Hiperbola (matematika)

A hiperbola ( más görögül ὑπερβολή , ὑπερ  - "felül" + βαλειν  - "dobás") az euklideszi sík M pontjainak helye , amelyre a távolságok és a távolságok különbségének abszolút értéke (az M - től a kiválasztott pontig ) állandó. Pontosabban,

és

Az ellipszissel és a parabolával együtt a hiperbola egy kúpszelet és egy négyzet . A hiperbola egynél nagyobb excentricitású kúpszelvényként definiálható .

Történelem

A „hiperbola” kifejezést ( görögül ὑπερβολή  – többlet) Pergai Apollóniosz vezette be (i. e. 262 körül  – ie 190 körül ), mivel a hiperbola pontjának megalkotásának problémája a felesleggel való alkalmazás problémájára redukálódik.

Definíciók

A hiperbola többféleképpen definiálható.

Kúpszelet

A hiperbola olyan pontok halmazaként definiálható, amelyek egy körkúp metszetének eredményeképpen alakulnak ki egy olyan síkkal , amely a kúp mindkét részét levágja. A kúp sík általi vágásának további eredménye a parabola , az ellipszis és az olyan degenerált esetek, mint például a metsző és egybeeső egyenesek és egy pont, amelyek akkor keletkeznek, amikor a vágási sík áthalad a kúp csúcsán. Különösen az egymást metsző vonalak tekinthetők degenerált hiperbolának, amely egybeesik aszimptotáival.

A pontok helyeként

Trükkökön keresztül

A hiperbola úgy definiálható, mint a pontok lokusza , a távolságok különbségének abszolút értéke, amelytől két adott ponthoz, úgynevezett góchoz vezet, állandó.

Összehasonlításképpen: bármely pontjától a fókuszpontokig tartó távolságok állandó összegének görbéje ellipszis , állandó aránya Apollonius köre , állandó szorzata a Cassini ovális .

Az igazgatónőn és a fókuszon keresztül

Hiperbolának nevezzük azoknak a pontoknak a helyét, amelyeknél a távolságnak a fókuszhoz és egy adott egyeneshez viszonyított aránya, úgynevezett direktrix , állandó és nagyobb egynél. Az adott állandót a hiperbola excentricitásának nevezzük .

Kapcsolódó definíciók

  • A hiperbola két különálló görbéből áll, amelyeket ágaknak nevezünk .
  • A hiperbola két egymáshoz legközelebb eső ágának pontjait csúcsnak nevezzük .
  • A hiperbola két ága közötti legrövidebb távolságot a hiperbola nagytengelyének nevezzük .
  • A nagytengely közepét a hiperbola középpontjának nevezzük.
  • A hiperbola középpontjától az egyik csúcsig terjedő távolságot a hiperbola félnagytengelyének nevezzük .
    • Általában a jelöléssel .
  • A hiperbola középpontja és az egyik góc távolságát gyújtótávolságnak nevezzük .
    • Általában c -vel jelölik .
  • A hiperbola mindkét góca a nagy tengely folytatásán fekszik, azonos távolságra a hiperbola középpontjától. A hiperbola főtengelyét tartalmazó egyenest a hiperbola valós vagy keresztirányú tengelyének nevezzük.
  • A valós tengelyre merőleges és annak középpontján átmenő egyenest a hiperbola képzeletbeli vagy konjugált tengelyének nevezzük.
  • A hiperbola fókuszpontja és a hiperbola közötti, a valós tengelyére merőleges szakaszt fókuszparaméternek nevezzük .
  • A fókusz és a hiperbola aszimptota közötti távolságát ütközési paraméternek nevezzük .
    • Általában b -vel jelölik .
  • A testek hiperbolikus pályákon való mozgásával kapcsolatos problémáknál a fókusz és a hiperbola legközelebbi csúcsa közötti távolságot pericentrikus távolságnak nevezzük.
    • Általában jelölik .

Arányok

A hiperbola fent definiált jellemzőire a következő összefüggések vannak

  • .
  • .
  • .
  • .
  • .
  • .
  • .
  • .

Equosceles hiperbola

Egy hiperbolát, amelyben , egyenlő szárúnak vagy egyenlő oldalúnak nevezzük . Egy egyenlő szárú hiperbolát valamilyen téglalap alakú koordinátarendszerben ír le az egyenlet

ebben az esetben a hiperbola fókuszai az ( a ,  a ) és a (− a , − a ) pontokban helyezkednek el. Az egyenlő oldalú hiperbola a képlet által megadott fordított arányosság grafikonja

Az ilyen hiperbola excentricitása .

