Yuvarlanan bir parabolün odak noktasının yeri nedir? Bu soruyu da, tıpkı koşuşturan köpekler problemi gibi, Steven Strogatz'ın twitter hesabında gördüm ve çözmeye çalıştım. Açıkçası bu problemin de böylesine çetin ceviz olacağını hiç mi hiç tahmin etmemiştim.
Daha önce yaptığımız çalışmalardaki parabollere dair bulgularımızı özetleyerek işe başlayalım. (1) Bazı koordinat ve ölçek dönüşümleri sonunda bütün paraboller y=x2 formuna getirilebilirler. Bu yüzden genelliği kaybetmeden biz de çalıştığımız parabolün y=x2 denklemi ile tarif edildiğini varsayacağız. (2) Devamla bu parabolün odak noktasının F=(0,1/4) olduğunu da biliyoruz. Genel olarak parabolün üzerinde bir X=(x,x2) noktası alalım. (3) Parabole bu noktadan çekilen teğetin eğimi tanα=2x, bu teğetin y eksenini kestiği nokta ise P=(0,−x2) ile verilirler. α açısı şekilde koyu siyah renkle gösteriliyor.
Çalıştığımız problemde anahtar gözlemler şöyle sıralanabilir: (1) Parabol yuvarlanırken X noktası yatay eksene değdiği anda, PX teğeti de yatay eksenle çakışık olur. (2) PF doğrusu ise yatay eksenle π2−α kadar bir açı yapar. (3) X noktası yatay eksene değdiği anda, orijinle arasındaki mesafe, yuvarlanmanın tanımından hareketle, parabol üzerinde kalarak O noktasından X noktasına giden yolun uzunluğuna denktir. Bu uzunluğa s diyeceğiz.
Temel diferansiyel geometri ve analiz bilgisiyle bu uzunluğu aşağıdaki integral jimnastiği ile hesaplayabiliriz. s:=x∫0√1+4ξ2dξ=122x∫0√1+η2dη=12arctan(2x)∫0dφcos3φ
Filmi geriye sararak artık parabol parçasının uzunluğunu verelim. s=12x√1+4x2+14log(2x+√1+4x2)
Öte yandan F′ noktasının koordinatlarını daha kısa bir formülle kucaklamak için z:=14log(2x+√1+4x2) tanımını kullandığımızda exp(4z)=2x+√1+4x2 ve exp(−4z)=√1+4x2−2x olduğunu görüyoruz. O zaman hiperbolik cosinus fonksiyonunun tanımını kullanarak cosh(4z):=12(exp(4z)+exp(−4z))=√1+4x2=4F′y
Bitirirken şunu vurgulayalım: Geometri bakarak ve okuyarak öğrenilmez. Burada yaptığımız analizi kavramak isteyen okur eline kalemi alıp her bir basamaktaki işlemleri tek tek doğrulamalıdır.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder