Войти
Часть параболы (синяя) с различными характеристиками (другие цвета). Полная парабола не имеет конечных точек. В этой ориентации он бесконечно простирается влево, вправо и вверх. 
Парабола является членом семейства конических сечений. В математике, А парабола является плоской кривой, которая является зеркально-симметричным и приблизительно U- образной. Он соответствует нескольким внешне различным математическим описаниям, которые, как можно доказать, определяют одни и те же кривые.
Одно описание параболы включает точку ( фокус ) и линию ( направляющую ). Фокус не лежит на директрисе. Парабола - это геометрическое место точек в этой плоскости, которые равноудалены как от направляющей, так и от фокуса. Другое описание параболы - это коническое сечение, созданное из пересечения правой круговой конической поверхности и плоскости, параллельной другой плоскости, касательной к конической поверхности.
Линия, перпендикулярная директрисе и проходящая через фокус (то есть линия, разделяющая параболу посередине), называется «осью симметрии». Точка, где парабола пересекает свою ось симметрии, называется « вершиной » и является точкой, где парабола наиболее резко изогнута. Расстояние между вершиной и фокусом, измеренное по оси симметрии, и есть «фокусное расстояние». « Прямая кишка » - это хорда параболы, которая параллельна директрисе и проходит через фокус. Параболы могут открываться вверх, вниз, влево, вправо или в другом произвольном направлении. Любую параболу можно переместить и масштабировать, чтобы она точно соответствовала любой другой параболе, то есть все параболы геометрически подобны.
Параболы обладают тем свойством, что если они сделаны из материала, который отражает свет, то свет, который движется параллельно оси симметрии параболы и падает на ее вогнутую сторону, отражается в ее фокус, независимо от того, где на параболе происходит отражение. И наоборот, свет, исходящий от точечного источника в фокусе, отражается в параллельный (« коллимированный ») луч, оставляя параболу параллельной оси симметрии. Те же эффекты происходят со звуком и другими волнами. Это отражающее свойство лежит в основе многих практических применений парабол.
Парабола имеет множество важных применений, от параболической антенны или параболического микрофона до отражателей автомобильных фар и конструкции баллистических ракет. Он часто используется в физике, технике и многих других областях.
Параболический компас, разработанный Леонардо да Винчи Самая ранняя известная работа по коническим сечениям была написана Менахмом в 4 веке до нашей эры. Он открыл способ решить проблему удвоения куба с помощью парабол. (Решение, однако, не отвечает требованиям компаса-и-линейка строительства. ) Площади, заключенной параболами и отрезка прямой, так называемому «сегмент параболы», было вычислено Архимедом по методе истощения в 3 век до н.э., в его «Квадратуре параболы». Название «парабола» принадлежит Аполлонию, открывшему многие свойства конических сечений. Это означает «приложение», относящееся к концепции «приложения площадей», которая, как доказал Аполлоний, связана с этой кривой. Свойство фокус-директрисы параболы и других конических сечений связано с Паппом.
Галилей показал, что траектория снаряда следует параболе, что является следствием равномерного ускорения под действием силы тяжести.
Идея о том, что параболический отражатель может создавать изображение, была хорошо известна еще до изобретения отражающего телескопа. Конструкции были предложены в начале и середине 17 века многими математиками, в том числе Рене Декартом, Марин Мерсенн и Джеймсом Грегори. Когда Исаак Ньютон построил первый телескоп-рефлектор в 1668 году, он отказался от параболического зеркала из-за сложности изготовления, выбрав сферическое зеркало. Параболические зеркала используются в большинстве современных телескопов-отражателей, а также в спутниковых антеннах и радиолокационных приемниках.
Парабола может быть определена геометрически как набор точек ( геометрическое место точек ) на евклидовой плоскости:
Середина перпендикуляра от фокуса на директрисы называется вершиной, а линия является осью симметрии параболы.
Парабола с осью, параллельной оси y ; p - прямая полу-латусная мышца Если ввести декартовы координаты, такие, что и директриса имеет уравнение, можно получить точку из уравнения. Решение для урожайности
Эта парабола имеет U-образную форму ( раскрывается вверх).
Горизонтальная хорда, проходящая через очаг (см. Рисунок во вводном разделе), называется прямой кишкой ; одна половина - это прямая полу-латусная мышца. Прямая кишка параллельна направляющей. Полу-латусная прямая кишка обозначается буквой. Из рисунка получается
Прямая кишка определяется аналогично для двух других конусов - эллипса и гиперболы. Прямая кишка - это линия, проходящая через фокус конического сечения, параллельную направляющей, и заканчивающуюся кривой в обоих направлениях. В любом случае - это радиус соприкасающегося круга в вершине. Для параболы, полу-широчайшая прямая кишка, - это расстояние от фокуса до директрисы. Используя параметр, уравнение параболы можно переписать в виде
В более общем смысле, если вершина, фокус и направляющая, получаем уравнение
Парабола: общее положение Если фокус равен, и направляющая, то получаем уравнение
(левая часть уравнения использует нормальную форму линии Гессе для вычисления расстояния).
Для параметрического уравнения параболы общего положения см. § Как аффинный образ единичной параболы.
Неявное уравнение параболы определяется с помощью неприводимого многочлена второй степени:
такой, что или, что то же самое, такой, что это квадрат линейного многочлена.
