Analitička geometrija u ravnini

Transcript

1 Analitička geometrija u ravnini September 5, Vektori u koordinatnom sustavu 1.1 Udaljenost točaka u koordinatnom sustavu pravokutni koordinatni sustav potpuno je odred en ishodištem jediničnim vektorima i i j j i Slika 1: Pravokutni koordinatni sustav u ravnini. promotrimo dvije točke u ravnini: T 1 ( 1, 1 ) i T 2 ( 2, 2 ) 1

2 1 VEKTRI U KRDINATNM SUSTAVU 2 2 d T T Q 1 2 Slika 2: Udaljenost točaka T 1 i T 2 u ravnini. udaljenost d izmed u točaka T 1 i T 2 možemo izračunati pomoću Pitagorinog teorema d 2 = ( 2 1 ) 2 + ( 2 1 ) 2 = d = ( 2 1 ) 2 + ( 2 1 ) 2 (1) 1.2 Koordinate i duljine vektora u koordinatnom sustavu promatramo točku u ravnini T(, ) T(, ) j i Slika 3: Vektor s hvatištem u ishodištu i krajem u točki. povučemo vektor od ishodišta do točke T T = i + j (2)

3 1 VEKTRI U KRDINATNM SUSTAVU 3 nešto složeniji problem dobijemo ako tražimo koordinate vektora izmed u dvije proizvoljne točke u ravnini označimo s a vektor koji ima početak u točki T 1 ( 1, 1 ) i kraj u točki T 2 ( 2, 2 ) T 2 a T 1 T 2 a a j T 1 a i Slika 4: Vektor s hvatištem u točki T 1 i krajem u točki T 2. iz sl. 4 slijedi T 2 = T 1 + a = a = T 2 T 1 (3) u jedn. (3) uvrstimo poznate izraze T 1 = 1 i + 1 j i T 2 = 2 i + 2 j (4) ( ) a = 2 i + 2 j 1 i + 1 j = ( 2 1 ) i + ( 2 1 ) j (5) vektor a takod er možemo rastaviti na komponente a = a i + a j (6) izraze uz i i j možemo izjednačiti jer su vektori i i j linearno nezavisni = a = 2 1 i a = 2 1 (7) komponentu a dobijemo tako da od koordinate krajnje točke vektora oduzmemo koordinatu njegove početne točke komponentu a dobijemo tako da od koordinate krajnje točke vektora oduzmemo koordinatu njegove početne točke vektor a možemo napisati u obliku a = ( 2 1 ) i + ( 2 1 ) j (8)

4 1 VEKTRI U KRDINATNM SUSTAVU 4 duljina vektora a jednaka je udaljenosti točaka T 1 i T 2 a = a 2 + a 2 = ( 2 1 ) 2 + ( 2 1 ) 2 (9) 1.3 komitost vektora želimo izvesti uvjet okomitosti vektora a i b = a + b 1 = 1 a + b 2 Slika 5: komiti vektori a i b. vektor c jednak je razlici vektora a i b c = a b (10) ako su vektori a i b okomiti, vrijedi Pitagorin poučak c 2 = a 2 + b 2 (11) komponente vektora c c = a b i c = a b (12) uvrstimo komponente vektora c u jednadžbu (11) c 2 + c2 = (a b ) 2 + (a b ) 2 = a 2 + b2 2a b + a 2 + b2 2a b (13) sada možemo izvesti uvjet okomitosti vektora a i b a 2 + b 2 2a b + a 2 + b 2 2a b = a 2 + a 2 + b 2 + b 2 (14) = a b + a b = 0 (15)

5 2 JEDNADŽBA PRAVCA 5 u općenitom slučaju vektora u prostoru uvjet okomitosti glasi = a b + a b + a z b z = 0 (16) uvjet (16) ekvivalentan je uvjetu a b = 0 (17) 2 Jednadžba pravca 2.1 Eksplicitni oblik jednadžbe pravca graf polinoma prvog stupnja predstavlja pravac u ravnini f() = a + b (18) da bi konstruirali graf funkcije (18) dovoljno je nacrtati dvije točke s koordinatama T(, f()) i provući pravac kroz njih Primjer: f() = 2 1 potrebne su nam dvije točke za konstrukciju grafa: T 1 ( 1, f( 1 )) i T 2 ( 2, f( 2 )) npr., možemo izabrati 1 = 0 i 2 = 1 = T 1 (0, 1) i T 2 (1, 1) (19) kroz točke povučemo pravac

