Дан параболический зеркальный сегмент (дуга параболы с фокусом F) и источник света в точке S; исследуйте пути света с учётом отражения (закон равных углов) и найдите положение источника S, при котором лучи после отражения проходят через заданную точку T
Кратко и по делу. 1) Парабола. Возьмём стандартную параболу y2=4px,
y^2=4p x, y2=4px,
у которой фокус F=(p,0)F=(p,0)F=(p,0). Точка на дуге: P=(x0,y0)P=(x_0,y_0)P=(x0,y0), y02=4px0\;y_0^2=4p x_0y02=4px0. 2) Уравнение касательной в PPP: y y0=2p(x+x0).
y\,y_0=2p(x+x_0). yy0=2p(x+x0).
Запишем её в общем виде ax+by+c=0a x+b y+c=0ax+by+c=0 с a=−2p,b=y0,c=−2px0.
a=-2p,\quad b=y_0,\quad c=-2p x_0. a=−2p,b=y0,c=−2px0. 3) Закон отражения (угол падения = угол отражения) эквивалентен симметрии: для данного точки отражения PPP луч из SSS после отражения идёт в TTT тогда и только тогда, когда точки SSS и TTT симметричны относительно касательной в PPP. Формула отражения точки T=(xT,yT)T=(x_T,y_T)T=(xT,yT) относительно прямой ax+by+c=0a x+b y+c=0ax+by+c=0 (где a2+b2≠0a^2+b^2\neq0a2+b2=0) даёт координаты S=(xS,yS)S=(x_S,y_S)S=(xS,yS): (xS,yS)=(xT,yT)−2axT+byT+ca2+b2 (a,b).
(x_S,y_S)=(x_T,y_T)-2\frac{a x_T+b y_T+c}{a^2+b^2}\,(a,b). (xS,yS)=(xT,yT)−2a2+b2axT+byT+c(a,b).
Подставляя a,b,ca,b,ca,b,c из п.2, получаем явную зависимость S=S(P)S=S(P)S=S(P): (xS,yS)=(xT,yT)−2−2pxT+y0yT−2px0(2p)2+y02 (−2p,y0).
(x_S,y_S)=(x_T,y_T)-2\frac{-2p x_T+y_0 y_T-2p x_0}{(2p)^2+y_0^2}\,(-2p,y_0). (xS,yS)=(xT,yT)−2(2p)2+y02−2pxT+y0yT−2px0(−2p,y0).
Это даёт положение источника SSS, при котором луч, попавший в точку PPP параболы, отразится в данную точку TTT. 4) Вывод о положении SSS для всей дуги. Требование «все лучи, исходящие из одной точки SSS и отражающиеся на всей дуге, после отражения проходят через одну фиксированную точку TTT» означает, что выражение S(P)S(P)S(P) должно быть одинаково для всех PPP дуги. Это в общем невозможно: симметрия относительно разных касательных даёт разные точки-образы. Исключения: - классический оптический случай: если TTT — точка на бесконечности в направлении оси параболы (т.е. требуется, чтобы отражённые лучи были параллельны оси), то источником, дающим параллельные после отражения лучи, является фокус S=F=(p,0)S=F=(p,0)S=F=(p,0) (свойство параболы); - тривиальный случай: если рассматривается только одна точка отражения PPP, то единственный SSS даётся формулой симметрии выше; - иные частичные случаи возможны только для специально подобранных ограниченных множеств точек PPP (не для всей дуги). Итого: для заданной точки отражения PPP положение SSS находится по формуле симметрии относительно касательной в PPP. Но единой точки SSS, обеспечивающей для всей непустой дуги параболы отражение всех лучей в одну конечную точку TTT, в общем не существует; единственное «оптическое» глобальное соответствие — фокус ↔ направление на бесконечность (параллельные лучи).
1) Парабола. Возьмём стандартную параболу
y2=4px, y^2=4p x,
y2=4px, у которой фокус F=(p,0)F=(p,0)F=(p,0). Точка на дуге: P=(x0,y0)P=(x_0,y_0)P=(x0 ,y0 ), y02=4px0\;y_0^2=4p x_0y02 =4px0 .
2) Уравнение касательной в PPP:
y y0=2p(x+x0). y\,y_0=2p(x+x_0).
yy0 =2p(x+x0 ). Запишем её в общем виде ax+by+c=0a x+b y+c=0ax+by+c=0 с
a=−2p,b=y0,c=−2px0. a=-2p,\quad b=y_0,\quad c=-2p x_0.
a=−2p,b=y0 ,c=−2px0 .
3) Закон отражения (угол падения = угол отражения) эквивалентен симметрии: для данного точки отражения PPP луч из SSS после отражения идёт в TTT тогда и только тогда, когда точки SSS и TTT симметричны относительно касательной в PPP. Формула отражения точки T=(xT,yT)T=(x_T,y_T)T=(xT ,yT ) относительно прямой ax+by+c=0a x+b y+c=0ax+by+c=0 (где a2+b2≠0a^2+b^2\neq0a2+b2=0) даёт координаты S=(xS,yS)S=(x_S,y_S)S=(xS ,yS ):
(xS,yS)=(xT,yT)−2axT+byT+ca2+b2 (a,b). (x_S,y_S)=(x_T,y_T)-2\frac{a x_T+b y_T+c}{a^2+b^2}\,(a,b).
(xS ,yS )=(xT ,yT )−2a2+b2axT +byT +c (a,b). Подставляя a,b,ca,b,ca,b,c из п.2, получаем явную зависимость S=S(P)S=S(P)S=S(P):
(xS,yS)=(xT,yT)−2−2pxT+y0yT−2px0(2p)2+y02 (−2p,y0). (x_S,y_S)=(x_T,y_T)-2\frac{-2p x_T+y_0 y_T-2p x_0}{(2p)^2+y_0^2}\,(-2p,y_0).
(xS ,yS )=(xT ,yT )−2(2p)2+y02 −2pxT +y0 yT −2px0 (−2p,y0 ). Это даёт положение источника SSS, при котором луч, попавший в точку PPP параболы, отразится в данную точку TTT.
4) Вывод о положении SSS для всей дуги. Требование «все лучи, исходящие из одной точки SSS и отражающиеся на всей дуге, после отражения проходят через одну фиксированную точку TTT» означает, что выражение S(P)S(P)S(P) должно быть одинаково для всех PPP дуги. Это в общем невозможно: симметрия относительно разных касательных даёт разные точки-образы. Исключения:
- классический оптический случай: если TTT — точка на бесконечности в направлении оси параболы (т.е. требуется, чтобы отражённые лучи были параллельны оси), то источником, дающим параллельные после отражения лучи, является фокус S=F=(p,0)S=F=(p,0)S=F=(p,0) (свойство параболы);
- тривиальный случай: если рассматривается только одна точка отражения PPP, то единственный SSS даётся формулой симметрии выше;
- иные частичные случаи возможны только для специально подобранных ограниченных множеств точек PPP (не для всей дуги).
Итого: для заданной точки отражения PPP положение SSS находится по формуле симметрии относительно касательной в PPP. Но единой точки SSS, обеспечивающей для всей непустой дуги параболы отражение всех лучей в одну конечную точку TTT, в общем не существует; единственное «оптическое» глобальное соответствие — фокус ↔ направление на бесконечность (параллельные лучи).