9.1: Конічні перерізи
Стародавні греки визнали, що цікаві форми можуть бути сформовані шляхом перетину площини з подвійним ворсовим конусом (тобто двома однаковими конусами, розміщеними кінчиком до кінчика, як показано на наступних малюнках). Оскільки ці форми формуються у вигляді розрізів коніків, вони заслужили офіційну назву «конічні секції».
Три «найцікавіших» конічних перерізу наведені у верхньому ряду малюнка9.1.1. Це парабола, еліпс (який включає кола) та гіпербола. У кожному з цих випадків площину не перетинають кінчики шишок (зазвичай приймають за початок).
Коли площина містить початок, три вироджені ділянки можуть бути сформовані, як показано у нижньому рядку малюнка9.1.1: точка, лінія та перехрещені лінії. Ми зосередимося тут на невироджених випадках.
Хоча наведені вище геометричні конструкції визначають коніки інтуїтивно зрозумілим, візуальним способом, ці конструкції не дуже корисні при спробі алгебраїчного аналізу форм або розглядати їх як графік функції. Можна показати, що всі коніки можуть бути визначені загальним рівнянням другого ступеня.
Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0.
Хоча це алгебраїчне визначення має своє застосування, більшість знаходять іншу геометричну перспективу коніків більш вигідною. Кожен невироджений конічний може бути визначено як локус, або множина точок, що задовольняють певній властивості відстані. Ці властивості відстані можуть бути використані для генерації алгебраїчної формули, що дозволяє вивчати кожну конічну коніку як графік функції.
Великі параболи
Визначення 40: параболи
Парабола - це локус усіх точок, рівновіддалених від точки (званої фокусом) та лінії (званої директрисою), яка не містить фокусу.
Малюнок9.1.1 ілюструє це визначення. Точка на півдорозі між фокусом і директрисою - це вершина. Лінія через фокус, перпендикулярна директрисі, є віссю симетрії, оскільки частина параболи з одного боку цієї лінії є дзеркалом - зображенням частини на протилежній стороні.
Визначення призводить нас до алгебраїчної формули параболи. P=(x,y)Дозволяти точка на параболу, фокус якої знаходиться наF=(0,p) і чия директриса знаходиться вy=−p. (Зараз ми припустимо, що фокус лежить на осіy -; розміщуючиp одиниці фокусування над віссюx - іp одиниці директриси нижче цієї осі, вершина буде на(0,0).)
Використовуємо формулу відстані, щоб знайти відстаньd1 міжF іP:
d1=√(x−0)2+(y−p)2.
Відстаньd2 відP до директриси більш просте:
d2=y−(−p)=y+p.
Ці дві відстані рівні. Налаштуванняd1=d2, ми можемо вирішити для зy точки зоруx:
\ [\ почати {align*}
d_1&= d_2\\
\ sqrt {x^2+ (y-p) ^2} &= y+p\\
\ текст {Тепер квадрат з обох сторін.} &\\
x ^ 2+ (y-p) ^2 &= (y+p) ^2\
x ^ 2+y^2-2yp+p ^ 2 &= y^2+yp+p ^ 2\\
x^2 &= 4yp\\
y&=\ frac {1} {4p} x^2.
\ end {вирівнювати*}\]
Геометричне визначення параболи привело нас до знайомої квадратичної функції, граф якої є параболою з вершиною біля початку. Коли ми дозволяємо вершині не бути в(0,0), ми отримуємо наступну стандартну форму параболи.
ключова ідея 33: загальне рівняння параболи
- Вертикальна вісь симетрії: Рівняння параболи з вершиною at(h,k) та Directrixy=k−p у стандартній форміy=14p(x−h)2+k. є Фокус на(h,k+p).
- Горизонтальна вісь симетрії: Рівняння параболи з вершиною at(h,k) та Directrixx=h−p у стандартній форміx=14p(y−k)2+h. є Фокус на(h+p,k).
pПримітка: не обов'язково позитивне число.
Приклад9.1.1: Finding the equation of a parabola
Дайте рівняння параболи з фокусом в(1,2) і директрисою вy=3.
Рішення
Вершина розташована на півдорозі між фокусом і директрисою, так що(h,k)=(1,2.5). Це даєp=−0.5. Використовуючи Key Idea 33, ми маємо рівняння параболи як
y=14(−0.5)(x−1)2+2.5=−12(x−1)2+2.5.
Парабола намальована на рис9.1.3.
