Zdeněk Halas. Aplikace matem. pro učitele



Podobné dokumenty
17 Kuželosečky a přímky

Základy matematiky kombinované studium /06

ROTAČNÍ KVADRIKY. Definice, základní vlastnosti, tečné roviny a řezy, průsečíky přímky s rotační kvadrikou

KULOVÁ ZRCADLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - Septima

10. Analytická geometrie kuželoseček 1 bod

Funkce zadané implicitně

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

1.1 Napište středovou rovnici kružnice, která má střed v počátku soustavy souřadnic a prochází bodem

3.6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE PARABOLY

Rovnice. RNDr. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

obecná rovnice kružnice a x 2 b y 2 c x d y e=0 1. Napište rovnici kružnice, která má střed v počátku soustavy souřadnic a prochází bodem A[-3;2].

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Geometrie pro FST 2. Plzeň, 28. srpna 2013, verze 6.0

Konstrukce teleskopů. Miroslav Palatka

Kapitola 5. Seznámíme se ze základními vlastnostmi elipsy, hyperboly a paraboly, které

Obrázek 34: Vznik středové kolineace

Analytická geometrie přímky, roviny (opakování středoškolské látky) = 0. Napište obecnou rovnici. 8. Jsou dány body A [ 2,3,

ANOTACE nově vytvořených/inovovaných materiálů

OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

Definice Tečna paraboly je přímka, která má s parabolou jediný společný bod,

Úvodní informace. 17. února 2018

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

Obr.94. Tečná reakce T r musí být menší nebo rovna třecí síle F t

JAK NA HYPERBOLU S GEOGEBROU

11. Geometrická optika

Parametrická rovnice přímky v rovině

Řetězovka (catenary)

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

. Opakovací kurs středoškolské matematiky podzim 2015

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

Gymnázium, Brno, Elgartova 3

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Analytická geometrie kvadratických útvarů v rovině

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA II MODUL 2 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Eudoxovy modely. Apollónios (225 př. Kr.) ukázal, že oba přístupy jsou při aplikaci na Slunce ekvivalentní. Deferent, epicykl a excentr

Vzdálenosti a východ Slunce

Důkazy vybraných geometrických konstrukcí

Deg2-Kvadriky. Světlana Tomiczková

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

+ 2y y = nf ; x 0. závisí pouze na vzdálenosti bodu (x, y) od počátku, vyhovuje rovnici. y F x x F y = 0. x y. x x + y F. y = F

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora. volné rovnoběžné promítání průmětna

. 1 x. Najděte rovnice tečen k hyperbole 7x 2 2y 2 = 14, které jsou kolmé k přímce 2x+4y 3 = 0. 2x y 1 = 0 nebo 2x y + 1 = 0.

CVIČENÍ č. 3 STATIKA TEKUTIN

Co vedlo ke zkoumání řezů kuželové plochy?

37. PARABOLA V ANALYTICKÉ GEOMETRII

Základní vlastnosti křivek

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

SVĚTLO / KULOVÁ. EU OPVK III/2/1/3/12 autor: Ing. Gabriela Geryková, Základní škola Žižkova 3, Krnov, okres Bruntál, příspěvková organizace

TEMATICKÝ PLÁN VÝUKY

Extrémy funkce dvou proměnných

7.5.1 Středová a obecná rovnice kružnice

ŠROUBOVÉ PLOCHY. 1. Základní úlohy na šroubových plochách.

Plochy stavebně-inženýrské praxe

FUNKCE A JEJICH VLASTNOSTI

Q(y) dy = P(x) dx + C.

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3 - VÍCENÁSOBNÉ INTEGRÁLY. x 2. 3+y 2

2 Odvození pomocí rovnováhy sil

Měření ohniskových vzdáleností čoček, optické soustavy

Matematika I Reálná funkce jedné promìnné

Téma: Světlo a stín. Zpracoval Doc. RNDr. Zdeněk Hlaváč, CSc

ŠROUBOVÝ A PROSTOROVÝ POHYB ROTAČNĚ SYMETRICKÉHO TĚLESA

KMA/G2 Geometrie 2 9. až 11. cvičení

1. Definiční obor funkce dvou proměnných

Seminář z matematiky. jednoletý volitelný předmět

Matematika vzorce. Ing. Petr Šídlo. verze

Opakování k maturitě matematika 4. roč. TAD 2 <

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky CZ.1.07/2.2.00/ Reálná čísla

MATEMATICKÁ ANALÝZA A LINEÁRNÍ ALGEBRA PŘÍPRAVA NA ZKOUŠKU PRO SAMOUKY

Edita Kolářová ÚSTAV MATEMATIKY

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

GEOMETRICKÁ OPTIKA. Znáš pojmy A. 1. Znázorni chod význačných paprsků pro spojku. Čočku popiš a uveď pro ni znaménkovou konvenci.

