Kalkulator długości łuku paraboli

Zmierz dowolny łuk paraboli na podstawie jego równania i przedziału, krok po kroku.

Wzór na długość łuku paraboli
L=∫x1x21+(dydx)2 dxL = \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{1 + \left(\frac{dy}{dx}\right)^{2}}\,dx
Wyświetlanie wykresu
Widok wykresu

Jak korzystać z kalkulatora długości łuku paraboli

Kalkulator długości łuku paraboli mierzy długość zakrzywionego odcinka paraboli na podstawie jej równania i dwóch współrzędnych. Strona otwiera się z aktywnym panelem długości łuku paraboli, pokazującym wzór L = ∫x1x2 √(1 + (dy/dx)2) dx. Wykonaj poniższe kroki, aby uzyskać poprawną odpowiedź w mniej niż minutę.

  1. Wybierz postać równania. Wybierz pionową postać wierzchołkową, pionową postać ogólną, poziomą postać wierzchołkową, poziomą postać ogólną albo standardową postać ogniskową. Pola wejściowe zmieniają się odpowiednio do wybranej postaci.
  2. Wprowadź parametry paraboli. Dla y = a(x − h)2 + k wprowadź a, h i k. Dla y = ax2 + bx + c wprowadź a, b i c. Dla postaci ogniskowej wprowadź p oraz wierzchołek (h, k).
  3. Wprowadź przedział. Podaj współrzędne początkową i końcową: wartości x dla paraboli pionowej, wartości y dla poziomej. Kalkulator sam znajdzie oba końce łuku na krzywej.
  4. Wybierz jednostkę i dokładność. Jednostka opisuje odpowiedź, a dokładność ustala, ile miejsc po przecinku pokaże wynik. Jednostki obejmują zakres od milimetrów do jardów.
  5. Kliknij Oblicz teraz. Kalkulator oblicza dokładny wzór na długość łuku i pokazuje długość łuku, długość cięciwy, o ile łuk przewyższa cięciwę, końce łuku, nachylenia stycznych oraz wierzchołek, ognisko i kierownicę.
  6. Poznaj wykres. Interaktywny wykres rysuje parabolę, podświetla wybrany łuk na złoto oraz oznacza wierzchołek, ognisko, końce łuku i cięciwę. Przełączniki pozwalają pokazywać lub ukrywać elementy, a powiększanie i przeciąganie umożliwia dokładne obejrzenie krzywej.
  7. Skopiuj lub zresetuj. Użyj opcji Skopiuj wynik, aby umieścić odpowiedź w schowku, lub Reset, aby wyczyścić panel. Przycisk Zamień początek z końcem zamienia dwie wartości przedziału jednym kliknięciem.

Wypróbuj przykład. Przyciski ustawień wstępnych wczytują zweryfikowane wartości natychmiast: y = 0.5x2 od x = −2 do x = 2 daje 5.915771430 jednostek, y = x2 od x = 0 do x = 3 daje 9.747088759 jednostek, a parabola pozioma x = 0.25(y − 1)2 + 2 od y = −1 do y = 3 daje 4.591174299 jednostek.

Ważne wskazówki. Wszystkie wartości podawaj w tej samej jednostce. Parabola pionowa wymaga przedziału x, a pozioma przedziału y. Jeśli współrzędne początkowa i końcowa są równe, długość łuku wynosi zero. Parabola nie ma skończonego pełnego obwodu, więc kalkulator podaje tylko długość wybranego skończonego łuku.

Czym jest długość łuku paraboli?

Parabola to zbiór punktów jednakowo odległych od ustalonego punktu, ogniska, i ustalonej prostej, kierownicy. To krzywa, którą otrzymujesz, rzucając piłkę, gdy antena satelitarna zbiera sygnał albo gdy łuk niesie obciążenie. Łuk to część tej krzywej między dwoma punktami na niej. Długość łuku to odległość, którą przebyłbyś, idąc wzdłuż krzywej od pierwszego punktu do drugiego.

Każdą parabolę można zapisać jako funkcję jednej zmiennej. Parabola pionowa to y = a(x − h)2 + k, gdzie (h, k) jest wierzchołkiem, a a określa szerokość i kierunek otwarcia. Parabola pozioma to x = a(y − k)2 + h. Dwa końce łuku znajduje się, podstawiając wartości przedziału do równania: dla y = 0.5x2 od x = −2 do x = 2 końce to (−2, 2) i (2, 2).

Parabola y equals 0.5 x squared with vertex, focus, directrix, axis of symmetry, and parameter p labelled

Zakrzywiona odległość różni się od odległości w linii prostej. Linia prosta między (−2, 2) i (2, 2) ma długość 4 jednostek, ale parabola opada do wierzchołka w punkcie (0, 0) i znów wznosi się, więc łuk jest dłuższy: 5.915771430 jednostek, czyli o około 47.9% dłuższy od cięciwy. Ta dodatkowa długość to cały powód, dla którego długość łuku wymaga osobnych obliczeń.

Pełna parabola ma nieskończoną długość, ponieważ krzywa biegnie bez końca w obie strony i nigdy się nie zamyka. Tylko skończony łuk między dwiema skończonymi współrzędnymi ma obliczalną długość i właśnie to mierzy ten kalkulator.