Параболы В предыдущем разделе показано, что любую параболу с началом координат как вершиной и осью y как осью симметрии можно рассматривать как график функции
Ибо парабол раскрывается вверх, а у нижнего (см. Рисунок). Из приведенного выше раздела можно получить:
Для параболы является блок парабола с уравнением. Его фокус - это полу-латусная прямая кишка, а директриса имеет уравнение.
Общая функция степени 2 такова:
Завершение квадратного урожая
которое является уравнением параболы с
Когда парабола равномерно масштабируется с коэффициентом 2, результатом является парабола Два объекта на евклидовой плоскости подобны, если один может быть преобразован в другой посредством подобия, то есть произвольной композиции жестких движений ( перемещений и вращений ) и равномерных масштабов.
Парабола с вершиной может быть преобразована путем перевода в параболу с началом координат в качестве вершины. Подходящее вращение вокруг начала координат может затем преобразовать параболу в ту, у которой ось y является осью симметрии. Следовательно, парабола может быть преобразована жестким движением в параболу с уравнением. Такая парабола затем может быть преобразована с помощью равномерного масштабирования в единичную параболу с помощью уравнения. Таким образом, любая парабола может быть отображена на единичную параболу подобием.
Синтетический подход, использующий подобные треугольники, также могут быть использованы для установления этого результата.
Общий результат состоит в том, что два конических участка (обязательно одного типа) подобны тогда и только тогда, когда они имеют одинаковый эксцентриситет. Следовательно, только окружности (все с эксцентриситетом 0) обладают этим свойством с параболами (все с эксцентриситетом 1), а общие эллипсы и гиперболы - нет.
Существуют и другие простые аффинные преобразования, которые отображают параболу на единичную параболу, например. Но это отображение не является подобием, а только показывает, что все параболы аффинно эквивалентны (см. § Как аффинный образ единичной параболы).
Карандаш из коник с общей вершиной Карандаш из конических сечений с х осями, осями симметрии, одна вершины в начале координат (0, 0) и ту же пол-LATUS прямой кишке может быть представлена уравнением
с в эксцентричности.
Карандаш из коников с общим фокусом Если p gt; 0, парабола с уравнением (открывающаяся вправо) имеет полярное представление
Его вершина есть, а его фокус -.
Если сдвинуть начало координат в фокус, то есть получить уравнение
Примечание 1: Инверсия этой полярной форме показывает, что парабола является обратным из кардиоида.
Замечание 2: Вторая полярная форма - это частный случай пучка коник с фокусом (см. Рисунок):
Конус с поперечным сечением На схеме изображен конус с осью AV. Точка А - его вершина. Наклонное поперечное сечение конуса, показанное розовым цветом, наклонено от оси на тот же угол θ, что и сторона конуса. Согласно определению параболы как конического сечения, граница этого розового поперечного сечения EPD является параболой.
Поперечное сечение, перпендикулярное оси конуса, проходит через вершину P параболы. Это поперечное сечение круглое, но при взгляде под углом кажется эллиптическим, как показано на схеме. Его центр - V, а PK - диаметр. Назовем его радиус r.
Другой перпендикулярный оси круговой разрез конуса дальше от вершины A, чем только что описанный. У него есть хорда DE, которая соединяет точки, где парабола пересекает окружность. Другая хорда BC - серединный перпендикуляр к DE и, следовательно, диаметр окружности. Эти две хорды и ось симметрии параболы PM пересекаются в точке M.
Все отмеченные точки, кроме D и E, копланарны. Они находятся в плоскости симметрии всей фигуры. Сюда входит точка F, которая не упоминается выше. Он определяется и обсуждается ниже, в § Положение фокуса.
Назовем длину DM и EM x, а длину PM y.
Длина BM и CM составляет:
Используя теорему о пересечении хорд на хордах BC и DE, получаем
Подставляя:
Перестановка:
Для любого данного конуса и параболы r и θ являются константами, но x и y являются переменными, которые зависят от произвольной высоты, на которой выполнено горизонтальное поперечное сечение BECD. Последнее уравнение показывает взаимосвязь между этими переменными. Их можно интерпретировать как декартовы координаты точек D и E в системе на розовой плоскости с P в качестве начала координат. Поскольку x в уравнении возведен в квадрат, тот факт, что D и E находятся по разные стороны от оси y, не важен. Если горизонтальное поперечное сечение перемещается вверх или вниз, к вершине конуса или от нее, D и E перемещаются по параболе, всегда сохраняя соотношение между x и y, показанное в уравнении. Таким образом, параболическая кривая представляет собой геометрическое место точек, в которых выполняется уравнение, что делает ее декартовым графиком квадратичной функции в уравнении.
В предыдущем разделе было доказано, что если парабола имеет вершину в начале координат и если она открывается в положительном направлении y, то ее уравнение имеет вид y = х 2/4 ж, где f - его фокусное расстояние. Сравнение этого с последним уравнением выше показывает, что фокусное расстояние параболы в конусе равно r sin θ.
На диаграмме выше точка V является основанием перпендикуляра от вершины параболы к оси конуса. Точка F - основание перпендикуляра из точки V в плоскость параболы. По симметрии F находится на оси симметрии параболы. Угол VPF является дополнительным к θ, а угол PVF является дополнительным к углу VPF, поэтому угол PVF равен θ. Поскольку длина PV равна r, расстояние от точки F до вершины параболы равно r sin θ. Выше показано, что это расстояние равно фокусному расстоянию параболы, то есть расстоянию от вершины до фокуса. Следовательно, фокус и точка F одинаково удалены от вершины по одной и той же линии, что означает, что они являются одной и той же точкой. Следовательно, точка F, определенная выше, является фокусом параболы.