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

na magisterský studijní obor Učitelství matematiky pro střední školy

ROZKLAD MNOHOČLENU NA SOUČIN

Další plochy technické praxe

II. Zakresli množinu bodů, ze kterých vidíme úsečku délky 3 cm v zorném úhlu větším než 30 0 a menším než 60 0.

Šroubovice... 5 Šroubové plochy Stanovte paprsek tak, aby procházel bodem A a po odrazu na rovině ρ procházel bodem

O rovnicích s parametry

Příklady na testy předmětu Seminář z matematiky pro studenty fakulty strojní TUL.

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

MATEMATIKA rozšířená úroveň

Příklady k analytické geometrii kružnice a vzájemná poloha kružnice a přímky

9 Vybrané rovinné křivky

Astronomická pozorování

Určení počátku šikmého pole řetězovky

M - Analytická geometrie pro třídu 4ODK

1. Přímka a její části

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

f( x) x x 4.3. Asymptoty funkce Definice lim f( x) =, lim f( x) =, Jestliže nastane alespoň jeden z případů

1. a) Určete parciální derivace prvního řádu funkce z = z(x, y) dané rovnicí z 3 3xy 8 = 0 v

9.1 Definice a rovnice kuželoseček

Michal Zamboj. January 4, 2018

Světlo v multimódových optických vláknech

Řešení: Nejprve musíme napsat parametrické rovnice křivky C. Asi nejjednodušší parametrizace je. t t dt = t 1. x = A + ( B A ) t, 0 t 1,

Výpočet křivosti křivek ve stavební praxi

Matematika 1 pro PEF PaE

Parabola a přímka

Transkript:

Obyčejné diferenciální rovnice Nejzákladnější aplikace křivky Zdeněk Halas KDM MFF UK, 2011 Aplikace matem. pro učitele Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 1 / 34

Osnova Parabola Řetězovka Visuté mosty Traktrix Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 2 / 34

Parabola Parabola Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 3 / 34

Parabola Parabola Definice a základní vlastnost paraboly Parabola Je-li v rovině zadána přímka p a bod F p, pak parabolou rozumíme množinu {X R 2 : ρ(x, F) = ρ(x, p)}. Bod F ohnisko paraboly; přímka p řídicí přímka. Ohnisková vlastnost paraboly: Všechny paprsky rovnoběžné s osou paraboly (viz obr.) se odrážejí od paraboly tak, že po odrazu procházejí ohniskem F. Parabola je navíc jedinou křivkou, která tuto vlastnost splňuje. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 4 / 34

Parabola Parabola Obrázek k odvození Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 5 / 34

Parabola Parabola Ohnisková vlastnost paraboly jednoznačnost Důkaz základní vlastnosti paraboly viz geometrie. Že je parabola jedinou křivkou, která paprsky odráží do jediného bodu, můžeme ukázat také geometricky přímo z definice, nebo takto: hledaná křivka y = y(x) musí vyhovovat diferenciální rovnici y(x) x y 2 (x) 1 2y (x) = C. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 6 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti Nejstarší dochovanou zmínkou využití ohniskové vlastnosti paraboly jsou vyprávění o Archimédově obraně Syrákús. Archimédés prý sestavil velká parabolická zrcadla z leštěných kovových štítů. Každé takové zrcadlo orientoval tak, že jeho osa směřovala ke Slunci a ohnisko bylo co nejblíže římské lodi. V dnešní době proběhly úspěšné pokusy o rekonstrukci (např. na MIT), ovšem vesměs za lepších podmínek, než které měl Archimédés (lepší technické vybavení, menší vzdálenost lodi od zrcadla,... ), a tak zůstávají pochybnosti o věrohodnosti těchto zpráv. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 7 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti Parabolické antény jsou obvykle orientovány tak, že jejich osa směřuje ke zdroji signálu. Přijímač je v ohnisku. V údolích je možno spatřit dvojice antén jedna je položena výše a přijímá signál přímo od zdroje, druhá je položena níže a přijímá signál přijatý výše položenou anténou. Radary fungují podobně, vysílače radarů jsou v ohnisku, vysílaný signál se pak šíří rovnoběžně s osou paraboloidu. Aby radar zabral co největší oblast, tak se neustále otáčí a jeho osa je téměř vodorovná. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 8 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti Reflektory žárovka je umístěna v ohnisku a paprsky potom vycházejí rovnoběžně s osou paraboloidu. Solární tavicí pece největší a nejstarší je v Odeillo ve francouzských Pyrenejích. Parabolické zrcadlo 1830 m 2. Ohnisko je 18 metrů před zrcadlem. Dosahuje teploty kolem 3 500 C. Otáčet celým zrcadlem a pecí by bylo obtížné, proto je na svahu 63 heliostatů zrcadel natáčených hodinovým mechanismem tak, aby odrážela sluneční paprsky rovnoběžně s osou paraboloidu. Pec se využívá pro vědecké účely. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 9 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti tavicí pec v Odeillo Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 10 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti teleskopy Teleskopy základní myšlenka Zrcadlem ve tvaru rotačního paraboloidu zamíříme na pozorovaný objekt tak, že osa směřuje k objektu. Světlo totiž musí přicházet z dostatečné dálky, aby přicházelo rovnoběžně s osou paraboloidu a odráželo se do jeho ohniska, kde se tvoří obraz. Problém: ohnisko je nad zrcadlem, tj. pozorovatel by měl být také nad zrcadlem, aby mohl obraz vidět. Tím by však obraz rušil. Klasická řešení jsou dvě: 1. Newtonův teleskop Před ohniskem je nakloněné rovinné zrcadlo, které odráží obraz mimo prostor nad zrcadlem. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 11 / 34

