Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по матем.pdf
Скачиваний:
119
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

БГЭУ 2006

лекции по высшей математике для студентов I курса

 

ст. преподавателя, к. физ.-мат. н. Поддубной О.Н

Уравнения прямой, проходящей через две данные точки

Известно, что через две не совпадающие точки можно провести прямую и притом только одну. Найдем уравнение прямой, проходящей через точки P(x1, y1) и Q(x2 , y2 ) . Используя каноническое уравнение (5.16) и выбирая в

качестве направляющего вектора s вектор PQ ={x2 − x1, y2 − y1},

получаем

уравнение вида:

 

 

 

 

 

x − x1

=

 

y − y1

 

(5.18)

 

 

 

 

x

 

− x

 

y

2

− y

 

2

 

1

 

 

 

1

 

 

Пример 4. Найти уравнение прямой, проходящей через точки А(1, 2) и

В(3, 4).

Решение. Применяя формулу (5.18), получаем:

 

 

y − 2

= (x −1)

 

 

4 − 2

= x

3 −1

 

 

y

− 2

−

1

 

 

 

 

x

− y

+1

= 0

 

 

 

Пример 5. Составить уравнение прямой, проходящей через точку А(-2, -3) и начало координат.

Решение. Подставляя в (5.18) х1=у1=0; x2=-2; y2=-3, имеем:

x − 0

=

y − 0

;

x

=

y

;

3x − 2 y = 0.

 

−3 − 0

 

−3

− 2 − 0

 

− 2

 

 

Уравнения прямой в отрезках

Выведем теперь уравнение прямой, положение которой на плоскости задано ненулевыми отрезками, отсекаемыми ею на осях координат. Предположим, например, что прямая АВ отсекает на оси Ox отрезок OA = a , а на оси Oy –отрезок OB = b (рис.5), причем ясно, что тем самым положение

прямой вполне определено.

Заметим, что эта прямая проходит

через точки A = (a,0) и B = (0,b) ,

поэтому ее уравнение легко получить из уравнения (5.18):

 

x − a

 

=

y −0

, откуда получаем

x

+1 =

y

или окончательно

 

0 − a

 

 

 

 

 

b −0

−a

 

b

 

y

+

x

=1

 

 

 

(5.19)

 

b

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

БГЭУ 2006

лекции по высшей математике для студентов I курса

 

ст. преподавателя, к. физ.-мат. н. Поддубной О.Н

Cледует отметить, что не каждую прямую можно представить уравнением в отрезках, например, прямые, параллельные осям или проходящие через начало координат.

Пример 6. Прямая отсекает на координатных осях равные положительные отрезки. Составить уравнение прямой, если площадь треугольника, образованного этими отрезками равна 8 см2.

Решение. Уравнение прямой имеет вид: ax + by =1. По условию a=b>0 и ab/2=8. Значит, a=4.

Таким образом, искомое уравнение прямой: 4x + 4y =1 или х+у–4=0.

Линейным уравнением относительно переменных x и

y называется

уравнение вида

 

Ax + By +C = 0

(5.20)

Где A, B,C –постоянные, причем A и B не равны нулю одновременно. Утверждение 1. Любая прямая на плоскости может быть задана в

фиксированной декартовой прямоугольной системе координат уравнением первой степени (5.20). Обратно, любое уравнение первой степени относительно декартовых координат является уравнением прямой.

Замечание 1. В теореме 1 существенно то, что под

x

и

y понимаются

декартовы

координаты. Например, как будет показано

ниже,

уравнение

ρ −1 = 0 ,

линейное относительно полярных координат

ρ

и

ϕ ,

выражает

окружность, а не прямую.

Замечание 2. Прямая может быть задана в декартовых прямоугольных координатах и нелинейным уравнением, например, y(x2 +1) = 0 – уравнение оси

Ox .

Уравнение (5.20) называется общим уравнением прямой. Отметим некоторые частные случаи этого уравнения, а именно, к чему приводит равенство нулю некоторых его коэффициентов.

