12.3: Парабола
- Графові параболи з вершинами на початку.
- Напишіть рівняння парабол в стандартному вигляді.
- Графові параболи з вершинами, які не знаходяться на початку.
- Вирішити прикладні завдання, пов'язані з параболами.
Чи знали ви, що олімпійський факел запалюється за кілька місяців до початку ігор? Обрядовий спосіб розпалювання полум'я такий же, як і в давнину. Церемонія відбувається в храмі Гери в Олімпії, Греція, і корениться в грецькій міфології, віддаючи данину Прометею, який вкрав вогонь у Зевса, щоб дати всім людям. Одна з одинадцяти діючих жриць поміщає факел у фокус параболічного дзеркала (рис.12.3.1), яке фокусує світлові промені від сонця, щоб розпалити полум'я.

Параболічні дзеркала (або відбивачі) здатні захоплювати енергію і фокусувати її в одній точці. Про переваги цієї властивості свідчить величезний перелік параболічних об'єктів, які ми використовуємо щодня: супутникові антени, підвісні мости, телескопи, мікрофони, прожектори та автомобільні фари, щоб назвати декілька. Параболічні відбивачі також використовуються в пристроях альтернативної енергетики, таких як сонячні плити та водонагрівачі, оскільки вони недорогі у виробництві і потребують невеликого обслуговування. У цьому розділі ми розглянемо параболу та її використання, включаючи недорогі, енергоефективні сонячні конструкції.
Графік парабол з вершинами на початку
Раніше ми бачили, що еліпс утворюється, коли площину прорізає правий круглий конус. Якщо площина паралельна краю конуса, утворюється необмежена крива. Ця крива є параболою (рис.12.3.2).

Як і еліпс і гіпербола, парабола також може бути визначена набором точок в координатній площині. Парабола - це сукупність всіх точок(x,y) на площині, які знаходяться на однаковій відстані від фіксованої лінії, званої директрисою, і фіксованою точкою (фокусом) не на директрисі.
Раніше ми дізналися про вершину параболи і осі симетрії. Тепер розширимо дискусію, включивши інші ключові особливості параболи (рис.12.3.3). Зверніть увагу, що вісь симетрії проходить через фокус і вершину і перпендикулярна директрисі. Вершина є середньою точкою між директрисою і фокусом. Відрізок лінії, який проходить через вогнище і паралельний директрисі, називається латус прямою кишкою. Кінцеві точки прямої кишки лоток лежать на кривій. За визначенням, віддалене d від фокуса до будь-якої точкиP на параболі дорівнює відстані відP до директриси.

Для роботи з параболами в координатній площині ми розглянемо два випадки: ті, у яких вершина біля початку та ті, що мають вершину в точці, відмінній від початку. Починаємо з першого.

(x,y)Дозволяти точка на параболі з вершиною(0,0), фокусом і директрисою(0,p),y=−p як показано на малюнку12.3.4. Віддалене d від точки(x,y) до точки(x,−p) на директрисі - це різниця y -значень:d=y+p. Відстань від фокуса(0,p) до точки також(x,y) дорівнюєd і може бути виражено за допомогою формули відстані.
d=√(x−0)2+(y−p)2=√x2+(y−p)2
Встановіть два вирази дляd рівних один одному і вирішіть for,y щоб вивести рівняння параболи. Ми робимо це тому, що відстань від(x,y) до(0,p) дорівнює відстані від(x,y) до(x,−p).
√x2+(y−p)2=y+p
Потім ми квадрат обидві сторони рівняння, розширюємо квадрат члени, і спростити, об'єднавши подібні терміни.
x2+(y−p)2=(y+p)2x2+y2−2py+p2=y2+2py+p2x2−2py=2pyx2=4py
Рівняння парабол з вершиною -(0,0) цеy2=4px коли вісь x - вісь симетрії іx2=4py коли y -вісь - вісь симетрії. Ці стандартні форми наведені нижче, разом з їх загальними графіками і ключовими особливостями.
Таблиця12.3.1 та рисунок12.3.5 узагальнюють стандартні риси парабол з вершиною біля початку.
Вісь симетрії | Рівняння | Фокус | Директриса | Кінцеві точки прямої кишки |
---|---|---|---|---|
x -вісь | y2=4px | (p,0) | x=−p | (p,±2p) |
Y -вісь | x2=4py | (0,p) | y=−p | (±2p,p) |