Wzór na długość łuku paraboli

Długość łuku funkcji y = f(x) między x1 a x2 wyraża całka oznaczona:

L = ∫x1x2 √(1 + (dy/dx)2) dx

Każdy symbol we wzorze ma dokładne znaczenie:

Symbol Znaczenie Uwagi
LDługość łukuZakrzywiona odległość wzdłuż paraboli
x1, x2Końce przedziałuPoczątkowa i końcowa wartość x dla paraboli pionowej
dy/dxPochodnaNachylenie stycznej w każdym punkcie
dxRóżniczka szerokościNieskończenie mały krok wzdłuż osi x
dsRóżniczka długości łukuds = √(1 + (dy/dx)2) dx

Dla paraboli pionowej y = a(x − h)2 + k pochodna wynosi dy/dx = 2a(x − h), więc całka przyjmuje postać:

L = ∫x1x2 √(1 + 4a2(x − h)2) dx

Ta całka ma dokładną odpowiedź w postaci zamkniętej, co rzadko zdarza się w zadaniach o długości łuku. Przy u = 2a(x − h) oraz F(u) = ½[u√(1 + u2) + asinh(u)], długość wynosi L = |F(u2) − F(u1)| / (2|a|), gdzie asinh to odwrotny sinus hiperboliczny. Kalkulator używa tego dokładnego wzoru, a następnie sprawdza go całkowaniem numerycznym.

Dla paraboli poziomej x = a(y − k)2 + h ten sam wzór obowiązuje przy zamienionych rolach x i y: całkuj względem y i użyj dx/dy = 2a(y − k) zamiast dy/dx.

Jak obliczyć długość łuku paraboli

Obliczanie długości łuku paraboli ręcznie przebiega w ośmiu krokach. Rozwiązany przykład poniżej używa y = x2 od x = 0 do x = 3.

  1. Określ równanie paraboli. y = x2, więc a = 1, h = 0, k = 0.
  2. Określ orientację. Równanie wyraża y jako funkcję x, więc jest to parabola pionowa, a przedział jest w x.
  3. Znajdź pochodną. dy/dx = 2x.
  4. Określ przedział. x1 = 0 i x2 = 3.
  5. Podstaw do wzoru na długość łuku. L = ∫03 √(1 + (2x)2) dx = ∫03 √(1 + 4x2) dx.
  6. Zastosuj funkcję pierwotną. Przy u = 2x, F(u) = ½[u√(1 + u2) + asinh(u)], a L = |F(6) − F(0)| / 2.
  7. Oblicz granice. F(0) = 0. F(6) = ½[6√(37) + asinh(6)] = ½[36.4965751818 + 2.4917798526] = 19.4941775172. Zatem L = 19.4941775172 / 2 = 9.7470887586.
  8. Zinterpretuj ostateczną odpowiedź. L ≈ 9.747088759 jednostek. Końce to (0, 0) i (3, 9), a cięciwa między nimi ma 9.4868329805 jednostek, więc łuk przewyższa cięciwę tylko o 0.2602557781 jednostek, czyli o około 2.7%.

Te same osiem kroków działa dla każdej postaci. Ogólna funkcja kwadratowa y = ax2 + bx + c ma pochodną 2ax + b, więc przyjmij u = 2ax + b i użyj tego samego F(u). Równanie w postaci ogniskowej (x − h)2 = 4p(y − k) najpierw sprowadza się do postaci wierzchołkowej przy a = 1/(4p). Parabola pozioma zamienia x i y w całym rozumowaniu.

Postacie równania paraboli wyjaśnione

Tę samą parabolę można zapisać na kilka sposobów, a każda postać jest wygodna do innego zadania. Kalkulator przyjmuje wszystkie pięć, więc możesz wprowadzić równanie dokładnie tak, jak podaje je twój podręcznik albo twoje pomiary.

Postać Równanie Najlepsza do
Pionowa postać wierzchołkoway = a(x − h)2 + kOdczytania wierzchołka (h, k) i kierunku otwarcia na pierwszy rzut oka
Pionowa postać ogólnay = ax2 + bx + cRównań pochodzących z dopasowania danych lub zadań algebraicznych
Pozioma postać wierzchołkowax = a(y − k)2 + hParabol bocznych, takich jak antena widziana z boku
Pozioma postać ogólnax = ay2 + by + cParabol bocznych w postaci rozwiniętej
Standardowa postać ogniskowa(x − h)2 = 4p(y − k)Optyki i projektowania reflektorów, gdzie ognisko ma największe znaczenie

Postacie przechodzą jedna w drugą przez dopełnianie do kwadratu. Dla y = 2x2 − 4x + 1 wyciągnij przed nawias a = 2: y = 2(x2 − 2x) + 1 = 2(x − 1)2 − 1, więc wierzchołek to (1, −1). Ogólnie wierzchołek funkcji y = ax2 + bx + c znajduje się w h = −b/(2a) oraz k = c − b2/(4a). Parametr ogniska to p = 1/(4a), więc postać ogniskowa wynika bezpośrednio: (x − 1)2 = 4 × (1/8)(y + 1), ponieważ p = 1/8 dla a = 2.