6 2 JEDNADŽBA PRAVCA 6 = 2 1 T 2 (1, 1) T 1 (0, 1) Slika 6: Konstrukcija pravca. jednadžbu () = a + b (20) obično zovemo eksplicitni oblik jednadžbe pravca p parametar a zovemo koeficijent smjera pravca p koeficijent b odgovara odsječku pravca p na osi ( = 0) = a 0 + b = b (21) = a + b b = ( = 0) Slika 7: dsječak pravca na osi.

7 2 JEDNADŽBA PRAVCA 7 koeficijent smjera mjeri nagib pravca ako je koeficijent smjera pozitivan funkcija f() = a + b je strogo rastuća 1 < 2 = f( 1 ) < f( 2 ) (22) ako je koeficijent smjera negativan funkcija f() = a + b je strogo padajuća 1 < 2 = f( 1 ) > f( 2 ) (23) a = 2 a = 1 a = 1 2 a = 1 2 a = 2 a = 1 Slika 8: Primjeri pravaca s različitim koeficijentima smjera. što je apsolutna vrijednost koeficijenta smjera veća, pravac brže raste ili pada pravci = a 1 + b 1 i = a 2 + b 2 su paralelni ako su ima koeficijenti smjera jednaki tj. ako vrijedi a 2 = a 1 (24) pravci = a 1 + b 1 i = a 2 + b 2 su okomiti ako vrijedi a 2 = 1 a 1 (25)

8 2 JEDNADŽBA PRAVCA 8 = a + b 2 = a + b 1 = a + b 1 = 1 a + b 2 Slika 9: Primjer paralelnih i okomitih pravaca. 2.2 Implicitni oblik jednadžbe pravca prvo ćemo izvesti jednadžbu pravca za koji je zadan koeficijent smjera i jedna točka kroz koju pravac prolazi označimo zadanu točku s T 1 ( 1, 1 ) pravac prolazi kroz točku T 1 pa sigurno vrijedi 1 = a 1 + b = b = 1 a 1 (26) parametar b uvrstimo u jedn. 20 i dolazimo do jednadžbe pravca s koeficijentom smjera a koji prolazi kroz točku T 1 ( 1, 1 ) = a + b = = a + 1 a 1 = 1 = a( 1 ) (27) u sljedećem koraku izvodimo jednadžbu pravca ako su nam zadane dvije točke kroz koje pravac prolazi T 1 ( 1, 1 ) i T 2 ( 2, 2 ) pravac prolazi kroz točke T 1 i T 2 pa sigurno vrijedi iz jedn. (28) izrazimo odsječak b i uvrstimo ga u jedn. (29) 1 = a 1 + b (28) 2 = a 2 + b (29) b = 1 a 1, (30) 2 = a a 1 = a( 2 1 ) = 2 1 (31)

9 3 KRIVULJE DRUGG REDA 9 pod uvjetom da vrijedi 1 2 možemo napisati a = (32) jednadžba pravca koji prolazi kroz točke T 1 ( 1, 1 ) i T 2 ( 2, 2 ) glasi 3 Krivulje drugog reda 3.1 Kružnica 1 = ( 1 ) (33) pretpostavimo da u ravnini leži točka C i da je zadan realni broj r skup svih točaka u rvnini koje su od točke C udaljene za r zovemo kružnica radijusa r točka C je središte kružnice u najjednostavnijem slučaju kružnica ima središte u ishodištu udaljenost točke T(, ) od ishodišta d(t, ) = (34) jednadžba kružnice radijusa r sa središtem u ishodištu glasi d(t, ) = r = = r = = r 2 (35) r T(, ) Slika 10: Kružnica radijusa r sa središtem u ishodištu

