- •Краткий курс лекций по геометрии и алгебре
- •Глава 1. Векторы и координаты
- •§ 1. Понятие вектора
- •§ 2. Линейные операции над векторами
- •§ 3. Проекции
- •§ 4. Скалярное произведение векторов.
- •§5. Векторное произведение двух векторов
- •§6. Смешанное произведение векторов
- •§7. Линейная зависимость векторов
- •§8. Координаты на прямой
- •§9. Координаты на плоскости
- •§10. Координаты в пространстве
- •§11. Линейные операции над векторами в координатной форме
- •§12. Скалярное произведение векторов в координатной форме
- •§13. Определители второго и третьего порядков
- •§14. Векторное произведение векторов в координатной форме
- •§15. Смешанное произведение векторов в координатной форме
- •§16. Полярные координаты
- •§17. Цилиндрические координаты
- •§18. Сферические координаты
- •§19. Преобразование координат
- •§20. Прямоугольные координаты на плоскости
- •Iiпрямая на проскости
- •§1. Прямая на плоскости
- •§2. Общее уравнение прямой. Уравнение прямой в отрезках
- •§3. Параметрическое и каноническое уравнения прямой
- •§4. Взаимное расположение двух прямых.
- •§5. Пучок прямых
- •§6. Нормальное уравнение прямой.
- •§ 7. Условия параллельности и перпендикулярности двух прямых
- •§8. Угол между двумя прямыми
- •§9. Расстояние от точки до прямой
- •III плоскость
- •§1. Общее уравнение плоскости
- •§3. Уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки
- •§4.Нормальное уравнение плоскости
- •§5. Расстояние от точки до плоскости
- •§6. Взаимное расположение двух плоскостей
- •§7. Пучок и связка плоскостей
- •§8. Угол между двумя плоскостями
- •IV прямая в пространстве.
- •§1. Уравнение прямой в пространстве
- •§2, Взаимное расположение двух прямых в пространстве
- •§3. Расстояние от точки до прямой в пространстве
- •§4. Уравнение плоскости, проходящей через две заданные пряные
- •§5. Расстояние между скрещивающимися прямыми
- •§6, Взаимное расположение прямой и плоскости
- •§7. Угол между прямой и плоскостью
§1. Прямая на плоскости
Пусть в плоскости α задана афинная система координат (0,
,) и прямаяl, принадлежащая этой плоскости α (Рис. 38). Составим уравнение прямойl. Заметим, что положение прямойlоднозначно 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 Рис.38 любой вектор, коллинеарный данной прямой. Пусть= (m1,n1) и=(m2,n2)-
Рис.38
- какие-либо направляющие векторы прямой l. Тогда из необходимого и достаточного условия коллинеарности двух векторов следует, чтоm1/m1=n2/n2не параллельна оси OY, то
следовательно,
(2.5)
- угловой коэффициент относительно выбранной системы координат.
В частности, для прямоугольной системы координат (0,)
к=tgα, где α- угол между осью ОХ и любым направляющим век
Рис.39. Рис.40.
47
тором прямой l(Рис. 39). Угол α называетсяуглом наклона прямой l к оси ОХ.
Если прямая lпараллельна оси ОУ, тоlпересекает осьOХ в некоторой точке Р(а,0) (Рис. 40). Тогда все точки прямой и только они удовлетворяют соотношению
x=a (2.6)
- уравнение прямой, проходящей через точку Р(а,0) 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 видкм. угловой коэффициент прямой не существует.
Пусть прямая lпроходит через точкуA(а,b) и имеет угловой коэффициент k (Рис. 38). Возьмем произвольную точку М(х,
у) на прямой l.Тогда=(х-а, у-b) - направляющий вектор прямойl. Из (2.5) теперь следует, что
(2.7)
Отсюда
у-b=k(x-а) (2.8)
Итак, любая точка прямой lудовлетворяет уравнению (2.8). Покажем, что любая точка М1(х1,у1), удовлетворяющая уравнению (2.8) и отличная от точки А, лежит на прямойl. Так как точка M1отлична от точки А, то х-а0. Значит,
Это означает, что направляющие векторы прямых lи АМ1колли- арными,так как эти прямые проходят через общую точку А, то они
48
совпадают. Следовательно, точка M1лежит на прямойl.