Jedna pułapka przy przeliczaniu, której należy unikać: wierzchołek (h, k) w postaci wierzchołkowej to nie ta sama para liczb co stałe w postaci ogólnej. W y = 2x2 − 4x + 1 stała c = 1 to przecięcie z osią y, natomiast wierzchołek leży przy y = −1. Pomylenie ich daje inną parabolę i błędną długość łuku.

Wierzchołek, ognisko i kierownica paraboli

Trzy cechy w pełni określają parabolę: wierzchołek, ognisko i kierownica.

Wierzchołek to punkt zwrotny krzywej, w którym zmienia ona kierunek. Dla y = a(x − h)2 + k jest to punkt (h, k). Dla y = 0.5x2 wierzchołek to (0, 0); dla y = 2x2 − 4x + 1 to (1, −1).

Ognisko to ustalony punkt, który wraz z kierownicą określa krzywą. Każdy punkt paraboli jest dokładnie tak samo odległy od ogniska jak od kierownicy. Dla paraboli pionowej ognisko leży na osi symetrii w odległości p od wierzchołka, gdzie p = 1/(4a). Dla y = 0.5x2 p = 0.5, więc ognisko to (0, 0.5).

Kierownica to ustalona prosta po przeciwnej stronie wierzchołka niż ognisko. Dla paraboli pionowej jest to prosta pozioma y = k − p. Dla y = 0.5x2 jest to y = −0.5. Dla paraboli poziomej kierownica jest pionowa: x = h − p.

Oś symetrii to prosta przechodząca przez wierzchołek i ognisko. Parabola pionowa jest symetryczna względem pionowej prostej x = h, a pozioma względem poziomej prostej y = k. Znak a decyduje o kierunku otwarcia: a > 0 otwiera się w górę (albo w prawo dla paraboli poziomej), a < 0 otwiera się w dół (albo w lewo).

Parabola y equals 0.5 x squared with vertex, focus, directrix, axis of symmetry, and parameter p labelled

Oto cechy pięciu przykładowych ustawień wstępnych, wszystkie obliczone przez kalkulator:

Przykład Wierzchołek Ognisko Kierownica
y = 0.5x2(0, 0)(0, 0.5)y = −0.5
y = x2(0, 0)(0, 0.25)y = −0.25
x = 0.25(y − 1)2 + 2(2, 1)(3, 1)x = 1
y = 2x2 − 4x + 1(1, −1)(1, −0.875)y = −1.125
y = −0.5x2 + 3(0, 3)(0, 2.5)y = 3.5

Zauważ, że węższa parabola ma ognisko bliżej wierzchołka: y = x2 ma p = 0.25, natomiast szersza y = 0.5x2 ma p = 0.5. Szeroka, łagodna krzywa potrzebuje odległego ogniska, a ciasna krzywa bliskiego.

Dlaczego długość łuku paraboli wymaga całkowania?

Linia prosta ma jedno nachylenie, więc jej długość to jedno mnożenie. Parabola zmienia nachylenie w każdym punkcie, więc żadne pojedyncze mnożenie nie poda jej długości. Jedyny rzetelny sposób jej zmierzenia to podzielić krzywą na maleńkie kawałki, zmierzyć każdy z nich tak, jakby był prosty, i dodać je do siebie. Tym dodawaniem jest całkowanie.

Przyjrzyj się jednemu maleńkiemu kawałkowi. Przesunięcie o małą odległość poziomą dx wzdłuż krzywej oznacza też małe przesunięcie pionowe dy, a sam kawałek jest przeciwprostokątną tego maleńkiego trójkąta prostokątnego:

ds = √(dx2 + dy2) = √(1 + (dy/dx)2) dx
A tiny segment ds on a parabola, with dx, dy, and the tangent direction shown

Nachylenie dy/dx sprawia, że każdy kawałek jest dłuższy niż samo dx. Tam, gdzie parabola jest płaska, w pobliżu wierzchołka, dy/dx jest bliskie zeru, a ds jest ledwie dłuższe od dx. Tam, gdzie parabola jest stroma, dy/dx jest duże, a każdy kawałek jest znacznie dłuższy od dx. Dla y = x2 od 0 do 3 nachylenie rośnie od 0 w wierzchołku do 6 przy x = 3, dlatego łuk (9.747088759) jest tylko nieco dłuższy od cięciwy (9.4868329805), mimo że krzywa wznosi się o 9 jednostek: większość wzniesienia zachodzi tam, gdzie krzywa jest już stroma, a strome kawałki wnoszą głównie długość pionową, którą cięciwa już pokrywa.

W odróżnieniu od elipsy, której całka długości łuku nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, całka paraboli ją ma: wzór z asinh z sekcji o wzorze. Kalkulator używa tej dokładnej funkcji pierwotnej jako głównej metody i sprawdza ją adaptacyjnym całkowaniem numerycznym, więc odpowiedź jest dokładna z dokładnością do zaokrągleń zmiennoprzecinkowych, a nie przybliżeniem.

Długość łuku a długość cięciwy

Długość łuku to odległość wzdłuż krzywej; długość cięciwy to odległość w linii prostej między dwoma końcami. Łuk jest zawsze co najmniej tak długi jak cięciwa i równa się jej tylko wtedy, gdy odcinek jest prosty, co na paraboli nigdy się nie zdarza, z wyjątkiem łuku o zerowej długości.

