Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
EUMKD_adocx.docx
Скачиваний:
224
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
3.96 Mб
Скачать

§3. Кривые линий второго порядка

Определение 5. Линией второго порядка на плоскости называется линия, определяемая уравнением 2-й степени относительно х, у. Общее уравнений таких линий будет рассмотрено ниже, а сначала изучаются уравнения окружности, эллипса, гиперболы и параболы.

Определение 6. Окружностью радиуса R с центром в точке С называется множество всех точек плоскости, удаленных от С на расстоянии R.

Теорема 7. Пусть М(х; у) – текущая точка окружности и (х0; y0) – координаты центра С, тогда уравнение окружности радиуса R имеет вид:

(хх0)2 + (yy0)2 = R2

(11)

Если в (11) раскрыть скобки, то оно примет вид х2 + y2 + mx + ny + p = 0, где m, n, p – некоторые числа.

Наоборот, чтобы от этого уравнения перейти к уравнению вида (11), нужно в левой части выделить полные квадраты с переменными х и у, в результате получится равносильное уравнение вида:

Тогда, если здесь правая часть равенства положительна, то получено уравнение окружности, координаты центра и радиус которой равны:

Пример 10. Написать уравнение окружности радиуса 5 с центром в точке (3; 4), и проверить, лежат ли на этой окружности точки А(1; 1), В(3; 2), О(0; 0)?

Решение. Применяют формулу (11). Здесь х0 = 3, y0 = 4, R = 5, получилось уравнение окружности: (х – 3)2 + (y + 4)2 = 25. Теперь, в это уравнение подставляют координаты указанных точек. Легко видеть, что точки А и О удовлетворяют этому уравнению, а точка В не удовлетворяет. Следовательно, А и О лежат на окружности, а В не лежит.

Пример 11. Найти центр и радиус окружности: х2 + y2  6x + 4y  23 = 0.

Решение. В левой части уравнения выделяют полные квадраты с х и у:

х2 + у2  6х + 4у  23 = (х2  6х + 9) – 9 + (у2 + 4у+ 4)  4  23 = (х 3)2 + (y+ 2)2  36 = 0 или (х 3)2 + (y + 2)2 = 36. Согласно формуле (11), центр имеет координаты (3; 2) и радиус равен 6. Но можно сразу применить указанные выше формулы ( 12). Здесь m =  6, n = 4, p = 23, тогда С(6/2; 4/2) = С(3; 2) и R2 = 23 + 36/4 + 16/4 = 36, R = 6.

Определение 7. Эллипсом называется множество всех точек плоскости, сумма расстояний каждой из которых от двух данных точек F1 и F2 (называемых фокусами) есть величина постоянная (равная 2а).

Вывод уравнения эллипса. Пусть ось ОХ проходит через фокусы F1 и F2, ее начало О расположено в середине между фокусами F1 и F2, ось ОY направлена вверх. Через M(x; y) обозначается текущая точка эллипса. Тогда

(M принадлежит эллипсу)  (|F1M| + |F2 M| = 2а).

Пусть расстояние между фокусами |F1F2| равно 2с, тогда фокусы F1 и F2 имеют координаты (с; 0) и (с; 0). Известно, что сумма длин двух сторон треугольника больше, чем длина третьей стороны. Поэтому 2а > 2с, тогда а2 > с2 и можно ввести обозначение: b =. Теперь, в выделенной эквивалентности правую часть с помощью формулы (1), приводят к виду:

Теорема 8. В декартовых координатах уравнение эллипса имеет вид:

(13)

Это каноническое уравнение эллипса. Эллипс, заданный таким уравнением, симметричен относительно осей координат. Величины a, b называются полуосями и показаны на рис.5: абольшая полуось и bмалая полуось, при этом c =).

Y

b M

с с

F1 О F2

-c c

a a X

b

Рис.5.

Отношение = называется эксцентриситетом, он меньше 1 и характеризует степень сжатия эллипса по оси ОY: чем меньше , тем больше эллипс сжимается по оси 0Y. Иногда рассматривают уравнение вида (13), в котором ab. Оно тоже является уравнением эллипса, но при этом фокусы F1 и F2 находятся на оси ОY на расстоянии этом c = от центра, их координаты равны (0, –с) и (0, +с), и В этом случае эксцентриситет равен = и характеризует степень сжатия эллипса по осиОX.