Parabola Parabola Aplikace ohniskové vlastnosti teleskopy 2. Schmidt Cassegrainův teleskop využívá vlastnosti hyperboly: paprsek, jenž míří do ohniska jedné větve, ale který se od ní odrazí z vnějšku, prochází ohniskem druhé větve. Před ohnisko umístíme hyperbolické zrcadlo tak, že ohnisko paraboly je zároveň ohniskem hyperboly. Paprsky směřující do ohniska paraboly tedy zároveň směřují do ohniska hyperboly, která je však odráží do svého druhého ohniska, kde je pozorovatel (pod parabolickým zrcadlem). Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 12 / 34

Parabola Parabola a ostatní kuželosečky Aplikace v architektuře Aplikace kvadratických ploch (a obecně i dalších ploch) v architektuře jsou natolik významné, že jim je věnována samostatná přednáška. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 13 / 34

Řetězovka Řetězovka Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 14 / 34

Řetězovka Řetězovka Obrázek k odvození Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 15 / 34

Řetězovka Řetězovka Odvození diferenciální rovnice Řetěz předpokládáme dokonale ohebný; hledáme jeho tvar y(x). Volíme KSS tak, že bod V je jejím počátkem. Tíha G je přímo úměrná délce L(x) řetězu od bodu V do bodu X : G = mg = k L(x) a síly jsou v rovnováze (řetěz visí v klidu): F + F 0 + G = 0. Z pravoúhlého trojúhelníka máme (při označení a = k F 0 ): tg ϕ = y (x) = G F 0 = k L(x) F 0 = a L(x). Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 16 / 34

Řetězovka Řetězovka Odvození diferenciální rovnice Máme tedy rovnici (a vztah pro délku křivky): y (x) = a L(x) a L(x) = Dosazením dostaneme y (x) = a x 0 x 0 1 + y 2 (t) dt. 1 + y 2 (t) dt. Substitucí z(x) = y (x) získáme x z(x) = a 1 + z 2 (t) dt a derivací z (x) = a 1 + z 2 (x). 0 Jelikož je tečna v bodě V vodorovná, máme počáteční podmínku y (0) = z(0) = 0. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 17 / 34

Řetězovka Řešení diferenciální rovnice Řetězovka Počáteční úloha z (x) = a 1 + z 2 (x), z(0) = 0, má snadno odhadnutelné řešení na základě tohoto pozorování: cosh x = 1 + sinh 2 x. Řešením je tedy z(x) = sinh ax. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 18 / 34

Řetězovka Řetězovka Řešení diferenciální rovnice Návrat k y: y (x) = sinh ax, tj. y(x) = 1 cosh ax + C. a Jelikož jsme kartézskou soustavu zvolili tak, že v nejníže položeném bodě V je počátek, dostáváme další podmínku y(0) = 0, odkud pak 0 = y(0) = 1 a cosh a 0 + C, Řešením je tedy y(x) = 1 a C = 1 a. ( ) cosh ax 1, kde a = k. F 0 Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 19 / 34

