Kubovčík, M.: Kužeľosečky
Portál: | Virtuálna Univerzita Mateja Bela |
Kurz: | Didaktika matematiky |
Kniha: | Kubovčík, M.: Kužeľosečky |
Vytlačil(a): | Hosťovský používateľ |
Dátum: | štvrtok, 9 mája 2024, 05:27 |
1. Elipsa
Majme dva rôzne body roviny a reálne číslo .
Elipsa 𝔈 je množina všetkých bodov v rovine , ktoré majú rovnaký súčet vzdialeností od týchto dvoch
zvolených bodov a tento súčet je väčší, ako je vzdialenosť ohnísk:
𝔈 = {}.
Elipsa 𝔈 je množina všetkých bodov v rovine , ktoré majú rovnaký súčet vzdialeností od týchto dvoch
zvolených bodov a tento súčet je väčší, ako je vzdialenosť ohnísk:
𝔈 = {}.
Priamky prechádzajúce ľubovoľným bodom elipsy a jej ohniskami
alebo sa nazývajú sprievodiče bodu .
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom leží stred elipsy , vo vonkajšom uhle sprievodičov ležia hlavné vrcholy elipsy .
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom leží stred elipsy , vo vonkajšom uhle sprievodičov ležia hlavné vrcholy elipsy .
Priamka je dotyčnicou ku elipse v dotykovom bode práve vtedy,
keď je osou vonkajšieho uhla 𝜔 sprievodičov bodu dotyku .
keď je osou vonkajšieho uhla 𝜔 sprievodičov bodu dotyku .
Združené priemery elipsy nazývame také dva priemery elipsy, pre ktoré platí,
že dotyčnice v krajných bodoch jedného priemeru sú rovnobežné s priemerom k nemu združenému.
že dotyčnice v krajných bodoch jedného priemeru sú rovnobežné s priemerom k nemu združenému.
Riadiace kružnice elipsy sú množiny bodov súmerných s jedným ohniskom elipsy podľa všetkých dotyčníc ku elipse,
pričom stred tejto kružnice je v druhom ohnisku a polomer kružnice je o veľkosti :
.
pričom stred tejto kružnice je v druhom ohnisku a polomer kružnice je o veľkosti :
.
1.1. Konštrukcia elipsy
Ohnisková (bodová) konštrukcia:
najprv zostrojíme úsečku o veľkosti \2a\) a na nej si zvolíme ľubovoľný bod
potom zostrojíme tzv. hyperoskulačné kružnice
takto získame body patriace hľadanej elipsy ako prienik hyperoskulačných kružníc
ďalšie body elipsy získame podobným postupom ľubovoľnou voľbou bodu na úsečke
Trojuholníková (zástavková) konštrukcia:
- využívame vtedy, ak máme zadané stred elipsy , veľkosti hlavnej a vedľajšej polosi , hlavnú a vedľajšiu os
- zostrojíme sústredné kružnice
- vedieme ľubovoľnú priamku p prechádzajúcu stredom elipsy
- získame priesečníky polpriamky a sústredných kružníc:
- zostrojíme takéto priamky
- získame bod elipsy ako priesečník zostrojených priamok:
Prúžková konštrukcia:
- využívame vtedy, ak máme zadanú hlavnú os , hlavné vrcholy a bod , ktorý patrí elipse, ale nie je vrcholom tejto elipsy
- nájdeme stred elipsy ako stred úsečky
- takto poznáme veľkosť hlavnej polosi , teraz nám stačí nájsť veľkosť vedľajšej polosi
- najprv zostrojíme vedľajšiu os
- potom zostrojíme kružnicu so stredom v bode a polomerom , t. j.
- získame priesečník
- zostrojíme priamku a získame priesečník tejto priamky a hlavnej osi
- hľadaná veľkosť vedľajšej polosi je
- obdobne postupujeme, keď poznáme vedľajšie vrcholy , s rozdielom, že hľadáme veľkosť hlavnej polosi
Rytzova konštrukcia:
- využívame vtedy, keď poznáme združené priemery elipsy
- keďže združené priemery sa pretínajú v strede elipsy, tak najprv nájdeme tento stred elipsy , a potom otočíme bod o okolo bodu , t. j.
- nájdeme bod ako stred úsečky
- zostrojíme kružnicu \(𝑘(O; r = |OS|)\)a priamku
- získame priesečníky kružnice a priamky také, pre ktoré platí:
1.2. Konštrukčné úlohy na elipsu
Príklad 1: Zostrojte elipsu, ak sú dané jej dve dotyčnice , stred elipsy a hlavná polos .
Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 2: Zostrojte elipsu, ak je dané ohnisko , vedľajší vrchol a bod patriaci elipse. Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 3: Zostrojte elipsu, ak sú dané jej vedľajšie vrcholy a bod patriaci tejto elipse. Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 4: Daný je trojuholník a jeho vnútorný bod . Zostrojte elipsu vpísanú trojuholníku tak,
aby bod bol jej ohniskom. Riešenie úlohy v GeoGebre.
2. Hyperbola
Majme dva rôzne body roviny a reálne číslo .
Hyperbola ℌ je množina všetkých bodov v rovine , ktoré majú rovnaký rozdiel vzdialeností
od týchto dvoch zvolených bodov a tento absolútny rozdiel je menší, ako je vzdialenosť ohnísk:
ℌ = {}.
