Upload
raven
View
82
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ГЛАВА 3 ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ. §1. Прямая на плоскости . Различные виды уравнений прямой на плоскости. Пусть имеется прямоугольная система координат. Введение на плоскости системы координат позволяет определять положение точки плоскости заданием двух - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
ГЛАВА 3
ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ
§1. Прямая на плоскости. Различные виды уравнений прямой на плоскости.
Пусть имеется прямоугольная система координат .XOY
Введение на плоскости системы координат позволяет определять положение точки плоскости заданием двух чисел ее координат, а положение линии на плоскостиопределять с помощью уравнения, т.е. равенства, связывающего координаты точек линии.
Уравнением линии на плоскости XOY
называется
такое уравнение 0),( yxF
с двумя переменными,
которому удовлетворяют координаты x и yкаждой точки линии и не удовлетворяют координаты
любой точки, не лежащей на этой линии.
Переменные x
и y
в уравнении линии называют
текущими координатами точек линии.
В аналитической геометрии на плоскости возникают две основные задачи:
1. зная геометрические свойства линии, найти ее уравнение;
2. зная уравнение линии, изучить ее форму и свойства.
Простейшей из линий является прямая. Различным способам задания прямой соответствуют различные виды ее уравнений. Рассмотрим их.
Положение прямой на плоскости относительно прямоугольной системы координат определяется точкой
),,( 000 yxM
принадлежащей этой прямой, и ненулевым
вектором ),0)(,( 22 BABAn
перпендикулярным
к прямой. Вектор n
называется нормальным
вектором прямой.
1. Уравнение прямой по точке и нормальному вектору.
�⃗�( 𝐴 ,𝐵)
𝑀 0(𝑥0 , 𝑦0) 𝑀 (𝑥 , 𝑦 )𝑙
Если ),( yxM
произвольная точка этой прямой, то
n .000 MMnMMВыражая скалярное произведение через координаты
векторов MM 0
и ,n получим уравнение прямой,
заданной точкой и нормальным вектором:
.0)()( 00 yyBxxA
(1.1)
2. Общее уравнение прямой.
В уравнении (1.1) раскроем скобки и приведем подобные:
0)( 00 C
ByAxByAx
или
.0 CByAx
(1.2)
Уравнение (1.2) называют общим уравнением прямой на плоскости.
Рассмотрим частные случаи расположения прямой на плоскости и запишем соответствующие уравнения:
1) 0,0 ByAxC
прямая проходит через точку );0,0(O
2) 0,0 CAxB
прямая параллельна оси ;OY
3) 0,0 CByA прямая параллельна оси ;OX
4) 0,0 AxCB
или 0x
прямая совпадает с осью ;OY
5) 0,0 ByCA
или 0y
прямая совпадает с осью .OX
3. Уравнение прямой по точке и направляющему вектору.
Положение прямой на плоскости определяется также точкой
),( 000 yxM
этой прямой и ненулевым вектором
),,( nms
параллельным данной прямой, который
называется направляющим вектором этой прямой.
),( yxM
Если произвольная точка этой прямой, то
,|| 00 stMMsMM
(1.3)
где
t
числовой множитель, который может быть любым
действительным числом в зависимости от положения точки
M
на прямой.
�⃗�(𝑚 ,𝑛)�⃗�(𝑚 ,𝑛)
𝑀 0(𝑥0 , 𝑦0) 𝑀 (𝑥 , 𝑦 )
Записав обе части равенства (1.3) через координаты, получим
),(),(
),(,
00
00
tntmyyxx
nmtyyxx
tnyy
tmxx
0
0
.,,0
0
ttnyy
tmxx(1.4)
Уравнения (1.4) называют параметрическими уравнениями прямой на плоскости.
Исключив из уравнений (1.4) параметр ,t получим
уравнение
,00
n
yy
m
xx
(1.5)
которое называют каноническим уравнением прямой на
плоскости.
