6 / 5 26 / 5 ) ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 − 6 / 5 26 / 5 ) → ( − 5 / 6 ) R 3 ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 1 − 13 / 3 ) ( 1 0 1 / 5 − 1 / 5 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 1 − 13 / 3 ) → R 1 − ( 1 5 ) R 3 ( 1 0 0 2 / 3 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 1 − 13 / 3 ) ( 1 0 0 2 / 3 0 1 − 1 / 2 1 / 2 0 0 1 − 13 / 3 ) → R 2 + ( 1 2 ) R 3 ( 1 0 0 2 / 3 0 1 0 − 5 / 3 0 0 1 − 13 / 3 ) { x 0 = 2 3 y 0 = − 5 3 z 0 = − 13 3 \begin{array}{l}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 4 & -2 & 2 \\
0 & -2 & -1/5 & 21/5
\end{array} \right)
\xrightarrow{R_2/4}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & -2 & -1/5 & 21/5
\end{array} \right) \\
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & -2 & -1/5 & 21/5
\end{array} \right)
\xrightarrow{R_3+(2)R_2}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & -6/5 & 26/5
\end{array} \right) \\
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & -6/5 & 26/5
\end{array} \right)
\xrightarrow{(-5/6)R_3}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & 1 & -13/3
\end{array} \right) \\
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 1/5 & -1/5 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & 1 & -13/3
\end{array} \right)
\xrightarrow{R_1-(\frac{1}{5})R_3}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 0 & 2/3 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & 1 & -13/3
\end{array} \right) \\
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 0 & 2/3 \\
0 & 1 & -1/2 & 1/2 \\
0 & 0 & 1 & -13/3
\end{array} \right)
\xrightarrow{R_2+(\frac{1}{2})R_3}
\left( \begin{array}{cccc}
1 & 0 & 0 & 2/3 \\
0 & 1 & 0 & -5/3 \\
0 & 0 & 1 & -13/3
\end{array} \right) \\
\left\{
\begin{array}{l}
x_0 = \frac{2}{3} \\
y_0 = -\frac{5}{3} \\
z_0 = -\frac{13}{3}
\end{array}
\right. \\
\end{array} ⎝ ⎛ 1 0 0 0 4 − 2 1/5 − 2 − 1/5 − 1/5 2 21/5 ⎠ ⎞ R 2 /4 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 − 2 1/5 − 1/2 − 1/5 − 1/5 1/2 21/5 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 − 2 1/5 − 1/2 − 1/5 − 1/5 1/2 21/5 ⎠ ⎞ R 3 + ( 2 ) R 2 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1/5 − 1/2 − 6/5 − 1/5 1/2 26/5 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1/5 − 1/2 − 6/5 − 1/5 1/2 26/5 ⎠ ⎞ ( − 5/6 ) R 3 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1/5 − 1/2 1 − 1/5 1/2 − 13/3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 1/5 − 1/2 1 − 1/5 1/2 − 13/3 ⎠ ⎞ R 1 − ( 5 1 ) R 3 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 − 1/2 1 2/3 1/2 − 13/3 ⎠ ⎞ ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 − 1/2 1 2/3 1/2 − 13/3 ⎠ ⎞ R 2 + ( 2 1 ) R 3 ⎝ ⎛ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2/3 − 5/3 − 13/3 ⎠ ⎞ ⎩ ⎨ ⎧ x 0 = 3 2 y 0 = − 3 5 z 0 = − 3 13
Then the point P ( 2 3 , − 5 3 , − 13 3 ) P\left(\frac{2}{3}, -\frac{5}{3}, -\frac{13}{3}\right) P ( 3 2 , − 3 5 , − 3 13 ) is the centre of the coincoid.