Ключовими особливостями параболи є її вершина, вісь симетрії, фокус, директриса і пряма кишка (рис.12.3.5). Коли дано стандартне рівняння для параболи, орієнтованої на початок, ми можемо легко визначити ключові особливості для графіка параболи. Лінія вважається дотичною до кривої, якщо вона перетинає криву рівно в одній точці. Якщо накреслити лінії, дотичні до параболи в кінцевих точках прямої кишки латуса, то ці лінії перетинаються на осі симетрії, як показано на малюнку12.3.6.

- Визначте, яка з стандартних форм застосовується до даного рівняння:y2=4px абоx2=4py.
- Використовуйте стандартну форму, визначену на кроці 1, для визначення осі симетрії, фокусу, рівняння прямої кишки та кінцевих точок прямої кишки.
- Якщо рівняння у виглядіy2=4px, то
- віссю симетрії єx -вісь,y=0
- 4pмножина дорівнює коефіцієнтуx в заданому рівнянні для розв'язанняp. Якщоp>0, парабола відкривається вправо. Якщоp<0, парабола відкривається зліва.
- використовуватиp для пошуку координат фокусу,(p,0)
- використовуватиp для пошуку рівняння директриси,x=−p
- використовуватиp для пошуку кінцевих точок прямої кишки латуса,(p,±2p). По черзіx=p підставляємо в вихідне рівняння.
- Якщо рівняння у виглядіx2=4py, то
- віссю симетрії єy -вісь,x=0
- 4pмножина дорівнює коефіцієнтуy в заданому рівнянні для розв'язанняp. Якщоp>0, парабола розкривається. Якщоp<0, парабола відкривається вниз.
- використовуватиp для пошуку координат фокусу,(0,p)
- використовуватиp для пошуку рівняння директриси,y=−p
- використовуватиp для пошуку кінцевих точок прямої кишки латуса,(±2p,p)
- Якщо рівняння у виглядіy2=4px, то
- Помістіть фокус, директрису та пряму кишку, і намалюйте плавну криву, щоб сформувати параболу.
Графікy2=24x. Визначте та позначте фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
Рішення
Стандартна форма, яка застосовується до даного рівняння, єy2=4px. Таким чином, віссю симетрії є х -вісь. Звідси випливає, що:
- 24=4p, Отжеp=6. З тих пірp>0 парабола відкривається вправо
- координати фокусу(p,0)=(6,0)
- рівняння директриси дорівнюєx=−p=−6
- кінцеві точки прямої кишки латуса мають однакову x -координату у фокусі. Щоб знайти кінцеві точки,x=6 підставляємо в вихідне рівняння:(6,±12)
Далі ми будуємо фокус, директрису та пряму кишку, і малюємо плавну криву, щоб сформувати параболу (рис.12.3.7).

Графікy2=−16x. Визначте та позначте фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
- Відповідь
-
- Фокус:(−4,0)
- Директриса:x=4
- Кінцеві точки прямої прямої кишки:(−4,±8)
Малюнок12.3.8
Графікx2=−6y. Визначте та позначте фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
Рішення
Стандартна форма, яка застосовується до даного рівняння, єx2=4py. Таким чином, віссю симетрії єy -вісь. Звідси випливає, що:
- −6=4p, Отжеp=−32. З тих пірp<0, парабола відкривається вниз.
- координати фокусу(0,p)=(0,−32)
- рівняння директриси дорівнюєy=−p=32
- кінцеві точки прямої кишки латуса можна знайти шляхом підстановкиy=32 в вихідне рівняння,(±3,−32)
Далі ми розміщуємо фокус, директрису та пряму кишку, і намалюємо плавну криву, щоб сформувати параболу.