Приклад9.1.2: Finding the focus and directrix of a parabola
Знайдіть фокус і директрису параболиx=18y2−y+1. Точка(7,12) лежить на графіку цієї параболи; переконайтеся, що вона рівновіддалена від фокуса і директриси.
Рішення
Нам потрібно поставити рівняння параболи в загальному вигляді. Для цього потрібно виконати квадрат:
\ [\ почати {вирівнювати*}
х &=\ frac18y^2-y+1\ &=\ фрак18\ великий (y^2-8y+8\ великий)\\
&=\ фрак18\ великий (y^2-8y+16 -16+8\ великий)\\
&=\ frac18\ великий ((y-4) ^2 - 8\ великий)\\ &=\ фрак18\ великий ((y-4) ^2 - 8\ великий)\\
&=\ фрак18 (y-4) ^2 - 8\ великий)\\
&=\ фрак18 (y-4) ^2 - 8\ великий)\\ &=) ^2 -1.
\ end {вирівнювати*}\]
Звідси вершина розташовується за адресою(−1,4). У нас є18=14p, такp=2. Робимо висновок, що фокус розташований на,(1,4) а директриса єx=−3. Парабола зображена на малюнку9.1.4, разом з її фокусом та директрисою.
Точка(7,12) лежить на графіку і є7−(−3)=10 одиницями з директриси. Відстань від(7,12) до вогнища становить:
√(7−1)2+(12−4)2=√100=10.
Дійсно, точка на параболі рівновіддалена від фокуса і директриси.
Світловідбиваюча властивість
Однією з захоплюючих речей про невироджених конічних перерізах є їх відбиваючі властивості. Параболи мають наступну відбивну властивість:
Будь-який промінь, що виходить від вогнища, який перетинає параболу, відбивається вздовж лінії, перпендикулярної директрисі.
Це проілюстровано на малюнку9.1.5. Наступна теорема стверджує це більш суворо.
ТЕОРЕМА 79: ВІДБИВАЮЧА ВЛАСТИВІСТЬ ПАРАБОЛИ
PДозволяти бути точкою на параболу. Дотична лінія до параболи наP робить рівні кути з наступними двома лініями:
- Рядок, що міститьP і фокусF, і
- Лінія перпендикулярна директрисі наскрізьP.
Через це відбиває властивості параболоїди (3D аналог парабол) роблять для ліхтаря корисні відбивачі, так як світло від лампочки, ідеально розташованої у вогнища, відбивається уздовж паралельних променів. Супутникові антени також мають параболоїдні форми. Сигнали, що надходять від супутників, ефективно наближаються до тарілки по паралельних Потім блюдо фокусує ці промені у фокусі, де знаходиться датчик.
еліпси
Визначення 41: еліпс
Еліпс - це місце розташування всіх точок, сума відстаней від двох фіксованих точок, кожна з яких є фокусом еліпса, є постійною.
Простий спосіб візуалізувати цю конструкцію еліпса - закріпити обидва кінці рядка до дошки. Шпильки стають вогнищами. Щільно притримуючи олівець до нитки поміщає олівець на еліпс; сума відстаней від олівця до шпильок постійна: довжина струни. Див9.1.6. Малюнок.
Ми знову можемо знайти алгебраїчне рівняння для еліпса, використовуючи це геометричне визначення. Нехай вогнища розташовуються уздовжx - осі,c одиниці від початку. Нехай ці вогнища будутьF1=(−c,0) позначені як іF2=(c,0). P=(x,y)Дозволяти точка на еліпсі. Сума відстаней відF1 toP (d1) іF2 from toP (d2) є постійноюd. Тобто,d1+d2=d. Використовуючи формулу відстані, ми маємо
√(x+c)2+y2+√(x−c)2+y2=d.
Використання достатньої кількості алгебри може отримати наступне рівняння еліпса (зверніть увагу, що рівняння є неявно визначеною функцією; воно повинно бути, оскільки еліпс не вдається перевірити вертикальну лінію):
x2(d2)2+y2(d2)2−c2=1.
Це не особливо висвітлює, але зробивши підмінуa=d/2 іb=√a2−c2, ми можемо переписати вищевказане рівняння як
x2a2+y2b2=1.
Такий вибірa іb не без підстав; як показано на малюнку9.1.7, значенняa іb мають геометричне значення на графіку еліпса.
Загалом, два осередки еліпса лежать на великій осі еліпса, а середина відрізка, що з'єднує два вогнища, є центром. Велика вісь перетинає еліпс у двох точках, кожна з яких є вершиною. Відрізок лінії через центр і перпендикулярно до великої осі є другорядною віссю. «Постійна сума відстаней», що визначає еліпс, - це довжина великої осі, тобто2a.
