쌍곡선

쌍곡선(雙曲線, 영어: hyperbola)은 평면 위에 있는 두 정점으로부터의 거리의 차가 일정한 점들의 집합으로 만들어지는 곡선을 말한다. 이때 기준이 되는 두 정점을 초점이라 한다. 한초점이 극히 멀어질수록 쌍곡선은 포물선에 가까워진다. 한편 쌍곡선은 초점에서 멀어질수록 점근선이라고 불리는 직선에 가까워지며, 쌍곡선의 점근선은 두 개가 있다. 초점이 x {\displaystyle x} 축 위에 있고, 원점을 중심으로 대칭인 쌍곡선은 직교 좌표계로 표현하면 다음과 같은 식이 된다. x 2 a 2 − y 2 b 2 = 1 {\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}-{\frac {y^{2}}{b^{2}}}=1} 여기서 a , b {\displaystyle a,b} 는 고정된 상수값이다. c = a 2 + b 2 {\displaystyle \textstyle c={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}} 일 때, 초점의 좌표는 다음과 같다. ( − c , 0 ) , ( c , 0 ) {\displaystyle (-c,0),(c,0)} 쌍곡선의 이심률(Eccentricity)은 다음과 같이 정의된다. c a = a 2 + b 2 a {\displaystyle {\frac {c}{a}}={\frac {\sqrt {a^{2}+b^{2}}}{a}}} 쌍곡선의 점근선은 다음과 같게 된다. y = ± b a x {\displaystyle y=\pm {\frac {b}{a}}x} 즉, 두 개의 직선이 된다. 이와 별도로, 두 축을 점근선으로 하는 쌍곡선은 다음과 같은 식으로 표현가능하다. x y = k {\displaystyle xy=k} 이 때, k {\displaystyle k} 는 고정된 상수이다. 쌍곡선은 직교좌표계에서 이차방정식 A x x x 2 + 2 A x y x y + A y y y 2 + 2 B x x + 2 B y y + C = 0 {\displaystyle A_{xx}x^{2}+2A_{xy}xy+A_{yy}y^{2}+2B_{x}x+2B_{y}y+C=0} 을 이용하여 정의할 수도 있다. 위의 이차 방정식의 계수 Axx, Axy, Ayy, Bx, By, and C 가 D = | A x x A x y A x y A y y | < 0 {\displaystyle D={\begin{vmatrix}A_{xx}&A_{xy}\\A_{xy}&A_{yy}\end{vmatrix}}<0\,} 를 만족하면 위의 이차방정식은 쌍곡선을 나타낸다. 쌍곡선의 특별한 형태로 “퇴화 쌍곡선(degenerate hyperbola)를 들 수 있다. 퇴화 쌍곡선은 교차하는 두 직선으로 이루어지며, 위의 이차방정식의 계수를 원으로 하는 아래의 행렬식이 Δ := | A x x A x y B x A x y A y y B y B x B y C | = 0 {\displaystyle \Delta :={\begin{vmatrix}A_{xx}&A_{xy}&B_{x}\\A_{xy}&A_{yy}&B_{y}\\B_{x}&B_{y}&C\end{vmatrix}}=0} 을 만족하면 위의 이차 방정식은 퇴화 쌍곡선을 나타낸다. 위의 행렬식 Δ를 원뿔곡선의 판별식이라 부르기도 한다. 쌍곡선의 중심 (xc, yc)은 식 x c = − 1 D | B x A x y B y A y y | {\displaystyle x_{c}=-{\frac {1}{D}}{\begin{vmatrix}B_{x}&A_{xy}\\B_{y}&A_{yy}\end{vmatrix}}} y c = − 1 D | A x x B x A x y B y | {\displaystyle y_{c}=-{\frac {1}{D}}{\begin{vmatrix}A_{xx}&B_{x}\\A_{xy}&B_{y}\end{vmatrix}}} 에 의해 구할 수 있다. 쌍곡선의 중심이 원점이 되도록 평행이동하여 얻은 새로운 좌표계, ξ = x − xc and η = y − yc를 이용하여 쌍곡선의 방정식은 A x x ξ 2 + 2 A x y ξ η + A y y η 2 + Δ D = 0 {\displaystyle A_{xx}\xi ^{2}+2A_{xy}\xi \eta +A_{yy}\eta ^{2}+{\frac {\Delta }{D}}=0} 로 쓸 수 있다. 쌍곡선의 주축은 양의 ‘’x’’-축과 Φ의 각을 이룬다. 여기서 Φ는 다음과 같이 구할 수 있다. tan ⁡ 2 Φ = 2 A x y A x x − A y y {\displaystyle \tan 2\Phi ={\frac {2A_{xy}}{A_{xx}-A_{yy}}}} 좌표축을 회전하여 ‘’x’’-축이 횡단축과 일치하도록 하면 앞의 이차방정식은 쌍곡선의 표준형 방정식 x 2 a 2 − y 2 b 2 = 1 {\displaystyle {\frac {{x}^{2}}{a^{2}}}-{\frac {{y}^{2}}{b^{2}}}=1} 으로 바꿀 수 있다. 다음은 직교 좌표계에서 어렵지 않게 증명가능하다. 쌍곡선 위의 모든 점은 두 초점과의 거리의 차가 일정하다. 한 초점에서 나온 빛은 쌍곡선에 반사되면 다른 초점에서 나온 빛처럼 보인다. 쌍곡선 위의 점에서 점근선에 수선의 발을 내리면 그 길이의 곱은 일정하다. 쌍곡선 위의 한 점을 지나며 두 점근선에 평행한 두 개의 직선과 두 점근선으로 이루어진 평행사변형의 면적은 일정하다. 초점이 일치하는 쌍곡선과 타원은 교점에서 각각의 접선이 수직이다. 쌍곡선 x 2 a 2 − y 2 b 2 = 1 {\displaystyle \textstyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}-{\frac {y^{2}}{b^{2}}}=1} 위의 한 점 ( x 1 , y 1 ) {\displaystyle (x_{1},y_{1})} 에서의 접선의 방정식은 다음과 같다. x x 1 a 2 − y y 1 b 2 = 1 {\displaystyle {\frac {xx_{1}}{a^{2}}}-{\frac {yy_{1}}{b^{2}}}=1} 또한, 기울기 m {\displaystyle m} 이 주어질 때의 접선의 방정식은 다음과 같다. y = m x ± a 2 m 2 − b 2 {\displaystyle y=mx\pm {\sqrt {a^{2}m^{2}-b^{2}}}} Korn, Granino A. and Korn, Theresa M. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review, Dover Publ., second edition, 2000: p. 40.