Реферат: Аналитическая геометрия
Название: Аналитическая геометрия Раздел: Рефераты по математике Тип: реферат |
ЛИНЕЙНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ВЕКТОРОВ. Пусть задана система векторов а1 , а2 , а3 ,…,ал (1) одной размерности. Определение: система векторов (1) называется линейно-независимой, если равенство a1 а1 +a2 а2 +…+aл ал =0 (2) выполняется лишь в том случае, когда все числа a1 , a2 ,…, aл =0 и ÎR Определение: система векторов (1) называется линейно-зависимой, если равенство (2) выполнимо хотя бы при одном ai ¹0 (i=1,…,k) Свойства 1. Если система векторов содержит нулевой вектор, то она линейно зависима 2. Если система векторов содержит линейно-зависимую подсистему векторов, то она будет линейно-зависимой. 3. Если система векторов линейно-независима, то и любая ее подсистема будет линейно независимой. 4. Если система векторов содержит хотя бы один вектор, являющийся линейной комбинацией других векторов, то эта система векторов будет линейно зависимой. Определение: два вектора называются коллинеарными, если они лежат на параллельных прямых. Определение: три вектора называются компланарными, если они лежат в параллельных плоскостях. Теорема: Если заданы два вектора a и b, причем а¹0 и эти векторы коллинеарны, то найдется такое действительное число g, что b=ga. Теорема: Для того что бы два вектора были линейно-зависимы необходимо и достаточно, что бы они были коллениарны. Доказательство: достаточность. Т.к. векторы коллинеарны, то b=ga. Будем считать, что а,b¹0 (если нет, то система линейно-зависима по 1 свойству). 1b-ga=0. Т.к. коэфф. При b¹0, то система линейно зависима по определению. Необходимость. Пусть а и b линейно-зависимы. aа+bb=0, a¹0. а= -b/a*b. а и b коллинеарны по определению умножения вектора на число. Теорема: для того, чтобы три вектора были линекно-зависимы необходимо и достаточно, чтобы они были компланарны. Необходимость. Дано: a, b, c – линейно-зависимы. Доказать: a, b, c – компланарны. Доказательство: т.к. векторы линейно-зависимы, то aа+bb+gc=0, g¹0. с= - a/g*а - b/g*b. с-диагональ параллелограмма, поэтому a, b, c лежат в одной плоскости. БАЗИС СИСТЕМЫ ВЕКТОРОВ. РАЗЛИЧНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ. 1. Определение: пусть задана некоторая система векторов. Базисом этой системы называется мах. совокупность линейно-независимых векторов системы. В множестве векторов на прямой базис состоит из одного ненулевого вектора. В качестве базиса множества векторов на плоскости можно взять произвольную пару. В множестве векторов в трехмерном пространстве базис состоит из трех некомпланарных векторов. 2. Прямоугольная (декартова) система координат на плоскости определяется заданием двух взаимно перпендикулярных прямых с общим началом и одинаковой масштабной ед. на осях. Прямоугольная (декартова) система координат в пространстве определяется заданием трех взаимно перпендикулярных прямых с общей точкойпересечения и одинаковой масштабной ед. на осях. СКАЛЯРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ. Определение: скалярным произведением двух векторов называется произведение длин двух векторов на косинус угла между ними. (а,b)=|a| |b| cos u, u<90, пр-е полож.; u=90, пр-е =0; u>90, пр-е отриц. Свойства: 1. (а,b)= (b,а) 2. (aа,b)= a (а,b) 3. (а+b,с)= (а,с)+ (b,с) 4. (а,а)=|a|2 – скал.