Parabola (matematika)

Parabola

Parabola je druh kuželosečky, rovinné křivky druhého stupně. Parabola je množina těch bodů roviny, které jsou stejně vzdáleny od dané přímky (tzv. řídicí přímka nebo také direktrix) jako od daného bodu, který na ní neleží (tzv. ohnisko neboli fokus).

Vlastnosti, vyjádření

Parabola je pouze osově souměrná. Osa souměrnosti prochází ohniskem a je kolmá na řídicí přímku. Otáčením paraboly kolem její osy symetrie vznikne kvadratická rotační plocha, zvaná rotační paraboloid.

O parabole říkáme, že je v normální poloze, je-li její osa rovnoběžná s osou nebo .

Parabolu lze také definovat jako kuželosečku s výstředností rovnou jedné. Z toho vyplývá, že všechny paraboly jsou podobné, odtud také pramení název. Parabolu lze také chápat jako limitu posloupnosti elips, ve které je jedno ohnisko pevné a druhé ohnisko se postupně vzdaluje do nekonečna.

Matematická vyjádření

Implicitní vyjádření

Množina všech bodů X v rovině, které mají stejnou vzdálenost od ohniska F a od řídicí přímky d, která neprochází ohniskem F.

Kartézský souřadnicový systém

Standardní popis paraboly:

Parabola v kartezském souřadnicovém systému

V[m, n] – vrchol paraboly o souřadnicích m, n
F – ohnisko paraboly
d – řídicí přímka
o – osa paraboly
|DF| = p – velikost parametru,

X[x, y] – libovolný bod náležící parabole


Kanonický tvar rovnice

Kanonický (normální) tvar rovnice paraboly v normální poloze (osa paraboly je rovnoběžná s osou a vrchol ) v kartézských souřadnicích je

Pro je parabola otevřená doprava a pro je parabola otevřená doleva. Pro dostaneme parabolu s vrcholem v počátku souřadnic.

Ohnisko takto zadané paraboly má souřadnice

a řídicí přímka je určena rovnicí

Kanonický tvar rovnice paraboly s osou v ose a vrcholem v počátku souřadnicového systému lze zapsat jako

Pro je parabola otevřená nahoru a pro je otevřená dolů.

Rovnice kuželosečky

Jestliže v rovnici kuželosečky položíme a , pak dostaneme parabolu v normální poloze (osa paraboly je rovnoběžná s osou ), která má řídicí přímku

ohnisko má souřadnice

a souřadnice vrcholu jsou

Parametr má velikost

Podobně v případě a dostaneme parabolu v normální poloze (osa paraboly je rovnoběžná s osou ). Pro řídicí přímku, ohnisko, vrchol a parametr pak dostaneme

Parabolu v obecné poloze lze do normální polohy převést otočením souřadnicové soustavy o úhel určený vztahem

Charakteristické rovnice paraboly dle jejího umístění
  • Osa paraboly rovnoběžná s osou mající minimum(bod V) na ose .
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvirající se do kladné části osy x
Vrcholová rovnice:
Parametrické rovnice:

Obecná rovnice:
Rovnice řídicí přímky:
Rovnice tečny v bodě :

Osa paraboly rovnoběžná s osou mající maximum(bod V) na ose .

Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozevirající se do záporné části osy x
Vrcholová rovnice:
Parametrické rovnice:

Obecná rovnice:
Rovnice řídicí přímky:
Rovnice tečny v bodě :
  • Osa paraboly rovnoběžná s osou mající minimum. Konvexní parabola.
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvirající se do kladné části osy y
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvirající se do kladné části osy y
Vrcholová rovnice:
Parametrické rovnice:

Obecná rovnice:
Rovnice řídicí přímky:
Rovnice tečny v bodě :
  • Osa paraboly rovnoběžná s osou mající maximum. Konkávní parabola.
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvirající se do záporné části osy y
Vrcholová rovnice:
Parametrické rovnice:

Obecná rovnice:
Rovnice řídicí přímky:
Rovnice tečny v bodě :
Převedení obecné rovnice na vrcholovou

Uspořádáme členy v rovnici.