Parabola y equals 0.5 x squared from x equals minus 2 to 2, with the curved arc and the straight chord labelled

O ile dłuższy jest łuk, zależy od tego, jak mocno krzywa wygina się między końcami. Pięć przykładowych ustawień wstępnych pokazuje cały zakres:

Przykład Długość łuku Cięciwa Nadwyżka Łuk / cięciwa
y = 0.5x2, −2 do 25.915771430447.89%1.4789
y = x2, 0 do 39.7470887599.48683298052.74%1.0274
x = 0.25(y − 1)2 + 2, −1 do 34.591174299414.78%1.1478
y = 2x2 − 4x + 1, 0 do 24.6467837622132.34%2.3234
y = −0.5x2 + 3, −2 do 25.915771430447.89%1.4789

Czwarty przykład jest uderzający: łuk jest ponad dwa razy dłuższy od cięciwy. Końce (0, 1) i (2, 1) dzieli tylko 2 jednostki, ale krzywa opada do wierzchołka (1, −1) i znów wznosi się, pokonując 4.646783762 jednostek, aby się tam dostać. Zawsze, gdy przedział przechodzi przez wierzchołek, łuk mocno się wygina i nadwyżka nad cięciwą rośnie. Drugi przykład jest przeciwny: przedział zaczyna się w wierzchołku i wznosi się równomiernie, więc krzywa ledwie odchyla się od cięciwy, a nadwyżka jest poniżej 3%.

To porównanie jest powodem, dla którego kalkulator podaje obie liczby obok siebie. Jeśli tniesz materiał, długość łuku to długość do wycięcia; cięciwa to tylko rozpiętość, którą gotowy element obejmuje.

Parabola pionowa a parabola pozioma

Parabola pionowa otwiera się w górę lub w dół i jest funkcją x; parabola pozioma otwiera się w lewo lub w prawo i jest funkcją y. Matematyka jest identyczna przy zamienionych x i y, ale ustawienia łatwo pomylić, więc trzymaj oba przypadki obok siebie.

A vertical parabola y equals x squared beside a horizontal parabola x equals y squared
Cecha Parabola pionowa Parabola pozioma
Równaniey = a(x − h)2 + kx = a(y − k)2 + h
Zmienna niezależnaxy
Przedziałx1 do x2y1 do y2
Pochodnady/dx = 2a(x − h)dx/dy = 2a(y − k)
Całka długości łukuL = ∫ √(1 + (dy/dx)2) dxL = ∫ √(1 + (dx/dy)2) dy
Oś symetriix = h (prosta pionowa)y = k (prosta pozioma)
Otwiera sięW górę, jeśli a > 0, w dół, jeśli a < 0W prawo, jeśli a > 0, w lewo, jeśli a < 0
Ognisko(h, k + p)(h + p, k)
Kierownicay = k − px = h − p

Poziome ustawienie wstępne pokazuje zamianę w działaniu: x = 0.25(y − 1)2 + 2 od y = −1 do y = 3 ma długość łuku 4.591174299 jednostek, przy końcach (3, −1) i (3, 3). Pochodna to dx/dy = 0.5(y − 1), która wynosi −1 przy y = −1 i +1 przy y = 3. Gdybyś błędnie wprowadził −1 i 3 jako wartości x, kalkulator rozwiązywałby inne zadanie na innej krzywej, więc zawsze sprawdzaj, do której zmiennej należy twój przedział.

Przydatna kontrola symetrii: obrócenie paraboli pionowej o 90 stopni daje poziomą o tych samych długościach łuków. Pionowa y = 0.25x2 od x = −1 do x = 3 i pozioma x = 0.25y2 od y = −1 do y = 3 mają dokładnie tę samą długość łuku, ponieważ krzywe są przystające.

Co się dzieje, gdy zmienia się współczynnik paraboli?

Współczynnik a to pojedyncza liczba, która steruje kształtem paraboli. Jego zmiana zmienia szerokość, stromość, ognisko oraz długość łuku w dowolnym ustalonym przedziale.

Three parabolas with the same vertex but different coefficients: a equals 1, 0.5, and 0.25

Większe |a| oznacza węższą parabolę. Przy a = 1 funkcja y = x2 wznosi się do y = 4 już przy x = 2. Przy a = 0.25 funkcja y = 0.25x2 osiąga przy x = 2 tylko y = 1. Wąska krzywa wygina się mocniej, więc jej łuk w tym samym przedziale jest dłuższy: y = x2 od 0 do 2 ma długość łuku 4.646783762 jednostek (ten sam kształt co czwarte ustawienie wstępne, przesunięte), natomiast y = 0.25x2 od 0 do 2 ma długość łuku 2.2955871494 jednostek.

Znak a odwraca kierunek otwarcia. y = 0.5x2 otwiera się w górę od wierzchołka w punkcie (0, 0); y = −0.5x2 + 3 otwiera się w dół od punktu (0, 3). Odwrócenie znaku odbija krzywą w lustrze, więc długość łuku w przedziale symetrycznym nie zmienia się: obie dają 5.915771430 jednostek od −2 do 2. Zmieniają znak tylko końce i nachylenia stycznych.