квадрат. Определение: два вектора называются ортоганальными, когда скалярное пр-е равно 0. Определение: вектор называется нормированным, если его скал.кв.равен 1. Определение: базис множества векторов называется ортонормированным, если все векторы базиса взаимно-ортагональны и каждый вектор нормирован. Теорема: Если векторы а и b заданы координатами в ортонормированном базисе, то их скалярное произведение равно сумме произведений соответствующих координат. Найдем формулу угла между векторами по определению скалярного произведения. cos u=a,b/|a||b|=x1 x2 +y1 y2 +z1 z2 /sqrt(x1 2 +y1 2 +z1 2 )*sqrt(x2 2 +y2 2 +z2 2 ) ВЕКТОРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ. Определение: векторным произведением двух векторов a и b обозначаемым [a,b] называется вектор с удовлетворяющий след. требованиям: 1. |c|=|a||b|sin u. 2. (с,а)=0 и (с,b)=0. 3. а, b, с образуют правую тройку. Свойства: 1. [a,b]= - [b,a] 2. [aа,b]= a[а,b] 3. [a+b,c]=[a,c]+[b,c] 4. [a,a]=0 Теорема: Длина векторного произведения векторов равна площади параллелограмма построенного на этих векторах. Доказательство: справедливость теоремы вытекает из первого требования определения векторного произведения. Теорема: Пусть векторы а и b заданы координатами в ортонормированном базисе, тогда векторное произведение равно определителю третьего порядка в первой строке которого наход-ся базисны векторы, во второй – координаты первого вектора, в третьей – координаты второго. Определение: ортой вектора а называется вектор ед. длины имеющий одинаковое направление с вектором а. ea =a/|a| РАЗЛИЧНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ. 1.Общее ур-е пр. 2. Ур-е пр. в отрезках. 3. Каноническое ур-е пр. 4. Ур-е пр. ч/з две точки. 5. Ур-е пр. с углов. коэфф. 6. Нормальное ур-е прямой. Расст. от точки до прямой. 7. Параметрическое ур-е пр. 8. Пучок пр. 9.Угол между пр. 1. Ах+By+C=0 (1), где A, B одновр.не равны нулю. Теорема: n(A,B) ортоганален прямой заданной ур-ем (1). Доказательство: подставим коорд. т.М0 в ур-е (1) и получим Ах0 +By0 +C=0 (1’). Вычтем (1)-(1’) получим А(х-х0 )+B(y-y0 )=0, n(A,B), М0 М(х-х0 , y-y0 ). Слева в полученном равенстве записано скалярное произведение векторов, оно равно 0, значит n и M0 M ортоганальны. Т.о. n ортоганлен прямой. Вектор n(A,B) называется нормальным вектором прямой. Замечание: пусть ур-я А1 х+B1 y+C1 =0 и А2 х+B2 y+C2 =0 определяют одну и ту же прямую, тогда найдется такое действительное число t, что А1 =t*А2 и т.д. Определение: если хотя бы один из коэффициентов в ур-ии (1) =0, то ур-е называется неполным. 1. С=0, Ах+By=0 – проходит ч/з (0,0) 2. С=0, А=0, By=0, значит у=0 3. С=0, B=0, Ах=0, значит х=0 4. А=0, By+C=0, паралл. ОХ 5. B=0, Ах+C=0, паралл. OY 2. x/a+y/b=1. Геом.смысл: прямая отсекает на осях координат отрезки а и b 3. x-x1 /e=y-y1 /m Пусть на прямой задана точка и напр. вектор прямой (паралл.пр.). Возьмем на прямой произв. точки. q и M1 М(х-х1 ; y-y1 ) 4. x-x1 /x2 -x1 =y-y1 /y2 -y1 Пусть на прямой даны две точки М1 (x1 ;y1 ) и М2 (x2 ;y2 ). Т.