4. Уравнение прямой, проходящей через две точки.
Пусть прямая проходит через точки ),( 111 yxM
и
).,( 222 yxM
Тогда вектор ),( 121221 yyxxMM
будет направляющим для этой прямой. Воспользовавшись
уравнением (1.5), получим уравнение
,12
1
12
1
yy
yy
xx
xx
(1.6)
которое называют уравнением прямой по двум точкам.
5. Уравнение прямой по точке и угловому коэффициенту.
Пусть на плоскости XOY
задана произвольная прямая, не
параллельная оси ,OY проходящая через точку ).,( yxM
Тогда первая координата ее направляющего вектора ),( nms
не равна нулю, т.е. .0m
𝑋
𝑌
𝛼𝛼
�⃗�
𝑙
𝑀 0
𝑚
𝑛
Преобразуем уравнение (1.5):
)()( 0000 xxnyym
n
yy
m
xx
00 xx
m
nyy
k
00 xxkyy
.
(1.7)
Уравнение (1.7), где tgm
nk
угловой
коэффициент прямой,
положительному направлению оси
угол наклона прямой
,OX называется
уравнением прямой по точке и угловому коэффициенту.
Преобразуем уравнение (1.7):
b
kxykxykxkxyy )( 0000
.bkxy
(1.8)
Уравнение (1.8) называется уравнением прямой с угловым коэффициентом.
6. Уравнение прямой в отрезках.
Пусть прямая пересекает ось OX
в точке
О Х
Y
N(0,b)
M(a,0)
a
b
),0,(aM
а ось OY
в точке ).,0( bN
В этом случае уравнение (1.6) прямой, проходящей через две точки, примет вид:
ababyaxbyabax
b
y
a
ax 1
0
0
0
1b
y
a
x
(1.9)
Уравнение (1.9) называют уравнением прямой в отрезках,
так как числа a
и b
указывают, какие отрезки отсекает
прямая на осях координат.
§2. Взаимное расположение прямых на плоскости.
Рассмотрим два случая.
1. Пусть прямые 1L
и 2L
заданы общими уравнениями:
.0:
,0:
2222
1111
CyBxAL
CyBxAL
Тогда их нормальные векторы соответственно
),( 111 BAn
и ).,( 222 BAn
Возможны следующие случаи взаимного расположения прямых:
1) ;||2
1
2
1
2
121 C
C
B
B
A
ALL
2) 1L
совпадает с ;2
1
2
1
2
12 C
C
B
B
A
AL
3)1L ;00 2121212 BBAAnnL
4) 1L
пересекается с 2L
под углом .
||||cos
21
21
nn
nn
Тогда
.cos22
22
21
21
2121
BABA
BBAA
(2.1)
2. Пусть прямые 1L
и 2L
заданы уравнениями с
угловым коэффициентом:
.:
,:
222
111
bxkyL
bxkyL
Возможны следующие случаи взаимного расположения
прямых:
1) ;,|| 212121 bbkkLL
2) 1L
совпадает с ;, 21212 bbkkL
3) 1L ;1212 kkL
4) 1L
пересекается с 2L
под углом
.1 21
12
kk
kktg
(2.2)
§3. Расстояние от точки до прямой.
Пусть заданы прямая l
уравнением 0 CByAx
и точка ).,( 000 yxM
𝑙
𝑀 0
Расстояние от точки 0M
до прямой l
равно модулю проекции вектора ,01MM
где
),( 111 yxM
произвольная точка прямой ,l
на направление нормального вектора ).,( BAn
𝑋
𝑌
𝑑 �⃗�
𝑀𝑜𝑀 1
𝑙
Следовательно:
||01
01n
nMMMMпрd
n
.
)()(
22
1100
22
1010
BA
ByAxByAx
BA
ByyAxx
Поскольку ,),( 111 lyxM
то
.0 1111 ByAxCCByAx
Поэтому
.22
00
BA
CByAxd
(3.1)
Пример.
