A konfokális és a nem - konfokális ellipszis - seregekről és ortogonális trajektóriáikról

Hasonló dokumentumok
Ellipszis átszelése. 1. ábra

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

A Cassini - görbékről

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Egy általános helyzetű lekerekített sarkú téglalap paraméteres egyenletrendszere. Az egyenletek felírása

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

A hordófelület síkmetszeteiről

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

A Lenz - vektorról. Ha jól emlékszem, először [ 1 ] - ben találkoztam a címbeli fogalommal 1. ábra.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Egy mozgástani feladat

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

A gúla ~ projekthez 2. rész

A főtengelyproblémához

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Fa rudak forgatása II.

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Egy érdekes statikai feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladattal.

8. előadás. Kúpszeletek

Egy kinematikai feladathoz

A kettősbelű fatörzs keresztmetszeti rajzolatáról

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

A rektellipszis csavarmozgása során keletkező felületről

További adalékok a merőleges axonometriához

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

Ismét a fahengeres keresztmetszetű gerenda témájáról. 1. ábra forrása: [ 1 ]

Fénypont a falon Feladat

A Kepler - problémáról. Megint az interneten találtunk egy szép animációt 1. ábra, amin elgondolkoztunk: Ezt hogyan oldanánk meg? Most erről lesz szó.

A lengőfűrészelésről

Az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszeteiről

Egy kinematikai feladat

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

A merőleges axonometria néhány régi - új összefüggéséről

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

Észrevételek a forgásfelületek síkmetszeteivel kapcsolatban. Bevezetés

A csavarvonal axonometrikus képéről

Poncelet egy tételéről

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

Kecskerágás már megint

Egy sajátos ábrázolási feladatról

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

Profilmetsződésekről, avagy tórusz és körhenger áthatásáról

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

Lövés csúzlival. Egy csúzli k merevségű gumival készült. Adjuk meg az ebből kilőtt m tömegű lövedék sebességét, ha a csúzlit L - re húztuk ki!

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

Érdekes geometriai számítások 10.

A magától becsukódó ajtó működéséről

Egy újabb látószög - feladat

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

Egy felszínszámítási feladat a tompaélű fagerendák témaköréből

Egyenletek, egyenlőtlenségek grafikus megoldása TK. II. kötet 25. old. 3. feladat

A közönséges csavarvonal érintőjének képeiről

A fák növekedésének egy modelljéről

Ehhez tekintsük a 2. ábrát is! A födém és a fal síkját tekintsük egy - egy koordinátasíknak, így a létra tömegközéppontjának koordinátái: ( 2 )

Kerekes kút 4.: A zuhanó vödör fékezéséről. A feladat. A megoldás

Egymásra támaszkodó rudak

Az eltérő hajlású szarufák és a taréjszelemen kapcsolatáról 1. rész. Eltérő keresztmetszet - magasságú szarufák esete

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Egy gyakorlati szélsőérték - feladat. 1. ábra forrása: [ 1 ]

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

w u R. x 2 x w w u 2 u y y l ; x d y r ; x 2 x d d y r ; l 2 r 2 2 x w 2 x d w 2 u 2 d 2 2 u y ; x w u y l ; l r 2 x w 2 x d R d 2 u y ;

Keresztezett pálcák II.

Egy keveset a bolygók perihélium - elfordulásáról

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Matematikai geodéziai számítások 10.

Kúp és kúp metsződő tengelyekkel

Kiegészítés a merőleges axonometriához

MATEMATIKA HETI 5 ÓRA. IDŐPONT: június 8.

A fő - másodrendű nyomatékok meghatározása feltételes szélsőérték - feladatként

Egy másik érdekes feladat. A feladat

Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

A fűrészmozgás kinetikai vizsgálata

20. tétel A kör és a parabola a koordinátasíkon, egyenessel való kölcsönös helyzetük. Másodfokú egyenlőtlenségek.

a) A logaritmus értelmezése alapján: x 8 0 ( x 2 2 vagy x 2 2) (1 pont) Egy szorzat értéke pontosan akkor 0, ha valamelyik szorzótényező 0.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Abszolútértékes és Gyökös kifejezések

A gúla ~ projekthez 1. rész

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa keresztmetszeti jellemzőiről

A kvadratrixról. Ez azt jelenti, hogy itt a görbe egy mozgástani származtatását vesszük elő 1. ábra. 1. ábra

Chasles tételéről. Előkészítés

A manzárdtetőről. 1. ábra Forrás: of_gambrel-roofed_building.