к. на прямой заданы две точки, то задан направляющий вектор q(x2 -x1 ; y2 -y1 ) 5. y=kb+b. u – угол наклона прямой. Tg угла наклона называется угловым коэффициентом прямой k=tg u Пусть прямая задана в каноническом виде. Найдем угловой коэффициент прямой tg u = m/e. Тогда видим x-x1 /e/e=y-y1 /m/e. y-y1 =k(x-x1 ) при y1 -kx1 =b, y=kx+b 6. xcosq+ysinq-P=0 q - угол между вектором ОР и положительным напр. оси ОХ. Задача: записать ур-е прямой , если изветны Р и q Решение: Выделим на прямой ОР вектор ед. длины n. |n|=1, n(cosq, sinq). Пусть М(x,y) – произв.точка прямой. Рассмотрим два вектора n и ОМ. Найдем двумя способвами их скал.произведение. 1. ОМ*n=|OM||n|cosMOP=Р. 2. ОМ*n=cosqx+sinqy. Приравняем правые части. Задача: прямая задана общим ур-ем. Перейти к норм. виду. Ах+By+C=0 xcosq+ysinq-P=0 т.к. уравнения определяют одну прямую, то сущ. коэфф. пропорциональности. Cos2 q=(A*t)2 Sin2 q=(B*t)2 -p=C*t cos2 q+sin2 q=t2 (A2 +B2 ), t2 =1/A2 +B2 , t=±sqrt(1/ A2 +B2 ). Sign t= - sign C Что бы найти нормальное уравнение прямой нужно общее ур-е умножить на t. Аtх+Bty+Ct=0, t-нормирующий множитель. 7. Система: x=et+x1 и y=mt+y1 НОРМАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ПРЯМОЙ. Расстояние от точки до прямой. 1. xcosq+ysinq-P=0 q - угол между вектором ОР и положительным напр. оси ОХ. Задача: записать ур-е прямой , если изветны Р и q Решение: Выделим на прямой ОР вектор ед. длины n. |n|=1, n(cosq, sinq). Пусть М(x,y) – произв.точка прямой. Рассмотрим два вектора n и ОМ. Найдем двумя способвами их скал.произведение. 1. ОМ*n=|OM||n|cosMOP=Р. 2. ОМ*n=cosqx+sinqy. Приравняем правые части. Задача: прямая задана общим ур-ем. Перейти к норм. виду. Ах+By+C=0 xcosq+ysinq-P=0 т.к. уравнения определяют одну прямую, то сущ. коэфф. пропорциональности. Cos2 q=(A*t)2 Sin2 q=(B*t)2 -p=C*t cos2 q+sin2 q=t2 (A2 +B2 ), t2 =1/A2 +B2 , t=±sqrt(1/ A2 +B2 ). Sign t= - sign C Что бы найти нормальное уравнение прямой нужно общее ур-е умножить на t. Аtх+Bty+Ct=0, t-нормирующий множитель. 2. Обозначим в – расстояние от точки до прямой, а ч/з б – отклонение точки от прямой. б=d, если нач.коорд. и точка по разные стороны; = - d, если нач.коорд. и точка по одну сторону. Теорема: Пусть задано нормальное уравнение прямой xcosq+ysinq-P=0 и М1 (x1 ;y1 ), тогда отклонение точки М1 = x1 cosq+y1 sinq-P=0 Задача: найти расстояние от точки М0 (x0 ;y0 ) до прямой Ах+By+C=0. Т.к. d=|б|, то формула расстояний принимает вид d=| x0 cosq+y0 sinq-P|. d=|Ах0 +By0 +C|/sqrt(A2 +B2 ) ГИПЕРБОЛА. Определение: ГМТ на плоскости модуль разности расстояний от которых до двух фиксированных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная Каноническое уравнение: Будем считать, что фокусы гиперболы находятся на ОХ на одинаковом расстоянии от начала координат. |F1
F2
|=2c, М – произвольная точка гиперболы. r1