Four parabolas: upward, downward, right-opening, and left-opening

Zmiana a przesuwa ognisko. Ponieważ p = 1/(4a), podwojenie a zmniejsza odległość ogniskową o połowę. Dla a = 0.25 p = 1 i ognisko leży 1 jednostkę od wierzchołka; dla a = 1 p = 0.25 i ognisko jest oddalone o ćwierć jednostki. Dlatego wąskie anteny skupiają ostro, a szerokie łagodnie.

Bardzo małe a to prawie linia prosta. Gdy a zbliża się do 0, parabola spłaszcza się w kierunku prostej y = k, a długość łuku zbliża się do długości cięciwy. Kalkulator traktuje a = 0 w postaci ogólnej jako liniowy przypadek graniczny L = |x2 − x1|√(1 + b2) i pokazuje komunikat walidacji dla a = 0 w postaci wierzchołkowej lub ogniskowej, gdzie zerowy współczynnik w ogóle nie jest parabolą.

Czy parabola ma obwód?

Nie. Pełna parabola to otwarta, nieograniczona krzywa: biegnie bez końca w obie strony i nigdy nie zamyka się sama w sobie. Jej całkowita długość jest nieskończona, więc nie istnieje skończona liczba, którą można by nazwać jej obwodem.

Różni się to od okręgu czy elipsy, które są krzywymi zamkniętymi o mierzalnym obwodzie. Różni się też od odcinka paraboli, takiego jak antena satelitarna czy łuk, który jest skończonym kawałkiem paraboli odciętym w dwóch końcach. Ten kawałek ma doskonale określoną długość łuku i właśnie tę liczbę zwraca ten kalkulator.

Rozróżnienie ma znaczenie w praktyce. Jeśli pytasz o długość łuku parabolicznego, musisz powiedzieć, gdzie łuk się zaczyna i kończy: łuk y = −(1/3)x2 obejmujący x = −3 do x = 3 to skończony kawałek o skończonej długości, ale leżąca u jego podstaw parabola ciągnie się poza oba końce bez końca. Bez końcówek pytanie nie ma odpowiedzi.

A downward parabola forming an arch with a 6 metre span and 3 metre height

Z zapomnienia o tym wynikają dwa powiązane błędy. Pierwszy to pytanie kalkulatora o długość całej paraboli: nie może jej podać, a każde narzędzie, które twierdzi inaczej, jest błędne. Drugi to traktowanie cięciwy jako obwodu figury zamkniętej: cięciwa razem z łukiem zamyka obszar, a ten obszar ma obwód (łuk plus cięciwa), ale jest to obwód obszaru odcinka, a nie paraboli.

Przykład rozwiązany: łuk od x = -2 do x = 2 na y = 0.5x²

Ten rozwiązany przykład pokazuje każdy krok dokładnego obliczenia dla pierwszego ustawienia wstępnego, y = 0.5x2 od x = −2 do x = 2, abyś mógł sprawdzić kalkulator ręcznie.

  1. Określ równanie. y = 0.5x2, więc a = 0.5, h = 0, k = 0, a wierzchołek to (0, 0).
  2. Znajdź pochodną. dy/dx = 2ax = x.
  3. Ustaw całkę. L = ∫−22 √(1 + x2) dx.
  4. Podstaw u = 2a(x − h) = x. Wtedy u1 = −2 i u2 = 2, a L = |F(2) − F(−2)| / (2 × 0.5) = |F(2) − F(−2)|.
  5. Oblicz F(u) = ½[u√(1 + u2) + asinh(u)]. Przy u = 2: √(5) ≈ 2.2360679775, więc 2√(5) ≈ 4.4721359550, a asinh(2) ≈ 1.4436354752. Ich suma to 5.9157714302, a jej połowa to F(2) ≈ 2.9578857151.
  6. Wykorzystaj symetrię. F jest funkcją nieparzystą, więc F(−2) = −2.9578857151. Różnica F(2) − F(−2) = 5.9157714302.
  7. Podziel przez 2|a| = 1. L = 5.9157714302 / 1 = 5.9157714302, więc L ≈ 5.915771430 jednostek.
  8. Sprawdź względem cięciwy. Końce to (−2, 2) i (2, 2), więc cięciwa ma 4 jednostki. Łuk przewyższa ją o 1.9157714302 jednostek, czyli o 47.894286%.

Z symetrii połowa tego łuku to łuk od 0 do 2: y = 0.5x2 od x = 0 do x = 2 ma długość 2.9578857151 jednostek, dokładnie połowę z 5.9157714302. Kontrole symetrii takie jak ta to najszybszy sposób na wyłapanie błędnej odpowiedzi: jeśli dwie połowy symetrycznego łuku nie są zgodne, coś jest nie tak.

Otwarte w dół bliźniacze odbicie, y = −0.5x2 + 3 od x = −2 do x = 2, ma tę samą długość łuku, 5.915771430 jednostek, ponieważ odbicie krzywej w lustrze nie zmienia odległości. Jego końce to (−2, 1) i (2, 1), wierzchołek to (0, 3), a nachylenia stycznych wynoszą +2 przy x = −2 i −2 przy x = 2.