Cypert hiperbolája

Egy egyenlő oldalú hiperbola, mint Kiepert-hiperbola háromszögek segítségével határozható meg trilineáris koordinátákkal [1] , mint pontok lokusza (lásd az ábrát):

Ha három háromszög , amelyek a háromszög oldalaira épülnek , hasonlóak , egyenlő szárúak , az eredeti háromszög oldalain lévő alapokkal, és azonos elhelyezkedésű (vagyis mind kívülről vagy belülről épül fel), akkor a vonalak , és egy pontban metszik egymást .

Ha az alapnál a közös szög , akkor a három háromszög csúcsai a következő trilineáris koordinátákkal rendelkeznek:

Egyenletek

Derékszögű koordináták

A hiperbolát egy másodfokú egyenlet derékszögű koordinátákkal ( x , y ) ad meg a síkon:

,

ahol az A xx , A xy , A yy , B x , B y és C együtthatók kielégítik a következő összefüggést

és

Kanonikus forma

A hiperbola középpontjának az origóba való mozgatásával és a középpont körüli elforgatásával a hiperbola egyenlete a kanonikus alakra redukálható:

,

hol van a hiperbola valós féltengelye; - a hiperbola képzeletbeli féltengelye [2] . Ebben az esetben az excentricitás az

Poláris koordináták

Ha a pólus a hiperbola fókuszában van, és a hiperbola csúcsa a poláris tengely folytatásán fekszik, akkor

Ha a pólus a hiperbola fókuszában van, és a poláris tengely párhuzamos az egyik aszimptotával, akkor

Egyenletek parametrikus formában

Ahogyan egy ellipszist ábrázolhatunk trigonometrikus függvényeket tartalmazó parametrikus egyenletekkel, egy olyan téglalap alakú koordinátarendszerben lévő hiperbolát, amelynek középpontja megegyezik a középpontjával, és az x tengely áthalad a fókuszokon, hiperbolikus függvényeket tartalmazó parametrikus egyenletekkel ábrázolhatjuk [3 ] .

Az első egyenletben a "+" jel a hiperbola jobb oldali ágának, a "-" - pedig a bal ágának felel meg.

Tulajdonságok

  • optikai tulajdonság. A hiperbola egyik gócában elhelyezkedő forrásból származó fényt a hiperbola második ága veri vissza úgy, hogy a visszavert sugarak folytatásai a második fókuszban metszik egymást.
    • Más szóval, ha a és a hiperbola fókuszai, akkor a hiperbola bármely pontjában lévő érintő a szög felezője .
  • A hiperbolán elhelyezkedő bármely pontnál az ettől a ponttól a fókusztól mért távolságok és az ugyanazon pont és a direktrix közötti távolság aránya állandó érték.
  • A hiperbolának tükörszimmetriája van a valós és a képzeletbeli tengely körül, valamint forgásszimmetriája van, ha 180°-os szögben elforgatjuk a hiperbola közepe körül.
  • Minden hiperbolának van egy konjugált hiperbolája , amelynél a valós és a képzeletbeli tengely felcserélődik, de az aszimptoták ugyanazok maradnak. A konjugált hiperbola nem a kezdeti hiperbola 90°-os elforgatásának eredménye; a hiperbolák alakjukban különböznek egymástól .
  • A hiperbola két aszimptota közé zárt érintőszakaszát a hiperbola minden pontjában kettéosztjuk az érintőponttal, és a két aszimptotából egy állandó területű háromszöget vágunk le.

Aszimptoták

Aszimptota egyenletek kanonikus formában adott hiperbolára

az alábbiak szerint kerülnek kiadásra. Hadd . Tételezzük fel, hogy az aszimptota létezik, és alakja . Akkor

Így a két aszimptota egyenlete :

vagy

Átmérők és akkordok

A hiperbola átmérője, mint bármely kúpszeletének, egy egyenes, amely párhuzamos húrok felezőpontjain halad át. A párhuzamos húrok minden irányának megvan a maga konjugált átmérője. A hiperbola minden átmérője áthalad a középpontján. A képzeletbeli tengellyel párhuzamos húroknak megfelelő átmérő a valós tengely; a valós tengellyel párhuzamos húroknak megfelelő átmérő a képzeletbeli tengely.

A párhuzamos húrok meredeksége és a megfelelő átmérő meredeksége összefügg az összefüggéssel

Ha az a átmérő felezi a b átmérővel párhuzamos húrokat , akkor a b átmérő felosztja az a átmérővel párhuzamos húrokat . Az ilyen átmérőket kölcsönösen konjugáltnak nevezzük . A fő átmérőket kölcsönösen konjugált és egymásra merőleges átmérőknek nevezzük. A hiperbolának csak egy fő átmérőpárja van, a valós és a képzeletbeli tengely.