Зная уравнение двух сторон параллелограмма
:1l 03 yx и :2l 0652 yxи одну из его вершин ),2,1( A
составить уравнения
двух других сторон.
Решение. Введем обозначение )3,1(1 n и )5,2(2n нормальные векторы прямых
1l и 2l соответственно.
Поскольку ,5
3
2
1
,
то векторы 1n и 2n
не коллинеарны, а прямые 1l и 2l не параллельны.
Значит, нам даны уравнения двух смежных сторон
параллелограмма. Поскольку, координаты точки A
не удовлетворяют ни одному из уравнений, то вершина
A
не лежит ни на одной из этих прямых.
A
B C
D
2x+5y+6=0
x-3y=02n 1n
Поскольку ,|| 1lAB то )3,1(1 n AB
и,
воспользовавшись формулой (1.1), составим уравнение
прямой AB
по точке )2,1( A
и нормальному
вектору :1n
.073
,0631
,0)2(3)1(1
yx
yx
yx
Аналогично, )5,2(|| 22 nlAD AD
и уравнение прямой :AD
.0852
,010522
,0)2(5)1(2
yx
yx
yx
Пример. Треугольник ABC
задан координатами своих
вершин: ).1,6(),2,2(),2,1( CBA
Требуется:
а) записать уравнение прямой, содержащей сторону ;AB
б) записать уравнение прямой, содержащей высоту CD
и вычислить ее длину .CD
A B
C
D
Решение.а) Для того, чтобы найти уравнение прямой ,AB
воспользуемся каноническим уравнением (1.5).
Направляющим вектором этой прямой возьмем вектор
,AB т.е. ).4,1( ABs
В качестве точки на прямой можно взять любую из точек
A
или ;B
выберем .A
Тогда уравнение прямой
AB
будет
.064
4424
2
1
1
yx
xyyx
б) Запишем уравнение высоты .СD
Воспользуемся
уравнением (1.1) прямой по точке и нормальному вектору.
Поскольку СD
высота треугольника ,ABC
то
AB .CD Значит, в качестве нормального вектора
прямой CD
можно взять вектор ,AB
т.е. ),4,1( ABn
а в качестве фиксированной
точки на прямой берем точку .C
Тогда уравнение CD
.0240)1(4)6(1 yxyx
Вычислим длину высоты .CD
Она равна расстоянию от
точки C
до прямой .AB
Воспользуемся формулой (1.13):
17
19
14
616422
CD
§4. Плоскость в пространстве. Различные виды уравнений плоскости в
пространстве.
Плоскость в пространстве относительно выбранной
прямоугольной системы координат Oxyz можно задать разными способами. Каждому из них
соответствует определенный вид ее уравнения.
1) Уравнение плоскости, проходящей через данную точку перпендикулярно данному вектору (по точке и нормальному вектору).
Положение плоскости в пространстве вполне определяется
какой-либо точкой ),,,( 0000 zyxM
принадлежащей
этой плоскости, и ненулевым вектором
),0)(,,( 222 CBACBAn
перпендикулярным к плоскости.
n
называют нормальным вектором плоскости. Вектор
Р
0M
n
M
Если ),,( zyxM
произвольная точка этой плоскости, то
n .000 MMnMMВыражая скалярное произведение через координаты
векторов MM 0 и ,n получим уравнение
плоскости, заданной точкой и нормальным вектором:
.0)()()( 000 zzCyyBxxA
(4.1)
2) Общее уравнение плоскости.
В уравнении (4.1) раскроем скобки и приведем подобные:
0)( 000 D
CzByAxСzByAx
или
.0 DCzByAx
(4.2)
Уравнение (4.2) называют общим уравнением плоскости
в пространстве.
3) Уравнение плоскости, проходящей через три
данные точки.
