Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Математика. Часть 1

.pdf
Скачиваний:
23
Добавлен:
22.02.2016
Размер:
1.03 Mб
Скачать

КОНТРОЛЬНЫЙ ТЕСТ ПО МОДУЛЮ №1

10. Определитель

 

1

2

равен:

 

 

 

4

3

 

 

а) – 11;

б) 12;

 

в) – 4;

г) 11.

20. Если т = (3, 5, 6), то проекция этого вектора на ось Oz равна

а) 3;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) 5;

 

 

 

 

 

 

в) 6;

 

 

 

 

 

 

 

г) 14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

r

 

r

 

 

равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30. Длина вектора a

= 2i

j + 2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) 7 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) 9;

 

 

 

 

 

 

в) 3;

 

 

 

 

 

 

 

 

г) 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Если

 

x1

 

=

 

y1

=

z1

 

для

 

a = (x ,

y , z

1

) и b = (x

2

,

y

2

, z

2

), тоa и b

 

 

x2

 

 

 

y2

 

z2

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)ортогональны; б)компланарны;

 

 

в)коллинеарны;

 

 

г)равны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Если для ненулевых векторов m n = 0 , то векторы m, n

 

 

 

 

 

 

а)равны;

 

 

 

 

б)ортогональны;

 

в)коллинеарны;

 

 

 

г)компланарны.

6. Площадь треугольника, построенного на

a и b находится по

формуле:

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

1

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

1 r

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

1

 

r

r

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

r

 

 

а) S =

 

a

×b; б) S

=

 

 

a

+

b

; в) S =

 

 

a

×b

;

 

 

г) S =

 

 

a

 

b

.

2

2

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7*. Проекция вектора a(x1 , y1 , z1 )на направление вектора

 

 

 

 

 

 

b(x2 , y2 , z2 ) находится по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

ar b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

x1 x2 +

y1 y2 + z1

 

z2

 

 

 

 

 

 

а) прra

=

 

 

 

r

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

прra

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

x12 + y12 + z12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) прrar

 

=

×r

b

;

 

 

 

 

г) прrar

= x1 x2 + y1 y2 + z1 z2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

x22 + y22 + z22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8*. Если A(1, 0, 3), B(5, 2,1), то координаты середины отрезка

AB равны

 

 

 

 

 

 

 

б) (6; 2; 2);

 

в) (2,5; 0; 1,5);

 

 

 

 

 

 

 

(3;1; 1).

а) (2;1; 2);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

 

9*. Скалярное произведение векторов ar = 2i

j

 

и b = rj k

 

 

 

 

равно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) числу 5;

 

 

 

 

 

б) вектору c (2;1;-1);

 

 

в) числу –1;

 

 

 

 

г) числу 1.

Модуль 2. АНАЛИТИЧЕКАЯ ГЕОМЕТРИЯ § 1. Плоскость и ее основные уравнения

Рассмотрим плоскость P в прямоугольной декартовой системе координат. Положение плоскости вполне определяется точкой

M 0 (x0 , y0 , z0 ) P и вектором нормали nr = (A, B,C) P (nr 0) (рис. 2.1).

z

n = (A, B,C)

M0

M1 P

0

y

хРис. 2.1

Возьмем любую точку M (x, y, z) P и построим вектор

M 0 M = (x x0 , y y0 , z z0 ) . Так как nr M 0 M , то

скалярное

произведение nr M 0 M = 0, или

 

A(x x0 ) + B( y y0 ) + C(z z0 ) = 0.

(2.1)

Получили уравнение плоскости, заданной точкой M 0 (x0 , y0 , z0 ) и вектором нормали n = (A, B,C) .

Если

в

уравнении (2.1)

раскрыть скобки

и обозначить

D = −Ax0

By0

Cz0 , то получим общее уравнение плоскости:

 

 

Ax + By + Cz + D = 0

(A2 + B2 + C 2

> 0) .

(2.2)

Теорема. Всякое уравнение вида (2.2) определяет некоторую плоскость в пространстве.

Если в уравнении (2.2) какой-либо из коэффициентов A, B,C равен нулю, то плоскость расположена параллельно той оси, координата

которой отсутствует в уравнении.

Например, при A = 0

плоскость

By + Cz + D = 0 параллельна

оси

Ox ; при A = B = 0

плоскость

C z + D = 0 параллельна осям

Ox и Oy , т.е. плоскости

xOy и т.д.

