Линейные операции над векторами.

А.Д. Ходалевич

Р.В. Бородич

В.Н. Рыжик

«Аналитическая геометрия»

Тексты лекций

Гомель, 2004

УДК 514 (078)

ББК 22.151 Я73

Х 69

 

Рецензенты: Семенчук В.Н. – профессор, доктор физико-математических наук кафедра высшей математики учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины».

 

 

Рекомендован к изданию научно-методическим советом учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» 24 марта 2004 года, протокол № 7

 

Ходалевич А.Д.

Х 69 Аналитическая геометрия: Тексты лекций. /А.Д.Ходалевич,

Р.В.Бородич, В.Н. Рыжик. − Гомель: УО «ГГУ им. Ф.Скорины»; 2004 − 65с.

 

 

Дается краткое изложение курса лекций по аналитической геометрии для студентов, обучающихся по специальности «Прикладная математика»

 

УДК 514 (078)

ББК 22.151 Я73

Х 69

 

 

© А.Д. Ходалевич, Р.В. Бородич, В.Н. Рыжик, 2004

© Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины», 2004

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Векторы и координаты………………………………….…4

2. Прямая на плоскости………………………………………20

3. Плоскость…………………………………………………...25

4. Прямая в пространстве. Взаимное расположение

прямой и плоскости в пространстве…………………………29

5. Кривые второго порядка…………………………………...33

6. Поверхности второго порядка……………………………..56

 

Литература………………………………………………….….64

 

 

Аналитическая геометрия - это раздел математики, в котором геометрические объекты изучаются с помощью алгебраических мето­дов, в основе которых лежит понятие координат.

ВЕКТОРЫ И КООРДИНАТЫ

Понятие вектора

Пусть А – произвольное непустое множество. Декартовым кваратом А называется множество

A ² =

Бинарным отношением на А называется любое подмножество множества A ².

Отношением эквивалентности на А называется такое бинарное отношение на А, которое удовлетворяет следующим условиям:

1) (рефлексивность);

2) если (,b) то (b, ) (симметричность);

3) если (,b) то (,c) (транзитивность).

 

Теорема. Любое отношение эквивалентности на множестве А определяет разбиение этого множества на попарно непересекающиеся классы (классы эквивалентности). Обратно, любое разбиение множества А на попарно непересекающиеся классы определяет отношение эквивалентности на А.

 

Направленный отрезок – отрезок, у которого указано, какая точка является началом, а какая концом. Обозначается .

Пусть заданы направленные отрезки и , не лежащие на двух различных параллельных прямых, и плоскость , проходящая через точки В и D. Тогда плоскость разбивает все пространство на два полупространства. Если при этом точки B и D лежат в одном полупространстве, то говорят, что направленные отрезки и одинаково направлены (обозначается ). В противном случае, они называются противоположно направленными (обозначается ).

Если направленные отрезки и лежат на одной прямой, то они одинаково (противоположно) направлены, если существует такой третий направленный отрезок , который одинаково направлен с каждым из направленных отрезков и (противоположно направлен в точности с одним из направленных отрезков или ).

Абсолютной величиной или модулем (длиной) направленного отрезка называется длина этого направленного отрезка и обозначается | |.

Два направленных отрезка и называются равными, если и , при этом пишут = ,

 

Теорема. Отношение равенства направленных отрезков является отношением эквивалентности.

 

Тогда вектором называется абстрактный объект, совпадающий с некоторым классом эквивалентности.

Таким образом, каждый из равных друг другу направленных отрезков считается представлением (изображением) данного вектора, а неравные направленные отрезки считаются представлением разных векторов. Поэтому в дальнейшем вектор изображается точно так, как и соответствующий ему направленный отрезок.

 

Векторы и называются коллинеарными, если образующие их направленные отрезки параллельны одной и той же прямой (обозначается || ).

Три и более векторов называются компланарными, если образующие их направленные отрезки параллельны некоторой плоскости.