10 3 KRIVULJE DRUGG REDA Elipsa Definicija elipse pretpostavimo da u ravnini leže dvije točke F 1 i F 2 udaljene za d(f 1, F 2 ) 2c (36) neka je a realan broj za koji vrijedi a > 1 2 d(f 1, F 2 ) = a > c (37) skup svih točaka ravnine za koje zbroj udaljenosti od točaka F 1 i F 2 iznosi 2a zovemo elipsa d(f 1, T) + d(f 2, T) d 1 + d 2 = 2a, (38) T d 1 d 2 F 1 F 2 Slika 11: Primjer elipse Konstrukcija elipse želimo konstruirati elipsu kojoj su zadani fokusi, kao i zbroj udaljenosti točke elipse od fokusa nacrtamo točke F 1 i F 2 u ravnini, pravac p koji prolazi kroz njih i točku koja se nalazi na polovištu dužine F 1 F 1 udaljenost točaka F 1 i F 2 iznosi 2c

11 3 KRIVULJE DRUGG REDA 11 c F 1 F 2 p Slika 12: Prvi korak pri konstrukciji elipse nacrtamo kružnicu radijusa a sa središtem u točki kružnica siječe pravac p u točkama A 1 i A 2 a A 2 F 2 F 1 A 1 p Slika 13: Drugi korak pri konstrukciji elipse udaljenost točke A 1 od fokusa F 1 d(a 1, F 1 ) = A 1 F 1 = A 1 F 1 = a c (39) udaljenost točke A 1 od fokusa F 2 d(a 1, F 2 ) = A 1 F 2 = A 1 + F 2 = a + c (40) zbroj udaljenosti točke A 1 od fokusa d(a 1, F 1 ) + d(a 1, F 2 ) = a c + a + c = 2a (41)

12 3 KRIVULJE DRUGG REDA 12 točka A 1 se očito nalazi na elipsi istim postupkom bi zaključili da se i točka A 2 nalazi na elipsi u sljedećem koraku odaberemo bilo koju točku T na dužini F 1 F 2 oko točke F 1 opišemo kružnicu radijusa d 1 = d(a 1, T), a oko točke F 2 kružnicu radijusa d 2 = d(a 2, T) T 1 d 1 d 2 A 1 F 1 T F 2 A 2 p T 2 Slika 14: Treći korak pri konstrukciji elipse dvije kružnice se sijeku u točkama T 1 i T 2 promotrimo točku T 1 zbroj udaljenosti točke T 1 od fokusa F 1 i F 2 iznosi d(f 1, T 1 ) + d(f 2, T 1 ) = d 1 + d 2 = d(a 1, T) + d(a 2, T) = d(a 1, A 2 ) = 2a (42) jednako tako vrijedi d(f 1, T 2 ) + d(f 2, T 2 ) = d 1 + d 2 = d(a 1, T) + d(a 2, T) = d(a 1, A 2 ) = 2a (43) točke T 1 i T 2 takod er pripadaju elipsi sada oko točke F 1 opišemo kružnicu radijusa d(a 2, T), a oko točke F 2 kružnicu radijusa d(a 1, T)

13 3 KRIVULJE DRUGG REDA 13 T 3 d 1 d 2 A 1 F 1 T F 2 A 2 p T 4 Slika 15: Četvrti korak pri konstrukciji elipse dvije kružnice sijeku se u točkama T 3 i T 4 promotrimo točku T 3 zbroj udaljenosti točke T 3 od fokusa F 1 i F 2 iznosi d(f 1, T 3 ) + d(f 2, T 3 ) = r 1 + r 2 = d(a 2, T) + d(a 1, T) = d(a 2, A 1 ) = 2a (44) jednako tako vrijedi d(f 1, T 4 ) + d(f 2, T 4 ) = r 1 + r 2 = d(a 2, T) + d(a 1, T) = d(a 2, A 1 ) = 2a (45) točke T 3 i T 4 takod er pripadaju elipsi odabirom različitih točaka T možemo odrediti više točaka elipse i spojiti ih T 3 T 3 T 1 T 1 T 3 T 1 A 2 A 1 T 4 T 2 T 4 T 4 T 2 T 2 Slika 16: Konstrukcija elipse.