Пример 12. Написать каноническое уравнение эллипса, зная, что:

а) расстояние между фокусами равно 8, малая полуось равна 3;

б) большая полуось равна 6 и эксцентриситет равен 0,5.

Решение. а). По условию, 2с = 8 и b = 3, тогда с = 4 и а2 =с2 + b2 = 16 + 9 = 25. Это подставляется в (13), получается искомое уравнение .

б). По условию, а = 6 и = 0,5, тогда с = а = 3 и b2 =a2c2 = 36  9 = 27. Это подставляют в (13), получают искомое уравнение:.

Определение 8. Гиперболой называется множество всех точек плоскости, разность расстояний каждой из которых от двух данных точек F1 и F2 , (называемых фокусами) есть величина постоянная (равная 2а).

Вывод уравнения гиперболы. Пусть ось ОX проходит через фокусы F1 и F2, ее начало О расположено в середине между фокусами, ось ОY направлена вверх. Пусть M(x; y)  текущая точка, тогда,

( M принадлежит гиперболе)  (|F1M| |F2M| = 2а).

Пусть расстояние между фокусами |F1F2| равно 2с, тогда фокусы F1 и F2 имеют координаты (с; 0) и (с; 0). Известно, что разность длин двух сторон треугольника меньше, чем длина третьей стороны. Поэтому 2а > 2с и а2 > с2, и

можно ввести обозначение: b =. Тогда в выделенной эквивалентности правая формула с помощью формулы (1) приводится к виду

(14)

Теорема 9. В декартовых координатах уравнение гиперболы имеет вид (14).

Это каноническое уравнение гиперболы. Гипербола, заданная таким уравнением, симметрична относительно осей координат. Величины a, b называются полуосями и показаны на рис.6.

Y

M b

X

F1 a 0 a F2

b

Рис.6.

Точки А1(а; 0), А2(а; 0) – вершины гиперболы. Гипербола ось ОY не пересекает, поэтому а называется вещественной полуосью и b мнимая полуось. При этом c = . Отношение = называется эксцентриситетом и характеризует степень сжатия ветвей гиперболы к оси ОX: чем меньше , тем больше ветви сжимаются к оси ОХ.

Прямые y = x и y = x называются асимптотами гиперболы

вдоль оси ОY. При этом а является мнимой полуосью и bвещественной полуосью. Фокусы F1 и F2 находятся на оси ОY на расстоянии с = от центра, их координаты равны (0, –с) и (0, +с), в этом случае эксцентриситет равен = и характеризует степень сжатия ветвей гиперболы к оси ОY.

Пример 13. Написать каноническое уравнение гиперболы, зная что:

а) расстояния между фокусами равно 10 и между вершинами равно 8;

б) вещественная полуось равна 25, а эксцентриситет равен 1,2.

Решение. a). По условию, 2с = 10 и 2а = 8, тогда с = 5, а = 4 и b2 =

с2а2 = 25 – 16 = 9.

Значения а2 = 16, b2 = 9 подставляют в (14), получают искомое уравнение

б). По условию, а = 25 и  = 1,2, тогда с = а = 26 и b2 = 24 – 20 = 4. Значения а2 = 20, b2 = 4 подставляют в (14), получают уравнение

Определение 9. Параболой называется множество всех точек плоскости, одинаково удаленных от данной точкиF(называемойфокусом) и от данной прямой (называемой директрисой).

Вывод уравнения параболы.Пусть осьОXперпендикулярна к директрисе, проходит через фокус Fи направлена в сторону F. Ее начало расположено в середине между директрисой и фокусом, осьОYнаправлена вверх (см.рис.7а).

A Y Y

М

N M

F X F X

0 0 А N В

B

  1. б)

Рис.7.

Пусть M(x;y) - текущая точка параболы иN– ее проекция на директрису. Тогда,

(M принадлежит гиперболе)(|FM| = |NM|).

Пусть расстояние от фокуса до директрисы равно р, Тогда фокусFимеет координаты (; 0), точкаNимеет координаты ( ;у), и выделенное выше равенство с помощью формулы (1) приводится к виду:

y2 = 2px

(15)

Теорема 10. В декартовой системе координат уравнение параболы имеет вид (15).

Это каноническое уравнение параболы.В этом случае парабола симметрична относительно осиОХ, ее ветви расположены вправо. ДиректрисаАВпараллельна осиОYи ее уравнение равнох=

Уравнение x2= 2pyтоже является уравнением параболы, которая симметрична относительно осиОY и, еслиp> 0, то ее ветви направлены вверх, а еслиp< 0, то ветви направлены вниз. В этом случае директрисаАВпараллельна осиОХи фокусF расположен на осиOY(см. рис.7,б)).

Пример 14. Написать уравнение параболы: а) проходящей через точки (0; 0) и (1; 3) и симметрично относительно ОХ; б) проходящей через точки (0; 0) и (2; 4) и симметрично относительно ОY.

Решение. а). Так как парабола проходит через (0; 0) и симметрична относительно ОХ, то применяют уравнение (15). В него подставляют кординаты х = 1, у = 3 второй точки: (3)2 = 2р. Отсюда находят р = 4,5. Тогда искомое уравнение параболы имеет вид: y2 = 9x.

б). Так как парабола проходит через (0; 0) и симметрична относительно ОY, то применяют второе уравнение параболы: х2 = 2py. В него подставляют координаты х = 2, у = 4 второй точки: (2)2 = 8р. Отсюда находят р = 0,5. Тогда искомое уравнение параболы имеет вид: x2 = y или y = x2 .

Определение 10. Общее уравнение линии 2-го порядка на плоскости имеет вид:

Ax2 + 2Bxy + Сy2 + 2Dx + 2Ey + F = 0 (16)

Из коэффициентов уравнения (16) составляют два определителя:

Теорема 11. В декартовой системе координат уравнение (16) определяет геометрические образы: согласно таблице 1.

Таблица 1

  0

 = 0

 > 0

Эллипс (действительный или мнимый)

Точка

 < 0

Гипербола

Пара пересекающихся прямых

 = 0

Парабола

Параллельные прямые (действительные или мнимые)

Пример 15. Выяснить геометрический смысл уравнений:

1) 4x2y2 = 0; 2) 4x2 + y2 = 0; 3) x2 + y2 + 2x + 2 = 0;

4) x2 + y2  6x  8y + 25= 0; 5) y2 – 2x + 4y = 0; 6) y2  16 = 0;

7) 2x2 + 3y2  4x  6y – 7 = 0; 8) x2y2  4x  2y – 4 = 0.

Решение. Вычисляются определители и  :

1). Здесь А = 4, С = 1, остальные коэффициенты равны 0. Тогда

Согласно таблице 1, уравнение 4x2y2 = 0 определяет две пересекающиеся прямые: y = 2x и y = 2x.

2). Здесь А = 4, С = 1, остальные коэффициенты равны 0. Тогда

Согласно таблице 1, уравнение 4x2y2 = 0 определяет точку О(0; 0).

3). Здесь А = 1, С = 1, D = 1, F = 2, остальные коэффициенты равны 0.

Согласно таблице 1, уравнение x2 + y2 + 2x + 2 = 0 определяет эллипс:

(x + 1)2 + y2 = 1. Более того, этот эллипс является окружностью с центром в точке (1; 0). Но так как R2 = 1, то эта окружность мнимая.

4). Здесь А = 1, С = 1, D = 3, E = 4, F = 25, остальные равны 0. Тогда

Согласно таблице 1, x2 + y2  6x  8y + 25 = 0 определяет точку (3; 4).

5). Здесь C = 1, D = 1, E = 2, остальные коэффициенты равны 0. Тогда = 0,  = 1  0 и, согласно таблице 1, уравнение y2 – 2x + 4y = 0; определяет параболу «на боку»: (y + 2)2 = (x + 2), с вершиной в (-2, -2) ветви вправо.

6). Здесь С = 1, F = 16, остальные коэффициенты равны 0. Тогда = 0,

 = 0, и, согласно таблице 1, уравнение y2  16 = 0 определяет две параллельные прямые: y = 4 и y = 4.

7). Здесь А = 2, С = 3, D = 2, E = 3, F = 7, остальные коэффициенты

равны 0. Тогда = 6 > 0,  = 90  0, и, согласно таблице 1, уравнение

2x2 + 3y2  4x  6y – 7 = 0 определяет эллипс:

8). Здесь А = 1, С = 1, D = 2, E = 1, F = 4, остальные коэффициенты

равны 0. Тогда = 1<0,  = 7  0, и, согласно таблице 1, уравнение

x2y2  4x  2y – 4 = 0 определяет гиперболу:

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]