pismennyy_d_t_konspekt_lekciy_po_vysshey_matematike_polnyy_k

Е§] Уравнения (12.14) называются уравнениями npямoiJ., проходя­

щеit через две данные точки.

z .~ftL

А

о

х

Рис. 76

Рис. 77

Общие уравнения прямой

Прямую в пространстве можно задать как линию пересечения двух

непараллельных плоскостей. Рассмотрим систему уравнений

{А1х + В1у + C1z + D1 =О,

(12.15)

А2х + В2у + C2z + D2 = О.

Каждое из уравнений этой системы определяет плоскость. Если плос­

кости не параллельны (координаты векторов n1 = (А1; В1; С1) и fi2 = = (А2; В2; С2) не пропорциональны), то система (12.15) определяет пря­

мую L как геометрическое место точек пространства, координаты ко­

торых удовлетворяют каждому из уравнений системы (см. рис. 77).

Уравнения (12.15) называют общими уравпени.ями пр.ямоiJ..

От общих уравнений (12.15) можно перейти к каноническим урав­

нениям (12.13). Координаты точки Мо на прямой L получаем из систе­

мы уравнений (12.15), придав одной из координат произвольное значе­ ние (например, z =О).

Так как прямая L перпендикулярна векторам n1 и fi2, то за напра­

вляющий вектор В прямой L можно принять векторное произведение

i j k

В = n1 х n2 = А1 В1 С1

А2 В2 С2

Заме-ч,ание: Канонические уравнения прямой легко получить, взяв две какие-либо точки на ней и применив уравнения (12.14).

100

Пример 12.1. Написать канонические уравнения прямой L, за­

данной уравнениями

{х +у - z + 1 = О,

2х - у - Зz + 5 = О.

х+у=-1,
Q Решение: Положим z = О и решим систему {2х -у= -5.	Находим

точкуМ1(-2;1;О) Е L. Положиму =Оирешимсистему {х-z= -l,

			2x-3z=-5.
Находим вторую точку М2(2; О; 3) прямой L. Записываем уравнение
прямой L, проходящей через точки М1		и Л12:	•
х+2	у-1	z
4	= -=т- = з·

12.5. Прямая линия в пространстве. Основные задачи

Угоn меЖАУ прямыми. Условия параллельности

и перпенАикулярности прямых

	Пусть прямые L 1		и L2 заданы уравнениями
			Р1
и	Х - Х2	У - У2	Z - Z2
	--- = -- = --
	m2	n2	Р2
Под углом между этими прямыми по­
нимают угол между направляющими
векторами S1		= (m1;n1;p1) и S2 =		Рис. 78
= (m2;n2;P2)		(см. рис. 78). Поэтому,

по известной формуле для косинуса угла между векторами, получаем

81 ·S2

costp = IS11 · IS2I или

(12.16)

Для нахождения острого угла между прямыми L 1 и L 2 числитР.ль пра­

вой части формулы (12.16) следует взять по модулю.

Если прямые L 1 и L 2 перпендикулярны, то в этом и только в этом

случае имеем costp =О. Следовательно, числитель дроби (12.16) равен нулю, т. е. m1m2 + n1n2 +Р1Р2 =О.

101

Если прл.мие L 1 и L 2 параллельны, то параллельны их направля­

ющие векторы S1 и S2 . Следовательно, координаты этих векторов про­

порциональны, т. е. !!!.1. = !!.l = Е!

m2	n2	Р2
Пример 12. 2. Найти угол между прямыми
х у-2	z+2		2х + у - z -	1 = О,
2 = -1 =	3	и	{ 2х - у + 3х	+ 5 = О.

а Решение: Очевидно, S1 = (2; -1; 3), а S2 = n1 Xn2, где n1 = (2; 1; -1), n2 = (2; -1;3). Отсюда следует, что S2 = (2;-8;-4). Так как S1·S2 =

= 4 + 8 - 12 = о, то 'Р = 90°. •

Условие, при котором две прямые лежат в одной плоскости

Пусть прямые L1 и L2 заданы каноническими уравнениями

Х - Х1	у -у1	= Z - Z1
т1	n1	Р1
и	у-у2 Z - Z2
Х - Х1
m2	n2	Р2

Их направляющие векторы соответст­

у

х

Рис. 79

через точку М2(х2; Y2i z2),

Тогда

венно S1 = (m1;n1;p1) и S2 = (m2;n2;p2)

(см. рис. 79).