, r2 – расстояния от М до фокусов; , x2 c2 -2a2 xc+a2 =a2 (x2 -2xc+c2 +y2 ) x2 (c2 -a2 )-a2 y2 =a2 (c2 -a2 ) c2 -a2 =b2 x2 b2 -a2 y2 =a2 b2 - каноническое ур-е гиперболы ПАРАБОЛА. Определение: ГМТ на плоскости расстояние от которых до фиксированной точки на плоскости, называемой фокусом, равно расстоянию до фиксированной прямой этой плоскости называемой директрисой. Каноническое уравнение: Пусть фокус параболы находится на оси ОХ, а директриса расположение перпендикулярно оси ОХ, причем они находятся на одинаковом расстоянии от начала координат. |DF|=p, М – произвольная точка параболы; К – точка на директрисе; МF=r; MK=d; r=sqrt((x-p/2)2 +y2 ); d=p/2+x Приравниваем и получаем: y2 =2px - каноническое уравнение параболы ЭКСЦЕНТРИСИТЕТ И ДИРЕКТРИСА ЭЛЛИПСА И ГИПЕРБОЛЫ. 1. Определение: эксцентриситет – величина равная отношению с к а. е=с/а е эллипсв <1 (т.к. а>c) е гиперболы >1 (т.к. с>a) Определение: окружность – эллипс у которого а=b, с=0, е=0. Выразим эксцентриситеты через а и b: е эллипса является мерой его “вытянутости” е гиперболы характеризует угол раствора между асимптотами 2. Директрисой в эллипса (гиперболы), соответствующей фокусу F, называется прямая расположенная в полуплоскости a перпендикулярно большой оси эллипса и отстоящий от его центра на расстоянии а/е>a (а/е<a) D1 : x= - a/e D2 : x= a/e р=а(1-е2 )/е – для эллипса р=а(е2 -1)/е – для гиперболы ТЕОРЕМА ОБ ОТНОШЕНИИ РАССТОЯНИЙ. 2-ОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ, ПАРАБОЛЫ. Теорема: Отношение расстояния любой точки эллипса (гиперболы) до фокуса к расстоянию от нее до соответствующей директрисы есть величина постоянная равная е эллипса (гиперболы). Доказательство: для эллипса. r1 /d1 =e x£|a|, xe+a>0 r1 =xe+a d1 – расстояние от М(x,y) до прямой D1 xcos180+ysin180-p=0 x=-p x=-a/e бм =-x-a/e d1 =-бм (минус, т.к. прямая и точка по одну стороно о начала коорд.) Определение: ГМТ на плоскости, отношение расстояния от которых до фокуса, к расстоянию до соответствующей директрисы есть величина постоянная и представляет собой эллипс, если <1, гиперболу, если >1, параболу, если =1. ПОЛЯРНОЕ УРАВНЕНИЕ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ, ПАРАБОЛЫ. Пусть задан эллипс, парабола или правая ветвь гиперболы. Пусть задан фокус этих кривых. Поместим полюс полярной системы в фокус кривой, а полярную ось совместим с осью симметрии, на которой находится фокус. r= r d=p+rcosj e=r/p+rcosj - полярное уравнение эллипса, параболы и правой ветви гиперболы. КАСАТЕЛЬНАЯ К КРИВОЙ 2-ГО ПОРЯДКА. Пусть задан эллипс в каноническом виде. Найдем уравнение касательной к нему, проходящей через М0 (x0 ;y0 ) – точка касания, она принадлежит эллипсу значит справедливо: у-у0 =y’(x0 )(x-x0 ) Рассмотрим касательную к кривой следовательно ya2 y0 -a2 y0 2 +b2 x0 x-b2 x0 2 =0 - уравнение касательной к эллипсу. - уравнение касательной к гиперболе. - уравнение касательной к параболе. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕКАРТОВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ НА ПЛОСКОСТИ. Преобразование на плоскости есть применение преобразований параллельного переноса и поворота. Пусть две прямоугольные системы координат имеют общее начало. Рассмотрим все возможные скалярные произведения базисных векторов двумя способами: (е1 ;е1 ’)=cos u (е1 ;е2 ’)=cos (90+u)= -sin u (е2 ;е1 ’)=cos (90-u)=sin u (е2 ;е2 ’)=cos u Базис рассматривается ортонормированный: (е1 ;е1 ’)=(е1 , a11 е1 +a12 е2 )= a11 (е1 ;е2 ’)= (е1 , a21 е1 +a22 е2 )= a21 (е2 ;е1 ’)= a12 (е2 ;е2 ’)= a22 Приравниваем: a11 =cos u a21 = - sin u a12 =sin u a22 =cos u Получаем: x=a+x’cos u – y’sin u y=b+x’sin u – y’cos u - формулы поворота системы координат на угол u. ------------ x=a+x’ y=b+y’ - формулы параллельного переноса ИНВАРИАНТЫ УРАВНЕНИЯ ЛИНИЙ 2-ГО ПОРЯДКА. Определение: Инвариантой ур-я (1) линии второго порядка относительно преобразования системы координат, называется функция зависящая от коэффициентов ур-я (1) и не меняющая своего значения при преобразовании системы координат. Теорема: инвариантами уравнения (1) линии второго порядка относительно преобразования системы координат являются следующие величины: I1 ; I2 ; I3 Вывод: при преобразовании системы координат 3 величины остаются неизменными, поэтому они характеризуют линию. Определение: I2 >0 – элиптический тип I2 <0 – гиперболический тип I2 =0 – параболический тип ЦЕНТР ЛИНИИ 2-ГО ПОРЯДКА. Пусть задана на плоскости линия уравнением (1). Параллельный перенос: Параллельно перенесем систему XOY на вектор OO’ т.о. что бы в системе X’O’Y’ коэфф. при x’ и y’ преобразованного уравнения кривой оказались равными нулю. После этого: a11 x’2 +2a12 x’y’+a22 y’2 +a’33 =0 (2) точка О’ находится из условия: a13 ’=0 и a23 ’=0. Получается система a11 x0 +a12 y0 +a13 =0 и a12 x0 +a22 y0 +a23 =0 Покажем, что новое начало координат (если система разрешима) является центром симметрии кривой: f(x’;y’)=0, f(-x’;-y’)= f(x’;y’) Но точка О’ существует если знаменатели у x0 и y0 отличны от нуля. Точка O’ – единственная точка. Центр симметрии кривой существует если I2 ¹0 т.е. центр симметрии имеют линии элиптического и гиперболического типа Поворот: Пусть система XOY повернута на угол u. В новой системе координат уравнение не содержит члена с x’y’ т.е. мы делаем коэфф. а12 =0. a12 ’= -0,5(a11 -a22 )sin2u+a12 cos2u=0 (разделим на sin2u), получим: , после такого преобразования уравнение принимает вид a11 ’x’2 +a22 ’y’2 +2a13 ’x’+2a23 ’y’+a33 ’=0 (3) ТЕОРЕМА О ЛИНИЯХ ЭЛИПТИЧЕСКОГО ТИПА. Теорема: Пусть задана линия элиптического типа т.е. I2 >0 и пусть I1 >0следовательно уравнение (1) определяет: 1. I3 <0 – эллипс; 2. I3 =0 – точка; 3. I3 >0 – ур-е (1) не определяет. Если I3 =0 говорят, что эллипс вырождается в точку. Если I3 >0 говорят, что задается мнимый эллипс. Пусть после ПП и поворота ур-е (1) принимает вид (*). Доказательство: 1. пусть I2 >0, I1 >0, I3 <0, тогда а11 ’’x’’2 +a22 ’’ y’’2 = -I3 /I2 I2 =a11 ’’a22 ’’ > 0 I1 = a11 ’’+a22 ’’ > 0 a11 ’’ > 0; a22 ’’ > 0 Итак, под корнями стоят положительные числа, следовательно, уравнение эллипса. 2. I3 >0 в данном случае под корнем стоят отрицательные числа, следовательно уравнение не определяет действительного геометрического образа. 3. I3 =0 в данном случае т(0,0) – случай вырождения эллипса. ТЕОРЕМА О ЛИНИЯХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА. Теорема: Пусть уравнение (1) определяет линию гиперболического типа. Т.