Что такое гипербола
О чем эта статья:
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Понятие гиперболы
Гипербола — это множество точек на плоскости, для которых модуль разности расстояний от двух точек (они же — «фокусы») — величина постоянная и меньшая, чем расстояние между фокусами.
Каноническое уравнение гиперболы в алгебре выглядит так:
, где a и b — положительные действительные числа.
Кстати, канонический значит принятый за образец.
В отличие от эллипса, здесь не соблюдается условие a > b, значит а может быть меньше b. А если a = b, то гипербола будет равносторонней.
Мы помним, что гипербола в математике выглядит так y = 1/x, что значительно отличается от канонической записи.
Вспомним особенности математической гиперболы:
- Две симметричные ветви.
- Две асимптоты. Асимптота — это прямая, которая обладает таким свойством, что расстояние от точки кривой до этой прямой стремится к нулю при удалении точки вдоль ветви в бесконечность. Их значение помогает найти специальное уравнение асимптот гиперболы.
Если гипербола задана каноническим уравнением, то асимптоты можно найти так:
Пример 1. Построить гиперболу, которая задана уравнением 5(x^2) — 4(y^2) = 20.
Приведем данное уравнение к каноническому виду (x^2)/(a^2) — (y^2)/(b^2) = 1.
Чтобы получить «единицу» в правой части, обе части исходного уравнения делим на 20:
Можно было сделать проще и дроби левой части 5(x^2)/20 — 4(y^2)/20 = 1 сразу сократить и получить (x^2)/4 — (y^2)/5 = 1. Нам повезло с примером, потому что число 20 делится и на 4 и на 5. Рассмотрим пример посложнее.
Пример 2. Построить гиперболу, которая задана уравнением 3(x^2)/20 — 8(y^2)/20 = 1.
- Произведем сокращение при помощи трехэтажной дроби:
- Воспользуемся каноническим уравнением
- Найдем асимптоты гиперболы. Вот так:
Важно! Без этого шага ветви гиперболы «вылезут» за асимптоты. - Найдем две вершины гиперболы, которые расположены на оси абсцисс в точках A1(a; 0), A2(-a; 0).
- Найдем асимптоты гиперболы. Вот так:
Если y = 0, то каноническое уравнение (x^2)/(a^2) — (y^2)/(b^2) = 1 превращается в (x^2)/(a^2) = 1, из чего следует, что x^2 = a^2 -> x = a, x = -a.
Данная гипербола имеет вершины A1(2; 0), A2(-2; 0).
Найдем дополнительные точки — хватит двух-трех.
В каноническом положении гипербола симметрична относительно начала координат и обеих координатных осей, поэтому вычисления достаточно провести для одной координатной четверти.
Способ такой же, как при построении эллипса. Из полученного канонического уравнения
на черновике выражаем:
Уравнение распадается на две функции:
— определяет верхние дуги гиперболы (то, что ищем);
— определяет нижние дуги гиперболы.
Далее найдем точки с абсциссами x = 3, x = 4:
Может возникнуть техническая трудность с иррациональным угловым коэффициентом √5/2 ≈ 1,12, но это вполне преодолимая проблема.
Действительная ось гиперболы — отрезок А1А2.
Расстояние между вершинами — длина |A1A2| = 2a.
Действительная полуось гиперболы — число a = |OA1| = |OA2|.
Мнимая полуось гиперболы — число b.
В нашем примере: а = 2, b = √5, |А1А2| = 4. И если такую гиперболу повернуть вокруг центра симметрии или переместить, то значения не изменятся.
Форма гиперболы
Повторим основные термины и узнаем, какие у гиперболы бывают формы.
Гипербола симметрична относительно точки О — середины отрезка F’F. Она также симметрична относительно прямой F’F и прямой Y’Y, проведенной через О перпендикулярно F’F. Точка О — это центр гиперболы.
Прямая F’F пересекает гиперболу в двух точках: A (a; 0) и A’ (-a; 0). Эти точки — вершины гиперболы. Отрезок А’А = 2a — это действительная ось гиперболы.
Несмотря на то, что прямая Y’Y не пересекает гиперболу, на ней принято откладывать отрезки B’O = OB = b. Такой отрезок B’B = 2b (также и прямую Y’Y) можно назвать мнимой осью гиперболы.
Так как AB^2 = OA^2 + OB^2 = a^2 + b^2, то из равенства следует: AB = c, то есть расстояние от вершины гиперболы до конца мнимой оси равно полуфокусному расстоянию.
Мнимая ось 2b может быть больше, меньше или равна действительной оси 2а. Если действительная и мнимая оси равны (a = b) — это равносторонняя гипербола.
Отношение F’F/А’А фокусного расстояния к действительной оси называется эксцентриситетом гиперболы и обозначается e. Эксцентриситет равносторонней гиперболы равен √2.
Гипербола лежит целиком вне полосы, ограниченной прямыми PQ и RS, параллельными Y’Y и отстоящими от Y’Y на расстояние OA =A’O = a. Вправо и влево от этой полосы гипербола продолжается неограниченно.
Для тех, кто хочет связать свою жизнь с точными науками, Skysmart предлагает курсы по профильной математике.
Фокальное свойство гиперболы
Точки F1 и F2 называют фокусами гиперболы, расстояние 2c = F1F2 между ними — фокусным расстоянием, середина O отрезка F1F2 — центром гиперболы, число 2а — длиной действительной оси гиперболы (соответственно, а — действительной полуосью гиперболы).
Отрезки F1M и F2M, которые соединяют произвольную точку M гиперболы с ее фокусами, называются фокальными радиусами точки M. Отрезок, соединяющий две точки гиперболы, называется хордой гиперболы.
Отношение e = a/c, где c = √(a^2 + b^2), называется эксцентриситетом гиперболы. Из определения (2a 1 .
Геометрическое определение гиперболы, которое выражает ее фокальное свойство, аналогично ее аналитическому определению — линии, которая задана каноническим уравнением гиперболы:
Рассмотрим, как это выглядит на прямоугольной системе координат:
- пусть центр O гиперболы будет началом системы координат;
- прямую, которая проходит через фокусы (фокальную ось), примем за ось абсцисс (положительное направление на ней от точки F1 к точке F2);
- прямую, перпендикулярную оси абсцисс и проходящую через центр гиперболы, примем за ось ординат (направление на оси ординат выбирается так, чтобы прямоугольная система координат Oxy оказалась правой).
Воспользуемся геометрическим определением и составим уравнение гиперболы, которое выразит фокальное свойство. В выбранной системе координат определяем координаты фокусов F1(-c, 0) и F2(c, 0). Для произвольной точки M(x, y), принадлежащей параболе, имеем:
Запишем это уравнение в координатной форме:
Избавимся от иррациональности и придем к каноническому уравнению гиперболы:
, т.е. выбранная система координат является канонической.
Если рассуждать в обратном порядке, можно убедиться, что все точки, координаты которых удовлетворяют уравнению (x^2)/(a^2) — (y^2)/(b^2) = 1, и только они, принадлежат геометрическому месту точек, называемому гиперболой. Именно поэтому аналитическое определение гиперболы эквивалентно его геометрическому определению.
Директориальное свойство гиперболы
Директрисы гиперболы — это две прямые, которые проходят параллельно оси.
ординат канонической системы координат на одинаковом расстоянии (a^2)/c от нее. Если а = 0, гипербола вырождается в пару пересекающихся прямых, и директрисы совпадают.
Директориальное свойство гиперболы звучит так:
Гиперболу с эксцентриситетом e = 1 можно определить, как геометрическое место точек плоскости, для каждой из которых отношение расстояния до заданной точки F (фокуса) к расстоянию до заданной прямой d (директрисы), не проходящей через заданную точку, постоянно и равно эксцентриситету e.
