Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

Hasonló dokumentumok
A főtengelyproblémához

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Ellipszis átszelése. 1. ábra

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

A hordófelület síkmetszeteiről

Fa rudak forgatása II.

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

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

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

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

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

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

További adalékok a merőleges axonometriához

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

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Érdekes geometriai számítások 10.

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

A Cassini - görbékről

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

Poncelet egy tételéről

Egy sajátos ábrázolási feladatról

Egy kinematikai feladathoz

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

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Egy érdekes nyeregtetőről

A magától becsukódó ajtó működéséről

Egy mozgástani feladat

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

Fénypont a falon Feladat

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

A lengőfűrészelésről

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

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

A rektellipszis csavarmozgása során keletkező felületről

Függvények Megoldások

Aszimmetrikus nyeregtető ~ feladat 2.

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

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

A fő - másodrendű nyomatékok meghatározása feltételes szélsőérték - feladatként

Az egyköpenyű forgáshiperboloid síkmetszeteiről

A merőleges axonometria néhány régi - új összefüggéséről

A gúla ~ projekthez 2. rész

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

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

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

Kocka perspektivikus ábrázolása. Bevezetés

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

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Kecskerágás már megint

Egy másik érdekes feladat. A feladat

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa keresztmetszeti jellemzőiről

Vontatás III. A feladat

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

A ferde tartó megoszló terheléseiről

Egy újabb látószög - feladat

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

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

Matematikai geodéziai számítások 10.

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

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

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

Egy kétszeresen aszimmetrikus kontytető főbb geometriai adatainak meghatározásáról

Vonatablakon át. A szabadvezeték alakjának leírása. 1. ábra

Kiegészítés a merőleges axonometriához

Az axonometrikus ábrázolás analitikus geometriai egyenleteinek másfajta levezetése. Bevezetés

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 ;

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

Egy ismerős fizika - feladatról. Az interneten találtuk az [ 1 ] könyvet, benne egy ismerős fizika - feladattal 1. ábra.

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

Abszolútértékes és gyökös kifejezések Megoldások

8. előadás. Kúpszeletek

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

Egy felszínszámítási feladat a tompaélű fagerendák témaköréből

Egy kinematikai feladat

Ismét egy érdekes mechanizmusról. Az interneten találkoztunk az [ 1 ] művel, benne az 1. ábrával.

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.

A közönséges csavarvonal érintőjének képeiről

Befordulás sarkon bútorral

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Szélsőérték feladatok megoldása

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

A térbeli mozgás leírásához

10. Koordinátageometria

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

Észrevételek a forgásfelületek síkmetszeteivel kapcsolatban. Bevezetés

A csavart oszlop előállításáról

Vektorok és koordinátageometria

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Abszolútértékes és Gyökös kifejezések

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Számítási feladatok a Számítógépi geometria órához

Átírás:

1 Ellipszis perspektivikus képe 2. rész Dolgozatunk 1. részében nem mentünk tovább a matematikai kifejtésben. Ezzel mintegy felhagytunk a belső összefüggések feltárásával. A jelen 2. részben megkíséreljük kihozni a témából, amit lehet, durva aránytévesztés nélkül. Az elvégzendő feladat: a kép - ellipszis jellemző adatainak számításos meghatározása. Ez történhet általában képletekkel, vagy konkrétan számszerűen. Kezdjük el, aztán meglátjuk, meddig jutunk el a felfedezésben! A kép - ellipszis egyenletének kanonikus alakra hozása Vizsgálatainkhoz az [ 1 ] munkát választottuk forrásként. A másodrendű görbék általános egyenlete az alábbi: ( 1 ) Ebből kanonikus alakhoz két koordináta - transzformációval juthatunk. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is! 1. ábra forrása: [ 1 ] Az I. transzformáció egy párhuzamos eltolás, a II. transzformáció egy forgatás lesz. Ekkor: innen: I. transzformáció ( 2 / 1 )