1.C = 0 , т.е. уравнение (5.20) имеет вид:

Ax + By = 0

(5.21)

Прямая проходит через начало координат, т.к. уравнению (5.21) удовлетворяют значения x = 0 и y = 0 . Обратно, пусть прямая (5.20)

проходит через начало координат. Тогда вставляя в уравнение (5.20) значения x = 0 и y = 0 , получим C = 0 . Итак, для того чтобы прямая (5.20)

проходила через начало координат, необходимо и достаточно, чтобы свободный член C уравнения (5.20) был равен нулю.

2.B = 0, C ≠ 0 , т.е. уравнение (5.20) имеет вид

Ax +C = 0

(5.22)

Это уравнение прямой, параллельной оси

Oy . Справедливо и обратное:

любая такая прямая задается уравнением вида (5.22) 3. B = 0, C = 0 , т.е. уравнение (5.20) имеет вид

50

БГЭУ 2006

лекции по высшей математике для студентов I курса

 

ст. преподавателя, к. физ.-мат. н. Поддубной О.Н

x = 0 и задается ось Oy

Аналогично истолковываются случаи

4.A = 0, C ≠ 0

5.A = 0, C = 0

Геометрический смысл коэффициентов А и В: в декартовой прямоугольной системе координат вектор n с компонентами (А, В) перпендикулярен прямой, заданной уравнением Ах+Ву+С=0.

Пример 7. Найти уравнение прямой, проходящей через точку А(1, 2) перпендикулярно вектору nG(3, -1).

Решение. Составим при А=3 и В=-1 уравнение прямой: 3х–у+С = 0. Для нахождения коэффициента С подставим в полученное выражение координаты заданной точки А.Получаем: 3–2+C=0, следовательно С=-1.

Искомое уравнение: 3х–у–1=0.

Пример 8. Дано общее уравнение прямой 12х–5у–65=0. Требуется написать различные типы уравнений этой прямой.

Решение. 1265 х− 655 у =1

уравнение этой прямой в отрезках: (65/12)х + (−13)y =1 уравнение этой прямой с угловым коэффициентом: (делим на 5) y = 125 x − 655 = 125 x −13.

Совместное исследование уравнений двух прямых

Рассмотрим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными x и y :

A x + B y +C = 0

(5.23)

1

1

1

A2 x + B2 y +C2 = 0

 

Каждое уравнение системы (5.23) определяет некоторую прямую. Вопрос о существовании и количестве вещественных решений системы (5.23) равносилен вопросу о существовании и количестве общих точек у прямых (5.23). Возможны три случая:

1.Прямые (5.23) пересекаются, т.е. имеют единственную общую точку– система (5.23) имеет единственное решение.

2.Прямые (5.23) совпадают, т.е. оба уравнения системы определяют одну и ту же прямую–система (5.23) имеет бесконечное множество решений.

3.Прямые (5.23) параллельны–система (5.23) не имеет решений. Утверждение 2. Необходимыми и достаточными условиями того, чтобы

имел место один из трех указанных случаев, являются соответственно следующие условия:

1. не существует такого вещественного числа l , что

A1 = lA2 , B1 = lB2 или A1 ≠ B1

A2 B2

51

БГЭУ 2006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лекции по высшей математике для студентов I курса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ст. преподавателя, к. физ.-мат. н. Поддубной О.Н

2.

существует такое вещественное число l , что

A = lA ,

B = lB , C = lC

2

или

A1

=

 

B1

 

= C1

 

 

 

1

2

1

 

 

 

2

1

 

 

A2

 

 

 

B2

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

не существует такое вещественное число l , что

A = lA ,

B = lB , C ≠ lC

или

A1

 

=

B1

 

≠ C1 .