In order for the coincoid to become central, it is necessary to apply a shift of the form
{ x ∗ = x − 2 3 y ∗ = y + 5 3 z ∗ = z + 13 3 \left\{
\begin{array}{l}
x^* = x - \frac{2}{3} \\
y^* = y + \frac{5}{3} \\
z^* = z + \frac{13}{3}
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ x ∗ = x − 3 2 y ∗ = y + 3 5 z ∗ = z + 3 13
Then
5 x 2 + 4 y 2 − 4 y z + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 5x^2 + 4y^2 - 4yz + 2xz + 2x - 4y - 8z + 2 = 0 5 x 2 + 4 y 2 − 4 yz + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 5 ( x ∗ + 2 3 ) 2 + 4 ( y ∗ − 5 3 ) 2 − 4 ( y ∗ − 5 3 ) ( z ∗ − 13 3 ) + 2 ( x ∗ + 2 3 ) ( z ∗ − 13 3 ) + 2 ( x ∗ + 2 3 ) ( 2 x 2 − 13 3 ) + 4 5 \left(x^* + \frac{2}{3}\right)^2 + 4 \left(y^* - \frac{5}{3}\right)^2 - 4 \left(y^* - \frac{5}{3}\right) \left(z^* - \frac{13}{3}\right) + 2 \left(x^* + \frac{2}{3}\right) \left(z^* - \frac{13}{3}\right) + 2 \left(x^* + \frac{2}{3}\right) \left(2x^2 - \frac{13}{3}\right) + 4 5 ( x ∗ + 3 2 ) 2 + 4 ( y ∗ − 3 5 ) 2 − 4 ( y ∗ − 3 5 ) ( z ∗ − 3 13 ) + 2 ( x ∗ + 3 2 ) ( z ∗ − 3 13 ) + 2 ( x ∗ + 3 2 ) ( 2 x 2 − 3 13 ) + 4 + 2 ( x ∗ + 2 3 ) − 4 ( y ∗ − 5 3 ) − 8 ( z ∗ − 13 3 ) + 2 = 0 + 2 \left(x^* + \frac{2}{3}\right) - 4 \left(y^* - \frac{5}{3}\right) - 8 \left(z^* - \frac{13}{3}\right) + 2 = 0 + 2 ( x ∗ + 3 2 ) − 4 ( y ∗ − 3 5 ) − 8 ( z ∗ − 3 13 ) + 2 = 0 5 x ∗ 2 + 20 3 x ∗ + 20 9 + 4 y ∗ 2 − 40 3 y ∗ + 100 9 − 4 y ∗ z ∗ + 52 3 y ∗ + 20 3 z ∗ − 260 9 + 5x^{*2} + \frac{20}{3}x^* + \frac{20}{9} + 4y^{*2} - \frac{40}{3}y^* + \frac{100}{9} - 4y^*z^* + \frac{52}{3}y^* + \frac{20}{3}z^* - \frac{260}{9} + 5 x ∗ 2 + 3 20 x ∗ + 9 20 + 4 y ∗ 2 − 3 40 y ∗ + 9 100 − 4 y ∗ z ∗ + 3 52 y ∗ + 3 20 z ∗ − 9 260 + + 2 x ∗ z ∗ − 26 3 x ∗ + 4 3 z ∗ − 52 9 + 2 x ∗ + 4 3 − 4 y ∗ + 20 3 − 8 z ∗ + 104 3 + 2 = 0 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 0 ⋅ x ∗ − 0 ⋅ y ∗ + 0 ⋅ z ∗ + 70 3 = 0 \begin{array}{l}
+2x^*z^* - \frac{26}{3}x^* + \frac{4}{3}z^* - \frac{52}{9} + 2x^* + \frac{4}{3} - 4y^* + \frac{20}{3} - 8z^* + \frac{104}{3} + 2 = 0 \\
5x^{*2} + 4y^{*2} - 4y^*z^* + 2x^*z^* + 0 \cdot x^* - 0 \cdot y^* + 0 \cdot z^* + \frac{70}{3} = 0 \\
\end{array} + 2 x ∗ z ∗ − 3 26 x ∗ + 3 4 z ∗ − 9 52 + 2 x ∗ + 3 4 − 4 y ∗ + 3 20 − 8 z ∗ + 3 104 + 2 = 0 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 0 ⋅ x ∗ − 0 ⋅ y ∗ + 0 ⋅ z ∗ + 3 70 = 0
Hence
5 x 2 + 4 y 2 − 4 y z + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 → → 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 70 3 = 0 \begin{array}{l}
5x^2 + 4y^2 - 4yz + 2xz + 2x - 4y - 8z + 2 = 0 \rightarrow \\
\rightarrow 5x^{*2} + 4y^{*2} - 4y^*z^* + 2x^*z^* + \frac{70}{3} = 0 \\
\end{array} 5 x 2 + 4 y 2 − 4 yz + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 → → 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 3 70 = 0
**Answer:**
1) The conicoid represented by
5 x 2 + 4 y 2 − 4 y z + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 5x^2 + 4y^2 - 4yz + 2xz + 2x - 4y - 8z + 2 = 0 5 x 2 + 4 y 2 − 4 yz + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0
is not central.
2) The point P ( 2 3 , − 5 3 , − 13 3 ) P\left(\frac{2}{3}, -\frac{5}{3}, -\frac{13}{3}\right) P ( 3 2 , − 3 5 , − 3 13 ) is the centre of the coincoid.
3) It is necessary to apply a shift of the form
{ x ∗ = x − 2 3 y ∗ = y + 5 3 z ∗ = z + 13 3 \left\{
\begin{array}{l}
x^* = x - \frac{2}{3} \\
y^* = y + \frac{5}{3} \\
z^* = z + \frac{13}{3} \\
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ x ∗ = x − 3 2 y ∗ = y + 3 5 z ∗ = z + 3 13
to make the conicoid central.
5 x 2 + 4 y 2 − 4 y z + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 → → 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 70 3 = 0 \begin{array}{l}
5x^2 + 4y^2 - 4yz + 2xz + 2x - 4y - 8z + 2 = 0 \rightarrow \\
\rightarrow 5x^{*2} + 4y^{*2} - 4y^*z^* + 2x^*z^* + \frac{70}{3} = 0 \\
\end{array} 5 x 2 + 4 y 2 − 4 yz + 2 x z + 2 x − 4 y − 8 z + 2 = 0 → → 5 x ∗ 2 + 4 y ∗ 2 − 4 y ∗ z ∗ + 2 x ∗ z ∗ + 3 70 = 0
Answer provided by https://www.AssignmentExpert.com
Comments