Praktyczne zastosowania długości łuku paraboli

Długość łuku paraboli to robocza liczba w inżynierii i projektowaniu, a nie tylko ćwiczenie z podręcznika. Zawsze, gdy paraboliczna krzywa jest budowana, cięta albo mierzona, ktoś potrzebuje jej długości.

Łuki architektoniczne i mosty. Łuk paraboliczny przenosi obciążenie równomiernie na podpory, dlatego kształt ten pojawia się w mostach i sklepieniach. Znajomość długości łuku mówi budowniczemu, ile kamienia, stali albo betonu potrzebuje łuk. Łuk z diagramu, y = −(1/3)x2 o rozpiętości 6 m i wysokości 3 m, to skończony kawałek paraboli: jego długość to długość materiału, a cięciwa to tylko rozpiętość, którą obejmuje.

Reflektory i anteny satelitarne. Antena paraboliczna odbija nadchodzące sygnały do ogniska, a reflektor samochodowy wysyła światło z ogniska w równoległych promieniach. Powierzchnia anteny to paraboloida, a jej profil to łuk paraboli: długość łuku określa rozmiar arkusza, który trzeba wyciąć i ukształtować.

Projektowanie dróg i kolei. Krzywe pionowe na drogach, w miejscach zmiany nachylenia, często są paraboliczne, ponieważ parabola daje płynną, stałą szybkość zmiany nachylenia. Długość łuku krzywej to długość nawierzchni do wybrukowania i oznakowania.

Ruch pocisku. Rzucona piłka porusza się po paraboli (pomijając opór powietrza). Długość łuku jej toru lotu to rzeczywista przebyta odległość, dłuższa niż odległość w linii prostej od wyrzutu do lądowania, i ma znaczenie przy szacowaniu czasu lotu czy energii.

Modelowanie CAD i produkcja. Zakrzywione części często są określane jako odcinki paraboli. Długość łuku steruje ścieżkami narzędzi, długościami cięcia i kosztorysami: maszyna tnie wzdłuż łuku, a nie wzdłuż cięciwy.

Edukacja fizyczna i geometryczna. Parabola to pierwsza krzywa, dla której całka długości łuku ma dokładną odpowiedź w postaci zamkniętej, co czyni ją standardowym przykładem nauczania funkcji pierwotnej z asinh oraz różnicy między całką, którą da się obliczyć dokładnie, a taką jak elipsa, której się nie da.

Unikaj twierdzenia, że każda zakrzywiona konstrukcja jest matematycznie paraboliczna. Wiele łuków jest kołowych albo ma kształt krzywej łańcuchowej; tylko konstrukcja zaprojektowana zgodnie z równaniem paraboli ma paraboliczną długość łuku.

Typowe błędy przy obliczaniu długości łuku paraboli

Te dziesięć błędów odpowiada za większość błędnych odpowiedzi. Sprawdź swoją pracę względem nich, zanim zaufasz wynikowi.

  1. Używanie długości cięciwy zamiast długości łuku. Linia prosta między końcami jest zawsze krótsza. Dla y = 2x2 − 4x + 1 od 0 do 2 cięciwa ma 2, ale łuk ma 4.646783762, ponad dwa razy więcej.
  2. Zapomnienie o zróżniczkowaniu równania. Wzór wymaga (dy/dx)2 pod pierwiastkiem. Jego pominięcie daje długość przedziału |x2 − x1|, czyli odległość poziomą, a nie łuk.
  3. Używanie błędnych granic całkowania. Granice to zmienna niezależna: wartości x dla paraboli pionowej, wartości y dla poziomej. Ich zamiana całkuje względem błędnej zmiennej.
  4. Mylenie postaci wierzchołkowej z postacią ogólną. W y = 2x2 − 4x + 1 wierzchołek to (1, −1), a nie (0, 1). Stała c = 1 to przecięcie z osią y.
  5. Używanie równania poziomego jako pionowego. x = 0.25(y − 1)2 + 2 to funkcja y. Traktowanie −1 i 3 jako wartości x rozwiązuje inne zadanie.
  6. Ignorowanie ujemnych współczynników. Ujemne a odwraca kierunek otwarcia i zmienia końce, ognisko i nachylenia stycznych, mimo że długość łuku w przedziale symetrycznym pozostaje taka sama.
  7. Mylenie pełnych współrzędnych ze współrzędnymi względnymi wobec wierzchołka. W y = a(x − h)2 + k przedział jest w bezwzględnym x, a nie w (x − h). Podstawienie granic (x − h) do całki liczy przesunięcie podwójnie.
  8. Używanie błędnego parametru ogniska. p = 1/(4a), a nie 1/a ani 4a. Dla a = 2 p = 1/8 = 0.125, a ognisko funkcji y = 2x2 − 4x + 1 to (1, −0.875), a nie (1, −0.5).
  9. Zakładanie, że parabola ma skończony pełny obwód. Nie ma: krzywa jest nieograniczona, a jej całkowita długość jest nieskończona. Tylko skończone łuki mają skończone długości.
  10. Zaokrąglanie wartości pośrednich zbyt wcześnie. Zaokrąglaj tylko ostateczną odpowiedź. W rozwiązanym przykładzie zaokrąglenie √(5) do 2.24 przed końcem przesuwa ostateczny wynik w czwartym miejscu po przecinku.