Hyperbola ℌ je množina všetkých bodov v rovine , ktoré majú rovnaký rozdiel vzdialeností
od týchto dvoch zvolených bodov a tento absolútny rozdiel je menší, ako je vzdialenosť ohnísk:
ℌ = {}.
Asymptoty hyperboly sú priamky, ktoré prechádzajú stredom hyperboly
a zvierajú s hlavnou osou hyperboly uhol , pre ktorý platí .
a zvierajú s hlavnou osou hyperboly uhol , pre ktorý platí .
Priamky prechádzajúce ľubovoľným bodom hyperboly a jej ohniskami alebo sa nazývajú sprievodiče bodu .
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom ležia ohniská hyperboly , inak ide o vonkajší uhol sprievodičov.
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom ležia ohniská hyperboly , inak ide o vonkajší uhol sprievodičov.
Priamka je dotyčnicou ku hyperbole v dotykovom bode práve vtedy, keď je osou vonkajšieho uhla sprievodičov bodu dotyku .
Riadiace kružnice hyperboly sú množiny bodov súmerných s jedným ohniskom hyperboly
podľa všetkých dotyčníc ku hyperbole, pričom stred tejto kružnice je v druhom ohnisku a polomer kružnice je o veľkosti 2:
.
podľa všetkých dotyčníc ku hyperbole, pričom stred tejto kružnice je v druhom ohnisku a polomer kružnice je o veľkosti 2:
.
2.1. Konštrukcia hyperboly
Ohnisková (bodová) konštrukcia:
- využívame vtedy, ak máme zadané
- nájdeme stred hyperboly ako stred úsečky
- zostrojíme kružnicu a hlavné vrcholy nájdeme ako priesečník kružnice a priamky
- zvolíme si ľubovoľný bod na priamke
- potom zostrojíme kružnice ,
- nájdeme body patriace hyperbole ako priesečníky kružníc
2.2. Konštrukčné úlohy na hyperbolu
Príklad 1: Zostrojte hyperbolu, ak sú dané jej dva hlavné vrcholy a dotyčnica ku hyperbole . Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 2: Zostrojte hyperbolu, ak je daná jej asymptota , ohnisko a hlavná polos . Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 3: Zostrojte hyperbolu, ak je daná hlavná os , na nej ohnisko , lineárna excentricita a bod patriaci hyperbole. Riešenie príkladu v GeoGebre.
3. Parabola
Majme bod roviny a priamku ležiacu v tejto rovine , pričom .
Parabola je množina všetkých bodov v rovine ,
ktoré majú rovnakú vzdialenosť od danej priamky a pevne zvoleného bodu :
𝔓 = {}.
Parabola je množina všetkých bodov v rovine ,
ktoré majú rovnakú vzdialenosť od danej priamky a pevne zvoleného bodu :
𝔓 = {}.
Priamky prechádzajúce ľubovoľným bodom hyperboly a jej ohniskom kolmicou prechádzajúcou bodom
vzhľadom na riadiacu priamku s priesečníkom nazývame sprievodiče bodu .
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom leží ohnisko , inak ide o vonkajšie uhly sprievodičov.
vzhľadom na riadiacu priamku s priesečníkom nazývame sprievodiče bodu .
Sprievodiče bodu tvoria dva uhly so spoločným vrcholom v bode .
Vnútorným uhlom sprievodičov nazývame taký uhol, v ktorom leží ohnisko , inak ide o vonkajšie uhly sprievodičov.
3.1. Konštrukcia paraboly
Teraz uvedieme ohniskovú (bodovú) konštrukciu paraboly, ktorá vychádza z predpokladu, že parabola je množina bodov danej vlastnosti:
- využívame vtedy, keď poznáme ohnisko a riadiacu priamku
- zostrojíme kolmicu na riadiacu priamku prechádzajúcu cez ohnisko , pätu tejto kolmice označíme
- na polpriamke si zvolíme ľubovoľný bod
- cez bod vedieme rovnobežnú priamku s riadiacou priamkou
- zostrojíme kružnicu
- hľadané body paraboly sú priesečníky kružnice a priamky
3.2. Konštrukčné úlohy na parabolu
Príklad 1: Zostrojte parabolu, ak je dané jej ohnisko a dva rôzne body patriace tejto parabole. Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 2: Daná je priamka a dva rôzne body neležiace na priamke . Zostrojte parabolu, aby priamka bola jej riadiaca priamka a body boli jej
body. Riešenie príkladu v GeoGebre.
4. Kužeľosečka ako rovinný rez rotačnej kužeľovej plochy
Quételetova – Dandelinova veta:
Rezom rotačnou kužeľovou plochou neprechádzajúcou jej vrcholom, je:
• elipsa práve vtedy, keď rovinný rez pretína všetky tvoriace priamky kužeľovej plochy;
• parabola práve vtedy, keď rovinný rez je rovnobežný práve s jednou tvoriacou priamkou kužeľovej plochy;
• hyperbola práve vtedy, keď rovinný rez je rovnobežný práve s dvomi tvoriacimi priamkami kužeľovej plochy.
Tieto kužeľosečky majú ohniská v dotykových bodoch guľových plôch vpísaných rotačnej kužeľovej ploche a dotýkajúcich sa rovinných rezov.