 

 

 

 

1

2

1

 

 

 

2

1

 

2

 

A2

 

 

 

B2

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расстояние от точки до прямой

Расстояние от точки P(x1, y1) до прямой (5.20) находится по формуле:

d =

 

 

Ax1 + By1 +C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.24)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расстояние

Расстояние между двумя точками плоскости

 

между любыми двумя точками P(x1, y1) и Q(x2 , y2 ) плоскости:

ρ(P,Q) =

 

PQ

 

=

 

(x − x )2

+ (y

2

− y )2

(5.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Деление отрезка в данном отношении

Если заданы две точки на плоскости P(x1, y1) и Q(x2 , y2 ) и точка M(x,y) ,

делящая отрезок PQ в соотношении λ/µ, считая от P , то координаты этой

точки определяются как:

 

 

 

x =

µx1 + λx2 ; y =

µy1 + λy2 .

(5.26)

 

 

µ + λ

µ + λ

 

В частном случае координаты середины отрезка находятся как:

 

x =

x1 + x2

; y =

y1 + y2

.

 

(5.27)

 

 

 

2

2

 

 

 

Пример 9. Найти геометрическое место точек, равноудаленных от двух данных точек.

Решение. Через выбранные точки

B и C проведем ось Ox . Тогда

B(x1,0) и

C(x2 ,0) . Пусть точка A(x, y)

 

принадлежит искомому геометрическому месту

точек. По формуле (5.25) получаем:

 

 

 

AB

 

 

 

= (x − x )2

+(y − 0)2 = (x − x )2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

AC

 

= (x − x )2

+(y −0)2 =

(x − x

)2 + y2 ,

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Т.к. по условию

 

 

AB

 

=

 

AC

 

, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x − x )2

+ y2 = (x − x

 

)2 + y2 .

(A)

1

2

 

 

 

Это и есть уравнение искомого геометрического места точек. Упростим его, возведя обе части последнего равенства в квадрат:

(x − x1 )2 + y2 = (x − x2 )2 + y2

−2xx + x2

= −2xx

+ x2

или 2x(x

− x ) = x2

− x2

1

1

2

2

2

1

2

1

Сокращая на x2 − x1 ≠ 0 , имеем

52

БГЭУ 2006

 

лекции по высшей математике для студентов I курса

 

x1 + x2

 

 

ст. преподавателя, к. физ.-мат. н. Поддубной О.Н

x =

.

 

 

 

(B)

 

 

 

 

2

 

 

перпендикулярной оси Ox и проходящей через

Это уравнение прямой,

середину отрезка

BC . Окончательно имеем,

что искомым

геометрическим

местом является

прямая,

перпендикулярная

к отрезку BC ,

соединяющему

данные точки B и C , и проходящая через его середину.

Замечание. При решении задачи нам пришлось упростить уравнение (А), возведя обе его части в квадрат, в результате получили уравнение (В). Из алгебры известно, что возведение обеих частей уравнения в квадрат может привести к уравнению, которое не равносильно (не эквивалентно) исходному. Это значит, что уравнение, полученное при возведении в квадрат обеих частей исходного уравнения, может иметь решения, не удовлетворяющие исходному уравнению, т.е. иметь так называемые «посторонние» корни. Поэтому всегда в тех случаях, когда обе части уравнения приходится возводить в квадрат, следует ставить вопрос об эквивалентности полученного и исходного уравнений.

В интересующем нас случае вопрос ставится так: не содержит ли линия (В) точек, которых нет на линии (А), т.е. таких, координаты которых не удовлетворяют уравнению (А) и таким образом не удовлетворяют исходному

условию

 

AB

 

=

 

AC

 

. Произведя в обратном порядке операции,

с помощью

 

 

 

 

которых было получено уравнение (В), мы придем к уравнению

 

AB2 = AC2 или AB2 − AC2 = 0 или (

 

AB

 

−

 

AC

 

)(

 

AB

 

+

 

AC

 

) = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда видно, что AB − AC = 0

или AB + AC = 0 . В силу того, что AB > 0 и

AC > 0 ,

справедливо только

равенство AB − AC = 0 , что

равносильно

уравнению (В).

Поскольку из уравнения (А) получается уравнение (В) и обратно–из уравнения (В) следует уравнение (А), то эти уравнения равносильны (эквивалентны). Таким образом, поставленный нами вопрос решен: линия (В) не содержит таких точек, которых нет на линии (А).

53