Stožnice - teorija

Stožnice - teorija

Avtor: Skupina NAUK

Učni cilji: Spoznavanje stožnic, krožnice in elipse v središčni in premaknjeni legi ter hiperbole in parabole v središčni legi, določanje presečišč stožnic med seboj in s premico.

Stožnice

V tem poglavju bomo obravnavali krivulje drugega reda, to so krožnica, elipsa, hiperbola in parabola. S skupnim imenom se imenujejo stožnice, ker jih dobimo kot presek ravnine s stožcem:

(stoznice.png)
Primer preseka ravnine s stožcem.

S kvadratno enačbo z dvema neznankama

kjer so A, B, C, D, E in F konstante in vsaj eno od števil A, B, C ni enako 0, lahko dobimo krivulje drugega reda. Ostale stožnice, ki jih dobimo s to enačbo, pa sta še dve nevzporedni premici, dve vzporedni premici, ena dvakrat šteta premica, točka in prazna množica.

PREMISLITE

Spomnite se, kako izračunamo razdaljo med dvema točkama.

Odgovor

Kakšna je enačba premice?

Odgovor

Kako izračunamo razdaljo točke od premice?

Odgovor

Razdalja med točkama

Naj bosta točki in . Potem je njuna razdalja enaka

Enačba premice

Poznamo tri oblike enačbe premice:

  • implicitna oblika:
  • eksplicitna oblika:
  • segmentna oblika:
    Vektor je normala premice .

Razdalja od točke do premice

Razdalja od točke do premice je enaka

kjer je točka in premica z enačbo .

Krožnica

Naj bo dana krožnica s središčem v in polmerom ter točko T(x,y) na njej.
Krožnica je množica točk T(x,y) v ravnini, ki so za oddaljene od točke S. Enačba take krožnice je

Če vzporedno premaknemo krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču za vektor , ima krožnica središče v točki in je njena enačba

S premikanjem drsnikov si oglejte gibanje krožnice glede na parametre:

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)
Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka 1 Geogebra datoteka 2

Krožnica in točka

Točka in krožnica sta lahko v različnih medsebojnih legah:

  • točka leži na krožnici s središčem v in polmerom , če velja ,
  • točka leži v notranjosti kroga s središčem v in polmerom , če velja ,
  • točka leži v zunanjosti kroga s središčem v in polmerom , če velja ,

    (kroznica_tocka.png)

Enačba krožnice je ena izmed enačb krivulj drugega reda, lahko jo zapišemo tudi kot

PREMISLITE

Je enačba oblike tudi krožnica?

Odgovor

Enačba oblike

Krožnica ni slika nobene funkcije, saj iz enačbe krožnice v središčni legi izrazimo in dobimo:

. Ti dve enačbi skupaj predstavljata celo krožnico, vsaka posebej pa polkrožnico:

(koren_kroznica.png)

Krožnica in premica

Zanimajo nas presečišča med krožnico z enačbo (ali drugimi oblikami enačbe krožnice) in premico z enačbo (ali drugimi oblikami enačbe premice).

  1. Iz enačbe premice izrazimo eno spremenljivko.
  2. To spremenljivko vstavimo v enačbo krožnice in dobimo kvadratno enačbo z drugo spremenljivko.
  3. Rešimo kvadratno enačbo. Možnosti:
Diskriminanta je večja od 0, dobimo dve realni rešitvi, s tem pa dve presečišči premice in krožnice.Diskriminanta je enaka 0, dobimo eno realno rešitev, s tem pa eno skupno točko premice in krožnice - dotikališče.Diskriminanta je manjša od 0, enačba nima realnih rešitev, krožnica in premica nimata skupnih točk.
Premica je sekanta krožnice.Premica je tangenta ali dotikalnica krožnice.Premica je mimobežnica krožnice.
(kroznica_premica1.png) (kroznica_premica2.png) (kroznica_premica3.png)

Dve krožnici

Podani sta krožnica z enačbo s središčem v S in polmerom ter krožnica z enačbo s središčem v P in polmerom . Razdalja med središčema krožnic pa je . Postopek za presečišča je podoben kot pri krožnici in premici. Možnosti za medsebojno lego dveh krožnic so naslednje:

Krožnici se dotikata zunaj, če velja :Krožnici se dotikata znotraj, če velja :
(kroznici1.png) (kroznici2.png)
Krožnici se sekata v dveh točkah, če velja :Krožnici sta koncentrični, če imata skupno središče:
(kroznici3.png) (kroznici4.png)

Krožnici nimata nobene skupne točke, če velja ali :

(kroznici5.png) (kroznici6.png)

Zgledi

  1. Enačba krožnice s središčem v in polmerom je
    Rešitev

    .
  2. Enačba krožnice s središčem v in polmerom je
    Rešitev

    .
  3. Točka leži znotraj krožnice oziroma , saj velja:
    in .
  4. Enačba oblike ima središče v in polmer , njeno definicijsko območje pa je :

    (zgled_kroznica1.png)
  5. Krožnica s središčem se druge krožnice z enačbo dotika od zunaj. Kolikšna je njuna središčna razdalja?
    Rešitev

    Najprej poiščemo središče in polmer druge krožnice:
    Krožnica ima središče v točki in polmer . Razdalja med središčema krožnic je enaka .