Z prvních dvou členů vytkneme dvojku (koeficient) a doplníme je na druhou mocninu dvojčlenu.

Dále upravujeme rovnici tak, aby odpovídala vrcholovému tvaru.

Z výsledné rovnice snadno zjistíme vlastnosti paraboly.
Jedná se o parabolu, jejíž osa je rovnoběžná se záporným směrem osy .
, , , , d:

Vzájemná poloha paraboly a přímky

Řešíme soustavu rovnic paraboly a přímky. Jestliže vyjde lineární rovnice, která má řešení – přímka je sečnou paraboly s jedním průsečíkem. Pakliže lineární rovnice nemá žádné řešení – přímka není sečna (žádný společný bod). Pokud vyjde kvadratická rovnice a diskriminant je:

  • D > 0 dvě řešení – přímka je sečna se dvěma průsečíky
  • D = 0 jedno řešení – tečna s bodem dotyku, nebo přímka rovnoběžná s osou paraboly
  • D < 0 žádné řešení – přímka není sečna
Vzájemná poloha paraboly a bodu

Jestliže převedeme všechny členy rovnice paraboly na levou stranu (anulujeme rovnici) a dosadíme souřadnice bodu, pak bude platit:

  • výsledná hodnota = 0 bod náleží parabole
  • výsledná hodnota > 0 bod se nachází ve vnější oblasti paraboly
  • výsledná hodnota < 0 bod se nachází ve vnitřní oblasti paraboly

Polární souřadnicový systém

Z polárních souřadnic je snadno vidět, že kruhovou inverzí paraboly je srdcovka

Parabola s ohniskem v počátku souřadnicového systému s vrcholem na záporné poloose x má obecnou rovnici:

kde je parametr paraboly.

Odtud je vidět, že parametr paraboly má také význam poloviny délky tzv. latus rectum, což je tětiva kuželosečky kolmá na hlavní osu v ohnisku . U paraboly se tato hodnota rovná čtyřnásobku ohniskové vzdálenosti.

Z polární rovnice lze rovněž nahlédnout, že parabola vznikne též kruhovou inverzí srdcovky.

Parabola ve skutečném světě

Trajektorií tělesa pohybujícího se v homogenním gravitačním poli (např. v blízkosti zemského povrchu) je právě parabola. Při započítání vlivu odporu vzduchu se tělesa pohybují po balistické křivce, viz volný pád.

Po parabole se také pohybuje těleso v centrálním gravitačním poli, pokud je jeho rychlost přesně rovna únikové rychlosti a směr se nerovná směru tohoto pole. Například dráhy, po nichž se pohybují některé komety, jsou velmi blízké parabolám.

Pokud se paprsek přicházející do paraboly (či paraboloidu) rovnoběžně s osou symetrie odrazí od paraboly/paraboloidu, bude procházet ohniskem (a naopak, paprsek vydávaný zdrojem umístěným v ohnisku vychází z paraboly/paraboloidu vždy rovnoběžně s osou symetrie). To je důvod, proč se vyrábějí parabolická zrcadla a antény (např. v reflektorech automobilů, dalekohledech, satelitních anténách apod.).

Související články

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Parabola kartezsky system vpravo.GIF
(c) D1ce na projektu Wikipedie v jazyce čeština, CC BY-SA 3.0
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvírající se do kladné části osy x.
Parabola kartezsky system vlevo.GIF
(c) D1ce na projektu Wikipedie v jazyce čeština, CC BY-SA 3.0
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvírající se do záporné části osy x.
Inverse Curves Parabola Cardioid.svg
The cardioid and the parabola are inverse curves.
Parabola kartezsky system nahore.GIF
Autor: Original uploader was D1ce at cs.wikipedia, Licence: CC BY-SA 3.0
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvírající se do kladné části osy y.
Parabola kartezsky system dole.GIF
(c) D1ce na projektu Wikipedie v jazyce čeština, CC BY-SA 3.0
Parabola v kartézském souřadnicovém systému rozvírající se do záporné části osy y.
Parabola kartezsky system.GIF
(c) D1ce, CC BY-SA 3.0
Obrázek popisující parabolu v kartézském souřdnicovém systému. Vlastní tvorba.