14 3 KRIVULJE DRUGG REDA Svojstva elipse osnovni pojmovi vezani uz elipsu fokusi ili žarišta elipse: točke F 1 i F 2 središte elipse: polovište dužine F 1 F 2 Fokusi F 1 F 2 Središte Slika 17: Fokusi i središte elipse. prva glavna os elipse: pravac kroz fokuse druga glavna os elipse: pravac okomit na prvu glavnu os koji prolazi kroz središte elipse tjemena ili vrhovi elipse: sjecišta elipse s glavnim osima Glavne osi B 2 Tjemena elipse A 1 A 2 B 1 Slika 18: Glavne osi i tjemena elipse. linearni ekscentricitet elipse: c = d(f 1, F 2 )/2 velika poluos elipse: a = d(, A 1 ) = d(, A 2 )

15 3 KRIVULJE DRUGG REDA 15 mala poluos elipse: b = d(, B 1 ) = d(, B 2 ) Velika poluos b a Mala poluos Slika 19: Velika i mala poluos elipse. numerički ekscentricitet elipse: e = c/a koristeći definiciju elipse možemo izvesti relaciju koja povezuje malu poluos, veliku poluos i udaljenost fokusa od ishodišta T a b a F 2 c F 1 promotrimo točku T na sl. 20 Slika 20: Dokaz relacije a 2 = b 2 + c 2. trokut F 1 F 2 T je jednakokračan, a zbroj udaljenosti točke T od fokusa iznosi 2a duljina svakog kraka trokuta F 1 F 2 T mora biti jednaka a sada primjenimo Pitagorin poučak na trokut TF 1 slijedi relacija izmed u velike poluosi a, male poluosi b i koordinate fokusa c a 2 = b 2 + c 2 (46)

16 3 KRIVULJE DRUGG REDA Jednadžba elipse ako su a i b poluosi elipse i ako se osi koordinatnog sustava poklapaju s glavnim osima elipse, tada jednadžba elipse glasi trebamo dokazati dvije tvrdnje 2 a b 2 = 1 (47) Tvrdnja 1: ako točka T(, ) pripada elipsi njezine koordinate zadovoljavaju jedn. (47) točka T prema pretpostavci pripada elipsi to znači da zbroj udaljenosti točke T od fokusa iznosi 2a d(t, F 1 ) + d(t, F 2 ) = 2a (48) koordinate fokusa F 1 ( c, 0) i F 2 (c, 0) (49) udaljenost točke od fokusa d(t, F 1 ) = ( + c) i d(t, F 2 ) = ( c) (50) jedn. (48) prelazi u ( + c) ( c) = 2a (51) jedan od korijena prebacimo na desnu stranu jednadžbe ( + c)2 + 2 = 2a ( c) (52) kvadriramo gornju jednadžbu ( + c) = 4a 2 4a ( c) ( c) (53) 2 + 2c + c = 4a 2 4a ( c) c + c (54) 2c = 4a 2 4a ( c) c (55) 4a ( c) = 4a 2 4c (56) a [ 2 ( c) 2 + 2] = (a 2 c) 2 (57) a [ 2 2 2c + c 2 + 2] = a 4 2a 2 c + 2 c 2 (58) a 2 2 2a 2 c + a 2 c 2 + a 2 2 = a 4 2a 2 c + 2 c 2 (59) 2 (a 2 c 2 ) + a 2 2 = a 2 (a 2 c 2 ) (60)

17 3 KRIVULJE DRUGG REDA 17 iskoristimo relaciju izmed u velike i male poluosi b 2 = a 2 c 2 = 2 b a 2 = a 2 b 2 (61) podijelimo prethodnu jednadžbu s a 2 b 2 i dolazimo do jednadžbe koju smo trebali pokazati 2 a b 2 = 1 (62) Tvrdnja 2: ako koordinate točke T(, ) zadovoljavaju jedn. (47) onda točka pripada elipsi trebamo pokazati da zbroj udaljenosti točke T od fokusa iznosi 2a udaljenost točke T od fokusa F 1 d(t, F 1 ) 2 = ( + c) = 2 + 2c + c (63) koordinate točke zadovoljavaju jedn. (47) udaljenost od fokusa 2 a b 2 = 1 = 2 = b 2 b2 a 22 (64) d(t, F 1 ) 2 = 2 + 2c + c 2 + b 2 b2 a 22 = 2a2 b 2 a 2 + 2c + c 2 + b 2 (65) iskoristimo relaciju b 2 = a 2 c 2 ( d(t, F 1 ) 2 = c2 c ) 2 + 2c + a 2 = a 22 a + a (66) jednakim postupkom bi došli do udaljenosti točke T od drugog fokusa d(t, F 2 ) 2 = ( a c a ) 2 (67) dakle, zbroj udaljenosti zaista iznosi 2a d(t, F 1 ) + d(t, F 2 ) = (a + c ) a + (a c ) a = 2a (68)