Rezom rotačnou kužeľovou plochou neprechádzajúcou jej vrcholom, je:
• elipsa práve vtedy, keď rovinný rez pretína všetky tvoriace priamky kužeľovej plochy;
• parabola práve vtedy, keď rovinný rez je rovnobežný práve s jednou tvoriacou priamkou kužeľovej plochy;
• hyperbola práve vtedy, keď rovinný rez je rovnobežný práve s dvomi tvoriacimi priamkami kužeľovej plochy.
Tieto kužeľosečky majú ohniská v dotykových bodoch guľových plôch vpísaných rotačnej kužeľovej ploche a dotýkajúcich sa rovinných rezov.
Nech je rovinný rez neprechádzajúci vrcholom rotačnej kužeľovej plochy .
Nech je uhol, ktorý zvierajú tvoriace priamky rotačnej kužeľovej plochy s rovinou kolmou na os kužeľovej plochy.
Nech je uhol, ktorý zviera rovinný rez s rovinou kolmou na os kužeľovej plochy. Rezom je:
• elipsa práve vtedy, keď ;
• parabola práve vtedy, keď ;
• hyperbola práve vtedy, keď .
Nech je uhol, ktorý zvierajú tvoriace priamky rotačnej kužeľovej plochy s rovinou kolmou na os kužeľovej plochy.
Nech je uhol, ktorý zviera rovinný rez s rovinou kolmou na os kužeľovej plochy. Rezom je:
• elipsa práve vtedy, keď ;
• parabola práve vtedy, keď ;
• hyperbola práve vtedy, keď .
4.1. Dôkaz vety pre elipsu
Ak chceme dokázať, že prienik rovinného rezu a rotačnej kužeľovej plochy je elipsa,
tak nám stačí ukázať, že body tohto prieniku majú konštantný súčet vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk).
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme dve guľové plochy
dotýkajúce sa tejto kužeľovej plochy pozdĺž kružníc tak,
aby rovinný rez bol ich spoločná dotyková rovina s bodmi dotyku .
Zvoľme ľubovoľný bod a ukážeme, že tento bod patrí elipse.
Ďalej nech priamka (povrchová cez kužeľovú plochu) je taká,
že prechádza obomi kružnicami a zároveň . Platí:
,
pretože priamky , sú dotyčnice guľovej plochy a zároveň body na tejto guľovej ploche ležia.
Obdobne platí:
.
Pre vzdialenosť bodov dostávame nasledujúcu rovnosť:
.
Takto sme dostali, že všetky také body sú vzdialené od dvoch pevných bodov o konštantný súčet vzdialeností.
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame elipsa.
tak nám stačí ukázať, že body tohto prieniku majú konštantný súčet vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk).
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme dve guľové plochy
dotýkajúce sa tejto kužeľovej plochy pozdĺž kružníc tak,
aby rovinný rez bol ich spoločná dotyková rovina s bodmi dotyku .
Zvoľme ľubovoľný bod a ukážeme, že tento bod patrí elipse.
Ďalej nech priamka (povrchová cez kužeľovú plochu) je taká,
že prechádza obomi kružnicami a zároveň . Platí:
,
pretože priamky , sú dotyčnice guľovej plochy a zároveň body na tejto guľovej ploche ležia.
Obdobne platí:
.
Pre vzdialenosť bodov dostávame nasledujúcu rovnosť:
.
Takto sme dostali, že všetky také body sú vzdialené od dvoch pevných bodov o konštantný súčet vzdialeností.
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame elipsa.
4.2. Dôkaz vety pre parabolu
Nech je daná rotačná kužeľová plocha a rovinný rez rovnobežný práve s jednou tvoriacou priamkou kužeľovej plochy.
Ak chceme dokázať, že prienik rovinného rezu a rotačnej kužeľovej plochy je parabola,
tak nám stačí ukázať, že body tohto prieniku majú konštantnú vzdialenosť od pevného bodu (ohnisko) a (riadiacej) priamky.
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme guľovú plochu tak, aby rovinný rez bola dotyková rovina tejto guľovej plochy.
Bod dotyku označme . Guľová plocha sa dotýka rotačnej kužeľovej plochy v podobe kružnice , pričom rovina, v ktorej leží kružnica, pretína rovinný rez v priamke .
Ľubovoľným bodom rovinného rezu vedieme povrchovú priamku rotačnej kužeľovej plochy . Priamka je dotyčnicou guľovej plochy a dotýka sa v bode . Ďalšou dotyčnicou guľovej plochy prechádzajúcou bodom je priamka .
Keďže dĺžky dotyčníc z bodu ku guľovej ploche sú rovnaké, tak platí:
.
Dostali sme, že všetky body sú rovnako vzdialené od pevne zvoleného bodu a priamky .
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame parabola.
Ak chceme dokázať, že prienik rovinného rezu a rotačnej kužeľovej plochy je parabola,
tak nám stačí ukázať, že body tohto prieniku majú konštantnú vzdialenosť od pevného bodu (ohnisko) a (riadiacej) priamky.
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme guľovú plochu tak, aby rovinný rez bola dotyková rovina tejto guľovej plochy.
Bod dotyku označme . Guľová plocha sa dotýka rotačnej kužeľovej plochy v podobe kružnice , pričom rovina, v ktorej leží kružnica, pretína rovinný rez v priamke .
Ľubovoľným bodom rovinného rezu vedieme povrchovú priamku rotačnej kužeľovej plochy . Priamka je dotyčnicou guľovej plochy a dotýka sa v bode . Ďalšou dotyčnicou guľovej plochy prechádzajúcou bodom je priamka .