Нулевым вектором называется вектор, начало которого совпадает с его концом (обозначается ). Направление нулевого вектора не определено.

 

Проекции.

 

Назовем осью прямую, на которой указано направление, которое будем называть положительным.

 

Пусть l - некоторая ось, α - плоскость, непараллельная оси l. Через произвольную точку А пространства проведем плоскость α'||α и обозначим точку пересечения плоскости α' c осью l через А₁. Тогда точка А₁ называется проекцией точки А на ось l относительно плоскости α. В частности, если α l, то проекция называется прямоугольной, или ортогональной.

Пусть теперь задан вектор . Возьмем проекции А₁ и В₁ точек А и В на ось l относительно плоскости α.

Тогда вектор называется проекциейвектора на ось l относительно плоскости α. Величиной проекции вектора на ось l относительно плоскости α называется число, равное:

а) | |, если направление вектора совпадает с направлением оси l;

б) - | |, если направление противоположно направлено оси l.

Обычно из контекста ясно о проекции относительно какой плоскости идет речь. Поэтому величину проекции вектора на ось l будем обозначать Пр _l , а для ортогональной проекции использовать обозначение пр _l .

Пусть α - некоторая плоскость и l – прямая, такая, что l не параллельна α. Через произвольную точку А пространства проведем прямую l ₁ || l и обозначим точку пересечения прямой l ₁ с плоскостью α через А₁. Точка А₁ называется проекциейточки А наплоскость α относительнопрямой l.

Если прямая l α, то проекция называется прямоугольной, или ортогональной.

Определение. Углом между двумя векторами, или между осями, или между вектором и осью называется наименьший угол α, на который надо повернуть один из векторов или одну из осей до совпадения по направлению с другим вектором или осью.

Из определения следует, что 0 α π. Угол между векторами или между осями, или между вектором и осью будем обозначать соответственно: (), (), ().

 

Теорема. Проекция вектора на ось обладает следуицики свойствами:

1) ;

2)

3) .

 

1) 2)

Определение. Векторным произведением двух векторов и называется вектор , обозначаемый ´ и удовлетворяющий следующим условиям:

1) | |=| |×| |×sin ( ^, );

2) ^ , ^ ;

3) векторы , , образуют правую тройку векторов.

 

Координаты на прямой.

Прямая l, на которой задана точка 0, называемая началомкоординат, задан единичный вектор , называемый ортом, называется координатнойосью.

Пусть М - произвольная точка прямой. Тогда вектор кол-

 

линеарен вектору и, значит, . Вектор называется радиус-вектором точки М, а число х называется координатойточки М на координатной оси l (обозначается: М(х)) или координатой радиус-вектора (обозначается: =(х)).

Так как - единичный вектор, то каждой точке М на оси l поставлено в соответствие вполне определенное действительное число – ее координата.

Обратно, для каждого действительного числа х найдется единственная точка М оси l, координата которой равна х. Таким образом, положение любой точки координатной оси однозначно определяется заданием координаты этой точки.

 

Координаты на плоскости.

 

Пусть на плоскости α заданы две координатные оси ОХ и OY с

неколлинеарными ортами и cоответственно. Тогда тройка (О, , ) называется афинным репером, или афинной системой координат плоскости α.

Точка 0 называется началом кооpдинат, векторы и — базисными векторами. Если М – произвольная точка на плоскости α, то

Числа х и у называются афинными координатами точки М в системе (0, , ), причем х называется абсциссой, а у – ординатой

(записывается: М(х,у)). Вектор называется радиус-вектором точки М, числа х, у - координатами вектора (записывается: =(х,у)).

Афинная система координат (0, , ) обозначается также OXY. Ось ОХ называется осью абсцисс, ось OY - осью ординат.

Теорема. Пусть = , где

.