Прямая L 1 проходит через точку

М1 (х1; У1; z1), радиус-вектор которой

обозначим через r 1 ; прямая L2 проходит

радиус-вектор которой обозначим через f2.

f2 - f1 = М1М2 = (х2 -X1iY2 -y1;z2 - z1).

Прямые L 1 и L 2 лежат в одной плоскости, если векторы S1 , S2 и

М1М2 = f2 -f1 компланарны. Условием компланарности векторов явля­

ется равенство нулю их смешанного произведения: (r2 - f1)S1 S2 = О,

т. е.

Х2 - Х1 У2 -у1 Z2 - Z1

т1	n1	Р1	=о.
m2	n2	Р2

При выполнении этого условия прямые L 1 и Lz лежат в одной плос­

кости, то есть либо пересекаются, если S2 -::/:- >..S1 , либо параллельны,

если S1 11 S2.

102

12.б. Прямая и плоскость в пространстве.

Основные задачи

Угол междУ прямой и плоскостью. Условия параллельности

и перпендикулярности прямой и плоскости

Пусть плоскость Q задана уравнением Ах+ Ву+ Cz + D = О, а

прямая L уравнениями х -	Хо = '!L.=Jls!= z - Zo .
m	п	р

~Углом между прямой и плоскостью называется любой из двух

смежных углов, образованных прямой и ее проекцией на плос­

кость. Обозначим через r.p угол между плоскостью Q и прямой L, а

через (} -· угол между векторами n = (А; В; С) и S =				(m; n;p)	(см.
рис. 80). Тогда cosO = l:i:		&i·Найдем синус угла r.p, считая t.p			~ ~:
sinr.p = sin(~ - О)= cosO. И так как siпr.p ~О, получаем
sinr.p =		!Ат+ Вп + Cpl	.	(12.17)
	JА2 + в2 + с2 . Jm2 + п2 + р2
Если пр.яма.я L	параллельна плоскости Q, то векторы n и S пер­
пендикулярны (см.	рис. 81), а потому S · n.= О, т. с.

Am+Bn+Cp =О

§является условием nарал.л.ельности прямой и плоскости.

		L
		Q
	Q	L
Рис. 80	Рис. 81	Рис. 82
Если пр.яма.я L	перпендику.л..ярна плоскости Q, то векторы n 1-f S

параллельны (см. рис. 82). Поэтому равенства

А	=	В	=	С
m		п		р

~являются усл.ови.ями nерnендикул..ярностu прямой и плоско­

сти.

103

Пересечение прямой с плоскостью. Условие принадлежности

прямой плоскости

Пусть требуется найти точку пересечения прямой

	Х-Хо	у-уо	Z - Zo	(12.18)
	m	п	р
	с плоскостью			(12.19)
	Ах+ Ву+ Cz + D =О.

Для этого надо решить систему уравнений (12.18) и (12.19). Проще все­

го это сделать, записав уравнения прямой (12.18) в параметрическом

виде:

{х =Хо+ mt,

у= Уо + nt,

Z = Zo + pt.

Подставляя эти выражения для х, у и z в уравнение плоскости (12.19}, получаем уравнение А(хо + mt) + В(уо + nt) + C(zo + pt) + D =О или

t(Am + Вп + Ср) +(Аха+ Вуо + Cza + D) =О.

(12.20}

Если прямая L не параллельна плоскости, т. е. если Ат+ Вп +Ср -::J. О,

то из равенства (12.20} находим значение t:

t = - Аха + Вуа + Сza + D .

Am+Bn+Cp

Подставляя найденное значение t в параметрические уравнения пря­

мой, найдем координаты точки пересечения прямой с плоскостью.

Рассмотрим теперь случай, когда Ат+ Вп + Ср =О (L 11 Q):

а) если F = Ахо + Вуо + Czo + D -::J. О, то прямая L параллель­

на плоскости и пересекать ее не будет (уравнение (12.20) решения не имеет, так как имеет вид О· t + F =О, где F -::J. О);

б} если Ах0 + Вуа + Cz0 + D = О, то уравнение (12.20} имеет вид t · О +О = О; ему удовлетворяет любое значение t, любая точка прямой является точкой пересечения прямой и плоскости. Заключаем: пря­

мая лежит в плоскости. Таким образом, одновременное выполнение

равенств

{Ат+Вп +Ср =О,

Аха+ Вуа + Cza + D =О

~является условием nринадле;нсносmи nрямоi1. плоскости.