(табл. №1).

 

 

 

21

22

Частные случаи расположения плоскости, определяемой общим уравнением

Ax + By + Cz + D = 0 :

 

 

Таблица №1

1. Плоскость параллельна оси Ох.

2. Плоскость параллельна оси Оy.

 

Z

Z

 

 

 

 

Х

Y

Y

 

 

Х

 

А=0

B=0

Общее уравнение будет иметь вид:

Общее уравнение будет иметь вид:

By + Cz + D = 0

Ax + Cz + D = 0

 

 

 

 

3. Плоскость параллельна оси Оz.

4. Плоскость перпендикулярна оси

 

 

Оz (параллельна плоскости xOy)

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

Y

 

 

 

 

Y

 

Х

 

Х

 

C=0

А=В=0

Общее уравнение будет иметь вид:

Общее уравнение будет иметь вид:

 

Ax + By + D = 0

Cz + D = 0

 

 

 

 

 

5. Плоскость перпендикулярна оси

6. Плоскость перпендикулярна оси

Оy (параллельна плоскости xOz).

Оx (параллельна плоскости yOz).

Z

Z

 

Y

Х

Y

Х

 

 

А=С=0

 

С=В=0

Общее уравнение будет иметь вид:

Общее уравнение будет иметь вид:

By + D = 0

 

Ax + D = 0

7. Плоскость проходит через ось Ох

8. Плоскость проходит через ось Оy

Z

 

Z

 

 

Y

Y

 

 

Х

 

Х

 

B=D=0

А=D=0

 

Общее уравнение будет иметь вид:

Общее уравнение будет иметь вид:

By + Cz = 0

 

Ax + Cz = 0

 

 

9. Плоскость проходит через ось Оz

10. Плоскость проходит через

Z

начало координат

 

 

 

 

Z

Y

 

 

Х

 

Y

 

 

C=D=0

D=0

Х

Общее уравнение будет иметь

Общее уравнение будет иметь вид:

вид: Ax + By = 0

 

Ax + By + Cz = 0

23

24

Пусть в уравнении (2.2) ни один из коэффициентов A,B,C,D не равен 0. Перепишем уравнение (2.2) в виде Ax + By + Cz = −D , разделим обе части этого равенства на D и обозначим

DA = a, DB = b, CD = c .Получим уравнение плоскости в отрезках:

x

+

y

+

z

=1,

(2.3)

a

b

c

 

 

 

 

где a,b, c – это величины направленных отрезков, отсекаемых плоскостью на осях координат (рис. 2.2).

Если три точки M1 (x1 , y1 , z1 ) , M 2 (x2 , y2 , z2 ) , M 3 (x3 , y3 , z3 ) не лежат на одной прямой, то через эти точки проходит единственная плоскость (рис. 2.3). Уравнение плоскости, проходящей через три точки, имеет вид:

x x1 x2 x1 x3 x1

z

y y1 y2 y1 y3 y1

z z1

z2 z1 = 0. (2.4) z3 z1

z

MM1

 

 

 

M3

 

 

c

 

 

M2

0

b

y

0

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

x

 

 

x

Рис. 2.2

 

Рис. 2.3

Пусть даны

две

плоскости P1 : A1 x + B1 y + C1 z + D1 = 0 и

P2 : A2 x + B2 y + C2 z + D2

= 0 . Угол ϕ

между двумя плоскостями

равен углу между их векторами нормали:

cosϕ= n1 n2 =

 

A1A2 +B1B2 +C1C2

.

 

n

n

A2

+B2

+C2

A2

+B2

+C2

 

1

2

1

1

1

2

2

2

При этом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1 P2

 

 

A1 A2 + B1B2

+ C1C2 = 0 (условиеперпендиулярности

 

 

 

 

A1

 

 

B1

 

 

C1

 

 

 

 

плоскостей),

P || P

 

 

 

=

=

(условие параллельности плоскостей).

 

 

 

 

 

1

2

 

 

A2

 

B2

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расстояние

d

от

точки M1 (x1 , y1 , z1 )

до плоскости

Ax + By + Cz + D = 0 определяется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d =

| Ax1 + By1 + Cz1 + D |

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B 2 + C 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.1. Даны две точки

M1 (2, 0,1)

и

M 2 (1, 4, 2) . Записать

уравнение

плоскости,

 

 

проходящей

через

точку

M1

перпендикулярно вектору M1M 2 .

 

 

 

 

Решение. Поскольку искомая плоскость перпендикулярна

M1M 2 ,

то

в

качестве

 

вектора

нормали

n

возьмем

вектор

M1M 2 = (3, 4,1) (рис.2.4).

М2

n

М1

Рис. 2.4

Подставив теперь в уравнение A(x x0 ) + B( y y0 ) + C(z z0 ) = 0

A = 3,

B = 4, C =1

, а также

координаты точки

M1 :

x0 = −2,

y0 = 0, z0

=1, получим уравнение

 

3(x + 2) + 4( y

0) +1(z 1) = 0

или 3x + 4y + z + 5 = 0

 

– это и есть искомое общее уравнение плоскости.

Пример 2.2. Найти величины отрезков, которые отсекает плоскость 2x 3y + 4z 12 = 0 на осях координат.

Решение. Преобразуем уравнение плоскости:

2x 3y + 4z =12 ,

2x

3y

+

4z

=1 ,

x

y

+

z

=1.

12

12

12

6

4

 

 

 

 

 

 

3

 

Получили уравнение плоскости в отрезках (см. 2.3). Следовательно, данная плоскость отсекает на осях координат отрез-

ки a = 6, b = −4, c = 3.

25

26

Пример 2.3. Записать уравнение плоскости, проходящей через точки A(1, 2, 3), B (1, 6,1), C(4, 8, 9).

Решение. Подставляя в уравнение (2.4) координаты точек A, B,C ,

получим уравнение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

y 2 z + 3

 

 

 

x 1 y 2 z + 3

 

 

 

 

 

 

 

1 1

6 2

1 + 3

 

= 0 или

 

2

4

4

 

= 0 .

 

4 1

8 2

9 + 3

 

 

 

3

6

6

 

 

Разложив определитель по элементам первой строки, получим искомое уравнение плоскости:

(x 1)

 

4

4

 

(y 2)

 

2 4

 

+ (z + 3)

 

2

4

 

= 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

3

6

 

 

 

3

6

 

 

48(x 1)

 

0

(y

 

2)24(z

 

+ 3)= 0,

 

или 2(

 

x 1)+

 

(z + 3)= 0,

 

 

 

2x 2 + z 3 = 0,

2x + z 5 = 0.

 

 

 

§ 2. Прямая в пространстве и ее основные уравнения

Рассмотрим прямую l в прямоугольной декартовой системе координат. Положение прямой в пространстве вполне определяется точкой M 0 (x0 , y0 , z0 ) l и направляющим вектором

s = (m, n, p) || l (sr 0) (рис. 2.5).

z

s = (m, n, p)

M0

M l

0

y

x

Рис. 2.5

Возьмем любую точку M (x, y, z) l и построим вектор M 0 M || sr , из условия коллинеарности этих векторов получим

канонические уравнения прямой в пространстве:

 

 

x x0

=

y y0

=

z z 0

.

(2.5)

 

m

n

 

 

 

 

p

 

Обозначим в (2.5) коэффициент пропорциональности через t и выразим через t переменные x, y, z . Приходим к параметрическим

уравнениям прямой в пространстве:

x = x0

+ mt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ nt,

 

 

 

t

– параметр.

(2.6)

y = y0

 

 

 

 

 

 

+ pt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение прямой, проходящей через две точки M1 (x1 , y1 , z1 )

и

M 2 (x2 , y2 , z2 ) , имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x1

=

 

y y1

=

 

z z1

.

(2.7)

 

 

 

 

 

 

x

2

x

y

2

y

 

 

z

2

z

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим две

плоскости

P1 :

 

A1 x + B1 y + C1 z + D1

= 0

и

P2 : A2 x + B2 y + C2 z + D2 = 0 . Если эти плоскости не параллельны, то они пересекаются по прямой, задаваемой системой уравнений:

 

 

A x

+ B y + C z +

D

= 0,

 

 

(2.8)

 

 

 

1

1

1

1

 

 

 

 

 

A2 x + B2 y + C2 z + D2 = 0.

