18

Krzywe stopnia drugiego na płaszczyżnie

(stożkowe)

Definicja 18.1. Funkcją kwadratową w przestrzeni n

R

nazywamy funkcję P :

n

R

→ R postaci

n

n

X

X

X

P ( x 1 , . . . , xn) =

aiix 2 + 2

a

b

i

ij xixj +

ixi + c,

i=1

1 ¬i<j¬n

i=1

gdzie co najmniej jedna z liczb aij jest różna od zera.

Twierdzenie 18.2. Jeżeli P jest funkcją kwadratową na n

R , to w pewnym

układzie współrzędnych zbiór

P − 1(0) = {( x 1 , . . . , xn) | P ( x 1 , . . . , xn) = 0 }

opisuje jedno z równań:

p

p+ q

X

X

Cpq

x 2 −

x 2 = 0 ,

1 ¬ p + q ¬ n

i

i

i=1

i= p+1

p

p+ q

X

X

EHpq

x 2 −

x 2 + 1 = 0 ,

1 ¬ p + q ¬ n

i

i

i=1

i= p+1

p

p+ q

X

X

Ppq

x 2 −

x 2 + x

i

i

p+ q+1 = 0 ,

1 ¬ p + q ¬ n − 1

i=1

i= p+1

Innymi słowy dla każdej funkcji kwadratowej P istnieje takie wzajemnie jednoznaczne przekształcenie afiniczne, które tak zmienia współrzędne, że zbiór P − 1(0) wyraża się jednym z powyższych równań.

Definicja 18.3. W przestrzeni afinicznej

2

R

każdy zbiór będący przeciwo-

brazem zera funkcji kwadratowej nazywamy stożkową.

Zbiór afinicznie równoważny zbiorowi typu E H 02 nazywamy elipsą, zbiór afinicznie równoważny zbiorowi typu E H 11 — hiperbolą, zaś zbiór afinicznie równoważny zbiorowi typu P 01 — parabolą.

Twierdzenie 18.4. (klasyfikacja stożkowych w przestrzeni 2

R ) Jeżeli

P jest funkcją kwadratową na przestrzeni afinicznej 2

R , to zbiór P − 1(0) jest

afinicznie równoważny dokładnie jednemu ze zbiorów z poniższej listy: 1. zbiór pusty

2. punkt

3. prosta

4. suma mnogościowa dwóch różnych prostych równoległych 5. suma mnogościowa dwóch prostych przecinających się (różnych) 6. elipsa

1

7. hiperbola

8. parabola

Stwierdzenie 18.5.

1. Dla dowolnej elipsy istnieją takie liczby a > b > 0

oraz izometrią przestrzeni

2

R , która przekształca daną elipsę na elipsę o

równaniu

x 2

y 2

+

= 1 .

a 2

b 2

2. Dla dowolnej hiperboli istnieją takie liczby a, b > 0 oraz izometrią przestrzeni 2

R , która przekształca daną hiperbolę na hiperbolę o równaniu x 2

y 2

−

= 1 .

a 2

b 2

3. Dla dowolnej paraboli istnieje taka liczba p > 0 oraz izometrią przestrzeni 2

R , która przekształca daną parabolę na parabolę o równaniu y 2 = 2 px.

Definicja 18.6. Niech dana będzie elipsa x 2 + y 2 = 1, a > b > 0. Punkty a 2

b 2

√

F 1 = ( −c, 0) i F 2 = ( c, 0), gdzie c =

a 2 − b 2, nazywamy ogniskami, liczby 2 a i 2 b odpowiednio osią wielką i osią małą, proste x = ± a 2 — kierownicami, a c

liczbę e = c — mimośrodem elipsy.

a

Definicja 18.7. Niech dana będzie hiperbola x 2 − y 2 = 1. Punkty F

a 2

b 2

1 = ( −c, 0) i

√

F 2 = ( c, 0), gdzie c =

a 2 + b 2, nazywamy ogniskami, liczby 2 a i 2 b odpowiednio osią rzeczywistą i osią urojoną, proste x = ± a 2 — kierownicami, proste x = ± b x c

a

— asymptotami, a liczbę e = c — mimośrodem hiperboli.

a

Definicja 18.8. Niech dana będzie parabola y 2 = 2 px. Punkt F = ( p , 0) nazy-2

wamy ogniskiem, prostą x = − p — kierownicą, a liczbę e = 1 — mimośrodem 2

paraboli.

Stwierdzenie 18.9. Elipsa x 2 + y 2 = 1, gdzie a > b > 0, jest zbiorem wszyst-a 2

b 2

√

kich punktów płaszczyzny, których suma odległości od ognisk F 1 = ( − a 2 − b 2 , 0)

√

i F 2 = ( a 2 − b 2 , 0) wynosi 2 a.

Dowód:

Stwierdzenie 18.10. Hiperbola x 2 − y 2 = 1, gdzie a, b > 0, jest zbiorem a 2

b 2

wszystkich punktów płaszczyzny, których różnica odległości od ognisk F 1 =

√

√

( − a 2 + b 2 , 0) i F 2 = ( a 2 + b 2 , 0) wynosi 2 a.

Stwierdzenie 18.11. Parabola y 2 = 2 px, gdzie p > 0, jest zbiorem wszystkich punktów płaszczyzny, których odległość od ogniska F = ( p , 0) jest równa 2

odległości od kierownicy x = − p .

2

Stwierdzenie 18.12. Mimośród elipsy (odpowiednio hiperboli, paraboli) jest równy stosunkowi odległości dowolnego jej punktu od najbliższego ogniska do odelgłości tego punktu od najbliższej kierownicy.

2

Przykład 18.13.

1. Elipsę x 2 + y 2 = 1 można opisać równaniem parame-a 2

b 2

trycznym

x = a cos t

y = b sin t

przy czym do jednokrotnego obiegu wystarczy wziąć t ∈ [0 , 2 π).

2. Hiperbola x 2 − y 2 = 1 ma dwie gałęzie. Prawą gałąź ( x > 0) można opisać a 2

b 2

równaniem parametrycznym

x = a cosh t

y = b sinh t

a lewą ( x < 0) — równaniem parametrycznym

x = −a cosh t

y = −b sinh t

3. Parabolę y 2 = 2 px można opisać równaniem parametrycznym (

x = t 2

2 p

y = t

3