Тогда

Следствие 1. Пусть даны точки А (х ₁, y ₁) и В (х ₂, у ₂). Тогда

Следствие 2. Два вектора = (х ₁, у ₁) и = (х ₂, у ₁) коллинеарны тогда и только тогда, когда их соответствующие координаты пропорциональны, то есть

.

Афинная система координат (0, , ), в которой орты и взаимно ортогональны, называется декартовой, или прямоугольной системой координат. В этом случае орты и обозначаются соответственно и .

Координаты в пространстве.

 

Определение. Пусть в пространстве заданы три координатные оси OX, OY и OZ с некомпланарными ортами , , соответственно. Тогда четверка (0, , , ) называется афинным репером, или афинной системой координат в пространстве.

Точка 0 - начало координат, векторы , , - базисные векторы.

Так как векторы , , - линейно независимы, то для

любого вектора имеет место разложение:

= x + y + z

Числа x, y, z называются координатами точки М (записывается: М (х, у, z)), называется радиус-вектором точки М с координатами х, у, z (записывается: = (х, у, z)), причем х называется абсциссой, у - ординатой, z - аппликатой.

Афинную систему часто обозначают через OXYZ. Оси OX, OY, OZ называют соответственно осями абсцисс, ординат и аппликат. Плоскости, определяемые координатными осями, т.е. OXY, OYZ, OXZ, называют координатными плоскостями. Эти плоскости делят все пространство на восемь частей, называемых координатными октантами.

Если упорядоченная тройка векторов , , является правой, то афинную систему называют правой, в противном случае - левой. В дальнейшем под афинной системой будем понимать правую систему. Если базисные векторы , , попарно взаимно ортогональны, то афинная система координат называется декартовой (прямоугольной), а базисные векторы обозначается соответственно .

В частности, если даны точки А (х ₁, у ₁, z ₁), В (х ₂, у ₂, z ₂), то

Векторы = (х₁,у₁,z₁) и = (х₂,у₂,z₂) коллинеарны тогда и только тогда, когда их соответствующие координаты пропорциональны, т.е.

 

Полярные координаты.

Возьмем на плоскости произвольную точку 0, которую назовем полюсом, и ось ОР, задаваемую единичным вектором , которую назовем полярной осью. Тогда положение произвольной точки М плоскости можно определить двумя числами: r -длина отрезка ОМ и φ - угол, который образует отрезок ОМ с осью ОР в положительном направлении, т.е. при движении против часовой стрелки.

Величины r и φ называются полярными координатами точки М, r- полярный радиус, φ- полярный угол. При этом считаем, что полярные координаты точек плоскости изменяются в следующих пределах: . Таким образом, получаем систему координат, которая называется полярной системой координат.

С прямоугольными координатами полярные связаны следующими соотношениями:

х = r cosφ, у = r sinφ.

 

Так как х ² + у ² = r ², то

ПРЯМАЯ НА ПЛОСКОСТИ.

 

Прямая на плоскости

 

Пусть в плоскости α задана афинная система координат (0, , ) и прямая l, принадлежащая этой плоскости α. Составим уравнение прямой l. Заметим, что положение прямой l однозначно определено, если известен вектор, коллинеарный этой прямой и называемый направляющим вектором прямой, и точка, через которую прямая проходит. Очевидно, что в качестве направляющего вектора прямой можно взять любой вектор, коллинеарный данной прямой. Пусть = (m₁,n₁) и =(m₂,n₂) - какие-либо направляющие векторы прямой l. Тогда из необходимого и достаточного условия коллинеарности двух векторов

 

следует, что Если прямая l не параллельна оси OY, то следовательно,

- угловой коэффициент относительно выбранной системы координат.

В частности, для прямоугольной системы координат (0, )

k = tgα, где α – угол между осью ОХ и любым направляющим вектором прямой l. Угол α называется углом наклона прямой l к оси ОХ.