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

Átírás:

1 A konfokális és a nem - konfokális ellipszis - seregekről és ortogonális trajektóriáikról Előző dolgozatunk melynek címe: Ha az évgyűrűk ellipszis alakúak lennének készítése során böngész - gettük az [ 1 ] művet. Itt említik, illetve ábrázolják a címbeli görbeseregeket. Most ezekről lesz szó megint. Vagyis megeshet, hogy az itteniek egy részét már máskor, máshol is leírtuk. A konfokális szó arra utal, hogy a görbesereg minden görbéjének ugyanaz a fókusza. A nem - konfokális pedig arra, hogy a görbesereg görbéinek nem ugyanaz a fókusza. Itt olyan ellipszisekről van szó, melyek középpontja / centruma, valamint főtengelyei is ugyanazok. Esetünkben ezek: az ábrázolásra használt Oxy koordináta - rendszer O origója, valamint az ezen átmenő, egymásra merőleges x és y tengelyei. Kezdjük a görbeseregek egyenletével! Ehhez tekintsük az 1. ábrát! A konfokális ellipszis - sereg egyenletének felírása 1. ábra forrása: http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/matematika/matematika/matematika-11- osztaly/az-ellipszis/az-ellipszis Az ellipszis középiskolából ismert kanonikus egyenlete [ 2 ] : ( 1 ) Jelölések: ~ a: a fél nagytengely, illetve annak hossza; ~ b: a fél kistengely, illetve annak hossza; ~ c: a fókuszok fél távolsága.

2 Közöttük fennáll az 1. ábráról is leolvasható, Pitagorász tételével adódó ( 2 ) összefüggés. Most ( 2 ) átalakításával: tehát ( 3 / 1 ) ( 3 / 2 ) Majd ( 2 ) és ( 3 ) - mal: ( 4 ) A ( 4 ) egyenlet a konfokális ellipszis - sereg paraméteres egyenlete. Benne c a közös / rögzített állandó, λ pedig a különböző értékeket felvevő, a görbesereg egy - egy görbéjét leíró paraméter. Erre nézve a ( 3 / 2 ) értelmező összefüggés szerint fennáll, hogy ( 5 ) A 2. ábra egy konfokális ellipszis - sereget ábrázol. Az ábráról leolvasható, hogy a λ = 0 esettől ( F 1 F 2 vízszintes szakasz ) a λ ( r = c λ sugarú kör ) esetéig tart a görbék alakváltozása. A két szélső esetet nem tudjuk pontosan megjeleníteni, ez azonban nem változtat a bemutatott alakváltozási tendencián. A nem - konfokális ellipszis - sereg egyenletének felírása A legegyszerűbb alak az alábbi lehet, melyet ( 1 ) - ből alakítunk ki: ( 6 ) A c paraméterre ekkor írható, hogy ( 7 ) A 3. ábrán egy ilyen görbesereget szemléltetünk; itt a görbék hasonlóak egymáshoz.

3 2. ábra 3. ábra

4 Folytassuk az ellipszis - seregek ortogonális trajektóriáinak meghatározásával! A nem - konfokális ellipszis - sereg ortogonális trajektóriái egyenletének felírása Itt ugyanúgy járunk el, mint az előző dolgozatban. A részletezés indoklása később esedékes. Az ellipszis - sereg differenciálegyenlete ( 6 ) differenciálásával: ( 7 ) most egyszerűsítve és ( 7 ) - ben elvégezve a két görbesereg merőlegességét kifejező ( * ) szerinti helyettesítést: rendezve: reciprok - képzéssel: integrálva: ( ** ) átalakítva: innen: ( 8 ) A 3. ábra példájának adataival: ( 8 / 1 ) A 4. ábra a ( 8 / 1 ) függvényeket is ábrázolja, K = 0; ± 1 / 50; ± 1 / 15; ± 1 / 7; ± 1 / 3; ± 1; ± 6 értékekkel. Nem feledjük, hogy az x = 0 egyenes is részét képezi ( ** ) megoldásának [ 3 ]. Ezzel a két görbesereg merőlegessége megnyugtatóan szemléltetett.

5 4. ábra A konfokális ellipszis - sereg ortogonális trajektóriái egyenletének felírása Az [ 1 ] munkában azt olvastuk, hogy a konfokális ellipszis - sereg ortogonális trajektóriái konfokális hiperbolasereg. Ezért először ezzel foglalkozunk. Induljunk ki a hiperbola kanonikus egyenletéből [ 2 ]! ( 9 ) A c paraméterre itt a Pitagorász tétellel ez írható 5. ábra : ( 10 ) átalakítva: tehát: ( 11 / 1 )