Это обсуждение началось с определения параболы как конического сечения, но теперь оно привело к описанию в виде графика квадратичной функции. Это показывает, что эти два описания эквивалентны. Оба они определяют кривые абсолютно одинаковой формы.
Парабола (красная): вид сбоку и вид сверху конуса со сферой Данделина Альтернативное доказательство может быть выполнено с использованием сфер Данделина. Он работает без расчета и использует только элементарные геометрические соображения (см. Вывод ниже).
Пересечение прямого конуса плоскостью, наклон которой относительно вертикали совпадает с образующей (также известной как образующая линия, линия, содержащая вершину и точку на поверхности конуса) конуса, является параболой (красная кривая на диаграмму).
Эта образующая - единственная образующая конуса, параллельная плоскости. В противном случае, если есть две образующие, параллельные пересекающейся плоскости, кривая пересечения будет гиперболой (или вырожденной гиперболой, если две образующие находятся в пересекающейся плоскости). Если образующей, параллельной плоскости пересечения, нет, кривая пересечения будет эллипсом или окружностью (или точкой ).
Пусть плоскость будет плоскостью, которая содержит вертикальную ось конуса и линии. Наклон плоскости от вертикали такой же, как у линии, означает, что при взгляде сбоку (то есть плоскость перпендикулярна плоскости).
Чтобы доказать свойство директрисы параболы (см. § Определение как геометрическое место точек выше), используется сфера Данделина, которая является сферой, которая касается конуса по окружности и плоскости в точке. Плоскость, содержащая круг, пересекается с плоскостью на прямой. В системе, состоящей из плоскости, сферы Данделина и конуса, существует зеркальная симметрия ( плоскость симметрии есть).
Поскольку плоскость, содержащая круг, перпендикулярна плоскости, и линия их пересечения также должна быть перпендикулярна плоскости. Так как линия находится в плоскости,.
Оказывается, что это фокус параболы, и является директрисой параболы.
Отражающее свойство параболы Отражающее свойство гласит, что если парабола может отражать свет, то входящий в нее свет, идущий параллельно оси симметрии, отражается к фокусу. Это получено из геометрической оптики, основанной на предположении, что свет распространяется лучами.
Рассмотрим параболу y = x 2. Поскольку все параболы подобны, этот простой случай представляет все остальные.
Точка E - произвольная точка параболы. Фокус - F, вершина - A (начало координат), а прямая FA - ось симметрии. Прямая EC параллельна оси симметрии и пересекает ось x в точке D. Точка B является средней точкой отрезка FC.
Вершина A равноудалена от фокуса F и от директрисы. Поскольку C находится на направляющей, y- координаты F и C равны по модулю и противоположны по знаку. B - середина FC. Его координата x вдвое меньше, чем у D, то есть x / 2. Наклон линии BE является отношением длин ED и BD, что составляетх 2/х / 2= 2 х. Но 2 x также является наклоном (первой производной) параболы в точке E. Следовательно, прямая BE является касательной к параболе в точке E.
Расстояния EF и EC равны, потому что E находится на параболе, F - фокус, а C - на направляющей. Следовательно, поскольку B является серединой FC, треугольники △ FEB и △ CEB конгруэнтны (три стороны), что означает, что углы, помеченные как α, конгруэнтны. (Угол над E по вертикали противоположен углу ∠BEC.) Это означает, что луч света, который входит в параболу и достигает точки E, идущей параллельно оси симметрии, будет отражаться линией BE, так что он движется вдоль линии EF, как показано красным на схеме (при условии, что линии каким-то образом могут отражать свет). Поскольку BE является касательной к параболе в точке E, то же самое отражение будет происходить от бесконечно малой дуги параболы в точке E. Следовательно, свет, который входит в параболу и достигает точки E, путешествуя параллельно оси симметрии параболы, отражается. параболой к его фокусу.
Этот вывод об отраженном свете применим ко всем точкам параболы, как показано в левой части диаграммы. Это отражающее свойство.
Есть и другие теоремы, которые можно вывести просто из приведенного выше аргумента.
Приведенное выше доказательство и прилагаемая диаграмма показывают, что касательная BE делит угол ∠FEC пополам. Другими словами, касательная к параболе в любой точке делит пополам угол между линиями, соединяющими точку с фокусом и перпендикулярно направляющей.
Перпендикулярно от фокуса к касательной Поскольку треугольники △ FBE и △ CBE конгруэнтны, FB перпендикулярен касательной BE. Поскольку B находится на оси x, которая является касательной к параболе в ее вершине, отсюда следует, что точка пересечения между любой касательной к параболе и перпендикуляром от фокуса к этой касательной лежит на прямой, касательной к параболе. парабола в его вершине. См. Анимированную диаграмму и кривую педали.
Если свет движется по линии CE, он движется параллельно оси симметрии и ударяет по выпуклой стороне параболы в точке E. Из приведенной выше диаграммы ясно, что этот свет будет отражаться прямо от фокуса вдоль продолжения отрезок FE.
Парабола и касательная Приведенные выше доказательства свойств отражения и касательной пополам используют линию исчисления. Здесь представлено геометрическое доказательство.