Если прямая l параллельна оси ОY, то l пересекает ось OХ в некоторой точке Р(а,0). Тогда все точки прямой и только они удовлетворяют соотношению

x = a

- уравнение прямой, проходящей через точку параллельно оси ОУ. Заметим, что в качестве направляющего вектора такой прямой можно взять вектор (0,р), где р - произвольное отличное от нуля число. В этом случае, как видим угловой коэффициент прямой не существует.

Пусть прямая l проходит через точку A (а, b) и имеет угловой коэффициент k. Возьмем произвольную точку М (х, у) на прямой l. Тогда =(х - а, у - b) - направляющий вектор прямой l.

Следовательно,

Отсюда

y – b = k (x - а)

-уравнение прямой с угловым коэффициентом k.

Пучок прямых

 

Пучком прямых называется совокупность всех прямых на плоскости, проходящих через некоторую точку, называемую центром пучка.

Для задания уравнения пучка достаточно знать какие-либо две прямые l ₁ и l ₂, проходящие через центр пучка.

Пусть в аффинной системе координат прямые l ₁ и l ₂ заданы уравнениями

l ₁: A₁ x + B₁ y + C₁ = 0,

l ₂: A₂ x + B₂ y + C₂ = 0.

 

Уравнение:

A₁ x + B₁ y + С + λ (A₂ х + В₂ y + C) = 0

- уравнение пучка прямых, определяемого уравнениями l₁ и l₂

 

В дальнейшем, под системой координат будем понимать прямоугольную систему координат.

 

Угол между двумя прямыми

Под углом φ между двумя прямыми l ₁ и l ₂ будем понимать наименьший угол, на который надо повернуть одну прямую, чтобы она стала параллельной другой прямой или совпала с ней, то есть 0 £ φ £

 

Пусть прямые заданы общими уравнениями. Очевидно, что

 

cosφ=

 

Пусть теперь прямые l ₁ и l ₂ задана уравнениями с угловыми коэффициентами k ₁ в k ₂ соответственно. Тогда

Наконец, если и - направляющие вектора прямых, то

 

ПЛОСКОСТЬ

 

Общее уравнение плоскости

Пусть в прямоугольной системе координат OXYZ задана плоскость α, проходящая через точку М₀(х ₀, у ₀, z ₀). Возьмем произвольную точку М(х, у, z) α и обозначим (А,В,C) – нормальный вектор плоскости α.

Очевидно, что , то есть (х - х ₀) + В(у - у ₀) + C(z - z ₀) = 0

Раскроем скобки и обозначим D= -А x ₀ - В у ₀ - C z ₀. Получим

 

A x + B y + С z + D = 0 (*)

 

- уравнение плоскости в общем виде или общее уравнение плоскости.

 

Теорема. Линейное уравнение (*) (A²+B²+C² ≠ 0) является уравнением плоскости и обратно, любое уравнение плоскости является линейным.

 

Пусть

1) D = 0, тогда плоскость проходит через начало координат.

2) А = 0, тогда плоскость параллельна оси ОХ

3) А = 0, В = 0, тогда плоскость параллельна плоскости OXY.

 

Пусть в уравнении все коэффициенты отличны от нуля.

Тогда

- уравнение плоскости в отрезках. Числа |а|, |b|, |с| указывают на величины отрезков, отсекаемых плоскостью на координатных осях.

 

 

Пучок и связка плоскостей

 

Пучком плоскостей называется множество всех плоскостей, проходящих через некоторую прямую, называемую осью пучка.

Пусть в системе координат ОХУZ заданы две пересекающиеся плоскости α₁ и α₂.

 

Тогда уравнение пучка имеет вид

А₁ х + B₁ y + C₁ z + D₁ + λ(A₂ x + B₂ y + C₂ z + D₂) = 0, где λ R.