6 5. ábra forrása: http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/matematika/matematika/matematika-11- osztaly/parabola-ellipszis-hiperbola/a-hiperbola ( 11 / 2 ) Most ( 9 ) és ( 11 ) - gyel: ( 12 ) A ( 12 ) egyenlet a közös fókuszú hiperbola - sereg egyenlete, ahol c = konst., a μ változó paraméterrel pedig a görbesereg egy adott görbéjét választjuk ki. Értéktartománya: ( 13 ) A példaként választott c = 2 értékkel ( 12 ) így alakul: ( 14 ) Ezen implicit egyenlettel megadott görbesereget a 6. ábrán jelenítettük meg, ( 13 ) - ra is figyelve. Az ábrázoláshoz az alábbi paraméter - értékeket választottuk: μ = 0,0015; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 0,85; 0,95; 0,995. Itt az adatokat nem tüntettük fel a grafikonon, a zsúfoltság és az információvesztés elkerülése érdekében, hiszen itt nem zárt görbékről van szó. Megfigyelhető, hogy a μ 0 eset a fókuszoktól elmutató vízszintes félegyeneseket, míg a μ 1 eset az y - tengelyhez simuló / kiegyenesedő görbéket adja.

7 6. ábra Most ábrázoljuk együtt a 2. és a 6. ábrákat ld. 7. ábra! Szemmel láthatóan fennáll az a helyzet, hogy az egyik görbesereg a másik ortogonális trajektóriája. Ne feledjük, hogy eddig ezt elhittük : a szakkönyveknek és a szemünknek! Azonban jó lenne ezt matematikai úton is belátni! Mit is? Azt, hogy egy konfokális ellipszis - sereg ortogonális trajektóriája egy konfokális hiperbola - sereg, és viszont. Ehhez írjuk fel az ellipszis és a hiperbola egyenletét paraméteresen! Az ellipszis paraméteres egyenletrendszere: ( 15 ) ( 16 ) A hiperbola paraméteres egyenletrendszere: ( 17 ) ( 18 ) Most vizsgáljunk egy olyan esetet, amilyet a 8. ábra mutat, vagyis amikor a két görbe

8 7. ábra 8. ábra

9 metszéspontjának koordinátái pozitívak. Ekkor ( 17 ) - ben a + előjel marad. Most előállítjuk a görbék metszéspontbeli iránytényezőit. Ehhez felhasználjuk, hogy ( 19 ) Most ( 15 ), ( 16 ), ( 19 ) - cel: tehát: ( 20 ) Majd ( 17 ), ( 18 ), ( 19 ) - cel: tehát: ( 21 ) Mivel a két görbe M metszéspontbeli koordinátái egyenlőek, ezért az feltételből, ( 15 ) és ( 17 ) - tel is: ( 22 ) ( 22 / 1 ) innen: ( 23 ) majd az ( 24 ) feltételből, ( 16 ) és ( 18 ) - cal is: innen: ( 25 )

10 Most felhasználjuk az alábbi azonosságot [ 2 ] : ( 26 ) Majd ( 23 ), ( 25 ), ( 26 ) - tal: átalakításokkal: ( 27 / 1 ) ( 27 / 2 ) A továbbiakban a szinusz pozitív értékeire szorítkozunk, így Most ( 20 ) - ból az M metszéspontbeli ellipszis - iránytényezőre: ( 27 ) ( 28 ) azonos átalakításokkal: ( 29 )

11 majd ( 27 / 1 ) és ( 29 ) - cel: tehát: ( 30 ) Ezután ( 28 ) és ( 30 ) - cal: ( 31 ) Most ( 21 ) - ből az M metszéspontbeli hiperbola - iránytényezőre: ( 32 ) ámde ( 23 ), ( 25 ) és ( 30 ) - cal: tehát: ( 33 ) ezután ( 32 ) és ( 33 ) - mal: ( 34 ) Most ( 31 ) és ( 34 ) összehasonlításából: ( 35 ) ez a görbeseregek M pontbeli merőlegességének feltétele, ahogy annak a várakozások alapján lennie kell. Ha ( 35 ) egy tetszőleges itt: ( x M, y M ) > 0 M pontra igaz, akkor minden más pontra is igaz, hiszen a ( 35 ) eredmény a görbeseregek belső tulajdonságaiból adódott, az M pont megválasztása pedig tetszőleges lehet. Ezzel beláttuk, hogy egy konfokális ellipszis - sereg ortogonális trajektóriája egy konfokális hiperbola - sereg, és viszont.