Řetězovka Ideální oblouk Nalezněme tvar ideálního oblouku, tj. oblouku, který splňuje následující podmínky: síly, které jej udržují v rovnovážném stavu, vznikají pouze díky jeho hmotnosti, tyto síly jsou přenášeny pouze ve směru tečny ke křivce tohoto oblouku, ostatní síly ve stavebním materiálu můžeme zanedbat. Přenášení sil ve směru tečny tak to fungovalo u řetězovky. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 20 / 34

Ideální oblouk Řetězovka Až na znaménko minus tedy dostaneme opět řetězovku ( obrácená řetězovka ). Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 21 / 34

Ideální oblouk Gateway Arch, St. Louis Řetězovka Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 22 / 34

Ideální oblouk Icehotel, Jukkasjärvi Řetězovka Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 23 / 34

Ideální oblouk Icehotel, Jukkasjärvi Řetězovka Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 24 / 34

Ideální oblouk Sagrada Familia Řetězovka Architekt Antoni Gaudí znal dobře vlastnosti řetězovky. Když studoval složité soustavy oblouků, kdy například jeden oblouk byl základem pro další, modeloval si Gaudí situaci pomocí řetízků. Pomocí zrcadla potom mohl přímo odečítat tvary oblouků, které si představoval. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 25 / 34

Řetězovka Mýdlová bublina Máme elastickou blánu napnutou mezi dvěma rovnoběžnými kružnicemi se stejným poloměrem. Budeme-li kružnice od sebe oddalovat, vytvoří blána plášt válce? Hledáme funkci y = f (x), f C 1 [ a, a] (površku hledaného pláště) takovou, že zároveň f ( a) = f (a) = r, r R +, rotací jejího grafu kolem osy x dostaneme plochu minimálního obsahu. Je tedy potřeba minimalizovat integrál a I(y) = 2π y(x) 1 + y 2 (x) dx. a Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 26 / 34

Řetězovka Řetězovka Mýdlová bublina Na základě variačního počtu (z tzv. Eulerovy rovnice) bychom získali podmínku y 2 y 1 + y 2 y 1 + y 2 = C, což po úpravě dává jednoduchou diferenciální rovnici y 1 + y 2 = C. Jejím rozřešením vzhledem k nejvyšší derivaci dostaneme y = ± 1 y C 2 C 2. Odtud a z okrajových podmínek máme řešení kde K, C R jsou konstanty. y(x) = C cosh x C + K, Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 27 / 34

Řetězovka Řetězovka Mýdlová bublina Z nalezeného řešení y(x) = C cosh x C + K je vidět, že hledanou křivkou je řetězovka, jejíž rotací nedostaneme plášt válce, ale tzv. katenoid. Úloha: srovnejte obsah katenoidu a pláště příslušného válce. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 28 / 34

Visuté mosty Visuté mosty Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 29 / 34

Visuté mosty Visuté mosty se zavěšenou mostovkou Jaký tvar má lano, na kterém je zavěšen most? Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 30 / 34

Visuté mosty Visuté mosty se zavěšenou mostovkou Náčrtek i odvození probíhá analogicky jako u řetězovky, dojdeme tedy opět k rovnici y (x) = a L(x). (1) Rozdíl je pouze v tom, že tíha G je přímo úměrná délce L(x) mostovky, nikoli délce lana (hmotnost lana je totiž oproti hmotnosti mostovky zanedbatelná). Proto je L(x) = x. Rovnice (1) tak přejde ve velmi jednoduchý tvar y (x) = a x. Prostou integrací dostaneme kvadratickou funkci, hledanou křivkou je tedy parabola. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 31 / 34

Traktrix Traktrix Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 32 / 34

Traktrix Traktrix Obrázek k odvození Řetězovka je obálkou křivky traktrix. Úsečka AB délky a leží na ose x, bod B je z počátku tažen po ose y. Bod A pak opisuje křivku traktrix. Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 33 / 34

Traktrix Traktrix Odvození Z pravoúhlého trojúhelníku ABE a z faktu, že úsečka AB je tečnou ke grafu hledané křivky y(x), dostáváme přímo diferenciální rovnici: dy a dx = 2 x 2. x Prostou integrací s využitím y(a) = 0 obdržíme předpis traktrix: y(x) = a ln a + a 2 x 2 x a 2 x 2. Traktrix je křivka velmi důležitá v geometrii: její rotací kolem osy y dostáváme tzv. pseudosféru, tj. plochu se zápornou konstantní křivostí, na níž se modeluje Lobačevského geometrie. (Naproti tomu sféra má kladnou konstantní křivost.) Zdeněk Halas (KDM MFF UK, 2011) Obyčejné diferenciální rovnice Aplikace matem. pro učitele 34 / 34