Keďže dĺžky dotyčníc z bodu ku guľovej ploche sú rovnaké, tak platí:
.
Dostali sme, že všetky body sú rovnako vzdialené od pevne zvoleného bodu a priamky .
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame parabola.
4.3. Dôkaz vety pre hyperbolu
Nech je daná rotačná kužeľová plocha a rovinný rez rovnobežný práve s dvomi tvoriacimi priamkami kužeľovej plochy.
Ak chceme dokázať, že prienik rovinného rezu a rotačnej kužeľovej plochy je hyperbola, tak nám stačí ukázať,
že body tohto prieniku majú konštantný rozdiel vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohniská).
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme guľové plochy (dotýkajúce sa kužeľovej plochy pozdĺž kružníc ) tak,
aby rovinný rez bol ich dotyková rovina. Body dotyku označíme .
Zvolíme si ľubovoľný bod . Budeme viesť povrchovú priamku rotačnej kužeľovej plochy prechádzajúcu týmto bodom.
Označme . Platí:
,
pretože priamky sú dotyčnice guľovej plochy a zároveň body na tejto guľovej ploche ležia. Obdobne platí:
.
Dostávame, že:
.
Takto sme dostali, že všetky také body sú vzdialené od dvoch pevných bodov o konštantný rozdiel vzdialeností.
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame hyperbola.
Ak chceme dokázať, že prienik rovinného rezu a rotačnej kužeľovej plochy je hyperbola, tak nám stačí ukázať,
že body tohto prieniku majú konštantný rozdiel vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohniská).
Do rotačnej kužeľovej plochy vpíšeme guľové plochy (dotýkajúce sa kužeľovej plochy pozdĺž kružníc ) tak,
aby rovinný rez bol ich dotyková rovina. Body dotyku označíme .
Zvolíme si ľubovoľný bod . Budeme viesť povrchovú priamku rotačnej kužeľovej plochy prechádzajúcu týmto bodom.
Označme . Platí:
,
pretože priamky sú dotyčnice guľovej plochy a zároveň body na tejto guľovej ploche ležia. Obdobne platí:
.
Dostávame, že:
.
Takto sme dostali, že všetky také body sú vzdialené od dvoch pevných bodov o konštantný rozdiel vzdialeností.
Takúto množinu bodov danej vlastnosti nazývame hyperbola.
5. Kužeľosečka ako obraz kružnice v perspektívnej kolineácii
Nech je perspektívna kolineácia daná stredom , osou perspektívnej kolineácie a úbežnicou .
Potom obrazom kružnice v je:
• elipsa práve vtedy, keď úbežnica je nesečnica kružnice
• parabola práve vtedy, keď úbežnica je dotyčnica kružnice
• hyperbola práve vtedy, keď úbežnica je sečnica kružnice .
Potom obrazom kružnice v je:
• elipsa práve vtedy, keď úbežnica je nesečnica kružnice
• parabola práve vtedy, keď úbežnica je dotyčnica kružnice
• hyperbola práve vtedy, keď úbežnica je sečnica kružnice .
Majme danú priamku a bod , ktorý na tejto priamke neleží. Zostrojme priamku tak, aby prechádzala bodom .
Postupne budeme otáčať priamku okolo bodu a dostávame priesečníky s priamkou . V určitom okamihu priamky budú navzájom rôzne rovnobežné a už nedostaneme ich priesečník.
Túto situáciu neexistujúceho priesečníku rôzne rovnobežných priamok vyriešime tak, že zavedieme nevlastný bod ako priesečník rôzne rovnobežných priamok v nekonečne.
Nevlastné body označujeme dolným indexom . Ďalej platí, že všetky navzájom rôzne rovnobežné priamky
so spoločným smerom majú spoločný práve jeden nevlastný bod. Každá priamka má práve jeden nevlastný bod.
Obdobne vieme pre rôzne rovnobežné roviny zaviesť nevlastnú priamku ako priesečník rôznych rovnobežných rovín,
pričom nevlastná priama je daná dvomi smermi (tzv. zameraním roviny). Každá rovina má práve jednu nevlastnú priamku
Nevlastná rovina je množina všetkých nevlastných bodov a nevlastných priamok rozšíreného Euklidovského priestoru.
Každý priestor má práve jednu nevlastnú rovinu.
.
Postupne budeme otáčať priamku okolo bodu a dostávame priesečníky s priamkou . V určitom okamihu priamky budú navzájom rôzne rovnobežné a už nedostaneme ich priesečník.
Túto situáciu neexistujúceho priesečníku rôzne rovnobežných priamok vyriešime tak, že zavedieme nevlastný bod ako priesečník rôzne rovnobežných priamok v nekonečne.
Nevlastné body označujeme dolným indexom . Ďalej platí, že všetky navzájom rôzne rovnobežné priamky
so spoločným smerom majú spoločný práve jeden nevlastný bod. Každá priamka má práve jeden nevlastný bod.
Obdobne vieme pre rôzne rovnobežné roviny zaviesť nevlastnú priamku ako priesečník rôznych rovnobežných rovín,
pričom nevlastná priama je daná dvomi smermi (tzv. zameraním roviny). Každá rovina má práve jednu nevlastnú priamku
Nevlastná rovina je množina všetkých nevlastných bodov a nevlastných priamok rozšíreného Euklidovského priestoru.