На этой диаграмме F - фокус параболы, а T и U лежат на ее направляющей. P - произвольная точка параболы. PT перпендикулярна директрисе, а прямая MP делит угол ∠FPT пополам. Q - еще одна точка параболы, где QU перпендикулярна директрисе. Мы знаем, что FP = PT и FQ = QU. Ясно, что QT gt; QU, поэтому QT gt; FQ. Все точки на биссектрисе MP равноудалены от F и T, но Q ближе к F, чем к T. Это означает, что Q находится слева от MP, то есть с той же стороны, что и фокус. То же самое было бы, если бы Q располагалось где-нибудь еще на параболе (кроме точки P), поэтому вся парабола, кроме точки P, находится на стороне фокуса MP. Следовательно, MP является касательной к параболе в точке P. Поскольку угол ∠FPT делит пополам угол ∠FPT, это доказывает свойство касательной бисекции.
Логика последнего абзаца может быть применена для модификации приведенного выше доказательства отражающего свойства. Это эффективно доказывает, что прямая BE является касательной к параболе в точке E, если углы α равны. Отражающее свойство следует, как показано ранее.
Парабола: конструкция булавочной струны Определение параболы по ее фокусу и направляющей можно использовать для ее рисования с помощью булавок и ниток:
Параболу можно рассматривать как аффинную часть невырожденной проективной коники с точкой на бесконечной прямой, касательной в точке. 5-, 4- и 3-точечные вырождения теоремы Паскаля - это свойства коники, имеющей дело хотя бы с одной касательной. Если рассматривать эту касательную как бесконечно удаленную линию, а точку контакта - как бесконечно удаленную точку оси y, можно получить три утверждения для параболы.
Следующие свойства параболы имеют дело только с терминами соединять, пересекать, параллельно, которые являются инвариантами подобия. Итак, достаточно доказать любое свойство единичной параболы с уравнением.
4-точечное свойство параболы Любую параболу можно описать в подходящей системе координат уравнением.
Доказательство: простой расчет единичной параболы.
Применение: 4-точки свойство параболы может быть использовано для построения точки, в то время как и приведено.
Замечание: 4-точечное свойство параболы является аффинной версией 5-точечного вырождения теоремы Паскаля.
3-точки - свойство 1-касательной Позвольте быть три точки параболы с уравнением и пересечение секущей линии с линией и пересечение секущей линии с линией (см. Рисунок). Тогда касательная в точке параллельна прямой. (Прямые и параллельны оси параболы.)
Доказательство: можно провести для единичной параболы. Краткий расчет показывает: линия имеет наклон, который является наклоном касательной в точке.
Применение: Свойство 3-точек-1-касательной параболы можно использовать для построения касательной в точке, пока даны.
Замечание: свойство 3-точек-1-касательности параболы является аффинной версией 4-точечного вырождения теоремы Паскаля.
2-точки - свойство 2-касательных Позвольте быть две точки параболы с уравнением, и пересечение касательной в точке с линией, и пересечение касательной в точке с линией (см. Рисунок). Тогда секущая параллельна прямой. (Прямые и параллельны оси параболы.)
Доказательство: прямой расчет единичной параболы.
Применение: Свойство 2-точек – 2-касательных можно использовать для построения касательной параболы в точке, если заданы и касательная в точке.
Замечание 1. Свойство параболы 2 точки – 2 касания является аффинной версией 3-точечного вырождения теоремы Паскаля.
Замечание 2: Свойство 2-точек и 2-касательных не следует путать со следующим свойством параболы, которое также имеет дело с 2 точками и 2 касательными, но не связано с теоремой Паскаля.
Построение направления оси Приведенные выше утверждения предполагают знание направления оси параболы для построения точек. Следующее свойство определяет точки только двумя заданными точками и их касательными, и в результате линия параллельна оси параболы.
Позволять
Тогда прямая параллельна оси параболы и имеет уравнение
Доказательство: может быть выполнено (как и свойства выше) для параболы единицы.
Применение: это свойство можно использовать для определения направления оси параболы, если заданы две точки и их касательные. Альтернативный способ - определить середины двух параллельных хорд, см. Раздел о параллельных хордах.
Замечание: это свойство является аффинной версией теоремы о двух перспективных треугольниках невырожденной коники.
Генерация параболы Штейнера Штейнер установил следующую процедуру построения невырожденной коники (см. Конику Штейнера ):
Эту процедуру можно использовать для простого построения точек на параболе:
Доказательство: простой расчет.
Замечание: Генерация Штейнера доступна также для эллипсов и гипербол.
Двойная парабола и кривая Безье степени 2 (справа: точка кривой и точки деления параметра) Двойной параболический состоит из множества касательных обыкновенной параболы.
Генерация коники Штейнера может быть применена к генерации двойственной коники, изменяя значения точек и линий:
Чтобы создать элементы двойной параболы, нужно начать с
Доказательство является следствием де Casteljau алгоритм для кривой Безье степени 2.
Вписанные углы параболы Парабола с уравнением однозначно определяется тремя точками с разными координатами x. Обычная процедура определения коэффициентов - это вставить координаты точки в уравнение. В результате получается линейная система из трех уравнений, которую можно решить, например, методом исключения Гаусса или правилом Крамера. Альтернативный способ использует теорему о вписанном угле для парабол.