 

Связкой плоскостей называется множество всех плоскостей, проходящих через некоторую точку, называемую центром связки. Если S₀ (x ₀, y ₀, z ₀) – центр связки, то уравнение связки с центром в точке S₀ имеет вид

А(х - x ₀) + В(у - y ₀) + С(z ­­- z ₀) = 0,

где А, В и С – произвольные действительные числа, одновременно не равные нулю.

 

ПРЯМАЯ В ПРОСТРАНСТВЕ.

КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА

Парабола

 

Определение: Параболой называется геометрическое место точек плоскости, равноудаленных от некоторой точки, называемой фокусом параболы и некоторой прямой, называемой директрисой параболы.

Уравнение параболы принятo записывать в следующем виде:

y² = 2px, p>0 (1)

- каноническое уравнение параболы.

Свойства параболы непосредственно следуют из свойств уравнения:

1.Абсцисса любой точки параболы неотрицательна

2.Парабола проходит через начало координат.

3.Парабола симметрична относительно оси абсцисс.

4.При неограниченном возрастании абсциссы x ордината у возрастает по абсолютной величине.

Точка F(;0) называется фокусом параболы, прямая - директрисой.

Величина р называется фокальным параметром или просто параметром параболы.

 

Эллипс

Определение. Эллипсом называется множество точек плоскости, сумма расстояний от каждой из которых до двух данных точек F₁ и F₂ этой плоскости, называемых фокусами эллипса, есть величина постоянная, равная 2 а (а >0), большая, чем расстояние между фокусами.

Для составления уравнение эллипса выберем прямоугольную декартову систему координат так, чтобы ось ОХ

 

проходила через фокусы F₁ и F₂, а начало координат — точка О находилась в середине отрезка F₁F₂.

Обозначим F₁F₂ = 2с. Тогда F₁(-с,0), F₂(c,0). Пусть М(х,у) – произвольная точка эллипса. Тогда MF₁+ MF₂= 2 а, а >с.

 

Так как , и уравнение принимает вид:

. (2)

Пусть координаты точки М₁(х₁,у₁)удовлетворяют уравнению (2).

Обозначим r₁ = F₁M₁, r₂ = F₂M₂ — фокальные радиусы точек М1 М₂. Тогда , , значит, r₁+r₂=2 a.

Теперь по свойствам уравнения (2) исследуем геометрические свойства эллипса.

1. Оси ОХ и ОУ являются осями симметрии эллипса. Следовательно, эллипс достаточно исследовать только в первой координатной четверти.

2. Эллипс пересекает координатные оси в точках А₁(- а,0), А₂(а,0), В₁(0, b), В₂(0,- b), называемых вершинами эллипса.

3. Эллипс расположен в прямоугольнике, ограниченном прямыми х= а, у = b.

4. Из уравнений следует, что при возрастании х от 0 до а в первой координатной четверти, у убывает от b до 0.

По полученным свойствам строим эллипс Отрезок А₁А₂ и его длина 2 а называются большой осью эллипса, а отрезок B₁B₂ и его длина 2 b называются малой осью эллипса. Отрезок ОА₁ с длиной а и отрезок ОВ₁ с длиной b называются соответственно большой и малой полуосями эллипса. Длина отрезка F₁F₂=2 с называется фокусным расстоянием, начало координат — центр эллипса.

Если а = b, то получаем каноническое уравнение окружности

 

Уравнения х = a cost, у = b sint -

параметрические уравнения эллипса.

 

Определение. Эксцентриситетом эллипса называется число

Так как с< а, то 0< c <1. Заметим, что у окружности оба фокуса

совпадают, поэтому с = 0 и ε = 0.

.

 

Следовательно, эксцентриситет характеризует форму эллипса.

Используя понятия эксцентриситета, можно выразить фокальные радиусы произвольной точки M(x,у) эллипса:

 

r₁= а +εх, r₂= а —εх

Гипербола

Определение. Гиперболой называется множество точек плоскости, абсолютная величина разности расстояний от каждой из которых до двух данных точек F₁ и F₂, называемых фокусами гиперболы, есть величина постоянная, равная 2 а, а >0, меньшая чем расстояние между фокусами.