18 3 KRIVULJE DRUGG REDA Hiperbola Definicija hiperbole pretpostavimo da u ravnini leže dvije točke F 1 i F 2 udaljene za d(f 1, F 2 ) = 2c (69) neka je a realan broj za koji vrijedi a < 1 2 d(f 1, F 2 ) = a < c (70) skup svih točaka ravnine za koje apsolutna vrijednost razlike udaljenosti od točaka F 1 i F 2 iznosi 2a zovemo hiperbola d(f 1, T) d(f 2, T) = 2a, (71) T(, ) d 2 d 1 F 2 F 1 Slika 21: Primjer hiperbole Konstrukcija hiperbole želimo konstruirati hiperbolu kojoj su zadani fokusi, kao i razlika udaljenosti točke hiperbole od fokusa nacrtamo točke F 1 i F 2 u ravnini, pravac p koji prolazi kroz njih i točku koja se nalazi na polovištu dužine F 1 F 1 udaljenost točaka F 1 i F 2 iznosi 2c

19 3 KRIVULJE DRUGG REDA 19 F 1 F 2 c p Slika 22: Prvi korak pri konstrukciji hiperbole nacrtamo kružnicu radijusa a sa središtem u ishodištu sustava kružnica siječe pravac p u točkama A 1 i A 2 udaljenost točke A 1 od fokusa F 1 d(a 1, F 1 ) = d(, F 1 ) d(, A 1 ) = c a (72) udaljenost točke A 1 od fokusa F 2 apsolutna vrijednost razlika udaljenosti točka A 1 očito pripada hiperboli d(a 1, F 2 ) = d(, F 2 ) + d(, A 1 ) = c + a (73) d(a 1, F 1 ) d(a 1, F 2 ) = c a c a = 2a (74) jednakim postupkom bi pokazali da točka A 2 takod er pripada hiperboli sada odaberemo točku T koja leži na pravcu p, ali se nalazi izvan dužine F 1 F 2 nacrtamo jednu kružnicu radijusa d(t, A 1 ) sa središtem u fokusu F 1 i drugu kružnicu radijusa d(t, A 2 ) sa središtem u fokusu F 2 dvije kružnice se sijeku u točkama T 1 i T 2 udaljenost točaka T 1 i T 2 od fokusa F 1 jednaka je radijusu prve kručnice d(t, A 1 ) = d(, T) d(, A 1 ) = d(, T) a (75)

20 3 KRIVULJE DRUGG REDA 20 udaljenost točaka T 1 i T 2 od fokusa F 2 jednaka je radijusu druge kručnice d(t, A 2 ) = d(, T) + d(, A 2 ) = d(, T) + a (76) apsolutna vrijednost razlike udaljenosti u oba slučaja iznosi d(t, A 1 ) d(t, A 2 ) = d(t, ) a d(t, ) a = 2a (77) točke T 1 i T 2 pripadaju elipsi u sljedećem koraku nacrtamo jednu kružnicu radijusa d(t, A 1 ) sa središtem u fokusu F 2 i drugu kružnicu radijusa d(t, A 2 ) sa središtem u fokusu F 1 dvije kružnice se sijeku u točkama T 3 i T 4 jednakim postupkom kao u prethodnom koraku pokazali da točke T 3 i T 4 pripadaju hiperboli ako postupak ponovimo za više točaka T doći ćemo do niza točaka koje pripadaju hiperboli, a time i do same hiperbole Svojstva hiperbole osnovni pojmovi vezani uz hiperbolu fokusi ili žarišta hiperbole: točke F 1 i F 2 središte hiperbole: polovište dužine F 1 F 2 Fokusi Središte F 1 F 2 Slika 23: Fokusi i središte hiperbole. prva glavna os hiperbole: pravac kroz fokuse

