Контрольная работа: Геометрические свойства кривых второго порядка
Исследовать и изучить геометрические свойства кривых второго порядки (эллипса, гиперболы и параболы), представляющих собой линии пересечения кругового конуса с плоскостями, не проходящими через его вершины, а также научиться строить графики данных кривых в канонической и прямоугольной декартовой системах координат.
Постановка задачи
Дано уравнение кривой второго порядка:
. (1)
Задание. Для данного уравнения кривой
второго порядка с параметром :
I. Определить зависимость типа кривой
от параметра с помощью инвариантов.
II. Привести уравнение кривой при к
каноническому виду, применяя преобразования параллельного переноса и поворота
координатных осей.
III. Найти фокусы, директрисы, эксцентриситет и асимптоты (если они есть) данной кривой второго порядка.
IV. Получить уравнения канонических осей в общей системе координат.
V. Построить график кривой в канонической и общей системах координат.
Получение канонической системы координат. Построение графиков
I. Тип кривой второго порядка в
зависимости от параметра
В прямоугольной
декартовой системе координат кривая второго порядка задается в
общем виде уравнением:
,
если хотя бы один из
коэффициентов ,
,
отличен от нуля.
Для уравнения кривой второго порядка (1) имеем:
Теперь определим тип данной нам кривой (1) с помощью инвариантов. Инварианты кривой второго порядка вычисляются по формулам:
;
;
.
Для данной кривой они
равны:
1). Если , то уравнение кривой (1)
определяет кривую параболического типа, но
. Таким образом, если
, то уравнение
(1) определяет кривую параболического типа. При этом
, то есть: если
, то уравнение (1)
определяет параболу.
2). Если, то данная кривая —
центральная. Следовательно, при
данная кривая — центральная.
·
Если , то уравнение
(1) определяет кривую эллиптического типа. Следовательно, если
, то данная кривая есть
кривая эллиптического типа. Но при этом
. В соответствии с признаками
кривых второго порядка получим: если
, то уравнение (1) определяет эллипс.
·
Если , то уравнение
(1) определяет кривую гиперболического типа. Следовательно, если
, то уравнение (1) определяет
кривую гиперболического типа.
а) Если и
, то уравнение (1)
определяет две пересекающиеся прямые. Получим:
Следовательно, если , то уравнение
(1) определяет две пересекающиеся прямые.
б) Если и
, то данная кривая —
гипербола. Но
при всех
за исключением точки
.
Следовательно, если
, то уравнение (1) определяет гиперболу.
Используя полученные результаты, построим таблицу:
Значение параметра β |
|
|
|
|
|
Тип кривой |
Эллипс | Парабола | Гипербола | Две пересекающиеся прямые | Гипербола |
II . Переход от общего уравнения кривой к каноническому
Рассмотрим теперь случай,
когда, и
исследуем данное уравнение кривой второго порядка с помощью инвариантов. Из
вышеприведенной таблицы видим, что при
уравнение (1) определяет
гиперболу и принимает вид:
(2.1)
Приведем уравнение кривой (2.1) к каноническому виду, применяя преобразования параллельного переноса и поворота координатных осей.
Мы установили, что данная
кривая — центральная, поэтому используем методику приведения к каноническому
виду для уравнения центральной кривой. Совершим параллельный перенос начала
координат в точку . При этом координаты
произвольной
точки
плоскости
в системе координат
и координаты
в новой системе
координат
связаны
соотношениями
Подставляя эти выражения в уравнение (2.1), получим:
(2.2)
Раскрывая скобки и приводя подобные члены, получим:
(2.3)
В уравнении (2.3)
коэффициенты при приравняем к нулю. Получим
систему уравнений относительно
(2.4)
Решив систему (2.4), получим:
Центр кривой имеет
координаты
,
. Поставим
найденные значения
в уравнение (2.3). В новой
системе координат
в уравнении (2.3) коэффициенты
при
равны
нулю и уравнение примет вид
,
. (2.5)
Так как , то дальнейшее упрощение
уравнения (2.5) мы достигаем при помощи поворота осей координат на угол
. При повороте
осей координат на угол
координаты
произвольной точки
плоскости в
системе координат
и координаты
в новой системе
координат
связаны
соотношениями
(2.6)
Подставляя (2.6) в уравнение (2.5), получим
Раскроем скобки и приведем подобные члены
Приводя подобные члены, получим уравнение
(2.7)
Теперь выберем такой угол
, что в
уравнении (2.7) коэффициент при произведении
равен нулю. Получим уравнение
относительно синуса и косинуса угла
:
. (2.8)
Разделим правую и левую
части данного уравнения почленно на . Мы можем это сделать, так как
, потому что
если
(то
есть
), то
при подстановке
в уравнение (2.8) получим, что и
, что
противоречит основному тригонометрическому тождеству
. Получим уравнение
. (2.9)
Решая уравнение (2.9), получим
,
.
Зная значение тангенса,
можно вычислить значения синуса и косинуса по следующим формулам: ,
. Подставляя
соответствующие значения тангенса, получаем:
Возьмем для определенности
. Тогда
соответствующие значения синуса и косинуса есть
, (2.10)
Подставляя (2.10) в уравнение (2.7), получаем:
и преобразовав данное уравнение, получим уравнение вида:
И, соответственно, уравнение
(2.11)
— это каноническое уравнение исходной гиперболы.