Графікx2=8y. Визначте та позначте фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
- Відповідь
-
- Фокус:(0,2)
- Директриса:y=−2
- Кінцеві точки прямої прямої кишки:(±4,2).
Малюнок12.3.10
Написання рівнянь парабол у стандартній формі
У попередніх прикладах ми використовували стандартне рівняння параболи для обчислення місць її ключових ознак. Ми також можемо використовувати обчислення у зворотному напрямку, щоб написати рівняння для параболи, якщо задано її ключові особливості.
- Визначте, чи є віссю симетріїx - абоy -віссю.
- Якщо задані координати фокуса мають вигляд(p,0), то віссю симетрії єx -вісь. Використовуйте стандартну формуy2=4px.
- Якщо задані координати фокуса мають вигляд(0,p), то віссю симетрії єy -вісь. Використовуйте стандартну формуx2=4py.
- Помножити4p.
- Підставте значення з кроку 2 у рівняння, визначене в кроці 1.
Що таке рівняння для параболи з фокусом(−12,0) і директрисоюx=12?
Рішення
Фокус має вигляд(p,0), тому рівняння матиме виглядy2=4px.
- Помножуючи4p, ми маємо4p=4(−12)=−2.
- Підставляючи4p, у нас єy2=4px=−2x. =
Тому рівняння для параболи єy2=−2x.
Що таке рівняння для параболи з фокусом(0,72) і директрисоюy=−72?
- Відповідь
-
x2=14y.
Графік парабол з вершинами, які не біля початку
Як і інші графіки, з якими ми працювали, графік параболи можна перекласти. Якщо парабола перекладаєтьсяh одиницями горизонтально, аk одиниці вертикально, вершина буде(h,k). Цей переклад призводить до стандартної форми рівняння, яке ми бачили раніше,x замінене(x−h) іy замінене на(y−k).
Для графування парабол з вершиною,(h,k) відмінною від початку, ми використовуємо стандартну форму(y−k)2=4p(x−h) для парабол, які мають вісь симетрії паралельнуx -осі, і(x−h)2=4p(y−k) для парабол, що мають вісь симетрії, паралельнуy -осі. Ці стандартні форми наведені нижче, разом з їх загальними графіками і ключовими особливостями.
Таблиця12.3.2 та рисунок12.3.11 підсумовують стандартні риси парабол з вершиною в точці(h,k).
Вісь симетрії | Рівняння | Фокус | Директриса | Кінцеві точки прямої кишки |
---|---|---|---|---|
y=k | (y−k)2=4p(x−h) | (h+p,k) | x=h−p | (h+p,k±2p) |
x=h | (x−h)2=4p(y−k) | (h,k+p) | y=k−p | (h±2p,k+p) |

- Визначте, яка з стандартних форм застосовується до даного рівняння:(y−k)2=4p(x−h) або(x−h)2=4p(y−k).
- Використовуйте стандартну форму, визначену на кроці 1, для визначення вершини, осі симетрії, фокусу, рівняння прямої кишки та кінцевих точок прямої кишки латуса.
- Якщо рівняння має вигляд(y−k)2=4p(x−h), то:
- використовувати дане рівняння для ідентифікаціїh таk для вершини,(h,k)
- використовувати значенняk для визначення осі симетрії,y=k
- 4pмножина дорівнює коефіцієнту(x−h) в заданому рівнянні для розв'язанняp. Якщоp>0, парабола відкривається вправо. Якщоp<0, парабола відкривається зліва.
- використовуватиhk, іp знайти координати фокусу,(h+p,k)
- використовуватиh andp p, щоб знайти рівняння директриси,x=h−p
- використовуватиhk, іp знайти кінцеві точки прямої кишки,(h+p,k±2p)
- Якщо рівняння має вигляд(x−h)2=4p(y−k), то:
- використовувати дане рівняння для ідентифікаціїh таk для вершини,(h,k)
- використовувати значенняh для визначення осі симетрії,x=h
- 4pмножина дорівнює коефіцієнту(y−k) в заданому рівнянні для розв'язанняp. Якщоp>0, парабола розкривається. Якщоp<0, парабола відкривається вниз.
- використовуватиhk, іp знайти координати фокусу,(h,k+p)
- використовуватиk іp знайти рівняння директриси,y=k−p
- використовуватиhk, іp знайти кінцеві точки прямої кишки,(h±2p,k+p)
- Якщо рівняння має вигляд(y−k)2=4p(x−h), то:
- Покладіть вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та пряму кишку, і намалюйте плавну криву, щоб сформувати параболу.
Графік(y−1)2=−16(x+3). Визначте та позначте вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
Рішення
Стандартна форма, яка застосовується до даного рівняння, є(y−k)2=4p(x−h). Таким чином, вісь симетрії паралельнаx -осі. Звідси випливає, що:
- вершина(h,k)=(−3,1)
- вісь симетріїy=k=1
- −16=4p, Отжеp=−4. З тих пірp<0, парабола відкривається зліва.
- координати фокусу(h+p,k)=(−3+(−4),1)=(−7,1)
- рівняння директриси дорівнюєx=h−p=−3−(−4)=1
- кінцеві точки прямої кишки прямої кишки є(h+p,k±2p)=(−3+(−4),1±2(−4)), або(−7,−7) і(−7,9)
Далі ми розміщуємо вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та пряму кишку, і намалюємо плавну криву, щоб сформувати параболу (рис.12.3.10).