В дальнейшем угол между двумя линиями будет измеряться разницей наклона прямой относительно направляющей параболы. То есть для параболы уравнения угол между двумя линиями уравнений измеряется как
Аналогично теореме о вписанном угле для окружностей, имеется теорема о вписанном угле для парабол:
(Доказательство: простой расчет: если точки находятся на параболе, можно перевести координаты для получения уравнения, тогда можно, если точки находятся на параболе.)
Следствием этого является то, что уравнение (in) параболы, определяемой 3 точками с разными координатами x, имеет вид (если две координаты x равны, не существует параболы с направляющей, параллельной оси x, которая проходит через точки)
Умножение на знаменатели, зависящие от одного, дает более стандартную форму
Парабола: отношение полюса к полюсу В подходящей системе координат любую параболу можно описать уравнением. Уравнение касательной в точке имеет вид
Получаем функцию
на множестве точек параболы на множестве касательных.
Очевидно, эта функция может быть продолжена на множество всех точек до взаимно однозначного соответствия между точками и прямыми с уравнениями. Обратное отображение
Это отношение называется отношением полюса к полюсу параболы, где точка является полюсом, а соответствующая линия - полярным.
Расчетным путем проверяются следующие свойства полюсно-полярной связи параболы:
Замечание: Соотношения полюса и полярности существуют также для эллипсов и гипербол.
Пусть линия симметрии пересекает параболу в точке Q, и обозначим фокус точкой F, а расстояние от точки Q - f. Пусть перпендикуляр к линии симметрии через фокус пересекает параболу в точке T. Тогда (1) расстояние от F до T равно 2 f, и (2) касательная к параболе в точке T пересекает прямую симметрии под углом 45 °.
Перпендикулярные касательные пересекаются на директрисе Если две касательные к параболе перпендикулярны друг другу, то они пересекаются по направляющей. И наоборот, две касательные, пересекающиеся на директрисе, перпендикулярны.
Пусть три касательные к параболе образуют треугольник. Тогда теорема Ламберта утверждает, что фокус параболы лежит на описанной окружности треугольника.
Обращение Цукермана к теореме Ламберта гласит, что для трех прямых, ограничивающих треугольник, если две прямые касаются параболы, фокус которой лежит на описанной окружности треугольника, то третья прямая также касается параболы.
Предположим, хорда пересекает параболу перпендикулярно оси симметрии. Пусть длина хорды между точками пересечения параболы равна c, а расстояние от вершины параболы до хорды, измеренное вдоль оси симметрии, равно d. Фокусное расстояние параболы f определяется выражением
Предположим, что используется система декартовых координат, в которой вершина параболы находится в начале координат, а ось симметрии - это ось y. Парабола открывается вверх. В другом месте этой статьи показано, что уравнение параболы имеет вид 4 fy = x 2, где f - фокусное расстояние. На положительном x конце хорды x =c/2и y = d. Поскольку эта точка находится на параболе, эти координаты должны удовлетворять приведенному выше уравнению. Следовательно, путем замены. Из этого.
Парабола (пурпурный) и линия (голубой нижний), включая аккорд (синий). Область между ними розового цвета. Сама хорда заканчивается в точках пересечения прямой с параболой. Площадь, заключенная между параболой и хордой (см. Диаграмму), составляет две трети площади параллелограмма, который ее окружает. Одна сторона параллелограмма - это хорда, а противоположная сторона - касательная к параболе. Наклон других параллельных сторон не имеет отношения к местности. Часто, как здесь, они рисуются параллельно оси симметрии параболы, но это произвольно.
Теорема, эквивалентная этой, но отличающаяся в деталях, была получена Архимедом в III веке до нашей эры. Он использовал площади треугольников, а не параллелограмма. См . Квадратуру параболы.
Если хорда имеет длину b и перпендикулярна оси симметрии параболы, и если перпендикулярное расстояние от вершины параболы до хорды равно h, параллелограмм представляет собой прямоугольник со сторонами b и h. Таким образом, площадь A параболического сегмента, заключенного между параболой и хордой, равна
Эту формулу можно сравнить с площадью треугольника: 1/2бх.
В целом закрытую площадь можно рассчитать следующим образом. Сначала найдите точку на параболе, где ее наклон равен наклону хорды. Это можно сделать с помощью исчисления или с помощью линии, параллельной оси симметрии параболы и проходящей через середину хорды. Требуемая точка - это место, где эта линия пересекает параболу. Затем, используя формулу, приведенную в разделе « Расстояние от точки до линии», вычислите расстояние по перпендикуляру от этой точки до хорды. Умножьте это на длину хорды, чтобы получить площадь параллелограмма, затем на 2/3, чтобы получить требуемую замкнутую площадь.
Середины параллельных хорд Следствием приведенного выше обсуждения является то, что если парабола имеет несколько параллельных хорд, их средние точки лежат на прямой, параллельной оси симметрии. Если касательные к параболе проводятся через концы любой из этих хорд, две касательные пересекаются на этой же прямой, параллельной оси симметрии (см. « Осевое направление параболы» ).
Если точка X расположена на параболе с фокусным расстоянием f, и если p - перпендикулярное расстояние от X до оси симметрии параболы, то длины дуг параболы, которые заканчиваются в X, могут быть вычислены из f и p следующим образом, предполагая, что все они выражены в одних и тех же единицах.
Эта величина s - длина дуги между X и вершиной параболы.
