Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
АГ-2.doc
Скачиваний:
15
Добавлен:
11.11.2019
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

5. Прямая линия на плоскости

5.1. Общее уравнение прямой

Определение 5.1. Уравнение

(5.1)

называется уравнением линии на плоскости относительно заданной системы координат, если ему удовлетворяют координаты точек, принадлежащих некоторой линии L, и не удовлетворяют координаты точек, не принадлежащих этой линии.

Определение 5.2. Линия называется алгебраической, если в некоторой прямоугольной системе координат F(x,y) есть полином некоторой степени.

Алгебраическая линия называется линией n-го порядка если F(x,y) − полином степени n.

Теорема 5.1. Если линия в некоторой прямоугольной системе координат определяется алгебраическим уравнением степени п, то и в другой прямоугольной системе координат степень уравнения будет равна п.

Без доказательства.

В трехмерном пространстве определения 5.1 и 5.2 и утверждение теоремы 5.1 можно повторить, заменив слово «линия» словом «поверхность».

Теорема 5.2. Если на плоскости фиксирована прямоугольная система координат Оху, то любая прямая L, принадлежащая плоскости, определяется в этой системе координат уравнением первой степени.

Доказательство. При специальном выборе системы координат, если ось Ох совпадает с прямой, уравнение прямой у = 0 совпадает с уравнением оси Ох. В соответствии с утверждением теоремы 5.1 в любой другой прямоугольной системе координат степень уравнения сохранится.

Пусть уравнение прямой имеет вид:

, . (5.1)

Пусть задана точка М0(х0, у0), координаты которой удовлетворяют уравнению

. (5.2)

Вычитая (5.2) из (5.1), получаем

. (5.3)

Рис. 5.1

Дадим векторное истолкование уравнения (5.3).

Пусть А и В − координаты некоторого вектора , а (х – х0) и (у – у0) − компоненты вектора , начало которого совпадает с точкой , а конец совпадает с произвольной точкой , принадлежащей прямой (рис. 5.1).

Очевидно, что скалярное произведение

является условием ортогональности векторов и .

Вектор называется нормальным вектором прямой.

Уравнение (5.3) есть уравнение прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору . Уравнение (5.3) эквивалентно уравнению (5.1), которое называется общим уравнением прямой.

При условии рассмотрим неполные уравнения прямой.

1) . Уравнение определяет прямую, проходящую через начало координат.

2) . Уравнение определяет уравнение прямой, параллельной оси .

3) . Уравнение определяет уравнение прямой, параллельной оси .

4) А = 0, С = 0. Уравнение определяет уравнение оси Ох.

5) В = 0, С = 0. Уравнение определяет уравнение оси Оу.

Из уравнения (5.1) можно получить уравнение прямой в отрезках:

. (5.4)

В самом деле, уравнение

(5.5)

получено из уравнения (5.1) с помощью элементарных алгебраических преобразований. Обозначив , получим уравнение (5.4).

Чтобы найти координаты точки пересечения прямой с осью , решим систему уравнений, состоящую из уравнения (5.4) и уравнения оси .

. (5.6)

Аналогично можно получить, что координата точки пересечения с осью .

Определение 5.3. Любой ненулевой вектор, параллельный данной прямой, будем называть направляющим вектором прямой.

Пример 5.1. Составить уравнение прямой L, проходящей через точку параллельно вектору .

Рис. 5.2

Решение. Рассмотрим вектор , начало которого совпадает с точкой , а конец − в произвольной точке (рис. 5.2).

Чтобы точка лежала на прямой , вектор должен быть параллелен вектору . Условие параллельности векторов состоит в пропорциональности сходственных координат, из чего следует

. (5.7)

(Нуль в знаменателе в этой пропорции означает, что соответствующий числитель тоже обращается в нуль.)

Это уравнение называется каноническим уравнением прямой.

Приравняв выражение (5.7) параметру , получим параметрические уравнения прямой:

(5.8)

Если принять что, t − время, а вектор скорости, то уравнения (5.8) определяют две проекции уравнения движения точки на координатные оси.