Érintő és normál

Mivel a hiperbola sima görbe, minden pontjában ( x 0 , y 0 ) rajzolhatunk egy érintőt és egy normált . A kanonikus egyenlet által adott hiperbola érintőjének egyenlete:

,

vagy ami ugyanaz,

.

A normál és a hiperbola egyenlete a következőképpen alakul:

.

Görbület és evolúció

A hiperbola görbületét minden pontjában ( x , y ) a következő kifejezés határozza meg:

.

Ennek megfelelően a görbületi sugár alakja:

.

Különösen az ( a , 0 ) pontban a görbületi sugár az

.

A görbületi középpontok koordinátáit egy egyenletpár adja meg:

Az utolsó egyenletrendszerbe behelyettesítve a hiperbola parametrikus ábrázolásából származó értékeket x és y helyett, egy egyenletpárt kapunk, amely egy új görbét határoz meg, amely a hiperbola görbületi középpontjaiból áll. Ezt a görbét a hiperbola evolúciójának nevezzük .

Általánosítás

A hiperbola egy szinuszos spirál a .

Alkalmazás

  • Más, hiperbolák felhasználásával épített ortogonális kétdimenziós koordinátarendszerek más konformális transzformációkkal is előállíthatók. Például a w = z² transzformáció leképezi a derékszögű koordinátákat két ortogonális hiperbolacsaládra.
  • Hiperbola sok napórán látható . Az év bármely napján a Nap egy kört ír le az égi szférán , a napóra gnomon tetejére eső sugarai pedig egy fénykúpot . Ennek a kúpnak a metszésvonala a vízszintes vagy függőleges napóra síkjával egy kúpszelvény . A legnépesebb szélességi körökön és az év nagy részében ez a kúpszelvény hiperbola. A napórákon gyakran az év több napján (például a nyári és a téli napforduló napjain) a gnomon tetejéről az árnyék által leírt vonalak láthatók, így gyakran mutatnak bizonyos hiperbolákat, amelyek megjelenése eltérő. az év különböző napjaira és különböző szélességi fokokra.
  • Az AMS -nek, legyőzve az őt befolyásoló főtest vonzerejét, és távol repülve tőle, zavarok hiányában hiperbolikus vagy parabolikus pályán kell haladnia , mivel ebben az esetben elméletileg el lehet távolodni ettől a testtől a végtelenbe. [4] . Különösen az AMS „ Voyager-1 ” és AMS „ Voyager-2 ” röppályái hiperbolikusak a Naphoz képest, excentricitásuk 3,7 és 6,3, fél-főtengelyei pedig 480,9 millió km, illetve 601,1 millió km . ] [ 6] . Egy égitest hiperbolikus pályája a Naprendszerben jelezheti csillagközi eredetét. A 2010-es évek végén fedezték fel az első csillagközi aszteroidát és az első csillagközi üstököst [7] , pályájuk hiperbolikus. A korábban ismert , kis excentricitású hiperbolikus pályával rendelkező üstökösök azonban csak csillagközivé válnak: miután a Naprendszerben eltöltött „életük” során egy olyan bolygóról, mint a Jupiter , perturbációt tapasztaltak , csillagközi pályára esnek [8] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. Eddy, RH és Fritsch, R. Ludwig Kiepert kúpjai: Átfogó lecke a háromszög geometriájából. Math. Mag. 67, pp. 188-205, 1994.
  2. Schneider V.E. Rövid kurzus a felsőbb matematikából . — Ripol Classic. — ISBN 9785458255349 .
  3. Pogorelov A.V. Geometria . - M . : Nauka , 1983. - S.  15 -16. — 288 p.
  4. Sikharulidze Yu. G. Repülőgép ballisztikája. - M . : Nauka , 1982. - S. 162-163. - 5750 példány.
  5. Voyager - Hyperbolic Orbital Elements . NASA . Letöltve: 2019. október 29. Az eredetiből archiválva : 2021. május 6..
  6. Ulivi P., Harland DM Robotic Exploration of the Solar System. I. rész: Az aranykor 1957-1982 . - Springer, Praxis, 2007. - P. 441. - ISBN 978-0-387-49326-8 . Tartalmazza a Voyager 2 pályájának a Naphoz viszonyított excentricitását a Neptunusz elrepülése után .
  7. Az új csillagközi látogató elnevezése: 2I/Borisov . MAC (2019. szeptember 24.). Letöltve: 2019. szeptember 24. Az eredetiből archiválva : 2020. április 23.
  8. Carl Sagan , Ann Druyan. üstökös . - New York: Ballantine Books, 1997. - P. 104. - ISBN 0-345-41222-2 .

Irodalom