Analytická geometrie

Obsah oddílu


Parabola

Stručný přehled teorie

Parabola $P(F, d)$ je množina všech bodů $X$ roviny $\rho$, které jsou stejně vzdáleny od daného bodu $F$, tzv. ohniska, a od dané přímky $d$, tzv. řídicí přímky. Tedy $P(F, d) = \{X \in \rho; |XF|=|Xd| \}$

Rovnice kružnice

Rovnice paraboly $P(F, d)$ s vrcholem $V[m, n]$:

  1. osa paraboly rovnoběžná s osou $x$:
    vrcholová rovnice: $\quad (y – n)^2 = ± 2p.(x – m)$
    obecná rovnice: $\qquad y^2 + Ax + By + C = 0$
  2. osa paraboly rovnoběžná s osou $y$:
    vrcholová rovnice: $\quad (y – m)^2 = ± 2p.(y – n)$
    obecná rovnice: $\qquad x^2 + Ay + Bx + C = 0$
Rovnice kružnice
Pozn.:
  1. každá rovnice typu $(y – n)^2 = ± 2p.(x – m)$ (nebo $(x – m)^2 = ± 2p.(y – n)$) je rovnicí některé paraboly;
  2. každá rovnice typu $(y – \rtt{n})^2 = ± 2 \gtt{p}.(x – \rtt{m})$ (nebo $(x – \rtt{m} )^2 = ± 2 \gtt{p}.(y – \rtt{n})$) obsahuje očividnou informaci jednak o vrcholu paraboly $V[\rtt{m};\rtt{n}]$ (odsud plyne název rovnice – vrcholová), jednak o vzdálenosti vrcholu od ohniska paraboly $\frac{\gtt{p}}{2}$;
  3. každá rovnice typu $(y – n)^2 = ± 2p.(x – m)$ (nebo $(x – m)^2 = ± 2p.(y – n)$) se dá prostým provedením naznačených operací velmi snadno převést z tohoto vrcholového tvaru do tvaru obecného (každá parabola má vrcholovou i obecnou rovnici);
  4. každá rovnice typu $y^2 + Ax + By + C = 0$ (nebo $x^2 + Ay + Bx + C = 0$) je obecnou rovnicí některé paraboly;

Vzájemná poloha bodu a paraboly

Nechť je dána parabola $P: y^2 + Ax + By + C = 0$ nebo $P: x^2 + Ay + Bx + C = 0$ a dále bod $M[x_M, y_M]$. Levou stranu rovnice paraboly označíme $L(x, y)$. Pak platí:

  1. Je-li $L(x_M, y_M) = 0$, pak $M \in P$.
  2. Je-li $L(x_M, y_M) > 0$, pak $M$ leží vně $P$.
  3. Je-li $L(x_M, y_M) < 0$, pak $M$ leží uvnitř útvaru ohraničeného parabolou $P$.

Vzájemná poloha přímky (lineárního útvaru) a paraboly

Je dána počtem společných bodů. Řeší se tedy soustava kvadratické rovnice (paraboly) a lineární rovnice (přímky).

Rovnice kružnice Pozn.: Určujeme-li vzájemnou polohu paraboly a některé podmnožiny přímky (úsečka, polopřímka), pak při řešení pracujeme raději s parametrickou rovnicí dané podmnožiny.

Rovnice tečny

Rovnice tečny vedené k parabole $P(F, d)$ v jejím bodě $T[x_o,y_o]$:

Rovnice kružnice

Metodika

Následující úlohy byly většinou vybrány ze Sbírky úloh z matematiky (SÚM) Jindry Petákové. Metodické rady jsou uváděny průběžně s řešeními všech těchto úloh, nebo z těchto řešení vyplývají.

Jako první by měl učitel naučit studenty určování rovnice paraboly při nejrůznějších způsobech jejího zadání. Velmi dobré je u většiny úloh využívat náčrty. Některých zadání by měl zároveň využít k tomu, aby si studenti důkladně procvičili přechod od obecné rovnice paraboly k vrcholové rovnici a naopak.

Úloha 10.6.1

Napište rovnici paraboly, která má vrchol v počátku a ohnisko.

  1. $F[2; 0]$
  2. $F[0; -12]$,

  1. 1. krok náčrt – v soustavě souřadnic vyznačíme zadané prvky (vyznačeny červeně) – vrchol $\rtt{V}$ a ohnisko $\rtt{F}$ a načrtneme parabolu $P$ tak, aby osa paraboly ležela v přímce $\leftrightarrow VF$ a bod $F$ ležel uvnitř oblasti ohraničené parabolou.