Elipsa

Naj bosta dani točki F in G v ravnini, ki ju imenujemo gorišči. Elipsa je množica točk T(x,y) v ravnini, za katere je vsota razdalj do točk F in G konstantna. Če ima elipsa središče v izhodišču, je njena enačba:

kjer sta in pozitivni realni števili. Elipsa je omejena s polosema, zato lahko zapišemo in .

in sta polosi elipse, gorišči elipse pa imata koordinate in , kjer je linearna ekscentričnost elipse in je elipsa raztegnjena v smeri osi . Če je elipsa raztegnjena v smeri osi , sta gorišči elipse in . Elipsa ima štiri temena, , , in .

S premikanjem parametrov in si oglejte gibanje elipse.

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka 1

PREMISLITE

Kakšna elipsa nastane, ko sta polosi, in enaki?

Odgovor

Enaki polosi

Enačba elipse je ali . Če velja , potem je enačba elipse . Ker namesto spremenljivke lahko pišemo tudi , dobimo enačbo oblike , to pa je enačba krožnice. Zato takrat, ko sta polosi elipse enaki med seboj, nastane krožnica.

Ploščina elipse in njene ekscentričnosti

Elipsa je v eno smer raztegnjena krožnica. Njena ploščina je enaka

LINEARNA EKSCENTRIČNOST ELIPSENUMERIČNA EKSCENTRIČNOST ELIPSE

kjer je
Pove, če je elipsa raztegnjena v dolžino ali širino.Čim bližje je enki, tem bolj je elipsa razpotegnjena.

PREMISLITE

Kako se da v naravi brez ravnila narisati elipso?

Odgovor

Risanje elipse v naravi

Izberemo si dve gorišči, količka in nanju navežemo vrvico. Z drugim količkom vrvico vlečemo in dobimo elipso. S premikanjem točke T narišite še vi elipso na tak način:

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

Elipsa in premica

Zanimajo nas presečišča med elipso z enačbo in premico z enačbo (ali drugimi oblikami enačbe premice).

  1. Iz enačbe premice izrazimo eno spremenljivko.
  2. To spremenljivko vstavimo v enačbo elipse in dobimo kvadratno enačbo z drugo spremenljivko.
  3. Rešimo kvadratno enačbo. Možnosti:
Diskriminanta je večja od 0, dobimo dve realni rešitvi, s tem pa dve presečišči premice in elipse.Diskriminanta je enaka 0, dobimo eno realno rešitev, s tem pa eno skupno točko premice in elipse - dotikališče.Diskriminanta je manjša od 0, enačba nima realnih rešitev, elipsa in premica nimata skupnih točk.
Premica je sekanta elipse.Premica je tangenta ali dotikalnica elipse.Premica je mimobežnica elipse.
(elipsa_premica1.png) (elipsa_premica2.png) (elipsa_premica3.png)

Enačba premaknjene elipse

Če vzporedno premaknemo elipso s središčem v koordinatnem izhodišču za vektor , ima elipsa središče v točki in je njena enačba

Koordinate gorišč in temen premaknjene elipse dobimo tako, da jim prištejemo vektor :

  • gorišče ,
  • gorišče ,
  • teme ,
  • teme ,
  • teme ,
  • teme .

S premikanjem parametrov in si oglejte premikanje premaknjene elipse z enačbo .

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

Zgledi

  1. Če je polos elipse in polos , potem je enačba elipse v središčni legi
    Rešitev

    .
  2. Temena elipse z enačbo , kjer sta polosi in , so
    Rešitev

    , , in .
  3. Gorišči elipse sta in . Kje je njeno središče?
    Rešitev

    Koordinate gorišč premaknjene elipse so in ali obratno. Zato jih lahko enačimo s podanimi koordinatami oglišč:
    , , .
    Ugotovimo, da je , . Zato je središče elipse v točki .
  4. V kakšni zvezi sta elipsa z enačbo in premica z enačbo ?
    Rešitev

    Premico vstavimo v enačbo elipse in rešimo dobljeno kvadratno enačbo:

    Izračunamo še koordinati in . Presečišči premice in elipse sta in .

    Slikovni prikaz rešitve

Elipsa in premica

(elipsa_premica_zgled.png)

Hiperbola

Naj bosta dani točki F in G v ravnini, ki ju imenujemo gorišči. Hiperbola je množica vseh točk T(x,y) v ravnini, za katere je absolutna vrednost razlike razdalj od točk F in G konstanta. Enačba hiperbole v središčni legi:

kjer sta in pozitivni realni števili.

Hiperbola ima dve polosi, je realna polos, pa imaginarna polos. Je simetrična glede na izhodišče koordinatnega sistema in glede na obe koordinatni osi.

