21189

Криві другого порядку

Реферат

Математика и математический анализ

Як було показано в попередній лекції загальне рівняння другого порядку в системі координат побудованій на власних векторах матриці квадратичної форми рівняння має вид 18.1 Спочатку розглянемо випадок коли це рівняння еліптичного або гіперболічного типу тобто . Якщо то рівняння 19. Якщо маємо два рівняння прямих що проходять через новий початок координат .

Украинкский

2013-08-02

454.5 KB

15 чел.

Криві другого порядку.

Як було показано в попередній лекції, загальне рівняння другого порядку в системі координат, побудованій на власних векторах матриці квадратичної форми рівняння, має вид (18.21)

. (19.1)

Спочатку розглянемо випадок, коли це рівняння еліптичного або гіперболічного типу, тобто .

Тоді в (19.1) можна виділити повні квадрати відносно координат  та  і перейти до нових змінних

 (19.2)

що означає переніс початку координат (Рис.19.1)

Мал. 19.1. Переніс початку системи координат.

В результаті одержимо

, (19.3)

де .

Тепер можливі такі випадки

I) . Якщо , то рівняння

 (19.4)

може описувати тільки одну точку .

Якщо , маємо два рівняння прямих, що проходять через новий початок координат . Наприклад, у випадку , :

. (19.5)

II) . Тепер мають значення знаки чисел  і .

1) , . Рівняння (19.3) неможливе ні для яких точок. Кажуть, що рівняння описує уявну лінію.

2) , . Рівняння (19.3) зводиться до канонічного рівняння еліпса

, (19.6)

де

З (19.6) витікає, що еліпс є обмежена лінія, бо з виразу

 (19.7)

маємо, що змінна  може приймати найбільше по модулю значення , а найбільше значення . Лінія замкнена і симетрична відносно обох осей. Її загальний вигляд такий (Рис.19.2)

Мал.19.2 Еліпс.

Числа  і  позначають точки перетину еліпса з осями координат (вершини еліпса) і називаються півосями еліпса. Осі координат являються головними осями симетрії еліпса, а точка  - центром еліпса. Відрізок, який відсікає еліпс на будь-якій прямій, проведеній через його центр називається діаметром еліпса. Як видно величина діаметра може приймати значення від 2 до 2.

В середені еліпса існують дві особливі точки  - фокуси еліпса, координати яких визначаються як , якщо , або , якщо . Ці точки характерні тим, що сума відстаней від них до будь-якої точки  еліпса є величина стала. Дійсно

 (19.8)

якщо . В цьому випадку .

Для еліпса можна також вказати дві прямі, які називаютьься директрисами еліпса, і які володіють такою властивістю, що відношення відстаней від будь-якої точки еліпса до фокуса і до директриси є величина стала (Рис.19.3). Директриси паралельні малій осі еліпса і перетинають велику вісь на відстані  від центру. Число , яке у випадку > визначається як

, (19.9)

називається ексцентриситетом еліпса.

Мал.19.3. Директриси еліпса.

Так як , то

. (19.10)

Ексцентриситет показує міру витягнутості еліпса. Якщо , тобто =, то рівняння еліпса переходить у рівняння кола . Якщо , тобто =0, то еліпс вироджується у відрізок прямої , .

Рівняння еліпса можна задати за допомогою параметра

 (19.11)

Легко перевірити, що так задані координати точки задовольняють рівнянню (19.6).

Параметр  зв"язаний з полярним кутом відношенням .

3) . Рівняння (19.3) описує гіперболу. Якщо , то її канонічне рівняння буде мати вид

, (19.12)

де . В цьому випадку  - дійсна піввісь,  - уявна, бо ця гіпербола не перетинає вісь у. На Рис.19.4 суцільна лінія.

Мал.19.4. Гіпербола.

Якщо , то рівняння гіперболи буде

, (19.13)

а її розположення показано на мал.19.4 штриховою лінією.

Координати фокусів гіперболи визначаються формулою . На відміну від еліпса різниця відстаней від точки  до фокусів є величина стала

. (19.14)

Гіпербола - лінія необмежена, складається з двох гілок, які наближаються до прямих  при віддаленні точки до нескінченності. Ці прямі називаються асимптотами гіперболи. Для гіперболи також вводиться ексцентриситет , який характеризує відношення відстаней від точки  до фокусів і до директрис

. (19.15)

Мал. 19.5. Директриси гіперболи.

Рівняння гіперболи теж можна задати параметрично за допомогою формул

 (19.16)

що легко перевіряється підстановкою (19.16) в (19.12). Функції

 (19.17)

назаваються гіперболічним синусом та косинусом.

Якщо =, то одержимо рівнобічну гіперболу , рівняння якої при повороті системи координат на , ,  приймає вид .

4) . Хай . Тоді рівняння перетвориться до  

, (19.18)

де .

Якщо , то введення нової змінної  приведе (19.18) до канонічного рівняння параболи

, (19.19)

де . Її форма показана на Рис.19.6.

Мал.19.6. Парабола.

Точка  є фокус параболи, пряма  - її директриса, причому відстані  і  рівні:

. (19.20)

Таким чином, відношення  є величина стала. Як видно, ексцентриситет параболи дорівнює одиниці, тобто займає граничне положення між ексцентриситетами еліпсу та гіперболи.

Якщо , то з (19.18) маємо або дві прямі  якщо , або уявну лінію, якщо .

Таким чином, рівняння другого порядку на площині може описувати такі об"єкти: уявну лінію, точку, пару прямих, або одну з кривих другого порядку: еліпс, гіперболу, параболу. Можна показати, що криві другого порядку утворюються при перетині кругового конуса площиною, тому їх називають ще конічними перерізами.

Контрольні питання.

1. Наведіть канонічне рівняння еліпса.

2. Сформулюйте фокальну властивість еліпса.

3. Що таке директриси еліпса?

4. Наведіть канонічне рівняння гіперболи.

5. Напишіть рівняння асимптот гіперболи.

6. Напишіть параметричні рівняння еліпса та гіперболи.

7. Дайте означення гіперболічних синуса та косинуса.

8. Наведіть канонічне рівняння параболи.

9. Сформулюйте фокальні властивості гіперболи та параболи.

10. Дайте числові значення ексцентриситету кривих другого порядку.

PAGE  69


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73849. Суздальская земля X – XIII вв. 78.5 KB
  Одновременно с новгородскими делами Андрей решал и южные дела. В конце 1168 г. было собрано внушительное войско для похода на Киев. Во главе войска был поставлен сын Андрея Мстислав и боярин Борис Жидиславич.
73850. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА 332 KB
  От примитивных приматов в середине палеогена возникли антропоиды – человекообразные обезьяны. Их древнейшие остатки относятся к нижнему олигоцену, а появление относят к позднему эоцену – 40 млн.
73851. ПЕРИОДИЗАЦИЯ ИСТОРИИ СРЕДНИХ ВЕКОВ. РАННИЙ ФЕОДАЛИЗМ. ГЕНЕЗИС ФЕОДАЛИЗМА В ЕВРОПЕ 116.5 KB
  Поэтому Европу принято делить на несколько регионов: ЮЗ – Италия Испания Южная Галлия Византия Франкское государство Германия Центральная Европа – Польша Чехия Венгрия Славяно-Балканский регион СЗ Скандинавия Британские острова. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАССЕЛЕНИЕ СЛАВЯН. Происхождение славян. Первые известия о славянах.
73852. Правление Александра Невского 107 KB
  Даниил Александрович Юрий Даниилович Иван Калита. сообщает что Юрий заложил город Москву на новом месте. Так и на месте вятичского городка Юрий заложил новый город. Когда Константин временно примирился с братьями Юрий осадил Москву.
73853. Симеон Гордый, Иван Красный, Дмитрий Донской. Борьба за сохранение старшинства 63 KB
  Дмитрий Иванович. После Ивана Красного остались его два малолетних сына – Дмитрий род. Ранняя смерть великого князя и отсутствие взрослого преемника – князем Москвы стал Дмитрий Иванович – ему еще не было девяти лет – вновь поставил вопрос о старшинстве Москвы.
73854. Ранняя Русская держава. Олег, Игорь. Походы на Византию 88 KB
  В правление Ольги многое будет упорядочено Святослав пойдет по стопам своих предшественников но его политика завершится крахом. После гибели Игоря в Киеве остался его малолетний сын Святослав и вдова Ольга. а Святослав родился не ранее 935 – 940 г. но в этом случае Святослав стал бы полноправным правителем ему было бы 16 лет в то время как ПВЛ говорит о его детском возрасте.
73855. Начало правления Владимира Святославича. Языческая реформа. Выбор вер 161.5 KB
  Перун – бог громовержец, его Владимир сделал главным богом, перед ним постоянно горел огонь. Хорс и Дажьбог – ипостаси солнечного божества, Стрибог – родоначальник ветров, ветры – стрибожьи внуки, Симаргл/Семаргл – спорно – либо божество
73856. Начало княжеских усобиц при Святополке Изяславиче. Нашествия половцев 177.5 KB
  Вопрос с Киевским престолом. Теперь правами на Киев согласно праву старшинства обладали сыновья Изяслава из которых в живых остался только Святополк затем сыновья Святослава и только затем сыновья Всеволода. Киев мог бы занять и Владимир Мономах однако этого он не сделал опасаясь вражды со Святополком. Святополк пришел в Киев и был принят киевлянами с радостью.
73857. Новгородская земля 149.5 KB
  Участие Новгорода во Владимирских усобицах. После разгрома Ростиславичей в борьбе за Владимир Новгородцам для противостояния с Всеволодом Большое гнездо пришлось идти на союз со Смоленском. И новгородцы призвали сына киевского князя Святослава Всеволодовича Черниговского Владимира.