Každý priestor má práve jednu nevlastnú rovinu.
.
Nech sú dané dve rôzne roviny a bod , ktorý neleží ani na jednej z daných rovín.
Perspektívna kolineácia 𝓚 je bijektívne zobrazenie dvoch rovín, pri ktorom každému bodu prvej roviny odpovedá jeho priemet zo stredu do roviny druhej.
Bod nazývame stred kolineácie, priamku nazývame osou perspektívnej kolineácie.
Perspektívna kolineácia 𝓚 je bijektívne zobrazenie dvoch rovín, pri ktorom každému bodu prvej roviny odpovedá jeho priemet zo stredu do roviny druhej.
Bod nazývame stred kolineácie, priamku nazývame osou perspektívnej kolineácie.
Medzi základné vlastnosti perspektívnej kolineácie medzi dvomi rovinami, vyplývajúce z toho, že ide o bijektívne zobrazenie, zaraďujeme:
• bod sa zobrazí na bod, priamka sa zobrazí na priamku
• kolineárne združené body , ktoré si odpovedajú v kolineácii, ležia na priamke prechádzajúce stredom kolineácie
• vlastnému bodu môže odpovedať nevlastný bod alebo naopak
• priamky odpovedajúce si v kolineácii sa pretínajú na osi perspektívnej kolineácii ,
pričom priesečníky týchto priamok sú samodružné body
• zachováva sa incidencia, takže ak jeden útvar patrí druhému útvaru, tak aj ich obrazy si zachovávajú tú istú vlastnosť
• nezachováva sa deliaci pomer troch bodov na priamke, z toho vyplýva, že ani rovnobežnosť nie je invariantom kolineácie
• deliaci dvojpomer štyroch bodov na priamke je invariantom kolineácie.
• bod sa zobrazí na bod, priamka sa zobrazí na priamku
• kolineárne združené body , ktoré si odpovedajú v kolineácii, ležia na priamke prechádzajúce stredom kolineácie
• vlastnému bodu môže odpovedať nevlastný bod alebo naopak
• priamky odpovedajúce si v kolineácii sa pretínajú na osi perspektívnej kolineácii ,
pričom priesečníky týchto priamok sú samodružné body
• zachováva sa incidencia, takže ak jeden útvar patrí druhému útvaru, tak aj ich obrazy si zachovávajú tú istú vlastnosť
• nezachováva sa deliaci pomer troch bodov na priamke, z toho vyplýva, že ani rovnobežnosť nie je invariantom kolineácie
• deliaci dvojpomer štyroch bodov na priamke je invariantom kolineácie.
Body, ktoré sú v perspektívnej kolineácii obrazy alebo vzory nevlastných bodov, nazývame úbežníky.
Priamky, ktoré sú v perspektívnej kolineácii obrazom alebo vzorom nevlastnej priamky, nazývame úbežnice.
V perspektívnej kolineácii sú úbežnice dve. Úbežnica je obrazom nevlastnej priamky roviny ,
úbežnica je vzor nevlastnej priamky roviny .
Ďalej platí, že úbežnice sú rovnobežné s osou perspektívnej kolineácie a všetky úbežníky ležia na úbežniciach.
Obrazy rovnobežných priamok sa pretínajú na úbežnici. Orientovaná vzdialenosť stredu kolineácie
od jednej úbežnice sa rovná súhlasne orientovanej vzdialenosti druhej úbežnice od osi perspektívnej kolineácie .
Priamky, ktoré sú v perspektívnej kolineácii obrazom alebo vzorom nevlastnej priamky, nazývame úbežnice.
V perspektívnej kolineácii sú úbežnice dve. Úbežnica je obrazom nevlastnej priamky roviny ,
úbežnica je vzor nevlastnej priamky roviny .
Ďalej platí, že úbežnice sú rovnobežné s osou perspektívnej kolineácie a všetky úbežníky ležia na úbežniciach.
Obrazy rovnobežných priamok sa pretínajú na úbežnici. Orientovaná vzdialenosť stredu kolineácie
od jednej úbežnice sa rovná súhlasne orientovanej vzdialenosti druhej úbežnice od osi perspektívnej kolineácie .
5.1. Geometrický dôkaz vety pre elipsu
5.2. Geometrický dôkaz vety pre parabolu
5.3. Geometrický dôkaz vety pre hyperbolu
6. Analytické vyjadrenie kužeľosečiek
Kužeľosečka je množina bodov X[x; y] v rovine, ktoré vyhovujú nasledovnej rovnici lineárnej sústave súradníc:
,
pričom koeficienty a jeden z koeficientov .
Túto rovnicu nazývame všeobecná rovnica kužeľosečiek.
,
pričom koeficienty a jeden z koeficientov .
Túto rovnicu nazývame všeobecná rovnica kužeľosečiek.
Pod regulárnou kužeľosečkou rozumieme kružnicu, elipsu, hyperbolu a parabolu.
Pod singulárnou kužeľosečkou rozumieme každú dvojicu priamok (dve rôznobežné priamky, dve rôzne rovnobežné priamky) a bod.
Pod singulárnou kužeľosečkou rozumieme každú dvojicu priamok (dve rôznobežné priamky, dve rôzne rovnobežné priamky) a bod.