Hiperbola ima dve temeni, in in dve gorišči, in , kjer je linearna ekscentričnost hiperbole. Premici sta asimptoti hiperbole.

S premikanjem parametrov in si oglejte gibanje hiperbole.

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

Hiperbola - nadaljevanje

LINEARNA EKSCENTRIČNOST HIPERBOLENUMERIČNA EKSCENTRIČNOST HIPERBOLE
, če je enačba hiperbole oblike
, če je enačba hiperbole oblike

Tudi krivulja z enačbo je hiperbola, le da njena gorišča in temeni ležijo na osi .

(hiperbola2.png)

PREMISLITE

Kakšna hiperbola je hiperbola, kjer velja ?

Odgovor

Enakostranična hiperbola

Taki hiperboli, ki ima enaki polosi, pravimo, da je enakostranična. Njeni asimptoti sta in .

(enakostranicna_hiperbola.png)
Primer enakostranične hiperbole .

Hiperbola in premica

Zanimajo nas presečišča med hiperbolo z enačbo in premico z enačbo (ali drugimi oblikami enačbe premice).

  1. Iz enačbe premice izrazimo eno spremenljivko.
  2. To spremenljivko vstavimo v enačbo hiperbole in dobimo kvadratno enačbo ali linearno enačbo z drugo spremenljivko.
  3. Rešimo enačbo. Možnosti:
Dobimo dve različni realni rešitvi.Dobimo eno dvojno rešitev.Enačba nima realnih rešitev, premica in hiperbola nimata skupnih točk.Dobimo eno rešitev linearne enačbe.
Premica je sekanta hiperbole.Premica je dotikalnica hiperbole.Premica je mimobežnica hiperbole.Premica enkrat seka hiperbolo.
(hiperbola_premica1.png) (hiperbola_premica2.png) (hiperbola_premica3.png) (hiperbola_premica4.png)

Zgledi

  1. Polosi hiperbole z enačbo ali sta
    Rešitev

    in .
  2. Eno teme hiperbole v središčni legi je . Eno gorišče hiperbole je v točki . Kakšna je enačba te hiperbole?
    Rešitev

    Iz koordinat temena opazimo, da je polos , iz koordinat gorišča pa, da je . Za takšno hiperbolo je , s podatki:

    Ker zdaj poznamo obe polosi hiperbole, lahko zapišemo enačbo hiperbole:

    ali
  3. Kakšni sta linearna in numerična ekscentričnost hiperbole ?
    Rešitev

    Enačbo zapišemo v obliki , da lažje razberemo polosi. Opazimo, da je to hiperbola z gorišči in temeni na osi . Polosi sta in .
    Linearna ekscentričnost hiperbole: , .
    Numerična ekscentričnost hiperbole: , .

Parabola

Naj bo dana premica v ravnini, ki jo imenujemo vodnica, in točka F, ki jo imenujemo gorišče. Parabola je množica vseh točk T(x,y) v ravnini, ki so enako oddaljene od premice in od točke F. Če ima parabola teme v koordinatnem izhodišču, je njena enačba:

Enačba vodnice je , koordinate gorišča pa so . S premikanjem konstante si oglejte premikanje parabole.

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

Zrcaljena parabola

Z zrcaljenjem parabole preko simetrale lihih kvadrantov dobimo enačbo parabole ali . Tu je gorišče in vodnica . S premikanjem konstante si oglejte premikanje parabole.

Aplikacija GeoGebra se ni mogla zagnati. Prosim preverite, ali imate v brskalniku namescen program Java 1.4.2 (ali novejsi) (Kliknite tu za namestitev Jave)

Geogebra datoteka

PREMISLITE

Spomnite se kvadratne funkcije. Kakšen je njen graf?

Odgovor

Parabola kot graf kvadratne funkcije

Graf kvadratne funkcije je parabola, ki ima v koordinatnem sistemu simetralo vzporedno osi . Kvadratna enačba je oblike , kjer so , in realna števila, koeficienti parabole. Hitro ugotovimo, da sta enačbi podobni. Na primer: enačbo parabole hitro preoblikujemo v enačbo oblike , ki je enačba kvadratne funkcije.

Zgledi

  1. Določimo enačbo vodnice in gorišče parabole . Parabolo tudi narišemo.
    Rešitev

    Enačba parabole v splošnem je , zato je in . Enačba vodnice je , . Gorišče ima koordinate , . Slika parabole:

    (parabola_zgled1.png)
    Za izris parabole izračunamo še par točk, da npr. , .
  2. Zapišimo enačbo parabole s temenom v točki , ki gre skozi točko in je simetrična glede na abscisno os.
    Rešitev

    Enačba takšne parabole je . Če vstavimo točko , dobimo enačbo parabole, ki jo iščemo:



    Enačba parabole: .
  3. Kvadratna funkcija ima graf v obliki parabole. Njeno teme je v točki , gorišče v točki in enačba vodnice .
0%
0%