Длина дуги между X и симметрично противоположной точкой по другую сторону параболы составляет 2 с.
Перпендикулярному расстоянию p можно указать положительный или отрицательный знак, чтобы указать, на какой стороне оси симметрии X находится. При изменении знака p знаки h и s меняются местами без изменения их абсолютных значений. Если эти величины подписаны, длина дуги между любыми двумя точками параболы всегда отображается разницей между их значениями s. Расчет можно упростить, используя свойства логарифмов:
Это может быть полезно, например, при расчете размера материала, необходимого для изготовления параболического отражателя или параболического желоба.
Этот расчет можно использовать для параболы в любой ориентации. Это не ограничивается ситуацией, когда ось симметрии параллельна оси y.
S - фокус, а V - главная вершина параболы VG. Нарисуйте VX перпендикулярно SV.
Возьмите любую точку B на VG и опустите перпендикуляр BQ из B в VX. Нарисуйте перпендикуляр ST, пересекающий BQ, при необходимости продолженный в точке T. В точке B нарисуйте перпендикуляр BJ, пересекающий VX в точке J.
Для параболы отрезок VBV, площадь, ограниченная хордой VB и дугой VB, также равна ∆VBQ / 3.
Площадь параболического сектора SVB = ∆SVB + ∆VBQ / 3.
Поскольку треугольники TSB и QBJ подобны,
Следовательно, площадь параболического сектора и может быть определена по длине VJ, как указано выше.
Круг, проходящий через S, V и B, также проходит через J.
И наоборот, если точка B на параболе VG должна быть найдена так, чтобы площадь сектора SVB была равна указанному значению, определите точку J на VX и постройте окружность, проходящую через S, V и J. диаметр, центр круга находится в его средней точке, и он лежит на перпендикуляре середины SV, на расстоянии половины VJ от SV. Требуемая точка B - это место, где этот круг пересекает параболу.
Если тело следует траектории параболы из-за силы, обратной квадрату, направленной к S, площадь SVB увеличивается с постоянной скоростью по мере продвижения точки B вперед. Отсюда следует, что J движется с постоянной скоростью по VX, когда B движется по параболе.
Если скорость тела в вершине, где оно движется перпендикулярно SV, равна v, то скорость J равна 3 v / 4.
Конструкция может быть расширена просто для включения случая, когда ни один из радиусов не совпадает с осью SV, следующим образом. Пусть A - неподвижная точка на VG между V и B, а точка H - это пересечение на VX с перпендикуляром к SA в A. Из приведенного выше, площадь параболического сектора.
И наоборот, если требуется найти точку B для конкретной области SAB, найдите точку J из HJ и точку B, как раньше. По книге 1, предложения 16, следствия 6 Ньютона Principia, скорость тела, движущегося по параболе с силой, направленной в сторону фокуса обратно пропорциональна корню квадратному из радиуса. Если скорость в точке A равна v, то в вершине V она равна, а точка J движется с постоянной скоростью.
Вышеупомянутая конструкция была разработана Исааком Ньютоном и может быть найдена в Книге 1 Philosophi Naturalis Principia Mathematica как Предложение 30.
Фокусное расстояние параболы составляет половину радиуса кривизны в вершине.
Изображение перевернуто. AB - ось x. C - происхождение. О - центр. A - это ( x, y). ОА = ОС = R. PA = х. CP = y. ОП = ( R - у). Остальные точки и линии для этой цели не имеют значения.
Радиус кривизны в вершине в два раза больше фокусного расстояния. Измерения, показанные на диаграмме выше, даны в единицах прямой кишки, что в четыре раза больше фокусного расстояния.
Рассмотрим точку ( x, y) на окружности радиуса R с центром в точке (0, R). Круг проходит через начало координат. Если точка находится рядом с началом координат, теорема Пифагора показывает, что
Но если ( x, y) очень близко к началу координат, поскольку ось x является касательной к окружности, y очень мало по сравнению с x, поэтому y 2 незначительно по сравнению с другими членами. Поэтому очень близко к происхождению
Сравните это с параболой
который имеет вершину в начале координат, открывается вверх и имеет фокусное расстояние f (см. предыдущие разделы этой статьи).
Уравнения (1) и (2) эквивалентны, если R = 2 f. Следовательно, это условие, при котором окружность и парабола совпадают в начале координат и очень близко к ним. Радиус кривизны в начале координат, который является вершиной параболы, в два раза больше фокусного расстояния.
Вогнутое зеркало, представляющее собой небольшой сегмент сферы, ведет себя примерно как параболическое зеркало, фокусируя параллельный свет в точке на полпути между центром и поверхностью сферы.
Парабола как аффинный образ единичной параболы Другое определение параболы использует аффинные преобразования :
Аффинное преобразование евклидовой плоскости имеет вид, где - регулярная матрица ( определитель не 0), - произвольный вектор. Если - векторы-столбцы матрицы, единичная парабола отображается на параболу
куда
В общем, два вектора не перпендикулярны, и это не вершина, если аффинное преобразование не является схожесть.
Касательный вектор в точке равен. В вершине касательный вектор ортогонален. Следовательно, параметр вершины является решением уравнения
который
и вершина является
Фокусное расстояние может быть определено с помощью подходящего преобразования параметров (который не изменяет геометрическую форму параболы). Фокусное расстояние
Следовательно, фокус параболы
Решая параметрическое представление по правилу Крамера и используя, получаем неявное представление
Определение параболы в этом разделе дает параметрическое представление произвольной параболы, даже в пространстве, если можно быть векторами в пространстве.
