Cím: Arkhimédész és a parabola
Szerző(k):  Bohner Géza 
Füzet: 1998/április, 200 - 202. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete és Sain Márton Nincsen királyi út című könyvében is megtalálható Arkhimédész gyönyörű gondolatmenete a parabolaszelet területének meghatározásáról: Arkhimédész be akarta bizonyítani, hogy egy ,,parabola szegment'' területe egyenlő a beírt háromszög területének 4/3-adszorosával. Ehhez a parabola néhány tulajdonságának ismeretére volt szüksége. A fenti művekben néhány tétel igazolásánál koordináta-geometriai levezetések szerepelnek. Ebben a cikkben a párhuzamos szelők tételének és háromszögek hasonlóságának segítségével fogjuk az egyik tételt belátni. Közben a parabola (és a többi másodrendű görbe) elemi tulajdonságainak bizonyításához alkalmas módszert is láthatunk.
Tudjuk, hogy a parabola a sík azon pontjainak halmaza, amelyek a sík egy egyenesétől, a vezéregyenestől (v) és egy ‐ nem az egyenesen lévő ‐ pontjától, a fókusztól (F) egyenlő távolságra vannak.
Fogalmazzuk át a fenti definíciót: Parabola azon körök középpontjainak halmaza, amely körök átmennek a fókuszon és érintik a vezéregyenest.
Az 1. ábrán az A és a B az F fókuszú, v vezéregyenesű parabola pontjai. A definícióból rögtön kitűnik, hogy a parabola szimmetrikus az F-en átmenő, a v-re merőleges t egyenesre (tengely).
Ennek ismeretében tudunk parabolapontot szerkeszteni: Felveszünk a vezéregyenesen egy A' pontot, ezen át párhuzamost húzunk t-vel, majd ezt az A'F¯ felezőmerőlegesével (a) messük el, az így kapott A pont pontja a parabolának.
Lássuk be, hogy a-nak csak egy közös pontja van a parabolával.
Legyen Pa, PA. Ekkor PF¯=PA'¯, és ez nagyobb, mint P-nek a v-től való távolsága. Azt is beláttuk itt, hogy az a összes pontja, A-t kivéve, távolabb van F-től, mint v-től, azaz külső pont (1. ábra).
Azt sem nehéz megmutatni, hogy az A-n átmenő összes egyenes közül egyedül az a-nak van meg a fenti tulajdonsága. Joggal nevezzük a-t a parabola A-beli érintőjének. (Vegyünk egy, az A-n átmenő, a-tól különböző, v-re nem merőleges e egyenest, tükrözzük erre F-et: képe F', majd az F'-n átmenő, t-vel párhuzamos egyenesnek és e-nek a metszéspontjáról lássuk be, hogy közelebb van F-hez, mint v-hez, azaz belső pont. Ha viszont e merőleges v-re, akkor az A ,,fölötti'' pontok lesznek a parabola belső pontjai.)
Igaz tehát a következő 1. állítás: A vezéregyenes bármely pontját a fókusszal összekötő szakasz felező merőlegese a parabola érintője annak a pont ,,fölötti'' pontjában.
Két érintő metszéspontja (az 1. ábrán M) viszont éppen A'B' felező merőlegesén van rajta, hiszen az A'B'F háromszögben M két oldal felező merőlegesének metszéspontja. Ezért igaz az alábbi:
2. állítás. A parabola két pontját (A-t és B-t) összekötő szakasz felezőpontja és a pontokban húzott érintők metszéspontja egy, a t-vel párhuzamos egyenest határoz meg.
Az Arkimédész által kimondott tétel (ld. Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete c. könyv 75‐78. oldalán) a következő:
Tétel. ,,Húzzuk meg a parabola egy tetszés szerinti abszcisszájához tartozó ordinátát'' (2. ábra: most a parabola tengelye az y tengely). Ennek talppontja D, metszéspontja a parabolával E. a B ponthoz tartozó érintőval G. Bárhol is vettük fel a D pontot, érvényes a következő:

ABAD=DGDE.

Ezt fogjuk bizonyítani a parabola tetszőleges AB húrján levő D pontra.
Bizonyítás.
A 3. ábrán AB a parabola húrja, ezen van a D pont. Az A, B, E parabolapontokhoz húzott érintők a, b és e. A 2. állítás szerint az A-ban és B-ben húzott érintők K metszéspotja és az AB szakasz K* felezőpontja egy, a tengellyel párhuzamos a' egyenest határoz meg. Hasonlóan az AE szakasz felezőpontja és az a és e érintők metszéspontja, M a tengellyel párhuzamos e' egyenest határozza meg. A BG szakasz felezőpontja és a b és e érintők L metszéspontja a tengellyel párhuzamos b' egyenest határozza meg, ennek AB-vel való metszéspontja L*.
Előbb belátjuk, hogy DP párhuzamos AE-vel, ahol P a B-n átmenő, tengellyel párhuzamos egyenesnek az e érintővel való metszéspontja.
BDBA=(BD2:BA2)=BL*BK*=BLBK
(a párhuzamos szelők tétele szerint), amiért a=AKDL.
Így az AMR és DLE párhuzamos állású háromszögek, ahol R az e érintő és az A-n keresztül a R tengellyel párhuzamosan húzott egyenes metszéspontja. Mivel az RE szakasz felezőpontja M, az EP felezőpontja az L, így az ARE és DEP háromszögek is hasonlók. Tehát valóban AEDP.
Használjuk ki, hogy PQ=DE, ahol Q az AE és BP egyenesek metszéspontja, és EG=PB miatt DG=BQ.
A párhuzamos szelők tételéből következik, hogy
ABAD=BQPQ,
és a fenti egyenlőségek miatt ez utóbbi egyenlő DGDE-vel, tehát ABAD=DGDE, és ezt akartuk bizonyítani.
 
Megjegyzés. Láthatunk most egy olyan feladatot, amely igen egyszerű, és látszólag semmi köze a fentiekhez:
Az O középpontú λ arányú, Oλ=val jelölt középpontos hasonlóságnál az ABCD paralelogramma képe az A'B'C'D'. A paralelorgamma átlinak metszéspontja K, a K képe a K', azaz K'=Oλ(K). Legyen az O tükörképe a K-ra a P és a K'-re a P'. Ekkor igaz, hogy P'=Oλ(P), és például PDBB', illetve C'PAA', valamint PP' átmegy K-n, O-n és O'-n.
Mi köze ennek a fenti parabolás feladathoz?

 
Bohner Géza, tanár
Kossuth L. Gimn., Cegléd