 

Система

(2.8)

называется

общими

уравнениями прямой в

пространстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Направляющий вектор s

прямой (2.8) можно найти по формуле

 

 

 

sr = nr1 × nr2 =

 

ir

rj

kr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

B1

C1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

B2

C2

 

 

 

Угол ϕ между двумя прямыми l1

и l2

 

равен углу между их

направляющими векторами s1

= (m1 , n1 , p1 ) и s2 = (m2 , n2 , p2 ) :

 

 

 

s1 s2

 

 

m1m2 +n1n2 + p1 p2

 

 

cosϕ=

| sr1 || sr2 | =

m12 +n12 + p12

m22 +n22 + p22 .

 

При этом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l1 l2

 

m1m2

+ n1n2 + p1 p2 = 0

(условие перпендиулярности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямых),

27

28

l || l

2

 

 

m1

=

n1

=

p1

(условие параллельности прямых).

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

m2

 

 

n2

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Угол ψ между прямой

 

x x0

=

y y0

=

z z 0

и плоскостью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

n

 

p

Ax + By + Cz + D = 0 определяется по формуле

 

 

sin ψ =

 

 

 

 

 

 

| Am + Bn + Cp |

 

 

 

 

A2 + B2 + C 2

m2 + n2 + p2 .

При этом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l || P

Am + Bn + Cp = 0

(условие параллельности прямой и

 

 

 

A

 

 

B

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоскости),

l P

 

 

=

 

=

 

(условие перпендиулярности прямой и

 

 

 

n

p

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоскости). Пример 2.4. Составить канонические и параметрические уравнения

прямой, проходящей через точки M1 (3, 2, 1) и M 2 (4, 2,1) .

 

Решение. Подставляем в формулу (2.7) координаты точек

M1 и

M 2 :

 

 

 

 

 

 

x 3

=

 

y 2

=

 

z +1

 

 

 

 

 

 

 

 

4 3

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +1

 

 

или

 

x 3

=

y 2

=

z +1

 

– канонические уравнения прямой (нуль в

1

 

 

 

0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

знаменателе означает, что направляющий вектор s = (1, 0, 2)

пер-

пендикулярен оси Oy , т.е. прямая перпендикулярна оси Oy ).

 

 

Запишем параметрические уравнения прямой:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 3

 

=

y 2

 

=

z +1

= t

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 3 = t,

y 2 = 0, z +1 = 2t,

 

 

 

 

 

 

 

x = 3 + t, y = 2, z = −1 + 2t .

 

Пример 2.5. Проверить, являются ли прямая x 33 = y 22 = z+11 и

плоскость 6x + 4y 2z + 5 = 0 а) параллельными; б) перпендикуляр-

ными. r Решение. Запишем координаты направляющего вектора s прямой

и вектора нормали n плоскости: s = (3; 2; 1), n = (6, 4, 2 ).

а) прямая параллельна плоскости, если s n s n = 0 . s n = 3 6 + 2 4 + (1) (2)=18 +8 + 2 = 28 0.

Следовательно, прямая и плоскость не параллельны.

 

б) прямая перпендикулярна плоскости, если s || n ,

то есть коорди-

наты векторов пропорциональны.

 

Так как

6

=

4

=

2

= 2 , то прямая и плоскость перпендикулярны.

3

2

 

 

 

 

1

 

§ 3. Прямая на плоскости и ее основные уравнения

Уравнение прямой с угловым коэффициентом k

имеет вид

 

 

 

 

 

y = kx + b или y y0 = k(x x0 ) ,

 

где k = tgα – угловой коэффициент прямой,

b

отсекаемого этой прямой на оси Oy ,

(x0 , y0 )

прямой (рис. 2.6).

 

 

 

 

 

y

 

y

 

 

y

l

 

 

n = (A, B)

 

M0(x0, y0)

 

M0(x0, y0)

 

b

 

 

 

α

x

 

l

x

 

0

0

0

Рис. 2.6

 

 

Рис. 2.7

 

 

величина отрезка,

точка, лежащая на

s = (m, n)

M0(x0, y0)

l x

Рис. 2.8

Кроме того, прямую l на плоскости можно задать вектором нормали n = (A, B) l и точкой M 0 (x0 , y0 ) l (рис. 2.7). Получим 3 уравнения, аналогичные уравнениям (2.1) – (2.3) для плоскости:

29

30

A(x x0 ) + B( y y0 ) = 0 – уравнение прямой, заданной точкой и вектором нормали;

Ax + By + C = 0 – общее уравнение прямой;

ax + by =1 – уравнение прямой в отрезках.