2 ( 2 ) Most ( 2 ) - t ( 1 ) - be helyettesítve: elvégezve a kijelölt műveleteket: ( 3 ) ( 4 ) majd ( 3 ) és ( 4 ) - gyel: ezt x és y hatványai szerint rendezve: ( 5 ) bevezetve az ( 6 ) rövidítő jelölést, ( 5 ) és ( 6 ) - tal: Ha azt akarjuk, hogy a másodrendű görbe egyenletéből x és y eltűnjön, akkor kell, hogy ( 7 ) szerint: ( 8 / 1 ) ( 8 / 2 ) ( 7 ) Utóbbiakat átrendezve: ( 8 / 2 ) ( 8 / 2 ) Ez egy lineáris egyenletrendszer az x 0, y 0 ismeretlenekre, amit a Cramer - szabállyal oldunk meg:

3 ( 9 ) Hasonlóképpen: ( 10 ) Az ( x 0, y 0 ) koordinátákkal bíró O pont az eltolt ( és elforgatott ) k. r. - ek új kezdőpont - ja, az eredeti Oxy k. r. - ben megadva, az 1. ábra szerint is. Az I. transzformáció után a másodrendű görbe egyenlete ( 7 ), ( 8 / 1 ), ( 8 / 2 ) - vel: ( 11 ) II. transzformáció Az O x y k. r. - ben a görbe egyenlete még így is írható, ( 11 ) alapján: ( 12 ) Annak érdekében, hogy ( 12 ) - ből eltüntethessük az x y tagot, forgassuk el az x, y tengelykeresztet O körül egy φ szöggel ld. 1. ábra! A forgatási transzformáció egyenleteit a 2. ábra alapján írjuk fel. Eszerint a sík egy P pontjára, a P indexet elhagyva, r = OP - vel: 2. ábra

4 ( 13 ) Hasonlóan: ( 14 ) A fordított transzformáció teljesen hasonló úton járva: ( 15 ) ( 16 ) Minthogy most a ( 12 ) - beli x, y - t akarjuk kifejezni x, y - vel, ezért a ( 15 ) és ( 16 ) képleteket alkalmazzuk. Vagyis ( 12 ), ( 15 ) és ( 16 ) - tal: ( 12 ) elvégezve a kijelölt műveleteket az összeadandókban: ( 17 ) utóbbiakat ( 17 ) - be helyettesítve:

5 ( 18 ) Új jelölésekkel: Most ( 18 ) és ( 19 ) - cel: ( 19 / 1 ) ( 19 / 2 ) ( 19 / 3 ) ( 20 ) Ha azt akarjuk, hogy ( 20 ) - ból eltűnjön az x y tag, akkor kell, hogy B * = 0 legyen, azaz ( 19 / 2 ) - vel is: ( 21 / 1 ) innen: ( 21 ) A ( 21 ) - ből ( 22 ) szerint számítható φ* szöggel elforgatott O x y k. r. - ben a másodrendű görbe egyenlete ( 20 ) és ( 21 / 1 ) szerint: ( 23 ) Feltéve, hogy ( 24 ) ami az ellipszis esetét jelenti, a képellipszis egyenlete ( 23 ) - ból: ( 25 )

6 ezt összehasonlítva az ellipszis kanonikus egyenletével, kapjuk, hogy az ellipszis a* és b* fél tengely - adataira fennáll, hogy ( 26 ) A ( 25 ), ( 26 ) képletek felírásánál feltettük, hogy ( 27 ) Megjegyezzük, hogy [ 1 ] szerint: ha A = C, akkor ( 21 ) - ben cos( 2φ ) = 0. Ugyaninnen: mivel B 0, 2φ 0 és π, így φ 0 és π / 2 között meghatározott. ( Itt φ = φ* veendő! ) Ekkor megeshet, hogy a féltengelyek hosszaira b* > a*, ami vállalható ld. 3. ábra! 3. ábra forrása: [ 1 ] A szög értéke, amely megadja az elforgatott x tengely hajlását, még más úton is meghatározható. ( 21 / 1 ) szerint: a megoldó - képlettel: ( 28 )

7 ( 29 ) [ 2 ] szerint az új / elforgatott x tengely m irányhatározóját a ( 28 ) képlet adja meg. Most térjünk rá A * és C * meghatározására! ( 19 / 1 ) és ( 19 / 3 ) - mal: ( 30 ) és ( 31 ) összeadásával: Majd képezve az A * C * ( B *) 2 szorzatot azt kapjuk, hogy ( 30 ) ( 31 ) ( 32 ) ( 33 ) A ( 32 ) és ( 33 ) kifejezések a k. r. elforgatása során változatlanok maradnak: ezek invariáns mennyiségek. Kiszámításukat itt nem részleteztük; ( 30 ) és ( 31 ) alapján végzett hosszú, de nem bonyolult számítással adódnak ezek az eredmények. A * és C * meghatározása A és C ismeretében ( 32 ) és ( 33 ) alapján pl. a következőképpen történhet: ( 34 ) a megoldó - képlettel: ( 35 ) Most ( 34 ) és ( 35 ) - tel: ( 36 )

8 ( 35 ) és ( 36 ) összehasonlításából adódik, hogy ( 37 ) Ez azt mutatja, hogy a A * és C * maximális és minimális értékei megegyeznek, ám nem ugyanazon tengelyhez tartozóan. A négyzetgyök előtti ugyanazon a felső előjelhez tartozó mennyiségeket véve, ( 35 ) és ( 36 ) - tal: ( 38 ) ( 39 ) A ( 38 ) és ( 39 ) képletek is megegyeznek a [ 2 ] - beli megfelelőikkel. Most ( 26 ), ( 38 ), ( 39 ) - cel: ( 40 ) hasonlóan: ( 41 ) A ( 40 ) és ( 41 ) képletekből leolvasható, hogy ( 35 ) és ( 36 ) gyökjele előtti alsó előjelhez tartozó választással: ( 42 ) ( 43 )

9 A kép - ellipszis f( x, y ) = 0 egyenletének felírása A talált képletek alkalmazásához elő kell állítanunk kép - ellipszisünk ( 1 ) alakú egyenletét, majd azonosítanunk kell a benne szereplő állandókat. Az 1. rész 4. és 5. képletével a kép - ellipszis egy pontjának koordinátái, a K indexet elhagyva: ( 44 ) ( 45 ) Most kifejezzük ( 44 ) - ból és ( 45 ) - ből a b sin( t ) mennyiséget: ( 46 ) hasonlóan: ( 47 ) Majd ( 46 ) és ( 47 ) jobb oldalainak egyenlővé tételével: egyszerűsítve és rendezve: ( 48 ) Ezután ( 47 ) és ( 48 ) - cal: ( 49 ) négyzetre emeléssel és összeadással, tekintettel a ( 50 )

10 azonosságra is, kapjuk, hogy: ( 51 ) Rendezve: kifejtve: ( 52 ) Az ( 1 ) szerinti kifejezésnek megfelelően az állandók ( 52 ) - ben: ( k1 ) ( k2 ) ( k3 ) ( k4 ) ( k5 ) ( k6 ) Most ( 9 ) és ( k ) - val: ( 53 ) Hasonlóképpen ( 10 ) és ( k ) - val:

11 ( 54 ) Majd ( 28 ) - hoz: ( 55 ) ( 56 ) most ( 28 ), ( 55 ), ( 56 ) - tal: ( 57 ) Ezután ( 6 ), ( k ), ( 53 ), ( 54 ) - gyel:

12 ( 58 ) Most ( 12 ) és ( 58 ) szerint: ( 59 ) Ezután ( 38 ) és ( 39 ) - hez: ( 60 ) ( 61 ) Most ( 38 ), ( 56 ), ( 60 ), ( 61 ) szerint: ( 62 ) majd ( 39 ), ( 56 ), ( 60 ), ( 61 ) szerint:. ( 63 )

13 Ezután ( 26 ), ( 59 ), ( 62 ) és ( 63 ) - mal: ( 64 ) ( 65 ) Ezzel képlet formájában meghatároztuk a kép - ellipszis minden fontos adatát, a bemenő adatok függvényében. A kanonikus alakú kép - ellipszis előállítása Ehhez az adatok az 1. részből: a = 2 m, b = 1 m ; X C = 10 m, Y C = 10 m, Z C = 10 m. ( A ) Ezekkel: ( p1 ) ( p2 ) ( p 3 ) Most ( 53 ), ( A ) és ( p2 ) - vel: ( E1 )

14 Majd ( 54 ), ( A ) és ( p2 ) - vel: ( E2 ) Ezután ( 57 ), ( A ) és ( p ) - vel: az ehhez tarozó szög visszakereséssel: ( E3 ) Majd ( 64 ) és ( 65 ) - tel: ( E4 ) ( E5 )

15 Az eredeti és a kanonikus alakra hozott kép - ellipszisek együttes ábrázolása A végrehajtott transzformációk együttes alkalmazásával a kép - ellipszis egyenlete az eredeti Oxy k. r. - ben, a ( 2 / 1 ), ( 13 ) és ( 14 ) képletek együttes alkalmazásával: ( 66 ) ( 67 ) Ezekkel a kép - ellipszis ( 68 ) kanonikus egyenlete így írható át: ( 69 ) Az ( E ) eredményeket ( 69 ) - be helyettesítve megkapjuk a keresett számszerű implicit függvénykapcsolatot, melyet a 4. ábrán ábrázoltunk, az új k. r. - rel együtt. = 1. 4. ábra Most idemásoljuk az előző dolgozatban kapott kép - ellipszist is 5. ábra.

16 5. ábra Majd egymásra rajzoltuk a két görbét, ugyanazon k. r. - ben 6. ábra. 6. ábra A 6. ábrán csak egy görbét látunk, mert a piros elfedi a feketét.

17 Hogy mindkettőt megrajzoltuk, az a jobb felső sarokban felírt egyenleteikből látható. Ez azt jelenti, hogy a két görbe egybeesik. Megjegyzések: M1. Az ( 52 ) egyenletből kiolvasható, hogy ~ hiszen ellenkező estben nem látnánk rá a tárgy - ellipszisre, mert azzal egy síkban lenne a vetítési centrum; ~ hiszen ellenkező esetben, mellett a C centrum a tárgy - ellipszis fölött körözne, így a vetítősugarak függőlegesek, azaz az OYZ képsíkkal pár - huzamosak lennének, vagyis egy X P = X C, Y P =Y C tárgypontról nem keletkezhetne vetület. M2. ( 21 ), ( k ) és ( A ) szerint: (! ) innen: 065 ( ) ez a korábban kapott ( E3 ) szerinti φ 1 * - gal ilyen összefüggésben áll: Látjuk, hogy a ( 21 ) képlettel való munka nem annyira egyértelmű, mint a ( 28 ) - cal való. Még akkor sem, ha tudjuk, hogy valójában ( 70 ) Úgy tűnik, hogy valamilyen megállapodásra is szükség van / lehet a főtengelyek szögeinek egyértelművé tételéhez, vagy további számításokra. Ezeket elkerülendő inkább a ( 28 ) és ( 29 ) képleteket alkalmazzuk. M3. ( 28 ) és ( 29 ) - cel könnyen igazolható, hogy ( 71 ) vagyis hogy a főtengelyek egyenesei merőlegesek egymásra.