12.7.Цилиндрические поверхности

~Поверхность, образованная движением прямой L, которая переме­

щается в пространстве, сохраняя постоянное направление и пере­

секая каждый раз некоторую кривую К, называется ци.л,индрическоi1.

104

поверхностью или цuл.индро.м. При этом кривая К называется на­ nрав.л.яющеit цилиндра, а прямая L - его образующеit (см. рис. 83).

Будем рассматривать цилиндрические поверхности, направляю­

щие которых лежат в одной из координатных плоскостей, а образующие

параллельны координатной оси, перпендикулярной этой плоскости.

Пусть в плоскости Оху лежит некоторая линия К, уравнение ко­

торой

F(x;y) =О.

(12.21)

Построим цилиндр с образующими параллельными оси Oz и направля­ ющей К.

Теорема 12.1. Уравнение цилиндра,		образующие которого парал­
лельны оси Oz, имеет вид (12.21), т. е.		не содержит координаты z.
	z
L		•М(х;ц;z)
к
Рис. 83		Рие. 84

Q Возьмем на цилиндре любую точку М(х; у; z) (см. рис. 84). Она ле­

жит на какой-то образующей. Пусть N - точка пересечения этой обра­

зующей с плоскостью Оху. Следовательно, точка N лежит на кривой

К и ее координаты удовлетворяют уравнению (12.21).

Но точка М имеет такие же абсциссу х и ординату у, что и точка N. Следовательно, уравнению (12.21) удовлетворяют и координаты точки М(х; у; z), так ка.к оно не содержит z. И так как М -- это любая точка

цилиндра, то уравнение (12.21) и будет уравнением этого цилиндра. •

Теперь ясно, что F(x; z) = О есть уравнение цилиндра с образую­ щими, параллельными оси Оу, а F(y; z) =О - с образующими, парал­

лельными оси Ох. На.звание цилиндра определяется названием напра­ вляющей. Если направляющей служит эллипс

х2 у2

2+2=1

а Ь

в плоскости Оху, то соответствующая цилиндрическая поверх­

ность называется эллиnmически.м цилиндром (см. рис. 85).

105

z

z

у	у
	х

Рис. 85 Рис. 86

~Частным случаем эллиптического цилиндра является кругово11.

цил.индр, его уравнение х2 + у2 = R 2 . Уравнение х2 = 2pz опреде­

ляет в пространстве nарабол.ическиit цил.индр (см. рис. 86). Уравне-

ние	х2	у2

---- 1

а2 ь2 -

определяет в пространстве гиnербо.аическиiL цилиндр (см.

рис. 87).

Все эти поверхности называются цилиндрами второго nорsсд­

ка, так как их уравнения есть уравнения второй степени относи-

тельно текущих координат х, у и z.

12.8. Поверхности вращения. Конические поверхности

Поверхность, образованная вращением некоторой плоской кривой

вокруг оси, лежащей в ее плоскости, называется поверхностью вра­

щения. Пусть некоторая кривая L лежит в плоскости Oyz. Уравнения

этой кривой запишутся в виде

F(y; z) =О,

(12.22)

{ х =о.

Найдем уравнение поверхности, образованной вращением кривой L во­

круг оси Oz.

Возьмем на поверхности произnольную точку М(х; у; z) (см. рис. 88). Проведем через точку М плоскость, перпендикулярную оси

Oz, и обозначим точки пересечения ее с осью Oz и кривой L соответ­

ственно через 0 1 и N. Обозначим координаты то<:1ки N через (О; у1; z1 ).

Отрезки 01М и 0 1 N являются радиусами одной и той же окружности.

Поэтому О1М = 01N. Но О1М = Jx 2 + у2 , 01N = IY1J. Следователь­ но, IY1I = Jx2 + у2 или У1 = ±Jx 2 + у2 • Кроме того, очевидно, z1 = z.

106

z

	1	1
	1		---~
'	- 1	1
	',:	......	-.... -
:	.,,.,,,."
.~
			х
	Рис. 87			Рис. 88
Так как точка N лежит на кривой L, то ее координаты удовлетво­
ряют уравнению (12.22). Стало быть, F(y1; z1 )				= О. Исключая вспомо­
гательные координаты у1			и z1 точки N, приходим к уравнению
		F(±Jx 2 + у2 ; z) =О.		(12.23)

Уравнение (12.23) - искомое уравнение поверхности вращения, ему удовлетворяют координаты любой точки М этой поверхности и не удо­

влетворяют координаты точек, не лежащих на поверхности вращения.