12 Megjegyzések: M1. A ( 4 ) és ( 12 ) szerinti felírást [ 4 ] - ből kölcsönöztük. M2. A paraméteres egyenletrendszerek [ 1 ] : ( 36 ) ( 37 ) M3. Ügyelni kell a számítások során arra a tényre, hogy a két görbe paramétere nem azonos értékű egy adott M pontra: t Me t Mh. Pozitív metszésponti koordinátákra: ~ az ellipszis - sereg metszésponti paramétere ( 27 ) - ből: ( 38 ) ~ a hiperbola - sereg metszésponti paramétere ( 25 ) és ( 27 ) - ből: innen: ( 39 ) Számpélda, a 8. ábra adataival: c = 2 ( cm ), λ = 1, μ = 0,1. ( a ) Most ( 38 ) és ( a ) - val: ( b ) Ugyanez a Graph szolgáltatásával: 0,10016742, vagyis gyakorlatilag pontosan ugyanaz. Majd ( 39 ) és ( a ) - val:. ( c ) Ugyanez a Graph szolgáltatásával: 0,88137359, vagyis gyakorlatilag pontosan ugyanaz. Eszerint a képleteink jól működnek. Látjuk, hogy a kétféle görbe - paraméter tényleg nem egyenlő, általában. M4. A 8. ábrán a pontozott vonalak metszéspontjaként adódó M pontra a Graph szoftver szolgáltatása szerint: dy/dx ( ell ) = 7.035624, dy/dx ( hip ) = 0.142134 ; ezekkel: 7.035624 = 1 / 0.142134, tehát ( 35 ) kielégül.

13 M5. Érdemes meghatároznunk a konfokális görbék metszéspontjainak koordinátáit. Kezdjük az x M > 0, y M > 0 esettel! Ekkor ( 22 / 1 ) és ( 27 / 1 ) szerint: tehát: ( 40 ) Hasonlóan tehát: ( 41 ) Továbbá: minthogy a két másodrendű görbének 4 metszéspontja lehet, ezért a lehetséges megoldások: M ( ± x M, ± y M ). Ez jól látható a 7. ábrán is, hiszen a görbék az x és az y tengelyre is szimmetrikusak. Számpélda, a 8. ábra adataival: c = 2 ( cm ), λ = 1, μ = 0,1. ( a ) Most ( 40 ), ( 41 ) és ( a ) - val: ( d ) ( e ) Ezek is pontosan megegyeznek a Graph szoftver szolgáltatta eredményekkel, melyek a 8. ábra bal alsó sarkában olvashatók. Eszerint képleteink jól működnek. M6. A 7. és 8. ábrákhoz kapcsolódó feladatrészben nem volt járható a ( * ) helyettesítés alkalmazása; ugyanis [ 1 ] - ben megmutatják, hogy a konfokális ellipszis - és hiperbola - seregek ugyanazon differenciálegyenlettel írhatók le, így a mondott helyettesítés nem visz előrébb minket. Ez nem is annyira meglepő, ha a szakirodalomban szokásos, pl. az [ 1 ] műben is olvasható alakban írjuk fel a konfokális kúpszeletek kanonikus egyenletét: ( 42 ) A konfokális ellipszis - és hiperbolaseregekről további tudnivalókat találhatunk az [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ] munkákban is. Most [ 7 ] - ből idézünk 9. ábra.

14 9. ábra forrása: [ 7 / 2 ] Itt végigkövethetjük annak igazolását, hogy a konfokális ellipszis - sereg és hiperbola - sereg, mint egymás ortogonális trajektóriái, ugyanazzal a differenciálegyenlettel írhatók le. E példában c = ± 1 ( h. e. ), így ( 4 ) és ( 12 ) - ből: ( f ) ( g ) Vagyis ( f ) és ( g ) szerint az ( h )

15 egyenletben a választás az ellipszis - sereg, a választás pedig a hiperbola - sereg egyenletét adja, a 9. ábra szövegének megfelelően. Irodalom: [ 1 ] R. Rothe: Matematika gépészmérnökök számára Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1960., 97., 654., 656. o. [ 2 ] I. N. Bronstejn ~ K. A. Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv 2. kiadás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963., 256., 259. o. [ 3 ] V. V. Sztyepanov: A differenciálegyenletek tankönyve Tankönyvkiadó, Budapest, 1952., 65 ~ 66. o. [ 4 ] Simonyi Károly: Elméleti villamosságtan 7. kiadás, Tankönyvkiadó, Budapest, 1976., 127 ~ 128. o. [ 5 ] A. Schoenflies ~ M. Dehn: Einführung in die Analytische Geometrie der Ebene und des Raumes 2. Auflage, Springer - Verlag Berlin Heidelberg 1931., 135. o. [ 6 ] https://www.cs.elte.hu/blobs/diplomamunkak/bsc_mattan/2014/bota_bettina.pdf [ 7 / 1 ] A. F. Bermant: Matematikai analízis II. rész Tankönyvkiadó, Budapest, 1951., 267. o. vagy: [ 7 / 2 ] A. F. Bermant: A Course of Mathematical Analysis Part II. Pergamon Press Ltd., New York, 1963., 268. o. [ 8 ] Szerk. Fazekas Ferenc: Műszaki matematikai gyakorlatok B. VII. Bajcsay Pál: Közönséges differenciálegyenletek 2. kiadás, Tankönyvkiadó, Budapest, 1962., 194 ~ 197. o. Sződliget, 2017. 01. 21. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár