Analytická geometria v 3D
Kvadratické útvary v 3D - elipsoid, hyperboloid, paraboloid, ...
Príklad 2: Pomocou vhodnej úpravy rovnice
x^{2}-81y^{2}+9z^{2}-8x-162y-36z-110=0 určte druh plochy ňou popísanej.
Riešenie:
Uvedenú rovnicu prepíšeme do tvaru, kde do zátvoriek zlúčime sčítance obsahujúce rovnakú premennú (t.j. do jednej zátvorky dáme všetky výrazy s
x, do druhej všetky výrazy s
y a do tretej všetky výrazy obsahujúce premennú
z):
[x^{2}-8x]+[-81y^{2}-162y]+[9z^{2}-36z]-110=0. Ak sa v príslušných zátvorkách pri kvadratických členoch súčtu (druhých mocninách premennej) nachádzajú koeficienty rôzne od
1, tieto vyberieme pred tú-ktorú zátvorku. V našom prípade týmto dostaneme rovnicu:
[x^{2}-8x]+(-81).[y^{2}+2y]+9[z^{2}-4z]-110=0. (Pozor na znamienka pri vyberaní záporného čísla pred zátvorku!) Každý z výrazov v zátvorke následne upravíme na (úplný alebo neúplný) štvorec, pričom využijeme vzťahy
a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} a
a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2}.
Uvažujme výraz
[x^{2}-8x]. Nakoľko medzi členmi výrazu je znamienko mínus, budeme vychádzať zo vzorca
a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2}. Všimneme si, že ak by sa jednalo o úplný štvorec, výraz
x^{2} by v ňom odpovedal výrazu
a^{2} uvedeného vzorca, teda po odmocnení dostávame
a=x. Analogicky výraz
-8x by odpovedal výrazu
-2ab, teda
8x=2ab, čo pre
a=x (viď vyššie) dáva rovnicu
8x=2xb, čo pre nenulové
x môžeme výrazom
2x podeliť a dostaneme
b=4. V takomto prípade by potom výrazu
b^{2} odpovedala hodnota
4^{2}, teda
16. Táto sa vo výraze
[x^{2}-8x] dá získať trikom, konkrétne pripočítaním nuly vo vhodnom tvare k
[x^{2}-8x]. Samotné pripočítanie nuly k ľubovoľnému výrazu nezmení jeho hodnotu.
Teda
[x^{2}-8x]=[x^{2}-8x+0]. Túto nulu môžeme zapísať v tvare rozdielu dvoch identických čísel. Pre náš účel úpravy na štvorec je potrebné dané čísla postaviť rovné hodnote
b=4^{2}=16. Dostaneme výraz
[x^{2}-8x+0]=[x^{2}-8x+4^{2}-16], ktorý je ekvivalentný výrazu
[(x^{2}-2.4x+4^{2})-16]. Výraz v oblej zátvorke môžeme následne upraviť použitím pravej strany vzťahu
a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} na tvar
(x-4)^{2}, nakoľko, ako sme uviedli vyššie, tu
a=x a
b=4. Týmto dostaneme výslednú úpravu výrazu
[x^{2}-8x] na (neúplný) štvorec, a teda rovnosť výrazov:
[x^{2}-8x]=[x^{2}-8x+4^{2}-16]=[(x-4)^{2}-16].
Analogicky budeme postupovať v prípade výrazu
[y^{2}+2y]. Nakoľko medzi členmi výrazu je znamienko plus, budeme vychádzať zo vzorca
a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2}. Všimneme si, že ak by sa jednalo o úplný štvorec, výraz
y^{2} by v ňom odpovedal výrazu
a^{2} uvedeného vzorca, teda po odmocnení dostávame
a=y. Výraz
2y by tu odpovedal výrazu
2ab, čo pre
a=y dáva
b=1. V takomto prípade by výrazu
b^{2} odpovedala hodnota
16^{2}, teda
1. Opäť ju vo výraze
[y^{2}+2y] dostaneme trikom pripočítavania nuly vo vhodnom tvare:
[y^{2}+2y]=[y^{2}+2y+0]=[y^{2}+2y+1^{2}-1]. Následne prvé tri členy súčtu zlúčime do jednej zátvorky, pričom vieme, že sú ekvivalentné s ľavou stranou vzorca
a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} môžeme postupne písať:
[y^{2}+2y+1^{2}-1]=[(y^{2}+2y+1^{2})-1]=[(y+1)^{2}-1]. Tým sme výraz
[y^{2}+2y] upravili na (neúplný) štvorec.
Napokon pomocou vzorca
a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} upravíme výraz
[z^{2}-4z]. Podobne ako v predchádzajúcich prípadoch tu na základe porovnania prvých členov výrazu dostaneme
a=z. Z rovnosti výrazov
-2ab=-4z pre
a=z dostaneme
2zb=4z, čo pre nenulové
z dáva
b=2. Teda
b^{2}=2^{2}=4. Opäť na základe pripočítavania nuly vo vhodnom tvare k výrazu
[z^{2}-4z] môžeme písať:
[z^{2}-4z]=[z^{2}-4z+0]=[z^{2}-4z+2^{2}-4]=[(z^{2}-4z+2^{2})-4]. Výraz v oblej zátvorke na základe ekvivalentnosti (
z=a,
2=b) a podľa vzorca
a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} nahradíme výrazom
z-2, čím dostaneme hľadanú úpravu výrazu
[z^{2}-4z] na tvar
[(z-2)^{2}-4].
Teraz už môžeme rovnicu
[x^{2}-8x]+(-81).[y^{2}+2y]+9[z^{2}-4z]-110=0 prepísať do tvaru
[(x-4)^{2}-16]+(-81).[(y+1)^{2}-1]+9[(z-2)^{2}-4]-110=0.
Následne roznásobíme výrazy v zátvorkách pred nimi stojacimi koeficientami (viď nižšie) a vypočítame hodnotu absolútneho člena.
1.[(x-4)^{2}-16]+(-81).[(y+1)^{2}-1]+9[(z-2)^{2}-4]-110=0
(x-4)^{2}-16+(-81).(y+1)^{2}+81+9(z-2)^{2}-36-110=0
(x-4)^{2}+(-81).(y+1)^{2}+9(z-2)^{2}-81=0
Ďalšími úpravami dostaneme:
(x-4)^{2}+(-81).(y+1)^{2}+9(z-2)^{2}=81
\frac{(x-4)^{2}}{81}-\frac{81.(y+1)^{2}}{81}+\frac{9(z-2)^{2}}{81}=\frac{81}{81}
\frac{(x-4)^{2}}{81}-\frac{(y+1)^{2}}{1}+\frac{(z-2)^{2}}{9}=1
\frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{36^{2}}=1
Táto rovnica odpovedá rovnici jednodielneho hyperboloidu
\frac{(x-m)^{2}}{a^{2}}-\frac{(y-n)^{2}}{b^{2}}+\frac{(z-s)^{2}}{c6^{2}}=1
pre
m=4,
n=-1,
s=2,
a=9,
b=1 a
c=3.
Naša plocha je teda jednodielny hyperboloid so stredom
[m,n,s]=[4,-1,2] a s dĺžkami polosí
9,
1 a
3.