Графік(y+1)2=4(x−8). Визначте та позначте вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
- Відповідь
-
- Вершина:(8,−1)
- Вісь симетрії:y=−1
- Фокус:(9,−1)
- Директриса:x=7
- Кінцеві точки прямої прямої кишки:(9,−3) і(9,1).
Малюнок12.3.13
Графікx2−8x−28y−208=0. Визначте та позначте вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
Рішення
Почніть з написання рівняння параболи в стандартній формі. Стандартна форма, яка застосовується до даного рівняння, є(x−h)2=4p(y−k). Таким чином, вісь симетрії паралельнаy -осі. Щоб висловити рівняння параболи в такому вигляді, почнемо з виділення членів, які містять змінну,x щоб завершити квадрат.
x2−8x−28y−208=0x2−8x=28y+208x2−8x+16=28y+208+16(x−4)2=28y+224(x−4)2=28(y+8)(x−4)2=4⋅7⋅(y+8)
Звідси випливає, що:
- вершина(h,k)=(4,−8)
- вісь симетріїx=h=4
- з тих пірp=7,p>0 і так парабола відкривається
- координати фокусу(h,k+p)=(4,−8+7)=(4,−1)
- рівняння директриси дорівнюєy=k−p=−8−7=−15
- кінцеві точки прямої кишки прямої кишки є(h±2p,k+p)=(4±2(7),−8+7), або(−10,−1) і(18,−1)
Далі ми розміщуємо вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та пряму кишку, і намалюємо плавну криву, щоб сформувати параболу (рис.12.3.14).

Графік(x+2)2=−20(y−3). Визначте та позначте вершину, вісь симетрії, фокус, директрису та кінцеві точки прямої кишки.
- Відповідь
-
- Вершина:(−2,3)
- Вісь симетрії:x=−2
- Фокус:(−2,−2)
- Директриса:y=8
- Кінцеві точки прямої прямої кишки:(−12,−2) і(8,−2).
Малюнок12.3.15
Рішення прикладних проблем за участю парабол
Як ми згадували на початку розділу, параболи використовуються для проектування багатьох об'єктів, які ми використовуємо щодня, таких як телескопи, підвісні мости, мікрофони та радіолокаційне обладнання. Параболічні дзеркала, такі як той, який використовувався для освітлення олімпійського факела, мають дуже унікальну відбиваючу властивість. Коли промені світла, паралельні осі симетрії параболи, спрямовані в бік будь-якої поверхні дзеркала, світло відбивається безпосередньо до вогнища (рис.12.3.16). Ось чому олімпійський факел запалюється, коли він утримується у фокусі параболічного дзеркала.