Уравнение прямой, проходящей через две заданные точки и , получим из уравнения (5.7), приняв, что направляющий вектор

, (5.9)

и подставив выражение (5.9) в (5.7):

. (5.10)

Рис. 5.2

Уравнение прямой с угловым коэффициентом получим, приняв, что угловой коэффициент равен тангенсу угла наклона направляющего вектора (рис. 5.3):

. (5.11)

Умножив выражение (5.7) на число и подставив в него (5.11), получим:

. (5.12)

Если принять обозначение , уравнение примет вид

. (5.13)

Здесь координата точки пересечения прямой L с осью Oy, в чем легко убедиться, подставив в (5.13) уравнение оси Oy − x = 0.

Косинус угла между прямыми, а также условия перпендикулярности и параллельности прямых очевидным образом связаны с соответствующими соотношениями между векторами: нормальным − , и направляющим − .

, (5.14)

. (5.15)

Условия перпендикулярности двух прямых:

. (5.16)

Условия параллельности прямых:

, или (5.17)

(ноль в знаменателях этих пропорций означает, что соответствующие числители тоже обращаются в ноль).

В случае двух прямых с угловым коэффициентом

(5.18)

Условие параллельности

, (5.19)

условие перпендикулярности

. (5.20)

Чтобы получить нормальное уравнение прямой из начала координат опустим перпендикуляр на прямую L (рис. 5.4). Пусть Р − точка пересечения перпендикуляра с прямой L, длина отрезка , орт нормали . Чтобы точка лежала на прямой, необходимо и достаточно, чтобы проекция вектора на нормаль равнялась р:

. (5.21)

Уравнение

(5.22)

есть нормальное уравнение прямой.

Рис. 5.2

Пусть d − расстояние от точки до прямой. Отклонение точки от прямой , если точка и начало координат лежат по разные стороны от прямой, и , если точка и начало координат лежат по одну сторону от прямой. (5.23)

Здесь

. (5.24)

Очевидно, что общее уравнение прямой и нормальное уравнение прямой определяют одну и ту же прямую. Следовательно, существует такое число , что

, . (5.25)

. (5.26)

Из третьего равенства выражения (5.25) следует, что знак  противоположен знаку С. Число  называется нормирующим множителем.

Для получения нормального уравнения прямой достаточно умножить общее уравнение на нормирующий множитель .

Определение 5.3. Множество прямых, принадлежащих плоскости , пересекающихся в точке S0, называется пучком прямых.

Теорема 5.3. Уравнение

(5.27)

есть уравнение пучка прямых, пересекающихся в точке S, если и не обращаются в нуль одновременно, а уравнения

и (5.28)

суть уравнения двух прямых, пересекающихся в точке S0. Любая прямая, проходящая через точку S0, определяется уравнением (5.27) при некоторых значениях чисел и .

Доказательство. Преобразуем уравнение к следующему виду:

. (5.29)

Это уравнение прямой, если выражения в скобках не равны нулю одновременно. Предположим противное: пусть обе первые скобки равны нулю. Тогда

из следует ,

из следует .

В итоге

. (5.30)

Это условие параллельности прямых (5.28) противоречит условиям теоремы. Тем самым доказано, что уравнение (5.27) всегда определяет некоторую прямую.

Эта прямая проходит через точку , так как подстановка её координат обращает в нуль каждое из уравнений (5.28), а следовательно, и уравнение (5.27).

. (5.31)

Покажем, что любая прямая, принадлежащая пучку определяется уравнением (5.27) при некоторых значениях чисел  и . Фиксируем точку , отличную от точки . Эти две точки определяют прямую, принадлежащую пучку, единственным образом.

Подставив координаты точки в уравнение (5.27), получим уравнение относительно неизвестных  и :

. (5.32)

В этом уравнении круглые скобки не могут обратиться в нуль одновременно, так как точка не может принадлежать двум различным прямым, так как не совпадает с точкой (5.28).

Пусть

,

Тогда

. (5.33)

Из (5.33) значения  и  определяются с точностью до произвольного общего множителя.

Можно представить уравнение пучка прямых в другом виде, разделив (5.27) на  и положив :

. (5.34)

Уравнение (5.34) не эквивалентно (5.27), так как не позволяет получить прямую .

Случай предоставляется рассмотреть читателю.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]