Прямая l на плоскости также определяется направляющим вектором s = (m, n) || l и точкой M 0 (x0 , y0 ) l (рис. 2.8). Получим еще 3 уравнения, аналогичные уравнениям (2.5) – (2.7) прямой в пространстве:

x mx0 = y ny0 каноническое уравнение прямой;

x = x0

+ mt,

параметрические уравнения прямой;

 

 

 

+ nt

y = y0

 

 

x x1

=

y y1

уравнение прямой, проходящей

 

 

x

2

x

 

y

2

y

 

 

1

 

 

1

 

через две точки M1 (x1 , y1 ) и M 2 (x2 , y2 ) .

Угол ϕ

между

двумя

 

прямыми,

заданными

уравнениями:

l1: y = k1 x + b1

 

и

 

l2:

y = k2 x + b2

можно найти по формуле

 

 

 

 

 

tgϕ =

 

 

k2 k1

 

;

 

 

 

 

при этом

 

 

 

 

1

+ k1 k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

l

l

2

 

k k

2

= −1, т.е. k

1

= −

(условие

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l1 || l2

 

k1 = k2

 

 

 

 

 

 

перпендиулярности прямых),

(условие параллельности прямых).

Расстояние d

от точки M1 (x1 , y1 )

 

до прямой

Ax + By + C = 0

вычисляется по формуле

 

 

 

| Ax1 + By1

+ C |

 

 

 

 

 

 

 

 

d =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + B2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.6. Записать уравнения прямых, проходящих через точку M(– 2, 1) параллельно и перпендикулярно прямой 3x 4y +12 = 0 .

Решение. Перепишем общее уравнение

прямой 3x 4y +12 = 0

(l) , выразив из него переменную y :

l :

y =

3

x +

3 .

4

 

 

y

 

 

 

 

 

l2

 

 

 

 

 

 

 

 

l

l1

 

 

 

 

 

 

M

1

 

 

х

 

 

 

-4

–2

0

 

 

 

 

 

Рис. 2.9

Получили уравнение прямой с угловым коэффициентом k = 34 . За-

пишем уравнение прямой l1 || l и проходящей через точку M(– 2, 1). Поскольку для параллельных прямых угловые коэффициенты

равны, т.е. k1 = k = 34 , то

l1 : y 1 = 34 (x + 2) или

4y 4 = 3x + 6,

3x 4y +10 = 0.

Составим уравнение прямой l2 l , проходящей через точку M(– 2,1). Так как угловые коэффициенты перпендикулярных

прямых связаны соотношением k2 = − 1k = − 43 , то

l2 : y 1 = −

4

(x + 2) или

3

 

 

3y 3 = −4x 8,

 

4x + 3y + 5 = 0.

Прямые l, l1 , l2 изображены на рис. 2.9.

31

32

§ 4. Кривые второго порядка

Кривой второго порядка называется линия, уравнение которой в декартовой системе координат имеет вид

Ax2 + 2Bxy + Cy 2 + 2Dx + 2Ey + F = 0,

(2.9)

где коэффициенты А, В, С одновременно не обращаются в нуль. При А = В = С = 0 уравнение (2.9) задает прямую, которая назы-

вается линией первого порядка.

К числу линий второго порядка относятся окружность, эллипс, гипербола и парабола.

1. Окружностью называется множество точек плоскости, равноудаленных от данной точки (центра).

Если центр окружности поместить в начало координат, то ка-

ноническое уравнение окружности радиусом R имеет вид

x2 + y2 = R2 .

Если центр окружности находится в точке C(x0 , y0 ) , то ее уравнение записывается в виде

(x x0 )2 + ( y y0 )2 = R2 .

Эта окружность изображена на рис. 2.10.

2. Пусть на плоскости заданы две точки F1 и F2 , расстояние между которыми равно 2с, и задано число a > c.

Эллипсом называется множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух данных точек F1 и F2 (фокусов) есть

величина постоянная, равная 2а.

Если систему координат выбрать так, как указано на рис.2.11,

то каноническое уравнение эллипса запишется в виде

x2

+

y 2

=1,

a 2

b2

 

 

где b2 = a2 c2 , а – большая, b – малая полуоси эллипса (при a>b).