Дозвіл для зсуву еліпса дає наступні стандартні рівняння.
ключова ідея 34: стандартне рівняння еліпса
Рівняння еліпса з центром(h,k) з великою віссю довжини2a і малою віссю довжини2b в стандартному вигляді є:
- Горизонтальна велика вісь:(x−h)2a2+(y−k)2b2=1.
- Вертикальна велика вісь:(x−h)2b2+(y−k)2a2=1.
Вогнища лежать уздовж великої осі,c одиниць від центру, деc2=a2−b2.
Приклад9.1.3: Finding the equation of an ellipse
Знайдіть загальне рівняння еліпса, зображене на малюнку9.1.8.
Рішення
Центр розташований за адресою(−3,1). Відстань від центру до вершини становить 5 одиниць, отжеa=5. Мала вісь, здається, має довжину 4, так щоb=2. Таким чином, рівняння еліпса
(x+3)24+(y−1)225=1.
Приклад9.1.4: Graphing an ellipse
Графік еліпса, визначеного4x2+9y2−8x−36y=−4.
Рішення
Це просто скласти графік еліпса, як тільки він знаходиться в стандартній формі. Для того, щоб поставити дане рівняння в стандартній формі, ми повинні заповнити квадрат якx долямиy і. Спочатку перепишемо рівняння шляхом перегрупування:
4x2+9y2−8x−36y=−4⇒(4x2−8x)+(9y2−36y)=−4.
Тепер завершуємо квадрати.
\ [\ почати {вирівнювати*}
(4x^2-8x) + (9y^2-36y) &=
-4\\ 4 (х ^ 2-2x) + 9 (y^2-4y) &=
-4\\ 4 (x^2-2x +1 - 1) + 9 (y^2-4y+4-4) &= - 4\
4\ великий ((x-1) ^2-1\ великий) + 9\ великий ((y-2) ^2-4\ великий) &= -4\\
4 (x-1) ^2 -4 + 9 (y-2) ^2-36 &= -4\\
4 (x-1) ^2 + 9 (y-2) ^2 &= 36\
\ гідророзриву {(x-1) ^2} {9} +\ гідророзриву {(y-2) ^2} {4} &= 1.
\ end {вирівнювати*}\]
Ми бачимо, що центр еліпса знаходиться на(1,2). У нас єa=3 іb=2; велика вісь горизонтальна, тому вершини розташовані в(−2,2) і(4,2). Знаходимоc=√9−4=√5≈2.24. осередки розташовані уздовж великої осі, приблизно2.24 одиниць від центру, в(1±2.24,2). Це все графічно на малюнку9.1.9.
Ексцентриситет
Колиa=b, у нас є коло. Загальне рівняння стає
(x−h)2a2+(y−k)2a2=1⇒(x−h)2+(y−k)2=a2,
знайоме рівняння окружності по центру(h,k) з радіусомa. З тих пірa=b,c=√a2−b2=0. Коло має «два» вогнища, але вони лежать на одній точці, центрі кола.
Розглянемо Малюнок9.1.1, де зображено кілька еліпсівa=1. У (а), у нас єc=0 і еліпс - це коло. Уc міру зростання отримані еліпси виглядають все менш круглими. Мірою цієї «неокружності» є ексцентриситет.
Визначення 42: ексцентриситет еліпса
Ексцентриситетe еліпса єe=ca.
Ексцентриситет кола дорівнює 0; тобто коло не має «неокружності». У міруce підходівa наближається до 1, породжуючи дуже некруглий еліпс, як показано на малюнку9.1.10d.
Довго передбачалося, що планети мають кругові орбіти. Відомо, що це невірно; орбіти еліптичні. Земля має ексцентриситет0.0167 — вона має майже кругову орбіту. Орбіта Меркурія найбільш ексцентрична, сe=0.2056. (Ексцентриситет Плутона більший, наe=0.248, найбільший з усіх відомих в даний час карликових планет.) Планета з найбільш круговою орбітою - Венера, сe=0.0068. Місяць Землі має ексцентриситетe=0.0549, також дуже кругової.
Світловідбиваюча властивість
Еліпс також володіє цікавим відображає властивістю. Будь-який промінь, що виходить з одного фокуса еліпса, відбивається від еліпса вздовж лінії через інший фокус, як показано на малюнку9.1.11. Це властивість дано формально в наступній теоремі.