Všeobecnú rovnicu kužeľosečky vieme vyjadriť aj v maticovom tvare:
= 0,
kde matica pozostáva z koeficientov všeobecnej rovnice a nazýva sa veľký diskriminant kužeľosečky:
.
Malý diskriminant kužeľosečky má tvar:
.
= 0,
kde matica pozostáva z koeficientov všeobecnej rovnice a nazýva sa veľký diskriminant kužeľosečky:
.
Malý diskriminant kužeľosečky má tvar:
.
Na určenie konkrétneho druhu kužeľosečky pomocou veľkého a malého diskriminantu
všeobecnej rovnice kužeľosečiek sme zostavili kvôli priehľadnosti nasledujúci algoritmus:
všeobecnej rovnice kužeľosečiek sme zostavili kvôli priehľadnosti nasledujúci algoritmus:
6.1. Stredová a vrcholová rovnica kužeľosečky
Elipsa je množina všetkých bodov roviny ,
ktorých súčet vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk) je stály a rovný , pričom konštanta :
.
Počiatok karteziánskej sústave súradníc (KSS) stotožníme so stredom elipsy, hlavná a vedľajšia os elipsy je totožná s osami KSS
a vzdialenosť ohnísk od stredu označíme (lineárna excentricita). Potom pre súradnice týchto bodov platí:
.
Podľa definície leží bod ] na elipse práve vtedy, keď platí:
=.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak stred elipsy je bod a ohniská ležia na rovnobežke s osou prechádzajúcou bodom , potom stredová rovnica elipsy:
.
ktorých súčet vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk) je stály a rovný , pričom konštanta :
.
Počiatok karteziánskej sústave súradníc (KSS) stotožníme so stredom elipsy, hlavná a vedľajšia os elipsy je totožná s osami KSS
a vzdialenosť ohnísk od stredu označíme (lineárna excentricita). Potom pre súradnice týchto bodov platí:
.
Podľa definície leží bod ] na elipse práve vtedy, keď platí:
=.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak stred elipsy je bod a ohniská ležia na rovnobežke s osou prechádzajúcou bodom , potom stredová rovnica elipsy:
.
Hyperbola je množina všetkých bodov roviny ,
ktorých rozdiel vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk) je stály a rovný , pričom konštanta :
.
Počiatok karteziánskej sústave súradníc (KSS) stotožníme so stredom hyperboly, hlavná a vedľajšia os elipsy je totožná s osami KSS
a vzdialenosť ohnísk od stredu označíme (lineárna excentricita). Potom pre súradnice týchto bodov platí:
.
Podľa definície leží bod na hyperbole práve vtedy, keď platí:
=|.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak stred hyperboly je bod S[m; n] a ohniská ležia na rovnobežke s osou x prechádzajúcou bodom S, potom stredová rovnica hyperboly:
.
ktorých rozdiel vzdialeností od dvoch pevných bodov (ohnísk) je stály a rovný , pričom konštanta :
.
Počiatok karteziánskej sústave súradníc (KSS) stotožníme so stredom hyperboly, hlavná a vedľajšia os elipsy je totožná s osami KSS
a vzdialenosť ohnísk od stredu označíme (lineárna excentricita). Potom pre súradnice týchto bodov platí:
.
Podľa definície leží bod na hyperbole práve vtedy, keď platí:
=|.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak stred hyperboly je bod S[m; n] a ohniská ležia na rovnobežke s osou x prechádzajúcou bodom S, potom stredová rovnica hyperboly:
.
Parabola je množina všetkých bodov roviny ,
ktoré majú rovnakú vzdialenosť od pevného bodu (ohnisko) a pevnej (riadiacej) priamky :
.
Parabolu v KSS umiestnime tak, aby vrchol ležal na jej počiatku. Riadiacu priamku paraboly vieme popísať rovnicou
.
Ohnisko má súradnice . Podľa definície leží bod na parabole práve vtedy, keď platí:
.
.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak vrchol paraboly je bod a ohnisko leží na rovnobežke s osou prechádzajúcou bodom , potom vrcholová rovnica paraboly:
.
ktoré majú rovnakú vzdialenosť od pevného bodu (ohnisko) a pevnej (riadiacej) priamky :
.
Parabolu v KSS umiestnime tak, aby vrchol ležal na jej počiatku. Riadiacu priamku paraboly vieme popísať rovnicou
.
Ohnisko má súradnice . Podľa definície leží bod na parabole práve vtedy, keď platí:
.
.
Ďalším umocňovaním a úpravami dostaneme:
.
Ak vrchol paraboly je bod a ohnisko leží na rovnobežke s osou prechádzajúcou bodom , potom vrcholová rovnica paraboly:
.
6.2. Transformácia karteziánskej sústavy súradníc
Nech karteziánska sústava súradníc je daná repérom . Hovoríme, že nová sústava vznikla z pôvodnej sústavy
posunutím, ak platí medzi pôvodnými súradnicami a novými súradnicami ľubovoľného bodu vzťah daný rovnicami:
posunutím, ak platí medzi pôvodnými súradnicami a novými súradnicami ľubovoľného bodu vzťah daný rovnicami:
Nech karteziánska sústava súradníc je daná repérom . Hovoríme, že nová sústava vznikla z pôvodnej sústavy
otočením okolo počiatku pôvodnej sústavy daným uhlom , ak platí medzi pôvodnými súradnicami
a novými súradnicami ľubovoľného bodu vzťah daný rovnicami:
otočením okolo počiatku pôvodnej sústavy daným uhlom , ak platí medzi pôvodnými súradnicami
a novými súradnicami ľubovoľného bodu vzťah daný rovnicami:
Všeobecná rovnica kužeľosečky obsahuje zmiešaný kvadratický člen :
.