    Řešení 10.6.1

    2. krok výběr typu rovnice podle polohy paraboly v soustavě souřadnic:
    $P: y^2 = 2px \qquad$ $\frac{p}{2}=2 \dots$ viz náčrt $\implies 2p = 8$

    3. krok závěr $P: y^2 = 8x$


  2. 1. krok náčrt

    Řešení 10.6.1

    2. krok výběr typu rovnice podle polohy paraboly v soustavě souřadnic:
    $P: x^2 = -2py \qquad$ $\frac{p}{2}=12 \dots$ viz náčrt $\implies 2p = 48$

    3. krok závěr: $P: x^2 = -48y$

Úloha 10.6.2

Napište rovnici paraboly, která má vrchol v $V[2;-5]$ řídicí přímku $d: x = 4$.

1. krok náčrt – v soustavě souřadnic vyznačíme zadané prvky – vrchol $\rtt{V}$ a řídicí přímku $\rtt{d}$ a načrtneme parabolu $P$ tak, aby osa paraboly procházela zadaným vrcholem $V$ kolmo k řídicí přímce $d$.

Řešení 10.6.2

2. krok výběr typu rovnice podle polohy paraboly v soustavě souřadnic:
$P: (y – n)^2 = -2p.(x – m), \qquad$ $\frac{p}{2}=2 \dots$ viz náčrt $\implies 2p = 8$

3. krok závěr: $P: (y + 5)^2 = - 8(x - 2)$

Úloha 10.6.3

Napište rovnici paraboly, která prochází bodem $L[4; 5]$, její osa má rovnici $o: x – 2 = 0$ a tečna ve vrcholu (vrcholová tečna) má rovnici $t_v: y – 1 = 0$.

1. krok náčrt – v soustavě souřadnic vyznačíme zadané prvky a načrtneme parabolu:

Řešení 10.6.3

2. krok výběr typu rovnice podle polohy paraboly v soustavě souřadnic:$P: (x – m)^2 = 2p.(y – n)$

Řešení 10.6.3

$2^2 = 2p . 4$, $\qquad \implies 2p = 1$

3. krok závěr: $P: (x - 2)^2 = 1(y - 1)$ neboli $P: (x - 2)^2 = y – 1$

Úloha 10.6.4

Napište rovnici paraboly, která prochází danými body $K[-5; 3],\, L[1; -3],\, M[-9; -13]$. Její osa je rovnoběžná s osou $y$.

1. krok výběr typu rovnice – přičemž při tomto typu zadání pracujeme raději s obecnou rovnicí paraboly:
$o║$ osa $y \implies$ $P: x^2 + Ay + Bx + C = 0$

2. krok – zadané body mají ležet na parabole $\implies$ jejich souřadnice musí rovnici paraboly vyhovovat:

Řešení 10.6.4

3. krok závěr: $P: x^2 + 2y + 6x – 1 = 0$

Úloha 10.6.5

Úpravou na vrcholový tvar rovnice určete souřadnice vrcholu a ohniska a určete rovnici řídicí přímky paraboly:
a) $P: y^2 + 12x – 2y – 23 = 0$
b) $P: 2x^2 – 6x – 10y – 3 = 0$

  1. 1. krok – převod rovnice – paraboly z obecného do vrcholového tvaru

    $\begin{align} \qquad & P: (y^2 – 2y \rtt{+ 1}) = -12x + 23 \rtt{+ 1} \\ \qquad & P: (y – 1)^2 = -12x + 24 \\ \qquad & P: (y – 1)^2 = -12.(x – 2) \implies V[2; 1], 2p = 12 \implies \frac{p}{2} = |VF| = 3 \end{align}$

    2. krok náčrt v soustavě souřadnic načrtneme parabolu (poloha paraboly je dána typem vrcholové rovnice):

    Řešení 10.6.5

    3. krok závěr: $V[2; 1], \, F[-1; 1], \, d: x = 5$


  2. 1. krok – převod rovnice – paraboly z obecného do vrcholového tvaru Řešení 10.6.5

    2. krok náčrt v soustavě souřadnic načrtneme parabolu:

    Řešení 10.6.5

    3. krok závěr: $ V [\frac{3}{2};-\frac{3}{4} ], \; F [\frac{3}{2}; \frac{1}{2} ] , \; d: y = -2$

Úloha 10.6.6

Vyšetřete vzájemnou polohu přímky $p$ a paraboly $P$: $\; P: y^2 – 2x + 3 = 0, \; p: x – y – 1 = 0$.

1. krok – o vzájemné poloze rozhoduje počet společných bodů. Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých:

Řešení 10.6.6

2. krok rozhodnutí o vzájemné poloze – jediný společný bod má přímka s parabolou ve dvou případech:

  • je-li přímka rovnoběžná s osou paraboly (to evidentně nenastalo, neboť osa $o║$ osa $x$ )
  • je-li přímka tečnou

3. krokzávěr: $p$ je tečna paraboly, bod dotyku je $T[2; 1]$

Úloha 10.6.7

Ověřte, že bod $T$ leží na dané parabole. Potom napište rovnici tečny paraboly v jejím bodě $T$: $T[2; 0], \, P: 2x^2 – 3x + y – 2 = 0$.