Чтобы определить уравнение плоскости, проходящей
через три точки
),,,(),,,(),,,( 333322221111 zyxMzyxMzyxMне принадлежащие одной прямой, необходимо взять
на этой плоскости произвольную точку ).,,( zyxM
Тогда векторы 31211 ,, MMMMMM
компланарны и их смешанное произведение равно нулю.
Следовательно, выражая смешанное произведение векторов
через их координаты, получаем уравнение плоскости,
проходящей через три данные точки:
.0
131313
121212
111
zzyyxx
zzyyxx
zzyyxx
(4.3)
Пример. Составить уравнение плоскости, проходящей
через точки ).3,5,0(),1,6,3(),4,5,2( CBAРешение. Воспользуемся уравнением (2.3):
0
435520
415623
452
zyx
.792177
)4(2)5(17)2(7
702
511
452
zyx
zyx
zyx
Таким образом , уравнение искомой плоскости
.0792177 zyx
4) Уравнение плоскости в отрезках.
Пусть плоскость отсекает на осях OyOx, и Ozсоответственно отрезки ba,
и ,c
т.е. проходит
через три точки ).,0,0(),0,,0(),0,0,( cPbNaM
Z
X
YО b
c
a
M
N
P
Подставляя координаты этих точек в уравнение (2.3), получим
.0
0
0
ca
ba
zyax
Раскрыв определитель, имеем
0|:
0
abcabcabzacybcx
abzacyabcbcx
.1c
z
b
y
a
x
(4.4)
Уравнение (4.4) называется уравнением плоскости в отрезках. Им удобно пользоваться при построении плоскости.
§5 Взаимное расположение двух плоскостей в пространстве.
Пусть плоскости 1P и 2P заданы уравнениями в
общем виде:
.0:
,0:
22222
11111
DzCyBxAP
DzCyBxAP
Тогда их нормальные векторы соответственно
),,( 1111 CBAn и ).,,( 2222 CBAn
Возможны следующие случаи взаимного расположения плоскостей:
1) ;||2
1
2
1
2
1
2
121 D
D
C
C
B
B
A
APP
2) 1P
совпадает с ;2
1
2
1
2
1
2
12 D
D
C
C
B
B
A
AP
3)
1P ;00 212121212 CCBBAAnnP
4) 1P
пересекается с 2P
под углом .
Тогда
.
||||cos
22
22
22
21
21
21
212121
21
21
CBACBA
CCBBAA
nn
nn
§6 Расстояние от точки до плоскости.
Пусть задана точка ),,( 0000 zyxM
и плоскость P
своим уравнением .0 DCzByAx
Расстояние от точки 0M
до плоскости находят по
формуле
.222
000
CBA
DCzByAxd
Вывод этой формулы такой же, как и вывод формулы расстояния от точки до прямой на плоскости.
§7 Прямая в пространстве. Различные виды уравнений прямой в пространстве.
1. Общие уравнения прямой.
Прямую в пространстве можно представить как пересечение двух непараллельных плоскостей , поэтому аналитически ее можно задать системой двух линейных уравнений вида
0
0
2222
1111
DzCyBxA
DzCyBxA
(7.1)
Уравнения (7.1) называют общими уравнениями прямой в пространстве.
𝑃1
𝑃2
𝐿
2. Уравнения прямой по точке и направляющему вектору.
Положение прямой в пространстве определяется однозначно,
если на ней заданы точка ),,,( 0000 zyxM принадлежащая
этой прямой и ненулевой вектор ),,,( pnms
параллельный данной прямой.
Тогда канонические уравнения прямой по точке и
направляющему вектору будут иметь вид
,000
p
zz
n
yy
m
xx
(7.2)
Преобразовав уравнения (7.2) к виду
.,,
0
0
0
t
tpzz
tnyy
tmxx
(7.3)
получим параметрические уравнения прямой в пространстве.
3. Уравнения прямой, проходящей через две точки.