Ak chceme, aby vypadol zmiešaný kvadratický člen v príslušnej všeobecnej rovnici kužeľosečky,
tak otočíme pôvodnú súradnicovú sústavu okolo počiatku o taký uhol , aby koeficient a všeobecná kužeľosečka mala tvar:
.
Najprv všeobecne transformujeme pôvodnú súradnicovú sústavu otočením na novú súradnicovú sústavu :
.
Pomocou algebrických úprav dostaneme nasledujúci tvar všeobecnej rovnice v otočení:
Vyjadríme si koeficient pri zmiešanom kvadratickom člene :
.
Keďže chceme odstrániť zmiešaný kvadratický člen , tak potom musí platiť:
.
Vyjadríme si nakoniec, o aký uhol musíme otočiť príslušnú kužeľosečku,
aby sme odstránili zmiešaný kvadratický člen zo všeobecnej rovnice danej kužeľosečky:
.
Ak chceme, aby vypadol zmiešaný kvadratický člen v príslušnej všeobecnej rovnici kužeľosečky,
tak otočíme pôvodnú súradnicovú sústavu okolo počiatku o taký uhol , aby koeficient a všeobecná kužeľosečka mala tvar:
.
Najprv všeobecne transformujeme pôvodnú súradnicovú sústavu otočením na novú súradnicovú sústavu :
.
Pomocou algebrických úprav dostaneme nasledujúci tvar všeobecnej rovnice v otočení:
Vyjadríme si koeficient pri zmiešanom kvadratickom člene :
.
Keďže chceme odstrániť zmiešaný kvadratický člen , tak potom musí platiť:
.
Vyjadríme si nakoniec, o aký uhol musíme otočiť príslušnú kužeľosečku,
aby sme odstránili zmiešaný kvadratický člen zo všeobecnej rovnice danej kužeľosečky:
6.3. Výpočtové úlohy
Príklad 1: Určte prienik kružnice a priamky v závislosti od parametra :
Riešenie príkladu v GeoGebre.
Riešenie príkladu v GeoGebre.
Príklad 2: Daná je kužeľosečka rovnicou . Určte jej základné charakteristické prvky a načrtnite ju.
Riešenie príkladu v GeoGebre.
Riešenie príkladu v GeoGebre.
7. Riadiaca priamka kužeľosečky
Riadiacimi priamkami elipsy (hyperboly) nazývame také priamky, ktoré sú kolmé na hlavnú os vo vzdialenosti
od stredu kužeľosečky , kde je numerická výstrednosť (excentricita) elipsy, resp. hyperboly.
Obrázok Riadiace priamky hyperboly
od stredu kužeľosečky , kde je numerická výstrednosť (excentricita) elipsy, resp. hyperboly.
Obrázok Riadiace priamky elipsy
Obrázok Riadiace priamky hyperboly
Regulárne kužeľosečky a ich riadiace priamky:
Regulárna kužeľosečka je množina bodov roviny, ktoré majú od pevne zvoleného bodu
a riadiacej priamky stály pomer vzdialeností rovný numerickej excentricite :
,
kde , pričom ďalej platí, že ak:
• , potom kužeľosečka je elipsa
• , potom kužeľosečka je parabola
• , potom kužeľosečka je hyperbola.
Regulárna kužeľosečka je množina bodov roviny, ktoré majú od pevne zvoleného bodu
a riadiacej priamky stály pomer vzdialeností rovný numerickej excentricite :
,
kde , pričom ďalej platí, že ak:
• , potom kužeľosečka je elipsa
• , potom kužeľosečka je parabola
• , potom kužeľosečka je hyperbola.
Singulárne kužeľosečky a ich riadiace priamky:
Singulárna kužeľosečka je množina bodov roviny, ktoré majú od pevne zvoleného bodu
a riadiacej priamky stály pomer vzdialeností rovný numerickej excentricite :
,
kde , pričom ďalej platí, že ak:
• , potom kužeľosečka je prázdna množina
• , potom kužeľosečka je totožné rovnobežky okrem bodu
• , potom kužeľosečka je zjednotenie rôznobežiek okrem bodu .
Singulárna kužeľosečka je množina bodov roviny, ktoré majú od pevne zvoleného bodu
a riadiacej priamky stály pomer vzdialeností rovný numerickej excentricite :
,
kde , pričom ďalej platí, že ak:
• , potom kužeľosečka je prázdna množina
• , potom kužeľosečka je totožné rovnobežky okrem bodu
• , potom kužeľosečka je zjednotenie rôznobežiek okrem bodu .
7.1. Dôkaz vety pre regulárne kužeľosečky
Nech súradnicová os KSS je kolmá na riadiacu priamku a prechádza bodom . Pre hľadané body roviny platí,
že neležia na riadiacej priamke , preto . Označme vzdialenosť daného bodu od danej riadiacej priamky :
.
Pre označenie ďalších potrebných vzdialeností si pomôžeme nasledujúcim obrázkom
Vidíme na obrázku, že súradnice pevne zvoleného bodu sú , kde , riadiaca priamka je popísaná rovnicou .