Szybka ściągawka: typowe konfiguracje paraboli

Te zweryfikowane wartości przydają się do sprawdzania własnych obliczeń albo do szybkiego oszacowania przed uruchomieniem kalkulatora.

Konfiguracja Przedział Długość łuku Cięciwa
y = x2x = 0 do 11.47894285751.4142135624
y = 0.5x2x = 0 do 22.95788571512.8284271247
y = 0.5x2x = −2 do 25.9157714304
y = x2x = 0 do 39.7470887599.4868329805
y = 2x2 − 4x + 1x = 0 do 24.6467837622
x = 0.25(y − 1)2 + 2y = −1 do 34.5911742994
y = −0.5x2 + 3x = −2 do 25.9157714304

Warto zapamiętać dwa wzorce. Po pierwsze, y = x2 od 0 do 1 daje 1.4789428575, tę samą liczbę co stosunek łuku do cięciwy symetrycznego łuku y = 0.5x2: to zbieg okoliczności w liczbach, a nie ogólna zasada. Po drugie, cięciwa dla y = 0.5x2 od 0 do 2 wynosi 2.8284271247, czyli 2√(2): końce (0, 0) i (2, 2) dzieli 2 jednostki zarówno w x, jak i w y.

Wzory na długość łuku paraboli: ściągawka

Trzymaj tę kartę z wzorami pod ręką. Wszystkie kąty podane są w radianach, tam gdzie się pojawiają; wzory na parabolę używają współrzędnych bezpośrednio, więc nie potrzeba przeliczania kątów.

Ogólny:   L = ∫x1x2 √(1 + (dy/dx)2) dx
Parabola pionowa:   L = |F(u2) − F(u1)| / (2|a|),   u = 2a(x − h)
Parabola pozioma:   L = |F(v2) − F(v1)| / (2|a|),   v = 2a(y − k)
Funkcja pierwotna:   F(u) = ½[u√(1 + u2) + asinh(u)]
Wierzchołek:   h = −b/(2a),   k = c − b2/(4a)
Parametr ogniska:   p = 1/(4a)
Cięciwa:   √((x2 − x1)2 + (y2 − y1)2)

Przeliczenie wierzchołka z postaci ogólnej oraz parametr ogniska to dwa wzory, po które sięga się najczęściej, dlatego są wymienione osobno. Kalkulator stosuje je wszystkie automatycznie; ta karta służy do ręcznego sprawdzania jego pracy.

Często zadawane pytania dotyczące długości łuku paraboli

Jak obliczyć długość łuku paraboli? +

Wprowadź równanie paraboli oraz współrzędne początkową i końcową, a następnie oblicz L = &int; &radic;(1 + (dy/dx)<sup>2</sup>) dx między nimi. Dla y = x<sup>2</sup> od x = 0 do x = 3 pochodna wynosi 2x, całka to &int;<sub>0</sub><sup>3</sup> &radic;(1 + 4x<sup>2</sup>) dx, a wynik to 9.747088759 jednostek. Kalkulator na tej stronie wykonuje te same obliczenia dla każdej z pięciu postaci równania.

Jaki jest wzór na długość łuku paraboli? +

Ogólny wzór to L = &int;<sub>x<sub>1</sub></sub><sup>x<sub>2</sub></sup> &radic;(1 + (dy/dx)<sup>2</sup>) dx. Dla paraboli pionowej y = a(x &minus; h)<sup>2</sup> + k ma on dokładną postać zamkniętą: przy u = 2a(x &minus; h) oraz F(u) = &frac12;[u&radic;(1 + u<sup>2</sup>) + asinh(u)] długość wynosi L = |F(u<sub>2</sub>) &minus; F(u<sub>1</sub>)| / (2|a|). Dla paraboli poziomej zamień x z y i użyj dx/dy zamiast dy/dx.

Czy długość łuku paraboli można obliczyć dokładnie? +

Tak. W odróżnieniu od elipsy, której całka długości łuku nie ma elementarnej funkcji pierwotnej, całka paraboli oblicza się dokładnie za pomocą odwrotnego sinusa hiperbolicznego, asinh. Kalkulator używa tej dokładnej postaci zamkniętej i sprawdza ją adaptacyjnym całkowaniem numerycznym. Jedyny błąd to zaokrąglenie zmiennoprzecinkowe, znacznie poniżej wyświetlanej dokładności.

Dlaczego do obliczania długości łuku używa się całkowania? +

Ponieważ nachylenie paraboli zmienia się w każdym punkcie, więc żadne pojedyncze mnożenie nie poda długości. Całkowanie dzieli krzywą na maleńkie kawałki o długości ds = &radic;(dx<sup>2</sup> + dy<sup>2</sup>) i dodaje je do siebie. Każdy kawałek jest prawie prosty, a suma wszystkich kawałków to długość łuku.

Czym różni się długość łuku od długości cięciwy? +

Długość łuku to odległość wzdłuż krzywej; długość cięciwy to odległość w linii prostej między końcami. Łuk jest zawsze co najmniej tak długi jak cięciwa. Dla y = 0.5x<sup>2</sup> od &minus;2 do 2 łuk ma 5.915771430 jednostek, a cięciwa 4 jednostki, więc łuk jest o 47.89% dłuższy. Dla y = 2x<sup>2</sup> &minus; 4x + 1 od 0 do 2 łuk ma 4.646783762, a cięciwa tylko 2, więc łuk jest o 132.34% dłuższy.