теорема 80: відбивна властивість еліпса
PДозволяти точка на еліпсі з вогнищамиF1 іF2. Дотична лінія до еліпсаP робить рівні кути з наступними двома лініями:
- Лінія наскрізьF1 іP, і
- Лінія наскрізнаF2 іP.
Це відображає властивість корисно в оптиці і є основою явищ, що переживаються в шепочних залах.
Гіперболи
Визначення гіперболи дуже схоже на визначення еліпса; ми по суті просто міняємо слово «сума» на «різниця».
Визначення 43: гіпербола
Гіпербола - це локус всіх точок, де абсолютне значення різниці відстаней від двох нерухомих точок, кожна з яких є вогнищем гіперболи, постійна.
У нас немає зручного способу візуалізації побудови гіперболи, як ми це робили для еліпса. Геометричне визначення дозволяє нам знайти алгебраїчний вираз, який описує його. Корисно буде спочатку визначитися з деякими термінами.
Два вогнища лежать на поперечній осі гіперболи; середина відрізка лінії, що з'єднує вогнища, є центром гіперболи. Поперечна вісь перетинає гіперболу в двох точках, кожна - вершина гіперболи. Лінія через центр і перпендикулярна поперечній осі є сполученою віссю. Це проілюстровано на малюнку9.1.1. Легко показати, що постійна різниця відстаней, що використовується при визначенні гіперболи, - це відстань між вершинами, т. Е2a.
ключова ідея 35 стандартне рівняння гіперболи
Рівняння гіперболи по центру(h,k) в стандартній формі таке:
- Горизонтальна поперечна вісь:(x−h)2a2−(y−k)2b2=1.
- Вертикальна поперечна вісь:(y−k)2a2−(x−h)2b2=1.
Вершини розташовуютьсяa одиницями від центру, а вогнища розташовуютьсяc одиницями від центру, деc2=a2+b2.
Графічні гіперболи
Розглянемо гіперболуx29−y21=1. Вирішуючи дляy, знаходимоy=±√x2/9−1. Уx міру того, як зростає, "−1" частина рівняння дляy стає менш значущою іy≈±√x2/9=±x/3. Тобто, колиx стає великим, графік гіперболи дуже схожий на лініїy=±x/3. Ці лінії є асимптотами гіперболи, як показано на малюнку9.1.13.
Це цінний інструмент в ескізному виконанні. З огляду на рівняння гіперболи в загальному вигляді, намалюйте прямокутник по центру(h,k) зі сторонами довжини,2a паралельними поперечній осі, і сторонами довжини,2b паралельними осі сполученої. (Див.9.1.14 Рис. Приклад з горизонтальною поперечною віссю.) Діагоналі прямокутника лежать на асимптотах.
Ці лінії проходять наскрізь(h,k). Коли поперечна вісь горизонтальна, то укоси є±b/a; коли поперечна вісь вертикальна, їх нахили±a/b. Це дає рівняння:
Приклад9.1.5: Graphing a hyperbola
Намалюйте гіперболу, задану(y−2)225−(x−1)24=1.
Рішення
Гіпербола зосереджена в(1,2);a=5 іb=2. На малюнку9.1.15 ми малюємо заданий прямокутник з центром(1,2) разом з асимптотами, визначеними його діагоналями. Гіпербола має вертикальну поперечну вісь, тому вершини розташовуються при(1,7) і(1,−3). Цього достатньо, щоб зробити хороший ескіз.
Знаходимо також розташування вогнищ: якc2=a2+b2, маємоc=√29≈5.4. При цьому вогнища розташовуються на(1,2±5.4) так, як показано на малюнку9.1.15.
Приклад9.1.6: Graphing a hyperbola
Намалюйте гіперболу, задану9x2−y2+2y=10.
Рішення
Ми повинні заповнити квадрат, щоб поставити рівняння в загальному вигляді. (Ми визнаємо це гіперболою, оскільки це загальне квадратне рівняння, аx2 члени таy2 мають протилежні ознаки.)
\ [\ почати {вирівнювати*}
9x^2-y^2y &= 10\\
9x^2- (y^2-2y) &= 10\\
9х^2 - (y^2-2y+1-1) &= 10\\
9x^2 -\ великий ((y-1) ^2-1\ великий) &= 10\\
9x^2 - (y-1) ^2 = 9\\
x^2 -\ розрив {(y-1) ^2} {9} &=1
\ end {вирівнювати*}\]
Бачимо гіперболу по центру(0,1), з горизонтальною поперечною віссю, деa=1 іb=3. Відповідний прямокутник намальовано на малюнку9.1.16 разом з асимптотами гіперболи. Вершини розташовані за адресою(±1,1). У нас єc=√10≈3.2, тому вогнища розташовуються у(±3.2,1) так, як показано на малюнку.
