Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Проективная геометрия для ИМ..doc
Скачиваний:
188
Добавлен:
30.10.2018
Размер:
4.01 Mб
Скачать

Взаимное расположение прямой и квадрики

Пусть дана овальная квадрика Х ТQХ =0 и прямая (АВ).

Взаимное расположение прямой и квадрики будет зависеть от решения системы:

Если существует решение, тогда квадрика и прямая пересекаются.

Если решения не существует, тогда квадрика и прямая не пересекаются.

Параметрическое уравнение прямой подставим в уравнение квадрики.

(λА Т+ μВ Т)∙Q∙(λА + μВ) =0 λ²∙А ТQА + λμА ТQВ+ μλВ ТQА + μ²∙В ТQВ = 0

Каждое из выражений А ТQА , А ТQВ , В ТQА , В ТQВ является числом,

так как матрицы Q , А , А Т, В , В Т - заданы.

(АТQВ)Т = ВТQТАТТТQА, но АТQВ - это число, а значит (АТQВ)Т=АТQВ, т.е. АТQВ=ВТQА.

Обозначим АТQА = а, ВТQВ= b, АТQВ = ВТQА = с,

Тогда получим: λ²∙а + 2∙λμс + μ²∙b = 0 - однородное уравнение, разделим на μ² (параметры уравнения прямой λ и μ одновременно не обращаются в 0, хотя бы один их них отличен от 0).

- квадратное уравнение относительно .

D =4∙с² - 4∙аb = 4∙(АТQТВ) ² - 4∙( АТQА)( В ТQВ).

Как известно, квадратное уравнение может иметь два, или один, или ни одного корня в зависимости от дискриминанта.

При D > 0, две точки пересечения, т.е. прямая будет секущей;

при D = 0, одна точка пересечения, т.е. прямая будет касательной к квадрике;

при D < 0, точек пересечения прямой и квадрики нет.

Замечание: Аналогично можно рассматривать систему . Выражая одну из переменных через две другие и подставляя в уравнение квадрики, получим однородное уравнение второй степени от двух переменных. Решая аналогичным способом, итоговый результат будет тем же.

Вывод: Прямая может не иметь общих точек с квадрикой, может касаться её или быть секущей. Других вариантов нет.

Задача. Установить взаимное расположение квадрики х1²+х2² 3²-2∙х1х2 -4∙х1х3=0 и прямой, проходящей через точки А и В.

Решение. Первый способ: Q=- матрица квадрики, тогда

а =АТQА = = 12

b= ВТQВ== 4

с = А ТQВ = = -8,

и

Одно решение λ1=1 и μ1= 3 Х1 = 1+ 3 ==.

Второе решение λ2=1 и μ2=1 Х2 = 1+ 1 ==.

Прямая пересекает квадрику в двух точках Х1 и Х2.

Второй способ: Найдем уравнение прямой (АВ):

=0 - 2х1 +2х2 -2х3 = 0 х1 - х2 + х3 = 0.

Решим систему

Х1= и Х2=- точки пересечения (АВ) и КВП

Уравнение касательной

Рассмотрим случай касательной к овальной квадрике, (D = 0).

4∙(АТQТВ-4∙(АТQА)∙(ВТQВ)=0 (АТQТВ-(АТQА)∙(ВТQВ)=0.

Если точку А фиксировать, а точку В сделать переменной тогда уравнение касательной к квадрике, проведенной из точки А, будет следующим: (АТQТХ) ² - ( АТQА)( Х ТQХ) = 0 (**)

Фактически это уравнение является квадратичной формой и в то же время уравнением прямой, то есть распадается на прямые. Проанализируем это уравнение для случая, когда точка А принадлежит квадрике и не принадлежит квадрике.

  • АКВП АТQА=0(АТQТХ=0 - квадратичная форма (**) распалась на две совпавшие прямые. Т.о. АТQТХ =0 - уравнение касательной.

  • АКВП.

(АТQТХ- (АТQА)∙(Х ТQХ) = 0 - ранг этой квадратичной формы не может равняться 3 потому, что это прямые, а значит квадратичная форма должна быть вырожденной. Так же ранг этой квадратичной формы не может быть равен 1. Докажем это от противного.

Пусть ранг (**) равен 1, тогда она распадается на две совпавшие прямые

(АТQТХ- (АТQА)∙(Х ТQХ) = (иХ

ХТQХ=((АТQТХ-(иХ)²)=((АТQТХ)- иХ) ((АТQТХ)+иХ)

овальная квадрика ХТQХ распалась на линейные множители, на прямые - это противоречие. Т.о. ранг (**) равен 2, т.е. это или две пересекающиеся прямые или две мнимые прямые пересекающиеся в одной действительной точке.

Вывод: Если точка принадлежит квадрике, то через неё можно провести только одну касательную. Если точка не принадлежит квадрике, то касательных или две или ни одной.

Определение: Точка называется внешней относительно квадрики, если через нее можно провести две касательных и внутренней, если касательных нет.

Лемма. Пусть дана овальная квадрика х1²+х2²3²=0 и точка . Точка является внутренней точкой овальной квадрики тогда и только тогда, когда а1²+а2²3² < 0 (если а1²+а2²3² > 0 - внешней).

Доказательство. (Самостоятельно).

Задача. Дана квадрика 2х1²+х3²-2х1х2-2х1х3=0.

Найти уравнения касательных к квадрике, проходящих через точки А , В .

Решение. Матрица квадрики Q=.

АТQА=(1:8:5)∙=(-11:-1:4)∙=1 А КВП,

Применим формулу (**) (АТQТХ- (АТQА)∙(Х ТQХ) = 0.

АТQХ=( 1: 8 : 5 )∙=(-11 : -1 : 4)∙ 11∙х1+ х2 - 4∙х3=0

(11∙х1 + х2 - 4∙х3 )² - 1∙(2∙х1² + х3² - 2∙х1х2 - 2∙х1х3 ) =

= 121∙х1² + х2² + 16∙х3² + 22∙х1х2 - 88∙х1х3 - 8∙х2х3 - 2∙х1² - х3² + 2∙х1х2 + 2∙х1х3 =

= 119∙х1² + х2² + 15∙х3² + 24∙х1х2 - 86∙х1х3 - 8∙х2х3 =

= х2² +2∙х2∙12∙х1 -2∙х2∙4∙х3 +144∙х1² +16∙х3² -2∙12∙х1∙4∙х3 -144∙х1² -16∙х3² +96∙х1х3 +119∙х1² +15∙х3² -86∙х1х3 =

= (х2 + 12∙х1 -∙4∙х3- 25∙х1² - х3² + 10∙х1х3 = (х2 + 12∙х1 -∙4∙х3- (5∙х1 - х3 )² =

= ((х2 + 12∙х1 - 4∙х3 ) - (5∙х1 - х3 ))∙((х2 + 12∙х1 - 4∙х3 ) + (5∙х1 - х3 ))=

= (х2 + 12∙х1 - 4∙х3 - 5∙х1 + х3 )∙(х2 + 12∙х1 - 4∙х3 + 5∙х1 - х3 )=

= (х2 +7∙х1 -3∙х3 )∙(х2 +17∙х1 -5∙х3) = (7∙х1 + х2 - 3∙х3 )∙(17∙х1 + х2 - 5∙х3) = 0.

Т.о. касательные: 7∙х1 + х2 - 3∙х3 = 0 и 17∙х1 + х2 - 5∙х3 = 0.

ВТQВ=(18:13:6)∙= (17:-18:-12) ∙=0 В КВП.

Уравнение касательной:

ВТQХ = ( 18 : 13 : 6 )∙ = 0 ( 17 : -18 : -12 )∙= 17∙х1 -18·х2 - 12∙х3 = 0.