Как видно, уравнение (12.23) получается из (12.22) простой заме­

ной у на ± Jх2 + у2 , координата z сохраняется.

Понятно, что если кривая (12.22) вращается вокруг оси Оу, то

уравнение поверхности вращения имеет вид

F(y; ±J х2 + z 2 ) = О;

если кривая лежит в плоскости Оху (z = О) и ее уравнение F(x; у) = О,

то уравнение поверхности вращения, образованной вращением кривой

вокруг оси Ох, есть F(x; ±Jy2 + z2) =О.

§Так, например, вращая прямую у= z вокруг оси Oz (см. рис. 89),

получим поверхность вращения (ее уравнение ± Jх2 + у2 = z или

х2 + у2 = z 2 ). Она называется конусом второго порядка.

§Поверхность, образованная прямыми линиями, проходящими через данную точку Р и пересекающими данную плоскую линию L

(не проходящую через Р), называется коническоii. nовера::ностью или конусом. При этом линия L называется наnрав.п.яющеt'i конуса,

точка Р - ее вершиноii., а прямая, описывающая поверхность, пазы-

~ вается обраэующеii..

107

z

у

х

х

Рис. 89

Рис. 90

Пусть направляющая L задана уравнениями

F1(x;y;z) =О,

(12.24)

{F2(x; у; z) =О,

аточка Р(х0; у0; z0 ) - вершина конуса. Найдем уравнение конуса.

Возьмем на поверхности конуса произвольную точку М(х; у; z) (см.

рис. 90). Образующая, проходящая через точки Р и М, пересечет на­

правляющую L в некоторой точке N (х1 ; у1 ; z1). Координаты точки N удовлетворяют уравнениям (12.24) направляющей:

F1(X1iY1;z1) =О,

(12.25)

{ F2(x1;y1;z1) =О.

Канонические уравнения образующих, проходящих через точки Р и N,

имеют вид		z -zo
х -хо	у-уо
	У1 - Уо	(12.26)
Х1 - Хо		Z1 - Zo

Исключая х1, у1 и z1 из уравнений (12.25) и (12.26), получим уравнение

конической поверхности, связывающее текущие координаты х, у и z.

При.мер 12.3. Составить уравнение конуса с вершиной в точке

2 2

0(0;0;0),если направляющей служит эллипс~+~= 1, лежащий в

плоскости z = с.

Q Решение: Пусть M(x;y;z) - любая точка конуса. Канонические

уравнения образующих, проходящих через точки (О; О; О) и	точку
(x1;y1;z1) пересечения образующей ОМ с эллипсом будут ..L	1L
Xt	У1

108

;:;: ; • Исключим х1, У1 и z 1 из этих уравнений и уравнения

1

				Х12 + У12	= 1					(12.27)
				а2 ь2
(точка (x 1 ;y1 ;z1 )		лежит на эллипсе), z1				=с. Имеем: Jf.... =			~,	.1L =	~
	= с· ;!;.							Х1	С	Yl	С
Отсюда х1		и у1	= с· у_. Подставляя значения х1 и у1						в уравнение
	z		z
эллипса (12.27), получим
	с2. х2		с2. у2			х2 У2 z2
	-- + --- 1 или					2+2=2·
	z2 . а2		z2 . ь2	-		а	Ь	с

Это и есть искомое уравнение конуса.	•

12.9. Канонические уравнения поверхносте~

второго порядка

По заданному уравнению поверхности второго порядка (т. е. по­

верхности, уравнение которой в прямоугольной системе координат яв­

ляется алгебраическим уравнением второй степени) будем определять

ее геометрический вид. Для этого применим так называемый метод

сечениil.: исследование нида поверхности будем производить при помо­

щи изучения линий пересечения данной поверхности с координатными

плоскостями или плоскостями, им параллельными.

ЭллипсоиА

Исследуем поверхность, заданную уравнением

х2 у2	z2		(12.28)
2+ь2+2= 1		·
а	с

Рассмотрим сечения поверхности (12.28) с плоскостями, параллельны­

ми плоскости хОу. Уравнения таких плоскостей: z = h, где h - любое

число.

Линия, получаемая в сечении, определяется двумя уравнениями

	~+~=1-~,	(12.29)
	{z = h.

Исследуем уравнения (12.29):

а) Если jhj > с, с > О, то ~2 + ~2 < О. Точек пересечения поверх-

ности (12.28) с плоскостями z = h не существует.

109