Czy mogę obliczyć długość łuku między dowolnymi dwoma punktami? +

Tak, pod warunkiem że oba punkty leżą na tej samej paraboli i podasz ich współrzędne w zmiennej niezależnej: wartości x dla paraboli pionowej, wartości y dla poziomej. Kalkulator znajduje pełne współrzędne obu końców z równania, więc wprowadzasz tylko przedział. Jeśli obie współrzędne są równe, długość łuku wynosi zero.

Czy ten kalkulator obsługuje parabole poziome? +

Tak. Wybierz poziomą postać wierzchołkową x = a(y &minus; k)<sup>2</sup> + h, poziomą postać ogólną x = ay<sup>2</sup> + by + c albo poziomą postać ogniskową, a następnie wprowadź przedział y. Na przykład x = 0.25(y &minus; 1)<sup>2</sup> + 2 od y = &minus;1 do y = 3 daje 4.591174299 jednostek, przy końcach (3, &minus;1) i (3, 3). Pochodne dla parabol poziomych są oznaczane dx/dy, a nie dy/dx.

Czym różni się postać wierzchołkowa od postaci standardowej? +

Postać wierzchołkowa y = a(x &minus; h)<sup>2</sup> + k pokazuje wierzchołek (h, k) bezpośrednio. Postać ogólna y = ax<sup>2</sup> + bx + c ukrywa wierzchołek, który leży w h = &minus;b/(2a) oraz k = c &minus; b<sup>2</sup>/(4a). Standardowa postać ogniskowa (x &minus; h)<sup>2</sup> = 4p(y &minus; k) pokazuje parametr ogniska p, przy a = 1/(4p). Wszystkie trzy opisują tę samą krzywą; kalkulator przelicza je między sobą automatycznie.

Jak współczynnik a wpływa na parabolę? +

Wartość bezwzględna |a| steruje szerokością: większe |a| daje węższą, bardziej stromą parabolę i dłuższy łuk w tym samym przedziale. Znak steruje kierunkiem otwarcia: a &gt; 0 otwiera się w górę (albo w prawo dla paraboli poziomej), a &lt; 0 otwiera się w dół (albo w lewo). Odległość ogniska p = 1/(4a) maleje wraz ze wzrostem |a|, więc wąskie parabole skupiają ostro.

Czym są wierzchołek, ognisko i kierownica? +

Wierzchołek to punkt zwrotny paraboli, (h, k) w postaci wierzchołkowej. Ognisko to ustalony punkt na osi symetrii w odległości p = 1/(4a) od wierzchołka; dla y = 0.5x<sup>2</sup> jest to (0, 0.5). Kierownica to ustalona prosta po przeciwnej stronie wierzchołka, y = k &minus; p dla paraboli pionowej; dla y = 0.5x<sup>2</sup> jest to y = &minus;0.5. Każdy punkt paraboli jest jednakowo odległy od ogniska i od kierownicy.

Czy pełna parabola ma skończony obwód? +

Nie. Parabola to otwarta, nieograniczona krzywa, która biegnie bez końca w obie strony, więc jej całkowita długość jest nieskończona. Tylko skończony łuk między dwiema skończonymi współrzędnymi ma obliczalną długość. Ten kalkulator podaje tylko wybrany skończony łuk, a nigdy pełny obwód.

Czy parabola otwierająca się w dół może mieć długość łuku? +

Tak. Długość łuku zależy od odległości, a nie od kierunku, więc odwrócenie paraboli do góry nogami niczego nie zmienia w jej długości. y = &minus;0.5x<sup>2</sup> + 3 od x = &minus;2 do x = 2 ma długość łuku 5.915771430 jednostek, dokładnie taką samą jak otwierająca się w górę y = 0.5x<sup>2</sup> w tym samym przedziale. Różnią się tylko końce, wierzchołek i nachylenia stycznych.

Czym jest odwrotny sinus hiperboliczny? +

Odwrotny sinus hiperboliczny, asinh(u), to funkcja odwrotna do sinh(u) = (e<sup>u</sup> &minus; e<sup>&minus;u</sup>)/2. Można go obliczyć jako asinh(u) = ln(u + &radic;(u<sup>2</sup> + 1)). Występuje on w funkcji pierwotnej długości łuku paraboli F(u) = &frac12;[u&radic;(1 + u<sup>2</sup>) + asinh(u)]. Na przykład asinh(2) &asymp; 1.4436354752, a asinh(6) &asymp; 2.4917798526.

Czy długość łuku jest zawsze większa od odległości w linii prostej? +

Tak, z wyjątkiem sytuacji, gdy oba końce się pokrywają; wtedy obie wynoszą zero. Krzywa między dwoma punktami jest zawsze co najmniej tak długa jak łącząca je linia prosta, a na paraboli krzywa zawsze odchyla się od cięciwy, więc łuk jest ściśle dłuższy. Nadwyżka może być mała, poniżej 3% dla y = x<sup>2</sup> od 0 do 3, albo duża, ponad 132% dla y = 2x<sup>2</sup> &minus; 4x + 1 od 0 do 2.