メインコンテンツへスキップ
教材一覧に戻る
数学C

放物線ほうぶつせん (じゅんせん焦点しょうてん)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

中学ちゅうがくまなんだ y=ax2y = ax^{2}放物線ほうぶつせん でした。 数学すうがく C ではこれを 焦点しょうてん準線じゅんせんからのきょひとしいてん軌跡きせき というえんすいきょくせん視点してんとらなおします。 離心率りしんりつ e=1e=1 で、 えん (e<1e<1) とそうきょくせん (e>1e>1) の きょうかいきょくせんです。

  • ぶつせん作図さくずてい (焦点しょうてん準線じゅんせん)
  • ひょうじゅんかたちと 4 たね
  • ぶつせん接線せっせん
  • 反射性質はんしゃせいしつ とパラボラアンテナ
  • 斜方投射しゃほうとうしゃとのつながり

おぼかた: えん = 「じたたまごがた」、 そうきょくせん = 「ひらいた 2 ほんゆみ」、 放ぶつせん = 「無限むげんびる U 」。 離心率りしんりつ e=1e=1えんからそうきょくせんへの りんかいがたで、 「おわん」 「えいせいほうそうアンテナ」 「げたボールの軌道きどう」 というわたしたちにもっともなじみふかえんすいきょくせんです。

1. 放物線ほうぶつせん定義ていぎ

作図さくず定義ていぎ

へいめんじょうの 1 ていてん F\mathrm{F} (焦点しょうてん) と、 これをとおらない 1 ちょくせん \ell (準線じゅんせん) からの きょひとしいP\mathrm{P}軌跡きせき放物線ほうぶつせんびます。

PF=(P か ら  へ の きょ)\mathrm{PF} = (\mathrm{P} \text{ か ら } \ell \text{ へ の きょ})

離心率りしんりつ e=1e = 1そうとうします。

用語ようご

よう
焦点しょうてんていてん F\mathrm{F}
準線じゅんせんていちょくせん \ell
頂点ちょうてんF\mathrm{F}\ellむす垂線すいせんと放ぶつせんこうてん
じくF\mathrm{F}とお\ell垂直すいちょくちょくせん

2. 放物線ほうぶつせん標準ひょうじゅんがた

じくが x じく焦点しょうてんが右

焦点しょうてん F(p,0)\mathrm{F}(p, 0)準線じゅんせん x=px = -p (p>0p>0) のとき、 ひょうじゅんかたち

y2=4pxy^{2} = 4px

4 たね

かたち焦点しょうてん準線じゅんせん
y2=4pxy^{2}=4px(p,0)(p, 0)x=px=-pみぎ
y2=4pxy^{2}=-4px(p,0)(-p, 0)x=px=pひだり
x2=4pyx^{2}=4py(0,p)(0, p)y=py=-pうえ
x2=4pyx^{2}=-4py(0,p)(0, -p)y=py=pした

中学ちゅうがくの y = ax² との関係かんけい

x2=4pyx^{2} = 4py4p=1/a4p = 1/a、 すなわち p=1/(4a)p = 1/(4a)たとえば y=x2y=x^{2} (a=1a=1) なら焦点しょうてん(0,1/4)(0, 1/4)準線じゅんせんy=1/4y = -1/4

例題れいだい 1

y2=8xy^{2} = 8x焦点しょうてん準線じゅんせんもとめよ。

かい: 4p=84p = 8 より p=2p = 2焦点しょうてん (2,0)(2, 0)準線じゅんせん x=2x = -2

例題れいだい 2

焦点しょうてん (0,3)(0, 3)準線じゅんせん y=3y = -3 の放ぶつせんもとめよ。

かい: 頂点ちょうてんげんてん上向うわむき、 p=3p = 3 より x2=12yx^{2} = 12y

3. 放物線ほうぶつせん接線せっせん

公式こうしき

y2=4pxy^{2} = 4px上の点(x0,y0)(x_0, y_0) における 接線せっせん

y0y=2p(x+x0)y_0 y = 2p(x + x_0)

x2=4pyx^{2} = 4py上の点(x0,y0)(x_0, y_0) では

x0x=2p(y+y0)x_0 x = 2p(y + y_0)

例題れいだい 3

y2=4xy^{2} = 4x上の点(1,2)(1, 2) におけるせっせんもとめよ。

かい: 4p=44p=4 より p=1p=1こうしき 2y=2(x+1)2y = 2(x+1)、 すなわち y=x+1y = x + 1

4. 反射はんしゃ性質せいしつ

焦点しょうてんじく平行へいこう光線こうせん

放物線ほうぶつせんかがみじく平行へいこう光線こうせんをあてると、 はんしゃこうすべて焦点しょうてん F\mathrm{F}あつまるぎゃく焦点しょうてんからひかりはんしゃ後に じく平行へいこう平行へいこう光線こうせん になる。

応用おうよう

そう
パラボラアンテナ (えいせいほうそう)平行へいこう電波でんぱしょうてんあつめ、 そこに受信じゅしん
太陽たいよう太陽光たいようこう (ほぼ平行へいこう) をしょうてん集中しゅうちゅうして高温こうおん
自動車じどうしゃヘッドライトしょうてん電球でんきゅうき、 はんしゃこう平行へいこうビームにする
はんしゃ望遠鏡ぼうえんきょう (ニュートンしき)平行へいこうほしひかりしょうてんゆいぞう
拡声かくせいマイク (パラボラがた)とおくのおとしょうてんあつめてしゅうおん

直感ちょっかん:平行へいこう光線こうせん → 1 てん集中しゅうちゅう」 は、 パラボラがただけが数学すうがくてきせいしつで、 球形きゅうけいかがみではしょうてん場所ばしょによってずれます (球面収差きゅうめんしゅうさ)。 だから高性能こうせいのう望遠鏡ぼうえんきょうえいせいアンテナはかならず放ぶつせん (またはそうきょくせんえん) かたち使つかいます。

5. 物理ぶつりはすかた投射とうしゃとの関連かんれん

投射とうしゃ軌道きどう放物線ほうぶつせん

地球ちきゅうひょうめんちかくで、 重力じゅうりょくだけをけてうご物体ぶったい (斜方投射しゃほうとうしゃ) のどう放物線ほうぶつせん になります。

りょうしきせつめい
水平すいへいx=v0cosθtx = v_0 \cos\theta\cdot t水平すいへいにはひとしそく
鉛直えんちょくy=v0sinθt12gt2y = v_0 \sin\theta\cdot t - \dfrac{1}{2}g t^{2}重力じゅうりょく加速度かそくどg-g

tt消去しょうきょすると

y=(tanθ)xg2v02cos2θx2y = (\tan\theta) x - \frac{g}{2 v_0^{2}\cos^{2}\theta}x^{2}

x2x^{2}こうがあるので 放物線ほうぶつせん数学すうがく C の媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじ (Ch2) との直接的ちょくせつてきれいです。

例題れいだい 4

初速しょそくv0=20 m/sv_0 = 20\ \mathrm{m/s}角度かくどθ=45°\theta = 45°投射とうしゃした物体ぶったい着地ちゃくちするきょ (水平すいへい到達とうたつきょ) をもとめよ。 重力じゅうりょく加速度かそくどg=9.8 m/s2g = 9.8\ \mathrm{m/s^{2}} とする。

かい: 水平すいへい到達とうたつきょ R=v02sin2θg=40019.840.8 mR = \dfrac{v_0^{2}\sin 2\theta}{g} = \dfrac{400 \cdot 1}{9.8}\approx 40.8\ \mathrm{m}

6. 放物線ほうぶつせん平行へいこう移動いどう

頂点ちょうてん原点げんてんでない場合ばあい

頂点ちょうてん (p,q)(p, q)上向うわむき放ぶつせん

(xp)2=4P(yq)(x - p)^{2} = 4P(y - q)

平方へいほう完成かんせいの例

y=x24x+7y = x^{2} - 4x + 7y=(x2)2+3y = (x-2)^{2}+3(x2)2=y3(x-2)^{2} = y - 3頂点ちょうてん (2,3)(2, 3)4P=14P=1 より P=1/4P=1/4焦点しょうてん (2,3+1/4)(2, 3+1/4)準線じゅんせん y=31/4y = 3 - 1/4

7. 円錐えんすい曲線きょくせん統一とういつ視点してん

離心率りしんりつならべる

えんすいきょくせん離心率りしんりつ eeかたち
えん00じた 1 しゅう
楕円だえん0<e<10 < e < 1じたえん
放物線ほうぶつせん11きょうかいひらいた U
双曲線そうきょくせん>1> 1ひらいた 2 ほん

ごく方程式ほうていしき統一とういつ

だい 3 しょうまなんだ極方程式きょくほうていしきで、 えんすいきょくせんすべて

r=l1+ecosθr = \frac{l}{1 + e\cos\theta}

かたちけます。 eeあたいで 4 たねがすっきりならびます。 e=1e=1 で放ぶつせん (分母ぶんぼが 0 になる θ=π\theta=\pirr\to\inftyひらいているせいしつあらわれる)。

8. 放物線ほうぶつせん文化ぶんか

れいせつめい
懸垂線けんすいせんとのちがつりばしのケーブルは cosh\cosh (懸垂線けんすいせん) で放ぶつせんとはちがうが、 おもさがいちようなら放ぶつせん (れい: しゅとうじょう重量じゅうりょういたいちようにかかるばし)
噴水ふんすいかく水滴すいてきは斜ほうとうしゃどうが放ぶつせん
スポーツバスケットボールのシュート、 ほうがん
えいせいほうそうパラボラアンテナ
サーチライトぶつせんきょう平行へいこうビームをつく

しょうまつまとめ

  • てい: 焦点しょうてん準線じゅんせんからとうきょ (離心率りしんりつ e=1e=1)
  • ひょうじゅんかたちy2=4pxy^{2}=4px焦点しょうてん (p,0)(p, 0)準線じゅんせん x=px=-p
  • せっせん y0y=2p(x+x0)y_0 y = 2p(x + x_0)
  • 平行へいこう光線こうせん焦点しょうてんはんしゃせいしつ
  • ほうとうしゃどうは放ぶつせん
  • えんすいきょくせんの 4 ばんとして きょうかいきょくせん
この教材きょうざいやくちましたか?