Квадратичная кривая Безье и ее контрольные точки Квадратичная кривая Безье кривая определяется тремя точками, и, называют его контрольные точки:
Эта кривая является дугой параболы (см. § Как аффинный образ единичной параболы).
Правило Симпсона: график функции заменяется дугой параболы В одном методе численного интегрирования график функции заменяется дугами парабол и интегрируется дуги парабол. Парабола определяется тремя точками. Формула для одной дуги:
Метод называется правилом Симпсона.
Следующие квадрики содержат параболы в виде плоских сечений:
Эллиптический конус
Параболический цилиндр
Эллиптический параболоид
Гиперболический параболоид
Гиперболоид одного листа
Гиперболоид из двух листов
Трисекция угла с параболой Параболу можно использовать как трисектрису, то есть она позволяет выполнить точное трисечение произвольного угла с помощью линейки и циркуля. Это не противоречит невозможности трехсекционного угла только при построении циркуля и линейки, поскольку использование парабол не допускается в классических правилах построения циркуля и линейки.
Чтобы разрезать пополам, поместите его ногу на ось x так, чтобы вершина находилась в начале координат системы координат. Система координат также содержит параболу. Единичный круг с радиусом 1 вокруг начала координат пересекает другую ногу угла, и из этой точки пересечения нарисуйте перпендикуляр на оси y. Параллель оси Y, проходящая через середину этого перпендикуляра, и касательная к единичной окружности пересекаются в точке. Окружность с радиусом пересекает параболу в точке. Перпендикуляр от на ось x пересекает единичную окружность в точке и составляет ровно одну треть от.
Правильность этой конструкции можно увидеть, показав, что координата x равна. Решение системы уравнений, заданной окружностью вокруг и параболой, приводит к кубическому уравнению. Формула тройного угла показывает, что это действительно решение кубического уравнения.
Это трисечение восходит к Рене Декарту, который описал его в своей книге «Геометрия» (1637 г.).
Если заменить действительные числа произвольным полем, многие геометрические свойства параболы останутся в силе:
Принципиально новые явления возникают, если поле имеет характеристику 2 (то есть): все касательные параллельны.
В алгебраической геометрии парабола обобщается рациональными нормальными кривыми, которые имеют координаты ( x, x 2, x 3,…, x n) ; стандартная парабола - это случай n = 2, а случай n = 3 известен как скрученная кубика. Дальнейшее обобщение дает разнообразие Веронезе, когда имеется более одной входной переменной.
В теории квадратичных форм парабола - это график квадратичной формы x 2 (или других вычислений), а эллиптический параболоид - это график положительно определенной квадратичной формы x 2 + y 2 (или вычислений), а гиперболический параболоид - это график неопределенной квадратичной формы x 2 - y 2. Обобщения на большее количество переменных приводят к появлению таких объектов.
Кривые y = x p для других значений p традиционно называются высшими параболами и первоначально рассматривались неявно, в форме x p = ky q для p и q обоих положительных целых чисел, в которой они рассматриваются как алгебраические кривые. Они соответствуют явной формуле y = x p / q для положительной дробной степени x. Отрицательные дробные степени соответствуют неявному уравнению x p y q = k и традиционно называются высшими гиперболами. Аналитически, x также можно возвести в иррациональную степень (для положительных значений x); аналитические свойства аналогичны тому, когда x возводится в рациональные степени, но полученная кривая больше не является алгебраической и не может быть проанализирована с помощью алгебраической геометрии.
В природе приближения парабол и параболоидов встречаются во многих различных ситуациях. Самый известный пример параболы в истории физики - это траектория частицы или тела, движущихся под действием однородного гравитационного поля без сопротивления воздуха (например, мяч, летящий по воздуху, без учета трения воздуха).
Параболическая траектория снарядов была экспериментально обнаружена в начале 17 века Галилеем, который проводил эксперименты с шариками, катящимися по наклонным плоскостям. Позже он также доказал это математически в своей книге « Диалог о двух новых науках». Для объектов, вытянутых в космос, таких как водолаз, прыгающий с трамплина, сам объект следует сложному движению при вращении, но центр масс объекта, тем не менее, движется по параболе. Как и во всех случаях в физическом мире, траектория всегда является приближением параболы. Например, наличие сопротивления воздуха всегда искажает форму, хотя на низких скоростях форма является хорошим приближением параболы. На более высоких скоростях, например, в баллистике, форма сильно искажается и не напоминает параболу.
Другая гипотетическая ситуация, в которой могут возникнуть параболы, в соответствии с теориями физики, описанными в 17-18 веках сэром Исааком Ньютоном, - это орбиты двух тел, например, путь небольшого планетоида или другого объекта под влиянием гравитация Солнца. Параболические орбиты в природе не встречаются; простые орбиты чаще всего напоминают гиперболы или эллипсы. Параболическая орбита - это вырожденный промежуточный случай между этими двумя типами идеальных орбит. Объект, движущийся по параболической орбите, будет двигаться с точной космической скоростью объекта, вокруг которого он вращается; объекты на эллиптических или гиперболических орбитах движутся со скоростью меньше или больше, чем убегающая скорость, соответственно. Долгопериодические кометы движутся со скоростью, близкой к скорости убегания Солнца, пока они движутся через внутреннюю часть Солнечной системы, поэтому их траектория почти параболическая.