Здесь F и d — один из фокусов гиперболы и одна из ее директрис, расположенные по одну сторону от оси ординат канонической системы координат.
На самом деле для фокуса F2 и директрисы d2 условие
можно записать в координатной форме так:
Избавляясь от иррациональности и заменяя e = a/c, c^2 — a^2 = b^2, мы придем к каноническому уравнению гиперболы. Аналогичные рассуждения можно провести для фокуса F1 и директрисы d1:
Построение гиперболы
Чтобы запомнить алгоритм построения гиперболы, рассмотрим чертёж и комментарии к нему.
Построим основной прямоугольник гиперболы и проведем его диагонали. Если продолжим диагонали прямоугольника за его пределы, получим асимптоты гиперболы.
В силу симметрии достаточно построить гиперболу в первой четверти, где она является графиком функции:
Важно учесть, что данная функция возрастает на промежутке [a; ∞], при x = a, y = 0 и ее график приближается снизу к асимптоте y = (b/a) * x. Рисуем график:
Далее построенный в первой четверти график симметрично отображаем относительно оси Ох и получаем правую ветвь гиперболы. Теперь отобразим правую ветвь гиперболы относительно оси Оу.
По определению эксцентриситет гиперболы равен
Зафиксируем действительную ось 2а и начнем изменять фокусное расстояние 2с.
Так как b^2 = c^2 — a^2, то величина b изменится.
При этом ε -> 1, b -> 0 и мнимые вершины B1, B2 стремятся к началу координат, асимптоты приближаются к оси Ох. Основной прямоугольник гиперболы выражается в пределе в отрезок A1A2, а сама гипербола выражается в два луча на оси абсцисс: (-∞; -a] и [a; ∞).
При этом ε -> ∞, b -> ∞ и мнимые вершины B1B2 стремятся к бесконечности, асимптоты приближаются к оси Оу. Основной прямоугольник гиперболы вытягивается вдоль оси ординат и ветви гиперболы приближаются к прямым x = +-a и в пределе сливаются с ними. Гипербола выражается в две прямые x = +-a, которые параллельны оси Оу.
При этом ε -> ∞, b -> ∞ и мнимые вершины B1B2 стремятся к бесконечности, асимптоты приближаются к оси Оу. Основной прямоугольник гиперболы вытягивается вдоль оси ординат и ветви гиперболы приближаются к прямым x = +-a и в пределе сливаются с ними. Гипербола выражается в две прямые x = +-a, которые параллельны оси Оу.
Равносторонняя гипербола это такая гипербола, у которой эксцентриситет равен √2. Ее еще называют равнобочной.
Из определения следует, что в равносторонняя гиперболе a = b, поэтому ее каноническое уравнение выглядит так: x^2 — y^2 = a^2
Действительно, ε = c/a = √2, откуда c^2 = 2a^2 и b^2 = c^2 — a^2 = a^2. И так как а и b положительные числа, получаем a = b.
Гипербола
Что такое гипербола? Как построить гиперболу? (Для школьников (7-11 классов)).
Функция заданная формулой \(y=\frac
Определение гиперболы.
График функции \(y=\frac
Что нужно знать, чтобы построить гиперболу?
Теперь обсудим свойства гиперболы:
гипербола, где k y≠0 это вторая асимптота.
И так, асимптоты x≠0 и y≠0 в данном примере совпадают с осями координат OX и OY.
k=1, значит гипербола будет находится в первой и третьей четверти. k всегда находится в числители.
Построим примерный график гиперболы.
Пример №2:
$$y=\frac<1>
Находим первую асимптоту.
Знаменатель не может равняться 0, потому что на 0 делить нельзя, поэтому х+2 неравен 0.
х+2≠0
х≠-2 это первая асимптота
Находим вторую асимптоту.
Дробь \(\color
Остается y≠ -1 это вторая асимптота.
Строим примерный график, отмечаем асимптоты (красным проведены прямые х≠-2 и y≠-1):
Находим первую асимптоту.
Знаменатель не может равняться 0, потому что на 0 делить нельзя, поэтому 1+х неравен 0.
1+х≠0
х≠-1 это первая асимптота.
Находим вторую асимптоту.
Остается y≠1 это вторая асимптота.
Строим примерный график, отмечаем асимптоты (красным проведены прямые х≠-1 и y≠1):
3. У гиперболы есть центр симметрии относительно начала координат. Рассмотрим на примере:
Возьмем точку А(1;1) с координатами, которая находится на графике у=1/х. На этом же графике лежит точка B(-1;-1). Видно, что точка А симметрична точке В относительна начала координат.
4. Оси симметрии гиперболы. У гиперболы две оси симметрии. Рассмотрим пример:
Первой осью симметрии является прямая y=x. Посмотрим точки (0,5;2) и (2;0,5) и еще точки (-0,5;-2) и (-2;-0,5). Эти точки расположены по разные стороны данной прямой, но на равных расстояниях от нее, они симметричны относительно этой прямой.
Вторая ось симметрии это прямая y=-x.
5. Гипербола нечетная функция.
6. Область определения гиперболы и область значения гиперболы. Область определения смотрим по оси х. Область значения смотрим по оси у. Рассмотрим на примере:
а) Находим первую асимптоту.
Знаменатель не может равняться 0, потому что на 0 делить нельзя, поэтому x-1 неравен 0.
x-1≠0
х≠1 это первая асимптота.
Находим вторую асимптоту.
Остается y≠ -1 это вторая асимптота.
б) k=-1, значит ветви гиперболы будут находится во второй и четвертой четверти.
в) Возьмем несколько дополнительных точек и отметим их на графике.
х=0 y=0
x=-1 y=-0,5
x=2 y=-2
x=3 y=-1,5
г) Область определения смотрим по оси х. Графика гиперболы не существует по асимптоте х≠1, поэтому область определения будет находится
х ∈ (-∞;1)U(1;+∞).
д) Область значения смотрим по оси y. График гиперболы не существует по асимптоте y≠ -1, поэтому область значения будет находится
y ∈ (-∞;-1)U(-1;+∞).
е) функция возрастает на промежутке x ∈ (-∞;1)U(1;+∞).
7. Убывание и возрастание функции гиперболы. Если k>0, функция убывающая. Если k Category: 8 класс, База знаний, Уроки Tag: Гипербола Leave a comment
Чем примечательна гипербола?
Гипербола — одно из наиболее сложных понятий в школьном курсе математики за 8 класс, точнее уже алгебры. Возможно, играет роль сбивающий с толку «синоним» из курса литературы, возможно, сложно понять смысл слова «асимптота», но школьнику сложно освоить построение и в сравнении с параболой. Чтобы раз и навсегда разобраться с этим вопросом, мы начнем не с школьного определения гиперболы, а с построения графика. Более того, этот график не будет гиперболой.
Прямая пропорциональность
Большинство школьников хорошо понимают понятие «прямая пропорциональность», поскольку оно согласуется с их бытовым опытом. Чем больше вы работаете, тем лучше оценки, то есть уровень оценок прямо пропорционален времени обучения. С математической точки зрения эта зависимость выглядит следующим образом.
Пример: у бога грома Тора есть молот (этот инструмент называется «Мьёльнир»), который, будучи брошенным, всегда возвращается к своему хозяину. Но летает Мьёльнир с постоянной скоростью — за секунду он преодолевает 5 км. В первый раз Тор бросил молот (в Локи) и поймал через 5 секунд (Локи увернулся). Во второй раз Тор бросил молот и поймал через 10 секунд (вновь не попал в бога хитрости). Какое расстояние молот пролетел в первый и второй раз.
Решение
В нашей задаче изменяется время полета молота — обозначим эту величину «х». Расстояние полета Мьёльнира будет «y». В нашем случае эти две величины связаны постоянной скоростью полета молота — то есть коэффициентом пропорциональности k, который для данной задачи равен 5.
Если нанести эти данные на график, где по оси абсцисс будет x, а по оси ординат — y, то получится прямая с определенным наклоном, угол которого относительно оси абсцисс зависит от коэффициента k и для нашего случая составляет 45°. При отрицательном значении k прямая будет наклонена под 135°к оси х.
Если экстраполировать (продлить по тому же закону) обе стороны прямой, то можно сделать простой вывод: чем дольше летит молот, тем больше он пролетает.
Гипербола с примерами
Обратная пропорциональность
Внимательный читатель уже понял, что если есть прямая пропорциональность, то должна быть и обратная, при которой с возрастанием х будет убывать у (чем больше траты, тем меньше денег). Правильно, такая зависимость существует и выражается следующим образом:
Проанализируем указанное выше выражение:
- х может быть любым, кроме 0 (потому что НА 0 ДЕЛИТЬ НЕЛЬЗЯ);
- при k = 0 при любом значении х у = 0.
Рассмотрим все остальные случаи, то есть условие при k≠0. Примем коэффициент пропорциональности k = 5 (как в предыдущем примере) и подставив значения х от -10 до 10, нанесем полученные точки на график.
х | -10 | -5 | -4 | -2 | -1 | 1 | 2 | 4 | 5 | 10 |
у | -0,5 | -1 | -1,25 | -2,5 | -5 | 5 | 2,5 | 1,25 | 1 | 0,5 |
Гипербола с примерами
Полученная совокупность точек и называется гиперболой.
Чем примечательна гипербола?
Гипербола с примерами
Если мы проанализируем полученный график, то увидим, что гипербола состоит из двух ветвей с достаточно характерными особенностями:
- ветви симметричны;
- каждая ветвь симметрична относительно прямой, лежащей под углом 45° к оси абсцисс;
- ветви находятся в I и III четвертях.
Если мы продолжим подставлять значения х в уравнение , то заметим, что ветви приближаются к осям х и у, но не пересекают их. Вот почему так происходит:
- х не может принимать значение 0 по математическим соображениям;
- k не может принимать значение 0 (мы сами исключили этот вариант);
- у не может обращаться в 0.
Внимание: исключение значения k = 0 является неким самообманом, поэтому каноническое уравнение гиперболы отличается от школьного.
Оси абсцисс и ординат выполняют для гиперболы роль асимптоты — линии, к которой кривая бесконечно приближается, но не может коснуться. Говорят, что ветви гиперболы асимптотически приближаются к осям x и y. Асимптоты есть и у других кривых.
Попробуем рассмотреть нашу обратную пропорциональность пристальней — поменяем знак коэффициента k.
Подставим значения х от -10 до 10, нанесем полученные точки на график.
х | -10 | -5 | -4 | -2 | -1 | 1 | 2 | 4 | 5 | 10 |
у | 0,5 | 1 | 1,25 | 2,5 | 5 | -5 | -2,5 | -1,25 | -1 | -0,5 |
Теперь ветви гиперболы располагаются во II и IV координатных четвертях.
Гипербола с примерами
Отметим несколько закономерностей:
- гипербола имеет две асимптоты;
- ветви гиперболы симметричны относительно друг друга;
- для всех положительных вариантов х ветви размещаются в I или II четвертях;
- для всех отрицательных вариантов х ветви размещаются в III или IV четвертях;
- для всех положительных вариантов k ветви размещаются в I и III четвертях;
- для всех отрицательных вариантов k ветви размещаются во II и IV четвертях;
- чем меньше |x|, тем больше |y|;
- если точка (х, у) принадлежит одной из ветвей гиперболы, точка (-х, -у) будет принадлежать второй его ветви (так как они симметричны).
http://tutomath.ru/8-klass/kak-postroit-giperbolu.html
http://egevpare.ru/giperbola-s-primerami/