21 3 KRIVULJE DRUGG REDA 21 druga glavna os hiperbole: pravac okomit na prvu glavnu os koji prolazi kroz središte hiperbole tjemena ili vrhovi hiperbole: sjecišta hiperbole s glavnim osima Glavne osi Tjemena hiperbole T 1 T 2 Slika 24: Glavne osi i tjemena hiperbole. linearni ekscentricitet hiperbole: c = d(f 1, F 2 )/2 velika poluos hiperbole: a = d(, A 1 ) = d(, A 2 ) mala poluos hiperbole: b = d(, B 1 ) = d(, B 2 ) Velika poluos Mala poluos a b Slika 25: Velika i mala poluos hiperbole. numerički ekscentricitet hiperbole: e = c/a Jednadžba hiperbole pretpostavimo da se osi koordinatnog sustava poklapaju s glavnim osima hiperbole i da fokusi hiperbole pritom leže na osi

22 3 KRIVULJE DRUGG REDA 22 jednadžba hiperbole tada glasi trebamo pokazati dvije tvrdnje 2 a 2 2 b 2 = 1 (78) Tvrdnja 1: ako točka T(, ) pripada hiperboli, njezine koordinate vezane su jednadžbom (78) točka T prema pretpostavci pripada hiperboli pa vrijedi d(f 1, T) d(f 2, T) = 2a (79) koordinate fokusa: F 1 = (c, 0) i F 2 = ( c, 0) udaljenost točke T(, ) od fokusa iznosi d(f 1, T) = ( c) i d(f 2, T) = ( + c) (80) pretpostavimo prvo da vrijedi d(f 1, T) > d(f 2, T) d(f 1, T) d(f 2, T) = 2a = ( c) ( + c) = 2a (81) prebacimo jedan od korijena na drugu stranu jednadžba i kvadriramo je ( c)2 + 2 = ( + c) a (82) ( c) = ( + c) a ( + c) a 2 (83) 2 2c + c 2 = 2 + 2c + c 2 + 4a ( + c) a 2 (84) 4c 4a 2 = 4a ( + c) (85) c + a 2 = a ( + c) (86) 2 c 2 + 2a 2 c + a 4 = a 2 ( + c) 2 + a 2 2 (87) 2 c 2 + 2a 2 c + a 4 = a a 2 c + a 2 c 2 + a 2 2 (88) 2 (c 2 a 2 ) a 2 2 = a 2 (c 2 a 2 ) (89) 2 b 2 a 2 2 = a 2 b 2 (90) 2 a 2 2 b 2 = 1 (91)

23 3 KRIVULJE DRUGG REDA Parabola Definicija parabole pretpostavimo da u ravnini leže točka F i pravac p skup svih točaka ravnine koje su jednako udaljene od točke F i pravca p zovemo parabola Konstrukcija parabole želimo konstruirati parabolu kojoj su zadani fokus F i direktrisa ρ pritom udaljenost fokusa od direktrise iznosi p prvi korak je da povučemo okomicu na direktrisu ρ koja prolazi kroz fokus F F p Q ρ Slika 26: Prvi korak konstrukcije parabole točka koja se nalazi na polovištu dužine FQ jednako je udaljena od fokusa i direktrise (za p/2) pa se sigurno nalazi na paraboli u drugom koraku kroz fokus povučemo paralelu s direktrisom (označimo je s t) i nacrtamo kružnicu radijusa p sa središtem u fokusu F kružnica siječe pravac t u točkama T 1 i T 2 obje točke su udaljene za p od fokusa jer se nalaze na kružnici istovremeno su obje udaljene za p od direktrise jer se nalaze na pravcu t

24 3 KRIVULJE DRUGG REDA 24 stoga obje točke pripadaju paraboli T 2 F T 1 Q ρ Slika 27: Drugi korak konstrukcije parabole treći korak konstrukcije parabole započinjemo odabirom proizvoljne točke T koja je smještena na okomici, ali iznad fokusa kroz točku T provučemo paralelu s direktrisom (označimo je s t) i nacrtamo kružnicu radijusa d(t, Q) kružnica siječe pravac t u točkama T 1 i T 2 točke T 1 i T 2 su udaljene za d(t, Q) od fokusa jer se nalaze na kružnici istovremeno su udaljene za d(t, Q) od direktrise jer se nalaze na pravcu t zaključujemo da se i točke T 1 i T 2 nalaze na paraboli

25 3 KRIVULJE DRUGG REDA 25 T T 2 T 2 F T 1 T 1 Q ρ Slika 28: Treći korak konstrukcije parabole ako postupak ponovimo s drugačijim odabirom točke T dolazimo do još dvije točke parabole T 2 T 1 T 2 T 1 T F 2 Q T 1 ρ Slika 29: Četvrti korak konstrukcije parabole na kraju točke spojimo u parabolu

26 3 KRIVULJE DRUGG REDA 26 T 2 T 1 T 2 T 1 T2 F T 1 Q ρ Slika 30: Dovršetak konstrukcije parabole Elementi parabole fokus i tjeme parabole fokus je točka iz definicije parabole: sve točke koje leže na paraboli su jednako udaljene od fokusa i ravnalice ili direktrise tjeme je točka koja je najbliže fokusu, a time i ravnalici fokus d T tjeme F Q d p Slika 31: Fokus i tjeme parabole. os parabole: pravac koji dijeli parabolu na dva jednaka dijela ravnalica ili direktrisa: sve točke koje leže na paraboli su jednako udaljene od fokusa i ravnalice ili direktrise

27 3 KRIVULJE DRUGG REDA 27 os parabole d T ravnalica F d Q p Slika 32: Fokus i tjeme parabole. parametar parabole: udaljenos fokusa od ravnalice (direktrise) parametar parabole obično označavamo s p odmah slijedi da je udaljenost fokusa od tjemena p/2, kao i udaljenost tjemena od ravnalice d T parametar parabole F p/2 p/2 d Q p Slika 33: Parametar parabole Jednadžba parabole ako je ishodište koordinatnog sustava u tjemenu parabole, a os parabole leži na osi, parabola ima jednadžbu oblika = 1 2p 2 (92)

28 3 KRIVULJE DRUGG REDA 28 d T(, ) F p/2 p/2 d Q p Slika 34: Izvod jednadžbe parabole. trebamo dokazati dvije tvrdnje Tvrdnja 1: ako točka T(, ) pripada paraboli tj. ako je njena udaljenost od fokusa F jednaka udaljenosti od direktrise p, za koordinate točke vrijedi = 1 2p 2 (93) točka T(, ) prema pretpostavci pripada paraboli pa je udaljenost točke od fokusa jednaka udaljenosti točke od direktrise d(f, T) = d(ρ, T) (94) ishodište sustava se nalazi u tjemenu parabole pa jednadžba direktrise glasi = p 2, (95) dok su koordinate fokusa F ( 0, p ) 2 (96) udaljenost točke T(, ) od direktrise udaljenost točke T(, ) od fokusa d(f, T) = d(ρ, T) = + p 2 (97) 2 + ( p 2) 2 (98)

29 3 KRIVULJE DRUGG REDA 29 uvjet (94) svodi se na 2 + ( p ) 2 p = (99) kvadriramo prethodnu jednadžbu 2 + ( p ) 2 ( = + p 2 (100) 2 2) p + p2 4 = 2 + p + p2 4 (101) 2 = 2p (102) koordinate točke T(, ) zaista su vezane relacijom = 1 2p 2 (103) Tvrdnja 2: ako za točku T(, ) vrijedi onda je točka T element parabole udaljenost točke od fokusa (vidi sliku 34) iznosi = 1 2p 2 (104) d 2 1 = 2 + ( p 2) 2 (105) uvrstimo vezu izmed i (104) i kvadriramo izraz u zagradi ( d 2 1 = 2p + 2 p + p2 p ) 2 ( 4 = 2 + p + = + p 2 (106) 2 2) udaljenost točke T od ravnalice (vidi sliku 34) iznosi d 2 = + p 2 (107) udaljenosti d 1 i d 2 su jednake točka T je jednako udaljena od fokusa i ravnalice pa se nalazi na paraboli

30 4 TRANSFRMACIJE KRDINATNG SUSTAVA 30 4 Transformacije koordinatnog sustava 4.1 Translacija koordinatnog sustava pretpostavimo da u ravnini leže koordinatni sustavi S i S položaj ishodišta sustava S u sustavu S odred en je vektorom = 0 i + 0 j (108) T ( 0, 0 ) Slika 35: Translacija koordinatnog sustava. položaj točke T u sustavu S odred en je vektorom položaj iste točke u sustavu S odred en je vektorom T = i + j (109) T = i + j (110) za svaku točku T vrijedi T = + T (111) uvrstimo jednadžbe (108), (109) i (110) u prethodni izraz i + j = i + j + 0 i + 0 j (112) jedinični vektori su linearno nezavisni pa možemo izjednačiti izraze uz i i j = + 0 i = + 0 (113)

31 4 TRANSFRMACIJE KRDINATNG SUSTAVA 31 našli smo formule za transformacije koordinata pri translaciji koordinatnog sustava = 0 i = 0 (114) = 0 i = 0 (115) formule (114) i (115) omogućuju povezivanje koordinata točke T u novom (S ) i starom sustavu (S) 4.2 Rotacija koordinatnog sustava pretpostavimo da koordinatni sustavi S i S leže u istoj ravnini, imaju zajedničko ishodište i da kut izmed u osi i (tj. i ) iznosi φ φ 90 0 φ j j i i φ Slika 36: Rotacija koordinatnog sustava u ravnini. točka T ima koordinate (, ) u sustavu S, dok su njene koordinate u sustavu S (, ) želimo povezati koordinate u sustavima S i S skalarni produkt jediničnih vektora u sustavima S i S i i = cos φ (116) j j = cos φ (117) i j = cos ( φ) = sin φ (118) j i = cos (90 0 φ) = sin φ (119) za općeniti vektor a vrijedi a = ( a i) i + ( a j) j (120)

32 5 ZADACI ZA VJEŽBU 32 primjenimo prethodnu formulu na jedinične vektore i i j i = ( i i) i + ( i j) j = cos φ i + sin φ j (121) j = ( j i) i + ( j j) j = sin φ i + cos φ j (122) točki T u sustavu S pridružene su koordinate (, ), a točki T koordinate (, ) vektor s hvatištem u ishodištu i krajem u točki T možemo napisati u oba sustava T = i + j = i + j (123) pomnožimo jednadžbu (123) s jediničnim vektorom i = i i + j i = cos φ + sin φ (124) pomnožimo jednadžbu (123) s jediničnim vektorom j jednadžbe transformacije možemo invertirati = i j + j j = sin φ + cosφ (125) = cosφ + sin φ (126) = sin φ + cosφ (127) = cosφ sin φ (128) = sin φ + cosφ (129) 5 Zadaci za vježbu Zadatak 1: Neka sustav S nastaje iz sustava S translacijom ishodišta za vektor 2 i + j i onda rotacijom za kut φ = U sustavu S nad i jednadžbu pravca = 0. Rješenje: ( ) + (2 3) + 14 = 0

33 5 ZADACI ZA VJEŽBU 33 Zadatak 2: Neka sustav S nastaje iz sustava S translacijom ishodišta za vektor 2 i + j i onda rotacijom za kut φ = U sustavu S nad i jednadžbu kružnice ( 1) 2 + ( + 3) 2. Rješenje: ( ) 2 + ( ) 2 = 4 Zadatak 3: Neka sustav S nastaje iz sustava S translacijom ishodišta za vektor 2 i + j i onda rotacijom za kut φ = U sustavu S nad i jednadžbu elipse Zadatak 4: = 1. Neka sustav S nastaje iz sustava S translacijom ishodišta za vektor 2 i + j i onda rotacijom za kut φ = U sustavu S nad i jednadžbu hiperbole = 1. Zadatak 5: Neka sustav S nastaje iz sustava S translacijom ishodišta za vektor 2 i + j i onda rotacijom za kut φ = U sustavu S nad i jednadžbu parabole = 2 2.