III . Фокусы, директрисы, эксцентриситет и асимптоты кривой
Пусть и
— фокусы,
—
эксцентриситет,
— центр, а
— директрисы данной
гиперболы. Известно, что фокусы имеют координаты:
,
, где
и
. Для данного уравнения гиперболы
(2.11) получаем, что
,
, и значит
. Отсюда получаем
,
.
Эксцентриситет гиперболы (2.11)
.
Директрисы гиперболы
задаются уравнениями: и
. Подставляя найденные значения
и
, получаем:
Прямые и
в канонической системе
координат
называются
асимптотами гиперболы. Для данной гиперболы (2.11) асимптоты имеют вид:
IV. Уравнения осей гиперболы в общей системе координат
Теперь напишем уравнения
осей новой системы в исходной системе координат
.
Так как система — каноническая
для данной гиперболы, то ее центр находится в центре кривой —
, то есть оси
и
проходят через
точку
.
В пункте II было установлено, что угловой
коэффициент оси .
Уравнение прямой,
проходящей через данную точку с заданным угловым коэффициентом
, имеет вид
.
Следовательно, ось
в системе координат
задана
уравнением
,
или
, где
в роли точки
выступает центр гиперболы точка
.
Так как ось перпендикулярна
оси
, то
ее угловой коэффициент
. Следовательно, ось
в системе
координат
задана
уравнением
,
или
.
V . Построение графиков гиперболы
Используя полученные в
ходе выполнения задания данные, построим гиперболу (2.1) в исходной системе
координат (см.
рис. 1) и гиперболу (2.11) в канонической системе координат (см. рис. 2).
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Вывод
Таким образом, из
вышеприведенного решения видим, что с помощью инвариантов можно отследить тип
кривой второго порядка с параметром , а используя параллельный перенос
и поворот осей координат, можно привести кривую второго порядка от общего вида
к каноническому.
Список используемой литературы
1. Л.В. Бобылева, Л.С. Брюхина. Линейная алгебра и аналитическая геометрия. Исследование кривых второго порядка.— Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 2003.
2. Ильин В. А., Позняк Г. Д. Аналитическая геометрия. — М.: Физматлит , 2002.
3. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике.— М: Наука, 1966.
4. А.В. Ефремов, Б.П. Демидович. Сборник задач по математике для втузов. Линейная алгебра и основы математического анализа (Ч. 1). — М.: Наука, 1993.
Высшая математика для менеджеров | |
ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие "Высшая математика для менеджеров" включает такие разделы высшей математики, изучение которых дает математический аппарат ... Гипербола, заданная уравнением (2.11), симметрична относительно осей координат. Каноническое уравнение параболы с параметром р имеет вид y2 = 2рx, вершина ее совпадает с началом координат, и парабола симметрична относительно оси абсцисс. |
Раздел: Рефераты по математике Тип: дипломная работа |
Лекции по экономической теории | |
ТЕМА 01. Предмет и метод экономической теории Учебные цели Пять, что изучает экономическая теория. Изучить методы экономического анализа. Выяснить ... Кривая производственных возможностей обычно имеет выпуклую форму (вогнута к началу координат). Если отложить на оси абсцисс количество продукта, а на оси ординат - совокупную выручку (доход), то зависимость дохода от продукции изображается в форме луча, выходящего из начала ... |
Раздел: Рефераты по экономической теории Тип: реферат |
Плоские кривые | |
1. История изучения плоских кривых Понятие линии определилось в сознании человека в доисторические времена. Траектория брошенного камня, струя воды ... Уравнение при этом преобразуется в уравнение uv = l, которое равносильно уравнению ибо равенство означало бы , и, значит, В зависимости от знака числа l мы можем изобразить ветви ... 3) Составить каноническое уравнение гиперболы, если расстояние между вершинами равно 8, а расстояние между фокусами равно 10; |
Раздел: Рефераты по математике Тип: дипломная работа |
Аналитическая геометрия | |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Институт бизнеса, информационных технологий и финансов Кафедра "Гуманитарных и ... Первое уравнение получим из того факта, что нам известен эксцентриситет гиперболы и известна связь между полуосями и координатами фокуса гиперболы: . Это первое равенство, а второе получим, используя тот факт, что точка М гиперболе принадлежит, т.е., ее координаты обращают каноническое уравнение гиперболы в тождество: |
Раздел: Рефераты по математике Тип: учебное пособие |
Рациональные уравнения и неравенства | |
Содержание I. Рациональные уравнения. 1) Линейные уравнения. 2) Системы линейных уравнений. 3) Квадратные уравнения и уравнения, сводящиеся к ним. 4 ... Если прямая проходит через точку с координатами X0 и Y0, то эти координаты удовлетворяют уравнению прямой, т. е. Y0 = aX0 + b. Решить систему линейных уравнений можно способом подстановки, который состоит в том, что какого-либо уравнения системы выражают одно неизвестное через другие неизвестные, а затем ... |
Раздел: Рефераты по математике Тип: реферат |