Выберем декартову прямо-угольную систему координат ОХY так, как показано на рисунке. Тогда F₁F₂=2 с, F₁(— с,0), F₂(c,0).

Для произвольной точки М(х,у), принадлежащей гиперболе, имеем МF₁—MF₂= 2 а, а < с.

 

Обозначим с ²- а ²= b ², тогда каноническое уравнение гипрболы имеет вид:

 

(3)

 

По свойствам уравнения (3) исследуем свойства гиперболы:

 

1. Координатные оси являются осями симметрии гиперболы. Поэтому гиперболу достаточно исследовать только в первой координатной четверти.

2. Если у = 0, то x = а. Если х = 0, то уравнение (3) решений не имеет. Значит, гипербола пересекает только ось ОХ в точках А₁(— а, 0), А₂(а,0), называемых вершинами гиперболы.

3. Так как

,

то |х| а. Поэтому гипербола расположена вне полосы, ограниченной прямыми x= а.

4. Если x возрастает от а до + , то из (1.12) следует, что у возрастает от 0 до + в первой координатной четверти.

5.

- наклонные асимптоты гиперболы.

По полученным свойствам строим гиперболу. Отрезок А₁А₂ и его длина 2 а называются действительной осью гиперболы, а отрезок ОА₁ и его длина а — действительной полуосью. Отрезок В₁В₂ и его длина 2 b — мнимая ось гиперболы, а отрезок ОВ₁ и его длина b — мнимая полуось. Длина отрезка F₁F₂=2 с называется фокусным расстоянием, начало координат — центр гиперболы.

 

x ²— у ²= а ²

 

Определение. Эксцентриситетом гиперболы называется величина

.

 

Так как для гиперболы с > а, и следовательно, чем меньше ε, тем более сжата гипербола к оси ОХ.

 

Линии параболического типа

Пусть КВП задана уравнением вида (1) и является кривой

параболического типа, т.е. I₂=О. Тогда I₁ О. Действительно,

если I₁=а₁₁+a₂₂=О, то I₁²=а₁₁²+а₂₂²+2a₁₁a₂₂=О, т.е.

 

(*)

 

Так как I₂=a₁₁a₂₂—а₁₂²=О, то из (*) следует, что -(a₁₁²/2) -(а₂₂²/2)=а₁₂².. Значит, a₁₁=a₂₂=a₁₂=0 – противоречие с тем, что уравнение (1) — уравнение кривой второго порядка.

Заметим, что если в уравнении (1) а₁₂ О, то путем поворота системы координат 0ХУ можно придти к уравнению вида (14)

 

Так как I₁=а'₁₁+а₂₂ О, I₂=a'₁₁а'₂₂=О, то один из коэффициентов a'₁₁ и а'₂₂ равен нулю, а другой не равен нулю.

Будем считать, что а'₁₁=О, а'₂₂ 0 (случай а'₁₁ О, a'₂₂=0

рассматривается аналогично). Тогда I₁=a'₂₂ и уравнение (14)

можно записать так:

 

(25)

 

Осуществим теперь параллельный перенос:

 

, т.е.

. (26)

Тогда x"=x' и у"=у'+а'₂₃/I₁. Значит, в новой системе координат

О"Х"У" уравнение КВП примет вид:

 

(27)

 

где

 

Теорема. Пусть уравнение (1) — есть уравнение параболического типа. Тогда при I₃ 0 это уравнение параболы, а при I₃=0 — это уравнение либо пары параллельных действительных прямых, либо пары мнимых параллельных прямых.

 

Доказательство. Итак, для уравнения (1)

 

(28)

Так как I₁ О, то при I₃ 0 следует, что а"₁₃ О, а при I₃=0 получаем, что а"₁₃=О. Тогда уравнение (27) можно записать так

при I₃