1. krok – ověření, že bod $T$ leží na parabole $P$
$\begin{align} & l(x, y) = 2x^2 – 3x + y – 2 \\ & l(x_T, y_T) = 2.2^2 – 3.2 + 0 – 2 = 8 – 6 + 0 – 2 = 0 \implies T \in P \end{align}$

2. krok – převodrovnice – paraboly z obecného do vrcholového tvaru
$\begin{align} P: & \fb{2}x^2 – 3x + y – 2 = 0 \, / : \fb{2} \\ & x^2 – \frac{3}{2}x + \frac{1}{2}y – 1 = 0 \\ & (x^2 - \frac{3}{2}x + \frac{9}{16}) = -\frac{1}{2}y+1+\frac{9}{16} \\ & (x - \frac{3}{4})^2 = -\frac{1}{2}y+\frac{25}{16} \\ P: & (x - \frac{3}{4})^2 = -\yb{\frac{1}{2}} (y - \frac{25}{8} ) \end{align}$

3. krok rovnice tečny paraboly:
$\begin{align} t: & (x_0 -\frac{3}{4}). ( x-\frac{3}{4} ) = -\pb{\frac{1}{4}} . ( y_0 + y -2 . \frac{25}{8} ) \quad (\yb{2p=\frac{1}{2}} \implies \pb{p=\frac{1}{4}} ) \\ T \in t \dots & (2 - \frac{3}{4}).(x - \frac{3}{4}) = -\frac{1}{4}.(0+y-\frac{25}{4}) \end{align}$

4. krok závěrúprava rovnice tečny
$\frac{5}{4}.(x-\frac{3}{4})=-\frac{1}{4} . (y-\frac{25}{4})$
$\frac{5}{4}x-\frac{15}{16}=-\frac{1}{4}y+\frac{25}{16} /.16$
$20x-15=-4y+25$
$20x +4y – 40 = 0 / :4$
$t: 5x + y – 10 = 0$

Další úlohy k procvičování

Základní poznatky

Úloha 10.6.8

  1. Určete souřadnice vrcholu a ohniska a rovnici řídící přímky paraboly $P: y^2-4x-6y+1 = 0$.
  2. Napište rovnici tečny k parabole (viz a)), která prochází jejím průsečíkem s osou $x$.

  1. $V[-2,3],F[-1,3], \; x+3 = 0$
  2. $t:4x+6y-1=0$

Úloha 10.6.9

Určete rovnici paraboly $P$, která

  1. má ohnisko $F[4,-2]$ a řídící přímku $d: y=4$,
  2. prochází body $K[5,-2], L[7,3], M[1,-6]$ a má osu rovnoběžnou s osou $y$.

  1. $(x-4)^2 = -12(y-1)$;
  2. $(x-1)^2 = 4(y+6)$

Typové příklady standardní náročnosti

Úloha 10.6.10

Určete souřadnice bodu, který leží na parabole $P: y^2=8x$ a má od jejího ohniska vzdálenost $20$.

$L_1[18,12], \, L_2[18,-12]]$

Úloha 10.6.11

Určete průnik úsečky $AB$ a paraboly $P(F,d)$, je-li dáno: $A [2,5], B[5,8], F[-1,3], \, d: y = 1$.

$M[3,6]$

Úloha 10.6.12

Je dána parabola $P: -4(x+2) = (y-5)^2$ a bod $M [0,4]$. Napište rovnice všech přímek, které mají s parabolou právě jeden společný bod a procházejí bodem $M$.

$x-2y+8 = 0, \, x+y-4 = 0, \, y-4 = 0$

Úloha 10.6.13

Určete rovnici tečny paraboly $P: y^2-3x+y-2 = 0$, která je rovnoběžná s přímkou $p: x+y-1 = 0$

$y = -x-2$

Úloha 10.6.14

Určete rovnici tečny paraboly $P: y^2+4x-8 = 0$ tak, aby její odchylka od osy $x$ byla $45°$.

$y = x-3$ příp. $y = -x+3$

Rozšiřující cvičení

Úloha 10.6.15

Státní maturita Matematika+ 2016
Každý bod paraboly $P$ má stejnou vzdálenost od bodu $F[4, 2]$ a od souřadnicové osy $x$. Zapište rovnici tečny $t$ paraboly $P$ v jejím vrcholu.

$T: y = 1$

Úloha 10.6.16

Šikmý vrh je při vhodné volbě souřadnic popsán pomocí souřadnic takto:
$x=vt cos⁡ \alpha$ a $y=vt sin⁡ \alpha - \frac{1}{2} gt^2$.

  1. Dokažte, že body z předpisu leží na parabole.
  2. Najděte vrchol této paraboly.

Realisticky.cz - 7.5.13, $V[\frac{v^2 sin⁡(2\alpha)}{2g}; \; \frac{v^2 sin^2⁡(\alpha)}{2g}]$