5. Кривые второго порядка на плоскости.

Алгебраическим уравнением второго порядка называется уравнение вида:

где хотя бы один из коэффициентов А,B,C отличен от нуля. Линии, задаваемые такими уравнениями, будем называть кривыми второго порядка. Рассмотрим некоторые из них.

5.1. Окружность.

Под окружностью понимают геометрическое место точек, равноудаленных от некоторой фиксированной точки, называемой центром окружности. Пусть дана точкаи некоторое числоR >0). Тогда уравнение окружности с центром в точке и радиусомR имеет вид:

. (5.1.1)

Если центр окружности находится в точке О(0,0), то уравнение (5.1.1) будет иметь вид:

. (5.1.2)

Пример. Установить вид кривых второго порядка, заданных уравнениями:

a)

б)

в)

Решение:

а) Перепишем данное уравнение, выделяя полный квадрат:

Данное уравнение определяет окружность с центром в точке (-3,2) и радиусом 4.

б) Преобразуем данное уравнение, также выделяя полный квадрат:

Полученное равенство возможно лишь при x=-2, y=1. Данное уравнение определяет только одну точку с координатами x=-2, y=1. M(-2,1).

в) Преобразуем данное уравнение аналогично:

Это уравнение не имеет решения. Следовательно, не существует точек, удовлетворяющих данному уравнению.

5.2. Эллипс.

Эллипсом называется геометрическое место точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух данных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная.

Обозначим фокусы расстояние между нимиПусть

С помощью алгебраических преобразований можно получить следующее уравнение рассмотренного эллипса:

(5.2.1)

где (см.рис.30).

Уравнение (5.2.1) называется каноническим уравнением эллипса. Точка О(0,0) является центром эллипса. Величины a и b (где а>0 и b>0) называются полуосями эллипса (отрезки 2а и 2b являются, соответственно, осями эллипса). Центр эллипса может находиться в произвольной точке . Уравнение эллипса с центром в точкеи осями, параллельными координатным осям, имеет вид:

(5.2.2)

Пример. Показать, что уравнение определяет эллипс. Сделать чертеж.

Решение: Преобразуем данное уравнение, выделяя полный квадрат:

Разделим обе части полученного уравнения на 36:

Получили уравнение эллипса вида (5.2.2) с центром в точке и

а = 3, b = 2.

Для построения эллипса отметим в плоскостиOxy точку и проведем через эту точку прямые, параллельные осямox и oy. Отметим на горизонтальной прямой точки отстоящие отна 3 единицы; на вертикальной прямой – точкиотстоящие отна 2 единицы. Точкисоединим плавной линией. Эллипс построен.

5.3. Гипербола.

Гиперболой называется геометрическое место точек плоскости, разность расстояний от которых до двух данных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная.

Обозначим фокусы расстояние между нимиПусть

Тогда канонические уравнения гиперболы имеют вид:

(5.3.1)

или (5.3.2)

где (см. рис.32 и 33).

Гиперболы, изображенные на рисунках 32 и 33, имеют центр симметрии точку О(0,0) и две оси симметрии ox и oy. Величины a и b (где a>0 и b>0) называются полуосями гиперболы. При этом та ось симметрии, которую пересекает гипербола, называется действительной осью, а другая ось симметрии – мнимой. Если центр гиперболы находится в точке а оси параллельны координатным осям, то уравнение гиперболы имеет вид:

(5.3.3)

(5.3.4)

Пример. Показать, что уравнение определяет гиперболу. Сделать рисунок.

Решение: Преобразуем данное уравнение, выделяя полный квадрат.

Разделим обе части полученного уравнения на 36.

Получили уравнение гиперболы вида (5.3.3) с центром в точке (-1,1) и а = 2,b=3.

Для построения гиперболы отметим в плоскости Oxy точку (-1,1) и проведем через эту точку прямые, параллельные ox и oy. Отметим на горизонтальной прямой

точкиотстоящие отна 2 единицы; на вертикальной прямой – точкиотстоящие отна 3 единицы. Построим прямоугольник, проходящий через указанные точки со сторонами, параллельными координатным осям. Проведем в этом прямоугольнике две диагонали. Искомая гипербола проходит через точкиасимптотически приближаясь к диагоналям прямоугольника.

5.4. Парабола.

Параболу можно определить как геометрическое место точек плоскости, равноудаленных от данной прямой, называемой директрисой, и данной точки, называемой фокусом.

Пусть фокус F имеет координаты уравнение директрисы

| MK | = | MF | . Каноническое уравнение параболы имеет вид:

(5.4.1)

(Парабола изображена на рисунке 35).

Если фокус имеет координаты (Рис.36), а уравнение директрисыто каноническое уравнение параболы имеет вид:

(5.4.2)

Точка О(0,0) является вершиной параболы. Если вершина параболы находится в точкето уравнение параболы имеет вид:

(5.4.3)

или (5.4.4)

Пример. Показать, что уравнение

4x - 2y – 11 = 0 определяет параболу. Сделать чертеж.

Решение: Преобразуем данное уравнение, выделяя полный квадрат:

- 2y +1 – 1 – 4x – 11 = 0 ,

Получили уравнение параболы вида (5.4.4) с вершиной (-3, 1);Построим директрису. Для этого проведем прямую, параллельную осиoy и отстоящую от вершины на Ее уравнениеx = - 4. Фокус параболы имеет координаты F(-2, 1). | MK| = | MF| (Рис.37).