Фокусы эллипса расположены в точках F1 (с,0) и F2 (c,0) . Окружность есть частный случай эллипса при a = b.

3. Пусть на плоскости заданы две точки F1 и F2 , расстояние между которыми равно , и задано число a < c.

Гиперболой называется множество точек плоскости, модуль разности расстояний от которых до двух данных точек F1 и F2

(фокусов) есть величина постоянная, равная .

Если систему координат выбрать так, как указано на рис. 2.12,

то каноническое уравнение гиперболы запишется в виде

x2

y 2

=1,

a2

b2

 

 

где b2 = c2 a2 , а – действительная, b – мнимая полуоси гипербо-

лы.

Гипербола состоит из двух ветвей и расположена симметрично относительно координатных осей. При этом ее ветви при удалении в

бесконечность как угодно близко подходят к прямым y = ± ba x, ко-

торые называются асимптотами гиперболы.

При построении гиперболы вначале строят основной прямоугольник со сторонами x = ±a, y = ±b . Затем через противополож-

ные вершины этого прямоугольника проводят прямые, которые являются асимптотами гиперболы. Вершины гиперболы расположены в точках с координатами (–а,0) и (а,0), а фокусы – в точках F1 (с,0)

иF2 (c,0) (рис. 2.12).

Уравнение

x2

y 2

= −1 (или

 

x2

+

 

y 2

=1 ) также задает ги-

a2

b2

 

a2

 

b2

 

 

 

 

 

 

 

перболу, сопряженную с гиперболой

x2

 

y 2

 

=1. Действительная и

a2

b2

 

 

 

 

 

 

 

мнимая полуоси этой гиперболы соответственно равны b и а.

4. Пусть на плоскости задана точка F и прямая D, расстояние между которыми равно р.

Параболой называется множество точек плоскости, равноудаленных от данной точки F (фокуса) и данной прямой D (директрисы).

33

34

 

 

 

 

Кривые второго порядка

 

Таблица №2

 

Окружность

 

 

 

Эллипс

 

(x x0 )2 + ( y y0 )2 = R2

 

 

 

x2

y 2

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

a 2

+ b2

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

R

 

 

x

 

b

F1

 

F2

x

 

 

 

 

 

c

O

c

C(x0, y0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

R - радиус окружности,

 

a - большая полуось,

 

 

b - малая полуось,

 

C(x0 , y0 )

- центр окружности.

 

F1 (c,0), F2 (c,0)

- фокусы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.10

 

 

c2

= a2 b2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.11

 

 

Гипербола

 

 

 

 

Парабола

 

 

x2

y 2

=1

 

 

 

 

y 2 = 2 px ( p > 0)

 

 

a2

b2

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

y = − b

x

 

 

y

= b

x

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

F

 

 

F1

 

 

b

F2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

O

p

 

x

c

O

 

 

c

x

 

 

a

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a - действительная полуось,

 

р – параметр параболы,

 

b - мнимая полуось, c2 = a2 +b2 ,

D : x = − p - директриса,

 

F1 (c, 0), F2 (c, 0) - фокусы,

 

 

p

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = ± b x - асимптоты

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.12

F( 2

,0) - фокус.

Рис. 2.13

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35

 

 

 

 

 

 

Если систему координат выбрать так, как указано на рис.2.13, то

каноническое уравнение параболы запишется в виде y 2 = 2 px.

Эта парабола симметрична относительно оси Ох. Директрисой яв-

 

x = −

p

 

p

 

ляется прямая

 

, точка

F

 

,0 – фокус параболы, р – пара-

2

2

 

 

 

 

 

метр параболы.

Если p < 0, то парабола направлена в противоположную сторону.

Уравнение x2 = 2 py задает параболу, симметричную относительно оси Оу.

Для того, чтобы построить кривую второго порядка, заданную общим уравнением, уравнение кривой приводят к каноническому виду и переходят к новой системе координат.

Пример

2.7. Определить тип кривой, заданной уравнени-

ем(x +1)2

+ (y 2)2 = 9 и построить ее.

Решение. Данное уравнение задает окружность с центром в точке

C(1; 2)

и радиусом

R = 9 =3 . Окружность изображена на рис.

2.14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

y

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

 

 

С(-1;2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R=3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O1

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

-1,5

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.14

 

Рис. 2.15

 

Пример 2.8. Определить тип линии и схематически построить ее: 2y 2 + x + 6y + 2 = 0.