Аппроксимации парабол также встречаются в форме основных тросов простого подвесного моста. Кривая цепей подвесного моста всегда является промежуточной кривой между параболой и цепной линией, но на практике кривая обычно ближе к параболе из-за того, что вес груза (т. Е. Дороги) намного больше, чем у тросов. сами, а в расчетах используется формула полинома второй степени параболы. Под воздействием равномерной нагрузки (например, горизонтально подвешенного настила) кабель, имеющий в противном случае форму цепной линии, деформируется по параболе (см. Кривая «Контактная цепь # Подвесной мост» ). В отличие от неупругой цепи свободно свисающая пружина нулевой ненагруженной длины принимает форму параболы. В идеале тросы подвесных мостов находятся в чисто натянутом состоянии, и им не нужно воспринимать другие силы, например изгиб. Точно так же конструкции параболических арок находятся исключительно на сжатии.
Параболоиды также возникают в нескольких физических ситуациях. Наиболее известным примером является параболический отражатель, который представляет собой зеркало или подобное отражающее устройство, которое концентрирует свет или другие формы электромагнитного излучения в общей точке фокусировки или, наоборот, коллимирует свет от точечного источника в фокусе в параллельный луч. Принцип параболического отражателя, возможно, был открыт в III веке до нашей эры геометром Архимедом, который, согласно сомнительной легенде, сконструировал параболические зеркала для защиты Сиракуз от римского флота, сосредоточив солнечные лучи, чтобы поджечь палубу. римских кораблей. Этот принцип был применен к телескопам в 17 веке. Сегодня параболоидные отражатели можно обычно наблюдать во всем мире в микроволновых и спутниковых приемных и передающих антеннах.
В параболических микрофонах параболический отражатель используется для фокусировки звука на микрофоне, обеспечивая ему высокую направленность.
Параболоиды также наблюдаются на поверхности жидкости, заключенной в контейнер и вращающейся вокруг центральной оси. В этом случае центробежная сила заставляет жидкость подниматься по стенкам емкости, образуя параболическую поверхность. Это принцип, лежащий в основе телескопа с жидкостным зеркалом.
Самолеты, используемые для создания состояния невесомости в целях экспериментов, такие как « Рвотная комета » НАСА, в течение коротких периодов времени следуют по вертикально-параболической траектории, чтобы проследить курс объекта в свободном падении, что дает тот же эффект, что и ноль. гравитация для большинства целей.
Прыгающий мяч захватил с стробоскопической вспышкой при 25 кадров в секунду. Мяч становится значительно несферическим после каждого отскока, особенно после первого. Это, наряду с сопротивлением вращению и воздуху, приводит к тому, что кривая слегка отклоняется от ожидаемой идеальной параболы.
Параболические траектории воды в фонтане.
Путь (красный) кометы Кохоутека, проходящей через внутреннюю часть Солнечной системы, демонстрирует ее почти параболическую форму. Голубая орбита - это Земля.
Несущие тросы подвесных мостов проходят по кривой, которая является промежуточной между параболой и цепной линией.
Rainbow Мост через реку Ниагара, соединяющей Канада (слева) в США (справа). Параболическая арка сжимается и выдерживает вес дороги.
Параболические арки, используемые в архитектуре
Параболическая форма, образованная вращающейся поверхностью жидкости. Две жидкости разной плотности полностью заполняют узкое пространство между двумя листами прозрачного пластика. Зазор между листами закрывается снизу, по бокам и вверху. Вся сборка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр. (См. Вращающаяся печь )
Параболический микрофон с оптически прозрачным пластиковым отражателем, используемый на футбольном матче американского колледжа.
Массив параболических желобов для сбора солнечной энергии
Прожектор Эдисона, установленный на тележке. Свет имел параболический отражатель.
Физик Стивен Хокинг в самолете, летящем по параболической траектории для имитации невесомости
.
![{\ displaystyle r = 2p {\ frac {\ cos \ varphi} {\ sin ^ {2} \ varphi}}, \ quad \ varphi \ in \ left [- {\ tfrac {\ pi} {2}}, { \ tfrac {\ pi} {2}} \ right] \ setminus \ {0 \}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/82721d5980ef626bae2f7ff613c61183587f53b0)
( это эксцентриситет).
(треугольник БПМ - 
(PMCK - 
(1)
(2)
- касательный вектор в точке,
находится параллельно оси параболы (ось симметрии через вершину).
.
![{\ displaystyle {\ begin {align} {\ vec {c}} (t) amp; = \ sum _ {i = 0} ^ {2} {\ binom {2} {i}} t ^ {i} (1 -t) ^ {2-i} {\ vec {p}} _ {i} \\ amp; = (1-t) ^ {2} {\ vec {p}} _ {0} + 2t (1-t) {\ vec {p}} _ {1} + t ^ {2} {\ vec {p}} _ {2} \\ amp; = ({\ vec {p}} _ {0} -2 {\ vec {p}} _ {1} + {\ vec {p}} _ {2}) t ^ {2} + (- 2 {\ vec {p}} _ {0} +2 {\ vec {p}} _ {1}) t + {\ vec {p}} _ {0}, \ quad t \ in [0,1]. \ End {align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/984c947541daecde8effd173730887dd9509828e)