Таким образом, уравнение (2.8) задает прямую, имеющую угловой коэффициент k и проходящую через точку А (а,b).
Если, в частности, точка А лежит на оси OY, т.е. а=0,то уравнение (2.8) принимает вид
у=kx+b. (2.9)
Если прямая параллельна оси ОХ и проходит через точку Р(0, b),то к=0 и ее уравнение принимает вид
у=b. (2.10)
§2. Общее уравнение прямой. Уравнение прямой в отрезках
Пусть задана некоторая афинная система координат OXY.
ТЕОРЕМА 2.1. Любая прямая lсистеме координат ОXзадается линейным уравнением вида
Аx+By+С=О, (2.11)
где А,В,С R и А2+В20. Обратно, любое уравнение вида (2.11) задает прямую.
Доказательство. Пусть прямая lпараллельна оси OY. Тогда, ее уравнение, согласно (2.6), имеет вид
х-а=0.
Если же прямая lне параллельна оси OY,то из (2.8) следует, что у-b=kx-ka. т.е. у-kx+С=0 - уравнение вида (2.11)
где C=ka-b. , Докажем теперь обратное утверждение. Пусть задано уравнение
вида (2.11). Если Вi0, то By=-Ax-С, у=-Ax/B-C/D т.е. у=kx+b, гдеk=-Ax/B, b=-C/B. Но последнее уравнение задает прямую с угловым коэффициентом k, проходящею через точку Р(0,b).
49
Если же В=0, то Ах+С=0, и так как А0. то х=-С/А- уравнение прямой, параллельной оси OY. Теорема доказана.
Уравнение вида (2.11) называется общим уважением прямой. рассмотрим некоторые частные случаи этого уравнения.
1. С=0. Тогда Ах+By=0 и, значит, прямая lпроходит через начало координат. Обратно, если прямаяlпроходит через начало координат, то А0+В0+C=0, т.е. С=0. Итак,прямаяlпроходит через начало координат тогда и только тогда, когда свободный член С ее уравнения (2.11) равен нулю.
2. В=0. С0. Тогда Ах+С=0, т.е. х=-C/Aи прямаяlпараллельна оси OY, и не совпадает с ней (С0).
3. В=0, С=0, т.е. х=0 - уравнение оси ОУ.
4. А=0. С0. Тогда By+C=0. т.е. у=-C/Bи прямаяlпараллельна оси ОХ и не совпадает с ней (С0).
5. А=0,С=0, т.е. у=0 - уравнение оси ОХ.
Пусть в уравнении (2.11) все коэффициенты А, В и С отличны от нуля. Тогда
-Ах-By=-С, и.
Обозначим -С/А=а, -С/B=b. Получим
(2.12)
- уравнениев отрезках. Действительно, числа |а| и|b| указывают на величины отрезков, отсекаемых прямойlна осях ОХ и OY соответственно (Рис. 40).
Рис.40
Пусть прямая lзадана общим уравнением (2.11) в прямоугольной системе координат и пусть точкиM1(x1,у1) и М2(х2,у2) принадлежитl. Тогда
50
Аx1+Ву1+С=Ах2+Ву2+С. т.е.A(x1-x2)+В(у1-у2)=0.
Последнее равенство означает, что вектор =(А,В) ортогонален вектору=(x1-x2,у1-у2). т.е.Вектор(А,В) называетсянормальным вектором прямой l.
Рассмотрим вектор =(-В,А). Тогда
=А(-В)+ВА=0. т.е. ┴.
Следовательно, вектор =(-В,А) является направляющим вектором прянойl.