Решение. Перепишем уравнение в виде

2( y 2 + 3y) + x + 2 = 0

36

и выделим полный квадрат:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

9

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 y

 

 

+ 2

 

 

y

+

 

 

 

 

 

 

 

+ x

+ 2 = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

 

1

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

2 y +

 

 

 

 

 

 

+ x

+ 2

= 0, y +

 

 

 

 

 

 

= −

 

x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Совершим параллельный перенос по формулам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X = x

5

 

, Y = y +

 

3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты нового центра О

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Уравнение примет вид

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y 2 = − 1

X .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это

каноническое

уравнение

 

 

параболы

 

 

вида

 

Y 2

= 2 pX , где

 

p = −

1

< 0 .

Поэтому

 

 

парабола

 

 

 

направлена

в

 

отрицательную

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сторону оси О1X .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Парабола изображена на рис. 2.15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

2.9.

Построить

 

гиперболу,

 

 

заданную

уравнением

 

x2

 

y2

 

=1.

Найти

ее

 

полуоси,

 

координаты

 

 

фокусов

и

записать

25

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнения ее асимптот.

Решение. Данное уравнение является каноническим уравнением

вида

x2

y 2

=1.

Поэтому

действительная

полуось

a 2

b2

 

 

 

 

 

 

a = 25 = 5, мнимая полуось b = 9 = 3 . Найдем координаты фоку-

сов F1 и F2: c = a2 + b2 = 25 + 9 = 34 , F1 ( 34 , 0), F2 ( 34; 0).

Уравнения асимптот гиперболы имеют вид y = ± 53 x .

Построение гиперболы начинаем с построения основного прямоугольника со сторонами 2a=10 и 2b=6, параллельными осям координат. Асимптоты гиперболы проходят по диагоналям этого пря-

моугольника. Вершины гиперболы расположены в точках пересечения основного прямоугольника с осью oХ.

Гипербола изображена на рис. 2.16.

y

3

-5 О 5 x

-3

Рис. 2.16

§ 5. Поверхности второго порядка

Рассмотрим в плоскости xOy эллипс, гиперболу, сопряженную

гиперболу, параболу и пару пересекающихся прямых. Совершим вращение этих линий вокруг оси Oy и деформацию(сжатие или

растяжение) образованных таким образом поверхностей второго порядка. Эти поверхности со своими каноническими уравнениями изображены на рис. 2.17 - 2.21.

Если в уравнении эллиптического параболоида поменять знак, то придем к уравнению, которое задает гиперболический параболоид (седло), изображенный на рис. 2.22.

Цилиндрической поверхностью называется поверхность, которая образуется при поступательном перемещении некоторой линии (образующей) вдоль некоторой кривой (направляющей). Выбирая в качестве направляющей эллипс, гиперболу и параболу, расположенные в плоскости xOy , а в качестве образующей – прямую, парал-

лельную оси Oz , получим соответственно эллиптический, гипербо-

лический и параболический цилиндры, изображенные на рис. 2.23 - 2.25.

При построении поверхностей второго порядка часто пользуются таблицей этих поверхностей (см. табл. №3), учитывая, что ось фигуры или образующая может быть параллельна не только оси Oz .

37

38

Поверхности второго порядка

 

 

 

 

 

 

 

Таблица №3

 

Эллипсоид

z

c

 

 

x2

+

y 2

+

z 2

=1

o

b

a2

b2

c2

 

 

 

a

y

Рис. 2.17 x

z

Однополостный

гиперболоид

x2

+

y 2

z 2

=1

 

 

 

a 2

b2

c2

 

o

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

Рис. 2.18

z

Двуполостный

гиперболоид

x2

+

y 2

z 2

= −1

o с

 

a2

b2

c2

 

y

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.19

 

 

z

Эллиптический

параболоид

 

x2

+

y 2

= 2z

 

 

a2

b2

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

Конус второго порядка

x2

+

y 2

z 2

= 0

o

 

a2

b2

c2

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

Рис. 2.21

 

 

Гиперболический

z

y

параболоид

 

(седло)

 

 

 

x2

 

y 2

 

o

x

 

 

 

 

a2

b2 = 2z

 

 

 

 

Рис. 2.22

39

40