Прямая, проходящая через точки ),,( 1111 zyxM и
),,,( 2222 zyxM определяется уравнениями
12
1
12
1
12
1
zz
zz
yy
yy
xx
xx
(7.4)
§8 Приведение общих уравнений прямой к каноническому виду.
Для того, чтобы привести уравнения (7.1) к каноническому
виду (7.2), нужно определить координаты 000 ,, zyx
какой либо точки ,0M лежащей на этой прямой,
и координаты pnm ,,
направляющего вектора s
прямой.
Чтобы определить точку ,0M нужно в систему (7.1)
подставить конкретное значение одной из переменных и,
решив ее, найти соответствующие значения двух других
переменных.
s
В качестве направляющего вектора можно взять
вектор, равный векторному произведению векторов
),,( 1111 CBAn и ),,( 2222 CBAn , т.е.
.
222
11121
CBA
CBA
kji
nns
(8.1)
Пример. Найти канонические уравнения прямой
.052
015
zyx
zyx
(8.2)
Решение. Определим координаты какой-либо точки прямой.
Для этого, полагая, например ,0z из системы (8.2)
получим систему
,
0
052
01
z
yx
yx
решив которую, найдем:
0,1,2 zyx
или ).0,1,2(0 M
Теперь найдем направляющий вектор .sИмеем ).1,1,2(),5,1,1( 21 nn
Тогда
.3114
112
51121 kji
kji
nns
Отсюда канонические уравнения прямой запишутся в виде
.311
1
4
2 zyx
§9 Взаимное расположение прямых в пространстве.
Пусть прямые 1l и 2l заданы каноническими
уравнениями соответственно
1
1
1
1
1
1
p
zz
n
yy
m
xx
и
.2
2
2
2
2
2
p
zz
n
yy
m
xx
Возможны следующие случаи взаимного расположения прямых:
1)
.),,(
,
,),,(
,||||
21111
2
1
2
1
2
1
21111
2121
lzyxM
p
p
n
n
m
m
lzyxM
ssll
2) 1l совпадает с 2l
.),,(
,
,),,(
,||
21111
2
1
2
1
2
1
21111
21
lzyxM
p
p
n
n
m
m
lzyxM
ss
Под углом между прямыми в пространстве понимают угол между их направляющими векторами. Поэтому, даже если прямые в пространстве скрещиваются, угол между ними все равно можно найти.
3) 1l 2l 1s
.0
0
212121
212
ppnnmm
sss
4) Пусть угол между прямыми равен .
Тогда
.22
22
22
21
21
21
212121
pnmpnm
ppnnmmсos
(9.1)
§10 Взаимное расположение прямой и плоскости в пространстве.
Рассмотрим прямую p
zz
n
yy
m
xxl 000:
и плоскость 0: DCzByAxP в пространстве.
Возможны следующие случаи их взаимного расположения:
1)
.0
,0
,),,(
,0
0000000DCzByAx
pCnBmA
PzyxM
nsPl
𝑃
𝑙𝑀 0�⃗�
�⃗�
2)
.0
,0
,),,(
,0||
0000000DCzByAx
pCnBmA
PzyxM
nsPl
�⃗�
�⃗�𝑙 𝑀 0
𝑃
3) l P
.||C
p
B
n
A
mns
�⃗��⃗� 𝑙
𝑃
4) Прямая l
пересекает плоскость P под углом и
.||
||||
||sin
222222 pnmCBA
CpBnAm
sn
sn
(10.1)
𝜑�⃗�
�⃗�𝑙
𝑃1
Пример. Найти угол между прямой, проходящей через точки
)4,1,5( A и ),3,1,6( B и плоскостью
.0722 zyxРешение. В качестве направляющего вектора прямой можно
взять вектор ).1,0,1(ABs
Так, как нормальный вектор данной плоскости ),1,2,2( n
то по формуле (7.1), получим
.42
1
23
3
101144
|110)2(12|sin