е. I2 <0, I3 ¹0 - ур-е (1) определяет гиперболу; I3 =0 – пару пересекающихся прямых. Доказательство: I2 <0; I2 = a11 ’’a22 ’’ < 0. Пусть a11 ’’>0; a22 ’’<0 Пусть I3 >0 В данном случае мы имеем гиперболу с действительной осью ОХ. Пусть I3 <0 -(-а11 ’’)x’’2 +a22 ’’ y’’2 = -I3 /I2 В этом случае мы имеем гиперболу с действительной осью ОY Пусть I3 =0 а11 ’’x’’2 -(-a22 ’’)y’’2 =0 АСИМПТОТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ КРИВЫХ 2-ГО ПОРЯДКА. Пусть крива второго порядка задана уравнением (1). Рассмотрим квадратную часть этого уравнения: u(x,y)= a11 x2 +2a12 xy+a22 y2 Определение: ненулевой вектор (a, b) координаты которого обращают в ноль квадратичную часть называется вектором асимптотического направления заданной кривой. (a, b) – вектор асимптотического направления. a11 a2 +2a12 ab+a22 b2 =0 (*) Рассмотрим (a’, b’) параллельный (a, b): следовательно . Дробь a/b характеризует вектор асимптотического направления. Задача: выяснить какие асимптотические направления имеют кривые 2-го порядка. Решение: положим, что b¹0 и поделим на b2 , получим: a11 (a/b)2 +2a12 a/b+a22 =0 из этого квадратного уравнения найдем a/b. т.к. у линий гиперболического и параболического типов I2 £0, то они имеют асимптотические направления. Т.к. у эллипса I2 >0 следовательно таких у него нет (говорят он имеет мнимые асимптотические направления). Найдем асимптотические направления у гиперболы: (a, b)1 =(a,b) (a, b)2 =(-a,b) Векторы асимптотического направления являются направляющими векторами для асимптот. Итак: гипербола имеет два асимптотических направления, которые определяются асимптотами гиперболы. Найдем асимптотические направления у параболы: y2 =2px y2 -2px=0 u(x,y)= y2 +0, y=0 (a, b)=(0,0) Итак: вектор асимптотического направления параболы лежит на оси симметрии параболы, т.е. прямая асимптотического направления пересекает параболу в одной точке, след. асимптотой не является. Парабола имеет одно асимптотическое направление, но асимптот не имеет. РАЗЛИЧНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ. Пусть задано трехмерное пространство. Теорема: Плоскость в афинной системе координат задается уравнением первой степени от трех переменных: Ax+By+Cz+D=0, где A,B,C¹0 одновреенно. Справедлива и обратная теорема. Теорема: Вектор n(A, B, C) ортоганален плоскости, задаваемой общим уравнением. Вектор n – нормальный вектор плоскости. 2. Уравнение плоскости в отрезках: 3. Уравнение плоскости, определенной нормальным вектором и точкой. Пусть n(A,B,C) и М(x0 ;y0 ;z0 ). Запишем ур-е пл-ти: Ax+By+Cz+D=0 Ax0 +By0 +Cz0 =-D A(x-x0 )+B(y-y0 )+C(z-z0 )=0 5. Уравнение плоскости ч/з 3 точки. Пусть известны три точки не принадл. одной прямой. М1 (x1 ;y1 ;z1 ); М2 (x2 ;y2 ;z2 ); М3 (x3 ;y3 ;z3 ) Пусть М(x;y;z) – произвольная точка плоскости. Т.к. точки принадл. одной плоскости то векторы компланарны. М1 Мx-x1 y-y1 z-z1 М1 М2 x2 -x1 y2 -y1 z2 -z1 =0 М1 М3 x3 -x1 y3 -y1 z3 -z1 6. Параметрическое ур-е плоскости. Пусть плоскость определена точкой и парой некомпланарных векторов. V(V1 ;V2 ;V3 ); U(U1 ;U2 ;U3 ); M0 (x0 ;y0 ;z0 ), тогда плостость имеет вид: система: x=x0 +V1 t+U1 s и y=y0 +V2 t+U2 s и z=z0 +V3 t+U3 s РАССТОЯНИЕ ОТ ТОЧКИ ДО ПЛОСКОСТИ. Ax+By+Cz+D=0; M0 (x0 ;y0 ;z0 ) ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ПЛОСКОСТЕЙ В ПРОСТРАНСТВЕ. Угол между плоскостями: пусть заданы две плоскости: A1 x+B1 y+C1 z+D1 =0; A2 x+B2 y+C2 z+D2 =0, поэтому n1 (A1 ;B1 ;C1 ); n2 (A2 ;B2 ;C2 ). Отыскание угла между плоскостями сводится к отысканию его между нормальными векторами. |