Ексцентриситет
Визначення 44: ЕКСЦЕНТРИСИТЕТ ГІПЕРБОЛИ
Ексцентриситет гіперболи єe=ca.
Зауважте, що це визначення ексцентриситету, яке використовується для еліпса. Колиc близька за значенням доa (тобтоe≈1), гіпербола дуже вузька (виглядає майже як схрещені лінії). 9.1.17На малюнку показані гіперболи, зосереджені на початку сa=1. Графік в (а) маєc=1.05, даючи ексцентриситетe=1.05, який близький до 1. Уc міру збільшення гіпербола розширюється і починає виглядати як паралельні лінії, як показано на малюнку9.1.17d.
Світловідбиваюча властивість
Гіперболи мають схожу відбивну властивість з еліпсами. Однак у випадку гіперболи промінь, що виходить від фокуса, який перетинає гіперболу, відбивається вздовж лінії, що містить інший фокус, але віддаляється від цього фокусу. Це проілюстровано на малюнку9.1.19. Гіперболічні дзеркала зазвичай використовуються в телескопах через це відбиває властивості. Вона викладена формально в наступній теоремі.
ТЕОРЕМА 81: ВІДБИВАЮЧА ВЛАСТИВІСТЬ ГІПЕРБОЛ
PДозволяти точка на гіперболу з вогнищамиF1 іF2. Дотична лінія до гіперболи наP робить рівні кути з наступними двома лініями:
- Лінія наскрізьF1 іP, і
- Лінія наскрізнаF2 іP.
Визначення місцезнаходження
Визначення місця проведення відомого події має безліч практичних застосувань (розташування епіцентру землетрусу, місця аварії літака, положення людини, що говорить у великому приміщенні, і т.д.).
Для визначення місця епіцентру землетрусу сейсмологи використовують трилатерацію (не плутати з тріангуляцією). Сейсмограф дозволяє визначити, наскільки далеко знаходився епіцентр, за допомогою трьох окремих показань можна наблизити розташування епіцентру.
Ключем до цього методу є знання відстаней. Що робити, якщо цієї інформації немає? Розглянемо три мікрофони на позиціяхA,B іC які всі записують шум (голос людини, вибух і т.д.), створений в невідомому місціD. Мікрофон не «знає», коли був створений звук, тільки коли звук був виявлений. Як можна визначити місце розташування в такій ситуації?
Якщо кожне місце має годинник, встановлений на один і той же час, гіперболи можуть бути використані для визначення місця розташування. Припустимо, мікрофон в положенніA записує звук рівно о 12:00, місцеB записує час рівно через 1 секунду, а локаціяC записує шум рівно через 2 секунди після цього. Нас цікавить різниця в часі. Так як швидкість звуку становить приблизно 340 м/с, можна швидко зробити висновок, що звук був створений на 340 метрів ближче до положенняA, ніж положенняB. ЯкщоA іB є відомим відстанню один від одного (як показано на малюнку9.1.1a), то можна визначити гіперболу, на якійD повинна лежати.
«Різниця відстаней» дорівнює 340; це також відстань між вершинами гіперболи. Отже, ми знаємо2a=340. AПоложення іB лежать на вогнищах, так2c=1000. З цього ми можемо знайтиb≈470 і можемо накидати гіперболу, наведену на малюнку9.1.19b. Ми дбаємо лише про найближчу до сторониA. (Чому?)
Ми також можемо знайти гіперболу, визначену позиціямиB іC. У цьому випадку,2a=680 як звук пройшов зайві 2 секунди, щоб дістатися доC. У нас все ще є2c=1000, центруючи цю гіперболу на(−500,500). Знаходимоb≈367. Ця гіпербола намальована на малюнку9.1.1c. Точка перетину двох графіків - це місце розташування звуку, приблизно(188,−222.5).
У цій главі досліджуються криві на площині, зокрема криві, які не можуть бути описані функціями формиy=f(x). У цьому розділі ми дізналися про еліпси та гіперболи, які визначені неявно, а не явно. У наступних розділах ми дізнаємося абсолютно нові способи опису кривих в площині, використовуючи параметричні рівняння і полярні координати, потім вивчимо ці криві за допомогою методів обчислення.