Hyperbola

Technology

12 hours ago

Author

Hyperbola jako kuželosečka.

Ilustrace definice: ohniska (B1, B2); bod hyperboly (P); vzdálenosti ohnisek (d1, d2).

Hyperbola je rovinná křivka, kuželosečka s výstředností větší než 1. Lze ji také definovat jako množinu všech bodů v rovině o daném rozdílu vzdáleností od dvou pevných ohnisek.

Hyperbola také tvoří graf funkce y=1/x v kartézské soustavě souřadnic.

Tvar hyperboly má dráha tělesa v poli centrální síly (gravitační nebo elektrické pole vytvořené tělesem, které lze aproximovat bodem - tuto aproximaci lze beze ztráty přesnosti udělat pro všechna sféricky symetrická tělesa pro prostor mimo jejich vnitřek), pokud je rychlost tohoto tělesa vyšší, než je úniková rychlost.

Matematická vyjádření

Implicitní vyjádření : \| F_1X \| - \| F_2X \| = 2a \,\! Množina všech bodů X v rovině, které mají od dvou různých ohnisek F_1 a F_2 konstantní (neměnnou) absolutní hodnotu rozdílu vzdáleností.

Kartézský souřadnicový systém

Hyperbola v kartézském souřadnicovém systému, hlavní osa rovnoběžná s osou y.

Standardní popis hyperboly:

S[m, n] - Střed hyperboly o souřadnicích m, n

F1, F2 - ohniska hyperboly

A, B - vrcholy hyperboly

o1 - hlavní osa hyperboly

o2 - vedlejší osa hyperboly

p1, p2 - asymptoty hyperboly

|AS| = |SB| = a \,\! - délka hlavní poloosy

|CS| = |SD| = b \,\! - délka vedlejší poloosy

|F_1S| = |F_2S| = \sqrt{a^2 + b^2} = e \,\! excentricita

|AB| = 2a \,\! - délka hlavní osy

|CD| = 2b \,\! - délka vedlejší osy

X[x, y] - libovolný bod náležící hyperbole

Pokud a=b, pak dostáváme rovnici rovnoosé hyperboly.

Charakteristické rovnice hyperboly dle jejího umístění

Hlavní osa o_1 hyperboly rovnoběžná s osou x :Středová rovnice: :: {(x - m)^2\over a^2} - {(y - n)^2\over b^2} = 1 \,\. :Obecná rovnice: :: Ax^2 - By^2 + Cx + Dy + E = 0\;, A > 0, B > 0 \,\. +more :Rovnice asymptot: :: y - n = \pm{b\over a}(x - m) \,\. :Rovnice tečny v bodě T[x_0, y_0]: :: {(x - m)(x_0 - m)\over a^2} - {(y - n)(y_0 - n)\over b^2} = 1 \,\.

* Hlavní osa o_1 hyperboly rovnoběžná s osou y :Středová rovnice: :: {(y - n)^2\over a^2} - {(x - m)^2\over b^2} = 1 \,\. :Obecná rovnice: :: - Ax^2 + By^2 + Cx + Dy + E = 0\;, A > 0, B > 0 \,\. +more :Rovnice asymptot: :: y - n = \pm{a\over b}(x - m) \,\. :Rovnice tečny v bodě T[x_0, y_0]: :: {(y - n)(y_0 - n)\over a^2} - {(x - m)(x_0 - m)\over b^2} = 1 \,\.

* Asymptoty p_1, p_2 rovnoběžné s osami x a y Asymptoty totožné s osami x a y: y = 1/x :Středová rovnice: :: (x - m)(y - n) = c \,\!

:: a = b = \sqrt{2|c|} \,\! :Obecná rovnice: :: xy + Ax + By + C = 0 \,\! :Rovnice asymptot: :: x = m, y = n \,\!

Převedení obecné rovnice na středovou

Uspořádáme členy v rovnici. : 2x^2 + 4x - y^2 + 3y - {17\over 4} = 0 \,\. +more Z prvních dvou členů vytkneme dvojku (koeficient) a doplníme je na druhou mocninu dvojčlenu. To samé provedeme i u následujících dvou členů, s tím rozdílem, že vytkneme minus. : 2\left[{(x + 1)}^2 - 1\right] -\left[{\left(y - {3\over 2}\right)}^2 - {9\over 4}\right] = {17\over 4} \,\. Dále upravujeme rovnici tak, aby odpovídala středovému tvaru. : 2(x + 1)^2 - 2 - {\left(y - {3\over 2}\right)}^2 + {9\over 4} = {17\over 4} \,\. : 2(x + 1)^2 - {\left(y - {3\over 2}\right)}^2 = 4 \,\. : {(x + 1)^2 \over 2} - {{\left(y - {3\over 2}\right)}^2 \over 4} = 1 \,\. Z výsledné rovnice snadno zjistíme vlastnosti hyperboly.

Jedná se o hyperbolu, jejíž hlavní osa o_1 je rovnoběžná s osou x.

S\left[-1, {3\over 2}\right] \,\!, a = \sqrt{2} \,\!, b = 2 \,\!, e = \sqrt{6} \,\!, p_1: y = \sqrt{2}x + {3 + 2\sqrt{2}\over 2 } \,\!, p_2: y = - \sqrt{2}x + {3 - 2\sqrt{2}\over 2 } \,\!

Vzájemná poloha hyperboly a přímky

Řešíme soustavu rovnic hyperboly a přímky. Jestliže vyjde lineární rovnice, která popisuje přímku rovnoběžnou s jednou z asymptot - přímka je sečnou hyperboly s jedním průsečíkem. +more Pakliže lineární rovnice nemá žádné řešení - přímka není sečna. Pokud vyjde kvadratická rovnice a diskriminant D je: * D > 0 dvě řešení - přímka je sečna se dvěma průsečíky * D = 0 jedno řešení - tečna s bodem dotyku * D < 0 žádné řešení - přímka je nesečna.

Vzájemná poloha hyperboly a bodu

Jestliže převedeme všechny členy rovnice hyperboly na levou stranu (anulujeme rovnici) a dosadíme souřadnice bodu, pak bude platit: * výsledná hodnota = 0 bod náleží hyperbole * výsledná hodnota 0 bod se nachází ve vnitřní rovině hyperboly

Polární souřadnicový systém

Pro hyperbolu se středem S umístěným v počátku platí rovnice: :r^2 = {a^2b^2\over b^2 \cos^2 \theta - a^2 \sin^2 \theta } \,\! Pro hyperbolu s ohniskem F umístěným v počátku platí rovnice: :r = {a(\epsilon^2 -1)\over 1 - \epsilon \cos \theta } \,\!

Literatura

Karel Rektorys a kolektiv: Přehled užité matematiky I, Prometheus, Praha 1995, str. 102-103, 118-121 a 179-181 * Šárka Voráčová a kolektiv: Atlas geometrie - Geometrie krásná a užitečná, Academia, Praha 2012, str. +more 116-117.