Interested Article - Парабола

Пара́бола ( греч. παραβολή — приближение ) — плоская кривая, один из типов конических сечений .

Определение

Античные математики определяли параболу как результат пересечения кругового конуса с плоскостью, которая не проходит через вершину конуса и параллельна его образующей (см. рисунок). В аналитической геометрии удобнее эквивалентное определение: парабола есть геометрическое место точек на плоскости, для которых расстояние до заданной точки ( фокуса ) равно расстоянию до заданной прямой ( директрисы ) (см. рисунок) .

Если фокус лежит на директрисе, то парабола вырождается в прямую.

Наряду с эллипсом и гиперболой , парабола является коническим сечением . Она может быть определена как коническое сечение с единичным эксцентриситетом .

Парабола в семействе конических сечений

Вершина

Точка параболы, ближайшая к её директрисе, называется вершиной этой параболы. Вершина является серединой перпендикуляра, опущенного из фокуса на директрису.

Уравнения

Каноническое уравнение параболы в прямоугольной системе координат :

(или , если поменять местами оси координат).

Число p называется фокальным параметром, оно равно расстоянию от фокуса до директрисы . Поскольку каждая точка параболы равноудалена от фокуса и директрисы, то и вершина — тоже, поэтому она лежит между фокусом и директрисой на расстоянии от обоих.

Парабола, заданная квадратичной функцией

Визуализация квадратичной параболы

Квадратичная функция при также является уравнением параболы и графически изображается той же параболой, что и но в отличие от последней имеет вершину не в начале координат, а в некоторой точке A, координаты которой вычисляются по формулам:

где дискриминант квадратного трёхчлена.

Ось симметрии параболы, заданной квадратичной функцией, проходит через вершину параллельно оси ординат. При a > 0 ( a < 0 ) фокус лежит на этой оси над (под) вершиной на расстоянии 1/4 a , а директриса — под (над) вершиной на таком же расстоянии и параллельна оси абсцисс. Уравнение может быть представлено в виде а в случае переноса начала координат в точку A уравнение параболы превращается в каноническое. Таким образом, для каждой квадратичной функции можно найти систему координат такую, что в этой системе уравнение соответствующей параболы представляется каноническим. При этом

Общее уравнение параболы

В общем случае парабола не обязана иметь ось симметрии, параллельную одной из координатных осей. Однако, как и любое другое коническое сечение, парабола является кривой второго порядка и, следовательно, её уравнение на плоскости в декартовой системе координат может быть записано в виде квадратного многочлена:

Если кривая второго порядка, заданная в таком виде, является параболой, то составленный из коэффициентов при старших членах дискриминант равен нулю.

Уравнение в полярной системе

Парабола в полярной системе координат с центром в фокусе и нулевым направлением вдоль оси параболы (от фокуса к вершине) может быть представлена уравнением

где p — фокальный параметр (расстояние от фокуса до директрисы или удвоенное расстояние от фокуса до вершины)

Уравнение в подерной системе

Парабола в подерной системе координат с центром в фокусе и параметром , равным расстоянию от фокуса до вершины параболы, может быть представлена следующим уравнением :

Расчёт коэффициентов квадратичной функции

Если для уравнения параболы с осью, параллельной оси ординат, известны координаты трёх различных точек параболы то его коэффициенты могут быть найдены так:

Если же заданы вершина и старший коэффициент , то остальные коэффициенты и корни вычисляются по формулам:

Свойства

Отражательное свойство параболы (оптика)
Расстояние от P n до фокуса F такое же, как и от P n до Q n (на директрисе L)
Длина линий FP n Q n одинакова. Можно сказать, что, в отличие от эллипса, второй фокус у параболы — в бесконечности (см. также Шары Данделена )
  • Парабола — кривая второго порядка .
  • Она имеет ось симметрии , называемой осью параболы . Ось проходит через фокус и вершину перпендикулярно директрисе.
  • Оптическое свойство. Пучок лучей, параллельных оси параболы, отражаясь в параболе, собирается в её фокусе. И наоборот, свет от источника, находящегося в фокусе, отражается параболой в пучок параллельных её оси лучей. Сигнал также придет в одной фазе, что важно для антенн.
  • Если фокус параболы отразить относительно касательной, то его образ будет лежать на директрисе .
  • Множество всех точек, из которых парабола видна под прямым углом, есть директриса.
  • Отрезок, соединяющий середину произвольной хорды параболы и точку пересечения касательных к ней в концах этой хорды, перпендикулярен директрисе, а его середина лежит на параболе.
  • Парабола является антиподерой прямой .
  • Все параболы подобны . Расстояние между фокусом и директрисой определяет масштаб.
  • Траектория фокуса параболы, катящейся по прямой, есть Цепная линия .
  • Описанная окружность треугольника, описанного около параболы, проходит через её фокус, а точка пересечения высот лежит на её директрисе

Связанные определения

Вариации и обобщения

Графики степенной функции при натуральном показателе называются параболами порядка . Ранее рассмотренное определение соответствует то есть параболе 2-го порядка.

Парабола также представляет собой синусоидальную спираль при ;

Параболы в физическом пространстве

Параболический компас Леонардо да Винчи

Траектории некоторых космических тел ( комет , астероидов и других), проходящих вблизи звезды или другого массивного объекта ( звезды или планеты ) на достаточно большой скорости , имеют форму параболы (или гиперболы ). Эти тела, вследствие своей большой скорости, не захватываются гравитационным полем звезды и продолжают свободный полёт. Это явление используется для гравитационных манёвров космических кораблей (в частности, аппаратов Вояджер ).

Для создания невесомости в земных условиях проводятся полёты самолётов по параболической траектории, так называемой параболе Кеплера.

При отсутствии сопротивления воздуха траектория полёта тела в приближении однородного гравитационного поля представляет собой параболу.

Также параболические зеркала используются в любительских переносных телескопах систем Кассегрена, Шмидта — Кассегрена, Ньютона, а в фокусе параболы устанавливают вспомогательные зеркала, подающие изображение на окуляр.

При вращении сосуда с жидкостью вокруг вертикальной оси поверхность жидкости в сосуде и вертикальная плоскость пересекаются по параболе.

Свойство параболы фокусировать пучок лучей, параллельных оси параболы, используется в конструкциях прожекторов, фонарей, фар, а также телескопов-рефлекторов (оптических, инфракрасных, радио- …), в конструкции узконаправленных ( спутниковых и других) антенн, необходимых для передачи данных на большие расстояния, солнечных электростанций и в других областях.

Форма параболы иногда используется в архитектуре для строительства крыш и куполов.

Примечания

  1. . Словарь иностранных слов . Дата обращения: 19 июня 2021. 14 января 2020 года.
  2. .
  3. Александров П. С. Парабола // Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. — М. : Наука , 1979. — С. 69—72. — 512 с.
  4. , 1.1. Coordinate Systems, p. 4.
  5. Савелов А. А. Плоские кривые. Систематика, свойства, применения (Справочное руководство)/ Под ред. А. П. Нордена. М.: Физматлит, 1960. С. 250.
  6. Битюцков В. И. Степенная функция // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М. : Советская Энциклопедия , 1985. — Т. 5. — С. 208—209. — 1248 с.
  7. Степенная функция // Математический энциклопедический словарь. — М. : Советская энциклопедия, 1988. — С. —565. — 847 с.

Литература

Ссылки

  • в справочнике «Прикладная математика».
  • , иллюстрирующие некоторые свойства параболы.
  • ( англ. ) о связи параболы с физикой.
Источник —

Same as Парабола