Параболічні дзеркала мають здатність фокусувати енергію сонця в одній точці, піднімаючи температуру на сотні градусів за лічені секунди. Таким чином, параболічні дзеркала представлені у багатьох недорогих, енергоефективних сонячних продуктах, таких як сонячні плити, сонячні нагрівачі та навіть пожежні стартери.
Перетин конструкції для дорожнього сонячного пожежного стартера показано на малюнку12.3.17. Сонячні промені відбиваються від параболічного дзеркала до об'єкта, прикріпленого до запальника. Оскільки запальник розташований у вогнищі параболи, відбиті промені змушують об'єкт згоряти всього за лічені секунди.
- Знайдіть рівняння параболи, яка моделює пожежний стартер. Припустимо, що вершина параболічного дзеркала є початком координатної площини.
- Використовуйте рівняння, знайдене в частині (а), щоб знайти глибину пожежного стартера.

Рішення
- Вершина страви є початком координатної площини, тому парабола прийме стандартну формуx2=4py, деp>0. Запальник, який є фокусом, знаходиться на1.7 дюймах вище вершини страви. Таким чином ми маємоp=1.7.
x2=4pyStandard form of upward-facing parabola with vertex (0,0)x2=4(1.7)ySubstitute 1.7 for px2=6.8yMultiply.
- Блюдо розширюється4.52=2.25 дюйми по обидва боки від походження. Ми можемо замінити2.25x в рівнянні з частини (а), щоб знайти глибину страви.
x2=6.8y Equation found in part (a)(2.25)2=6.8ySubstitute 2.25 for xy≈0.74Solve for y
Блюдо глибиною близько0.74 дюймів.
Сонячні плити розміром з балкон були розроблені для сімей, які проживають в Індії. Верх тарілки має діаметр1600 мм. Сонячні промені відбиваються від параболічного дзеркала в сторону «плити», яка розміщена в320 мм від основи.
- Знайдіть рівняння, яке моделює перетин сонячної плити. Припустимо, що вершина параболічного дзеркала є початком координатної площини, і що парабола відкривається праворуч (тобто має вісь x - як вісь симетрії).
- Використовуйте рівняння, знайдене в частині (а), щоб знайти глибину плити.
- Відповідь на
-
y2=1280x
- Відповідь б
-
Глибина плити -500 мм
Ключові рівняння
Парабола, вершина на початку, вісь симетрії на осі x | y2=4px |
Парабола, вершина на початку, вісь симетрії на осі y | x2=4py |
Парабола, вершина at(h,k), вісь симетрії на осі x | (y−k)2=4p(x−h) |
Парабола, вершина at(h,k), вісь симетрії на осі y | (x−h)2=4p(y−k) |
Ключові концепції
- Парабола - це сукупність всіх точок(x,y) на площині, які знаходяться на однаковій відстані від фіксованої лінії, званої директрисою, і фіксованою точкою (фокусом) не на директрисі.
- Стандартна форма параболи з вершиною(0,0) та віссю x як її віссю симетрії може бути використана для графування параболи. Якщоp>0, парабола відкривається вправо. Якщоp<0, парабола відкривається зліва. Див12.3.1. Приклад.
- Стандартна форма параболи з вершиною(0,0) та віссю y як її віссю симетрії може бути використана для графування параболи. Якщоp>0, парабола розкривається. Якщоp<0, парабола відкривається вниз. Див12.3.2. Приклад.
- Коли задано фокус і директрису параболи, ми можемо записати її рівняння в стандартній формі. Див12.3.3. Приклад.
- Стандартна форма параболи з вершиною(h,k) і віссю симетрії, паралельноюx -осі, може бути використана для графування параболи. Якщоp>0, парабола відкривається вправо. Якщоp<0, парабола відкривається зліва. Див12.3.4. Приклад.
- Стандартна форма параболи з вершиною(h,k) і віссю симетрії, паралельноюy -осі, може бути використана для графування параболи. Якщоp>0, парабола розкривається. Якщоp<0, парабола відкривається вниз. Див12.3.5. Приклад.
- Реальні ситуації можуть бути змодельовані за допомогою стандартних рівнянь парабол. Наприклад, враховуючи діаметр і фокус поперечного перерізу параболічного відбивача, ми можемо знайти рівняння, яке моделює його сторони. Див12.3.6. Приклад.