Pre numerickú výstrednosť danej kužeľosečky, ktorá je popísaná bodmi , pevne zvoleným bodom a riadiacou priamkou , platí:
Vytvoríme kvadratickú rovnicu s neznámymi x, y, keďže kužeľosečky sú krivky 2. stupňa:
.
Nech počiatok KSS je zvolený tak, aby v kvadratickej rovnici vypadol absolútny člen , takže potom .
Keďže možnosť nevyhovuje pre ľubovoľné kladné , tak budeme predpokladať, že .
Odvodená kvadratická rovnica nadobudne tzv. vrcholový tvar všeobecnej rovnice kužeľosečky:
.
Z definície riadiacej priamky kužeľosečky vyplýva, že vzdialenosť stredu príslušnej kužeľosečky od riadiacej priamky je rovná:
Ďalej sme si označili vzdialenosť pevne zvoleného bodu od riadiacej priamky .
že neležia na riadiacej priamke , preto . Označme vzdialenosť daného bodu od danej riadiacej priamky :
.
Pre označenie ďalších potrebných vzdialeností si pomôžeme nasledujúcim obrázkom
Vidíme na obrázku, že súradnice pevne zvoleného bodu sú , kde , riadiaca priamka je popísaná rovnicou .
Pre numerickú výstrednosť danej kužeľosečky, ktorá je popísaná bodmi , pevne zvoleným bodom a riadiacou priamkou , platí:
Vytvoríme kvadratickú rovnicu s neznámymi x, y, keďže kužeľosečky sú krivky 2. stupňa:
.
Nech počiatok KSS je zvolený tak, aby v kvadratickej rovnici vypadol absolútny člen , takže potom .
Keďže možnosť nevyhovuje pre ľubovoľné kladné , tak budeme predpokladať, že .
Odvodená kvadratická rovnica nadobudne tzv. vrcholový tvar všeobecnej rovnice kužeľosečky:
.
Z definície riadiacej priamky kužeľosečky vyplýva, že vzdialenosť stredu príslušnej kužeľosečky od riadiacej priamky je rovná:
Ďalej sme si označili vzdialenosť pevne zvoleného bodu od riadiacej priamky .
Najprv ukážeme platnosť vety pre elipsu. Pomôžeme si nasledujúcim obrázkom:
Pomocou obrázka si vyjadríme parameter p:
Vyjadrený parameter p dosadíme do vrcholovej rovnice kužeľosečky:
Túto rovnicu postupne upravíme na stredový tvar elipsy, pričom dosadíme :
Dostali sme stredovú rovnicu elipsy.
Pomocou obrázka si vyjadríme parameter p:
Vyjadrený parameter p dosadíme do vrcholovej rovnice kužeľosečky:
Túto rovnicu postupne upravíme na stredový tvar elipsy, pričom dosadíme :
Dostali sme stredovú rovnicu elipsy.
Pre parabolu predpokladáme, že . Potom vrcholová rovnica kužeľosečky má tvar:
Zrejme ide o vrcholovú rovnicu paraboly.
Zrejme ide o vrcholovú rovnicu paraboly.
7.2. Dôkaz vety pre singulárne kužeľosečky
Nech súradnicová os KSS je kolmá na riadiacu priamku a prechádza pevným bodom . Pre hľadané body roviny platí, že neležia na riadiacej priamke , preto . Označme vzdialenosť daného bodu od danej riadiacej priamky :
.
Súradnice pevne zvoleného bodu sú , pričom a koeficient je z rovnice popisujúcu riadiacu priamku . Pre numerickú výstrednosť danej kužeľosečky, ktorá je popísaná bodmi roviny , pevne zvoleným bodom a riadiacou priamkou platí:
Podrobnejšie si rozoberieme dané vzdialenosti:
Vytvoríme kvadratickú rovnicu s neznámymi , keďže kužeľosečky sú algebrické krivky 2. stupňa:
Keďže pevný bod leží na riadiacej priamke , tak platí . Riadiaca priamka je vzdialená od počiatku KSS o konštantu . Vytvorená kvadratická rovnica s neznámymi nadobudne nasledujúci tvar:
Pomocou poslednej odvodenej rovnice sa budeme zaoberať prípadmi s veľkosťami numerickej excentricity:
- dostali sme prázdnu množinu
- dostali sme totožné rovnobežky
- dostali sme zjednotenie rôznobežiek.
.
Súradnice pevne zvoleného bodu sú , pričom a koeficient je z rovnice popisujúcu riadiacu priamku . Pre numerickú výstrednosť danej kužeľosečky, ktorá je popísaná bodmi roviny , pevne zvoleným bodom a riadiacou priamkou platí:
Podrobnejšie si rozoberieme dané vzdialenosti:
Vytvoríme kvadratickú rovnicu s neznámymi , keďže kužeľosečky sú algebrické krivky 2. stupňa:
Keďže pevný bod leží na riadiacej priamke , tak platí . Riadiaca priamka je vzdialená od počiatku KSS o konštantu . Vytvorená kvadratická rovnica s neznámymi nadobudne nasledujúci tvar:
Pomocou poslednej odvodenej rovnice sa budeme zaoberať prípadmi s veľkosťami numerickej excentricity:
- dostali sme prázdnu množinu
- dostali sme totožné rovnobežky
- dostali sme zjednotenie rôznobežiek.