18 M4. Többször is utaltunk a 3. ábra furcsa állású ábrájára. Ez a furcsa állás azzal van ösz - szefüggésben, hogy az ún. főtengely - probléma megoldása tehát φ*, valamint a hozzá tartozó A *, C * meghatározása során egy szélsőérték - feladatot oldottunk meg. A me - chanikában pl. síkidomok másodrendű nyomatékainak tanulmányozásánál is találkoztunk ilyen problémával, a főtengelyek k. r. - ének és a fő másodrendű nyomatékok meghatáro - zása során. Szóval itt az ellipszis alakú síkidomnak az x tengelyre a legnagyobb a másodrendű nyomatéka. Az O centrumnak a keresztmetszet súlypontja felel meg. M5. A ( 27 ) képlet utáni idézet a példa megoldása után legalábbis véleményes. A főten - gelyek elhelyezkedésének részletes elemzésével a [ 3 ] mű is foglalkozik; innen vettük a 7. ábrát. 7. ábra forrása: [ 3 ] Itt x, y: a főtengelyek, melyek az x 1, y 1 tengely - rendszer α 0 szögű elforgatásával álltak elő. Az itteni jelölésekkel a ( 72 ) képlet érvényes. Ekkor a ( ) szerint: 065 Esetünkben A I x1, C I y1 > I x1, B I x1y1 > 0, így nálunk a 7. ábra első esete áll fenn. Viszont itt az x tengelyhez a minimális másodrendű nyomaték tartozik: I x = I min. Ez a 6. ábra szemléletének is megfelel. A ( 72 ) képlet jobb oldalán álló korlátozást jeleníti meg grafikusan a 8. ábra. 8. ábra forrása: [ 3 ]

19 Ugyanis [ 3 ] - ban így érvelnek: ~ ha akkor így ; ~ ha akkor így ~ ezek szerint elegendő az szögtartományt vizsgálni. ( A 8. ábrán helyett csak jel szerepel. ) M6. Az érdeklődő Olvasó figyelmébe ajánljuk, hogy nézzen utána az itt nem teljesen igazolt állításoknak; pl. azoknak, amelyek a ( 72 ) képlet után szerepelnek, az A, B és C mennyiségekre vonatkozóan. Erre szinte bármely szilárdságtannal foglakozó tankönyv alkalmas, így akár a kiváló [ 3 ] mű is. M7. A végén eszünkbe jutott, hogy talán érdekes lehet kiszámítani a kép - és a tárgy - ellipszis területének arányát: ( 73 ) Most ( 26 ) - tal: ( 74 ) majd ( 33 ) - mal: ( 75 ) ezután ( 74 ) és ( 75 ) - tel: ( 76 ) továbbá ( k ) - val: ( 77 ) így ( 59 ), ( 76 ) és ( 77 ) - tel:

20 ( 78 ) Most ( 73 ) és ( 78 ) - cal: tehát képletszerűen: ( 79 ) Számszerűen: ~ ( 79 ) és ( A ) - val: ( E6 / 1 ) ~ ( 73 ), ( E4 ), ( E5 ) és ( A ) - val: ( E6 / 2 ) Az ( E6 / 1 ) és ( E6 / 2 ) eredmények nagyfokú egyezése egyfajta ellenőrzést is adott képleteinkre. Ezek szerint a kép - ellipszis területe mintegy 1,5 % - kal nagyobb, mint a tárgy - ellipszisé. Érdekes fejlemény. Ahogyan az is, hogy ( 79 ) szerint k nem függ a - tól és X C - től, esetünkben.

21 Irodalom: [ 1 ] Rudolf Fueter: Analytische Geometrie der Ebene und des Raumes Springer Basel AG 1945., 136 ~ 142. o. [ 2 ] I. N. Bronstejn ~ K. A. Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv 2. kiadás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963., 265. o. [ 3 ] I. A. Birger ~ R. R. Mavljutov: Szoprotyivlenyije matyerialov Moszkva, Nauka, 1986., 8. fejezet, 30. pont Sződliget, 2015. 12. 28. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár