книги / Аналитическая геометрия.-1
.pdf§. 11] |
|
ПОЛЯРНЫЕ |
КООРДИНАТЫ |
31 |
|||
З а м е ч а н и е . |
Переход от (18) к (18') можно сделать лишь при |
||||||
условии, что ни одно из чисел |
х г — х % и |
у г — у % не |
равно нулю. |
||||
Однако, так |
как |
равенство |
(18') |
более удобно для запоминания, то |
|||
условимся |
записывать его |
и |
в |
случае |
обращения |
знаменателей |
в нуль. Только тогда, конечно, эту запись нужно будет понимать не буквально, так как на нуль делить нельзя, а условно. Будем счи тать, что равенство (18') всегда означает то же, что (18), т. е. что
произведение |
крайних членов (JCX— х г)(у 2— у я) |
равно |
произведе |
||
нию средних членов |
(х2 — х 2) (ух— y z). Например, |
~ = |
у значит, |
||
что |
лг1- 1 = ^ 1«0, т. |
е. jc1 = 0. |
|
|
|
|
§ И . Полярные координаты. Для определения положения точки |
||||
на |
плоскости, |
кроме |
рассмотренной выше декартовой |
прямоуголь |
ной системы координат, довольно часто применяется полярная си
стема |
координат. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полю |
||
|
Пусть на плоскости даны некоторая |
точка |
О (назовем |
ее |
||||||||||
сом) |
и проходящая |
через |
нее ось |
ОР |
(назовем ее полярной осью), |
|||||||||
а |
также |
указана |
единица |
масштаба. |
Будем |
|
|
|
|
|
||||
определять положение произвольной точки М |
|
|
|
|
|
|||||||||
плоскости по отношению к полюсу и |
поляр |
|
|
|
|
|
||||||||
ной оси. Назовем полярным радиусом |
точки |
|
|
|
|
|
||||||||
М |
ее |
расстояние |
г = О М |
от |
полюса |
и |
по |
|
Рис. |
24. |
|
|||
лярным углом точки М угол |
<р |
*между |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
полярной |
осью и направленным |
отрезком |
ОМ (рис. 24); |
условимся, |
||||||||||
кроме того, угол ф брать |
в границах — ж ^ ф ^ я . |
Тогда, очевидно, |
||||||||||||
каждой точке М плоскости соответствует |
единственная |
пара чисел г, |
||||||||||||
Ф (исключением является полюс, для |
которого |
г = |
0, |
а |
ф |
произ |
||||||||
вольно). |
Обратно, |
каждой |
паре |
чисел г, ф ( г ^ 0 , |
- ^ я < ^ ф ^ я ) |
соответствует единственная точка плоскости, для которой г является
полярным |
радиусом, |
а ф — полярным |
углом. |
Полярный |
радиус |
||
и полярный |
угол точки будем называть ее полярными координатами. |
||||||
|
|
Полярные координаты |
условимся |
записы |
|||
|
|
вать в скобках |
после |
буквы, |
обозначаю |
||
|
|
щей точкууказывая сначала |
г, а потом ф: |
||||
|
|
М(г, ф ). |
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е р . |
Построить точку А ^2, — |
||||
|
|
в полярной системе координат. |
|
|
|||
Рис. 25. |
Проведем через полюс ось под углому Я к по- |
||||||
лярной оси (другими словами, повернем поляр |
|||||||
ную ось на угол у3 я) и |
|||||||
отложим от полюса в |
положительном |
направлении |
построенной оси отрезок ОА, равный по длине двум единицам. Японец А этого
отрезка и будет искомой точкой (рис. 25).
3 2 |
|
|
|
МЕТОД |
КООРДИНАТ |
|
|
|
|
|
|
[ГЛ. 1 |
||||||||
Можно установить связь между декартовыми и полярными |
||||||||||||||||||||
координатами одной |
и |
той |
же |
точки. Пусть даны декартова си |
||||||||||||||||
|
|
стема координат и полярная с |
полюсом |
в |
начале |
|||||||||||||||
|
|
координат и полярной осью, совпадающей с осью |
||||||||||||||||||
|
|
абсцисс |
(рис. |
26). Обозначим через х и у де |
||||||||||||||||
|
|
картовы |
координаты |
произвольной |
точки М, |
через |
||||||||||||||
|
|
г и ф — ее |
полярные |
|
координаты. |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Мы |
знаем, |
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 26. |
|
|
|
|
|
х = |
прх ОМ, |
у = |
пр |
ОМ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(гл. I, § |
9, формулы |
(14')) |
и, |
с другой стороны, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
прх ОМ = |
г cos ф, |
пру ОМ = |
г sin ф |
|
|
|
|
|||||||||||
(гл. I, § 9, формулы (12)). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Поэтому |
|
|
|
ХС= |
1Г COS ф, |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(19) |
|||||||
|
|
|
|
|
>= |
Г5Шф. |
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Формулы |
(19) выражают |
декартовы |
координаты |
точки |
М через |
|||||||||||||||
ее полярные |
координаты. Чтобы |
найти |
полярные |
координаты |
точки, |
|||||||||||||||
зная ее декартовы координаты, возведем обе |
части |
каждого |
из |
|||||||||||||||||
равенств |
(19) |
в квадрат |
и |
затем |
сложим |
их |
почленно. Получим: |
|
||||||||||||
|
|
х 2 -{-у2= |
г2 (cos2 ф |
|
sin2 ф), |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
т. е. |
|
|
|
|
г* = |
* * + / . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
_______ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
г = |
V X 2~\~у2. |
|
|
|
|
|
|
(20) |
|||||||
Далее, |
из |
равенств |
(19) |
получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(21) |
|
По формуле (21) определяется тангенс |
полярного угла ф; |
при |
||||||||||||||||||
этом получаются два значения ф |
(напомним, |
что |
— л < ^ ф ^ я ) , |
ле |
||||||||||||||||
жащие в разных четвертях. |
|
Так |
как |
>у = |
г8!'пф, |
то |
из |
этих |
двух |
|||||||||||
значений угла ф нужно выбрать |
то, |
для |
|
которого |
синус |
|
имеет |
тот |
||||||||||||
же знак, что |
и у . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е р . |
Даны декартовы координаты точки М: х = \ , |
у = |
— 1. |
Найти |
||||||||||||||||
полярные координаты. По формулам |
(20) и (21) имеем: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
г=УT+\=V% t g q > - = - l . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
тт |
|
. |
|
3 |
и ф = |
|
я |
|
|
|
|
ф = |
|
я |
|
|
||||
Из двух значении ф = |
— я |
-----нужно взять |
----------, так как |
sin ф в данном случае должен иметь отрицательный знак.
|
УПРАЖНЕНИЯ |
|
|
|
33 |
|
Итак, полярные координаты данной точки |
|
|
|
|
||
|
г = Г2, |
<р = — |
2 - . |
|
|
|
З а м е ч а н и е . Для |
введенных |
нами |
полярных |
координат |
О, |
|
— я < ^ ф ^ я . Однако |
такое ограничение иногда оказывается стесни |
|||||
тельным; в дальнейшем |
мы будем |
считать, |
что г |
и ф могут |
прини |
|
мать любые значения от — оо до -J-oo. |
В таком случае построение |
точки по ее полярным координатам г и ф условимся производить
следующим образом. |
О ось под углом ф к |
|
|
|||
Проведем через полюс |
полярной оси (т. е., |
|||||
другими словами, |
повернем |
полярную ось на угол ф, |
делая, в слу |
|||
чае надобности, |
несколько |
полных оборотов) и отложим от полюса |
||||
отрезок ОМ длиною |г | в |
положительном |
направлении |
построенной |
|||
оси, если г^> 0, и в отрицательном при |
г< ^0 . |
Конец |
М этого от |
|||
резка будет искомой точкой. Очевидно, |
при |
таком, построении поляр |
ный радиус точки М равен величине направленного отрезка ОМ, лежащего на оси, проведенной под углом ф к полярной оси. Суще ственно, что паре любых действительных чисел г и ф соответствует
единственная точка |
М. Именно поэтому |
эти числа и считаются коор |
|||
динатами точки. |
|
|
|
|
|
Заметим |
еще, |
что формулы |
(19) |
остаются |
справедливыми не |
только при |
г ^2 0, |
— я < ( ф < я , |
но и |
в общем |
случае. Для дока |
зательства этого нужно воспользоваться выражениями проекций
направленного отрезка |
ОМ |
на |
оси координат |
через |
его |
в е л и |
|||||||||
ч и н у |
г и угол |
ф между осью Ох и осью, |
на которой лежит |
этот |
|||||||||||
направленный отрезок (гл. 1, § 9, формулы |
(13)). В этом случае при |
||||||||||||||
нахождении |
г из |
формулы гг= |
х г-\-у г |
радикал |
можно |
брать |
с |
лю |
|||||||
бым знаком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г = ± у ^ Т 7 > |
формуле (21), |
|
|
(20') |
|||||||
после |
этого |
угол |
ф может быть |
найден |
по |
причем ф |
|||||||||
выбирается |
так, |
чтобы' sin ф |
имел |
тот |
же |
знак, |
что и -у |
(так |
как |
||||||
y = rsin ф). |
|
|
Упражнения *) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1. Построить точки, определяемые в данном масштабе |
координатами: |
|
|||||||||||||
х = |
2, |
г/ = 5; |
х = |
— 3, |
|
у = |
0; |
|
х = 3, |
|
У = |
~ 4; |
|
||
х = 0, |
у = 4; |
* = 3, |
|
У — — 3; |
|
* = / 2 , |
|
У = 1. |
|
|
|||||
2. Дана точка, |
определяемая |
координатами х = 5, у = |
— 2. |
Найти |
коор |
||||||||||
динаты точки, симметричной с данной относительно оси абсцисс, |
|
|
биссек |
||||||||||||
'3. Найти |
точку |
б, симметричную точке |
А (2, |
— 4) |
относительно |
||||||||||
трисы I |
и III |
координатных углов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
') Ответы к упражнениям помещены в конце книги; к упражнениям, но мера которых помечены звездочкой, даны решения.
34 |
МЕТОД КООРДИНАТ |
[ГЛ. I |
|
||
цисс. 4. Найти координаты точки, симметричной А |
(а,Ь) относительно оси абс |
|
|
5. Найти координаты точки, симметричной |
А (а,Ь) относительно оси |
ординат. |
|
6.Найти координаты точки, симметричной А (а, Ь) относительно начала координат.
7.Показать, что точка А2, симметричная Л, (а, Ь) относительно биссек
трисы I |
и III координатных углов, будет иметь координаты (b, а). |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
8. |
Дан |
квадрат |
со стороной, |
равной 2 единицам. Чему будут равняться |
|||||||||||||||||||
координаты |
вершин этого |
квадрата, |
если |
оси |
координат |
направить |
по каким- |
||||||||||||||||
нибудь двум из его непараллельных сторон? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
9. |
Дан |
квадрат, |
сторона |
которого |
равна |
2 |
единицам. |
Чему |
будут |
|
рав |
||||||||||||
няться координаты его вершин, если оси |
координат направить |
по |
диагоналям |
||||||||||||||||||||
этого квадрата? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
10. |
Дан |
ромб, |
сторона которого равна |
5 |
единицам, |
а одна |
из |
диагоналей |
|||||||||||||||
6 единицам. Чему будут равняться координаты его вершин, если |
оси коор |
||||||||||||||||||||||
динат направить по диагоналям этого ромба? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
11. |
Найти |
координаты |
вершин |
правильного |
шестиугольника, сторона |
|
ко |
||||||||||||||||
торого равна а, при условии, |
что |
начало |
координат помещено |
в |
центре |
|
ше |
||||||||||||||||
стиугольника, |
а ось |
абсцисс |
проходит |
через |
две противоположные |
его |
вер |
||||||||||||||||
шины. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точки А (— 3, |
|
|
||||
12. |
Точка, двигаясь прямолинейно, |
переместилась |
из |
|
— 2) |
||||||||||||||||||
в точку |
В (4, |
5). Определить |
пройденный |
путь |
и угол |
а |
|
между |
осью |
Ох и |
|||||||||||||
направлением движения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
13. |
Есть ли среди внутренних |
углов треугольника |
с |
вершинами |
в точках |
||||||||||||||||||
А( 1, 1), |
В (— 1, 2) |
и |
С (3, |
3) |
тупой угол? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А (3, 2), |
|||||||
14. |
Доказать, |
что треугольник, |
вершинами |
которого служат точки |
|||||||||||||||||||
В (6, 5), |
С (1, |
10),— прямоугольный. |
|
|
|
|
|
|
|
А (2, 3), |
В (— 3, |
|
|||||||||||
15. |
Найти |
периметр |
треугольника |
с |
вершинами |
|
3), |
||||||||||||||||
С(0 ,- 1 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А (2, |
|
В (—2, |
|
||||
16. |
Найти |
длины |
медиан |
треугольника |
с |
вершинами |
1), |
3), |
|||||||||||||||
С(0, 3). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17. |
Проведен отрезок |
от точки |
(1, |
— 1) до точки (— 4, |
|
5). До какой точки |
|||||||||||||||||
нужно продолжить его в том же |
направлении, |
чтобы |
его |
длина |
утроилась? |
||||||||||||||||||
18. |
Найти на оси абсцисс точку, |
которая |
отстоит на |
одинаковом |
расстоя |
||||||||||||||||||
нии от начала координат и от |
точки (— 5, |
3). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
19. |
Найти точку, |
находящуюся |
на |
равных |
расстояниях |
|
от осей |
координат |
иот точки (3, 6).
20.Найти точку, находящуюся на расстоянии 10 единиц от оси абсцисс
иот точки (— 5, 2).
21.Прямая линия проходит через точки А (2, 4) и В (5, 1). Найти на ней
точку, |
абсцисса которой равна — 3. |
|
|
|
|
|
у) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
22. |
Расстояние между точками' (х, 5) и |
(— 2, |
делится |
в |
точке |
(1, |
1) |
||||||||||
пополам. Найти |
эти точки.. |
|
|
(0, |
|
2) и |
(8, 0) |
в таком |
же *отно |
||||||||
23. |
Разделить отрезок |
между точками |
|
||||||||||||||
шении, в каком находятся расстояния этих точек от начала координат. |
|
|
|||||||||||||||
24. |
Две вершины |
треугольника |
даны |
координатами |
х, = |
3, |
у х— 1 |
и |
|||||||||
хг = — 2, у г = |
Ъ. Найти третью вершину при |
условии, |
чтобы |
середины |
про |
||||||||||||
ходящих через нее сторон лежали на осях координат. ^ |
|
одна |
из |
двух |
|||||||||||||
25. |
Основание треугольника равно а, высота равна h и |
||||||||||||||||
других |
сторон |
равна |
Ь. |
Принимая |
основание |
и |
высоту |
за |
оси координат, |
||||||||
найти координаты середины третьей стороны. |
|
треугольника, |
вершины |
кото |
|||||||||||||
26*. Определить точку |
пересечения |
медиан |
|||||||||||||||
рого суть А (1, |
2), £ (0 , 5), С ( — 2, 3). |
|
|
|
— 8), |
|
|
|
„ |
|
|
|
|||||
27. |
В ерш ины треугольника суть |
(5, |
0), |
(3, |
(1, — |
4). |
|
Наити точки, |
в которых медианы его делятся на три равные части.
УПРАЖНЕНИЯ |
35 |
28.Выразить координаты центра тяжести треугольника через координаты его вершин.
29.Показать, чго если система состоит из п материальных точек At (xu ух),
A2{x2t #2)1 • • •» Ап (хю Уп)> |
в |
которых |
сосредоточены |
соответственно |
массы |
||||||||||||
/л„ т 2, |
т а, . . . , т п, |
то |
координаты |
центра тяжести |
этой |
системы определятся |
|||||||||||
формулами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
х _ х,т, + х2тг + |
• • • + х„т„ |
_ |
у,т, - f |
угтг + |
. . . |
+ |
у„тп |
|
|||||||||
|
|
т1+ т2 + |
• • • + |
тп |
' |
|
rni + |
тг + |
• • • + |
тп |
|
|
|||||
30. |
|
Определить |
площадь |
треугольника |
с вершинами |
в |
точках |
Л(0, 1), |
|||||||||
В(3, 4), |
С (— 1, - 1 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
31. |
|
Вычислить площадь четырехугольника с вершинами в точках А (—2, —3), |
|||||||||||||||
£ ( - 1 , |
|
4), С (3, 3) и D (6, |
- 1 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
32. |
|
Узнать, лежат ли точки (2, 3), (5, 7), (11, 15) на-одной прямой. |
|||||||||||||||
33. |
|
Определить |
величину |
и направление силы |
Р, |
зная, |
что ее |
проекции |
|||||||||
на оси |
координат равны Рх = |
5, P v = 1 2 . |
треугольника, |
вершины |
которого |
||||||||||||
34. |
|
Найти |
центр |
тяжести |
проволочного |
||||||||||||
лежат |
в |
точках |
О (0, |
0), |
А (4, |
0) и |
В (3, |
4). |
|
трапеции, |
большее |
осно |
|||||
35. |
|
Однородная доска имеет вид прямоугольной |
|||||||||||||||
вание которой равно а, |
меньшее b |
и высота |
h. Найти |
положение ее |
центра |
тяжести (толщиной пренебречь).
36.Найти декартовы координаты точек, полярные координаты которых следующие:
37.Найти полярные координаты точек, декартовы координаты которых
следующие:
Л(3, - 2 ) , В ( - 1, - 1 ) , С (3, 0), D(0, - 4 ) .
Г Л АВ А II
ЛИНИИ И ИХ УРАВНЕНИЯ
§ 1. Составление уравнений заданных линий. В предыдущей главе было показано, что в декартовой системе координат каждой точ ке плоскости соответствует пара действительных чисел и, наоборот, каждой такой паре чисел соответствует определенная точка плоскости.
Теперь установим, что линиям на плоскости соответствуют урав нения с двумя переменными. Эта связь между линиями и уравне ниями позволит свести изучение геометрических свойств линий к ис
следованию |
аналитических свойств соответствующих |
им |
уравнений. |
||||
В аналитической геометрии всякую линию рассматривают как |
|||||||
геометрическое место точек. В определении линии |
как |
геометриче |
|||||
ского |
места |
точек содержится |
свойство, |
общее |
всем |
ее точкам. |
|
Так, |
например, окружность с |
центром в |
точке |
С и |
радиусом R |
можно рассматривать как геометрическое место точек плоскости,
отстоящих от С на расстоянии R . Это |
значит, |
что для |
всякой |
||||||
точки |
М, лежащей на |
окружности, M C = R , если |
же |
точка |
М не |
||||
лежит |
на окружности, |
то M C=^R. |
|
|
|
|
|||
Возьмем |
на |
плоскости |
какую-нибудь |
линию, |
выберем |
в этой |
|||
плоскости декартову систему координат и |
рассмотрим |
произвольную |
|||||||
точку указанной линии. Если эта точка будет перемещаться |
по дан |
||||||||
ной линии, |
то ее |
координаты |
х и у будут |
меняться, |
оставаясь, од |
нако, связанными некоторым условием, характеризующим ‘точки ли
нии. |
Таким |
образом, |
мы |
получаем |
некоторое |
соотношение |
между |
|||
х и у , которое будет |
выполняться |
только придвижении точки по |
||||||||
линии и нарушится, если точка сойдет с линии. |
|
|
||||||||
Следовательно, |
линии |
на |
плоскости |
соответствует некоторое |
||||||
уравнение с двумя переменными х |
и у. |
Такое уравнение |
между |
|||||||
переменными х и у, |
которому удовлетворяют координаты |
любой |
||||||||
точки, лежащей на |
линии, |
и не |
удовлетворяют координаты ни |
|||||||
одной точки, не лежащей на ней, |
называется уравнением |
данной |
||||||||
линии. Входящие |
в это уравнение |
координаты |
х н у произвольной |
|||||||
точки линии называются текущими координатами. |
|
|||||||||
Рассмотрим несколько простейших примеров составления |
уравне |
|||||||||
ний |
данных |
линий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 21 |
|
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ |
СМЫСЛ УРАВНЕНИЙ |
87 |
||
П р и м е р |
1. |
Найти |
уравнение прямой, делящей пополам |
отрезок между |
||
точками Л(1, |
2), |
В (— 3, |
4) и перпендикулярной к нему. |
|
||
Будем рассматривать эту прямую как геометрическое место точек, рав |
||||||
ноудаленных |
от |
точек А |
и В . Пусть |
М |
(х, у) — произвольная |
точка указан |
ной прямой. Равенство |
A M |
— |
В М |
(1) |
||
|
|
|
выражает общее свойство всех точек этой прямой (если же М не будет лежать
на данной прямой, то A M |
Ф В М ) . |
Для |
составления уравнения прямой остается |
|||||||||||||||||
выразить расстояния A M |
и В М |
через |
координаты |
точки М |
и полученные вы |
|||||||||||||||
ражения подставить в равенство (1). Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
V ( X - |
|
I ) 2 + |
(у - |
2)2 = |
У(х + 3)* + {у - |
А)К |
|
||||||||
Это уравнение и является |
уравнением |
данной прямой. |
Возводя обе части |
|||||||||||||||||
его в квадрат, |
после упрощений получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2* — У |
|
5 = 0. |
|
|
|
|
|
|
|||
П р и м е р |
2. Составить уравнение окружности |
радиуса |
R . |
|
||||||||||||||||
Выберем произвольно оси координат. Тогда центр С окружности будет |
||||||||||||||||||||
иметь некоторые координаты а и Ь. |
|
|
|
произвольной |
|
У |
|
|||||||||||||
Обозначая |
через |
х |
и у |
координаты |
|
|
||||||||||||||
точки |
М |
окружности, |
выразим аналитически свойство, |
|
|
|
||||||||||||||
общее всем точкам М . |
Из |
определения |
окружности |
|
|
|
||||||||||||||
следует, |
чго расстояние точки |
М |
от |
центра |
С |
окруж |
|
|
|
|||||||||||
ности |
(рис. |
27) есть |
величина |
постоянная, |
равная |
ради |
|
|
|
|||||||||||
усу R , |
т. е. |
|
|
|
|
С М = |
R . |
|
|
|
|
|
|
(2) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
||||
Определяя |
С М |
как |
расстояние |
между |
двумя |
точ |
О] |
|||||||||||||
ками |
С |
и М (гл. I, |
§ 5), |
мы выразим |
равенство (2) с по |
|
||||||||||||||
мощью текущих координат точки М : |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 27. |
|
||||||||||
|
|
|
|
Y ( x - a f - \ - ( u - b f = R. |
|
|
|
(2') |
|
|
|
|
||||||||
Возвышая обе части |
последнего уравнения в |
квадрат, |
получим уравнение ок |
|||||||||||||||||
ружности в окончательном виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(х — а)2 + |
(у — Ь ) 2 = |
R2. |
|
|
|
|
(3) |
|||||
В этом |
уравнении |
постоянные а, |
6, |
R суть |
соответственно координаты |
|||||||||||||||
центра и радиус |
окружности; |
переменные х |
и у |
являются |
координатами |
про |
||||||||||||||
извольной |
точки |
окружности. |
В |
частности, |
если |
начало |
|
координат выбрано |
||||||||||||
в центре |
окружности, |
то а = |
Ь = |
0, |
и уравнение |
(3) |
принимает более |
про |
||||||||||||
стой вид: |
|
|
|
|
|
|
x* + |
y* = |
R*. |
|
|
|
|
|
(3') |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 2. Геометрический смысл уравнений. Мы видели, что всякая линия, рассматриваемая как геометрическое место точек, опреде ляется уравнением между координатами ее точек. Обратно, всякое уравнение между двумя переменными л; и у, вообще говоря, опре деляет линию как геометрическое место точек, координаты которых
хи у ему удовлетворяют.
Всамом деле, рассмотрим какое-нибудь уравнение между пере менными х н у . Перенося все его члены в левую часть, придадим уравнению вид;
у) = 0, |
(4) |
где F означает символ функции двух переменных. Пуеть при любом фиксированном числовом значении х уравнение (4), рассматриваемое
3 8 ЛИНИИ И ИХ УРАВНЕНИЯ [ГЛ. II
как уравнение относительно неизвестного у , имеет, например, два действительных корня.
Дадим переменному х произвольное числовое значение х = а и найдем из уравнения (4) соответствующие значения у , Для опреде ления у получаем уравнение с одним неизвестным:
Пусть это уравнение Отметим на рис. 28 две
У
F(a, у) = |
0. |
|
|
|
|
(5) |
||
имеет |
корни, |
например, |
у = |
ЬХУ у = Ьг. |
||||
точки |
/И, |
и |
Мгу |
координаты |
которых |
|||
(а, Ьг) |
и |
(а, Ь2) удовлетворяют |
данному |
|||||
уравнению |
(4). |
|
|
|
|
|
||
Дадим теперь переменному х другое |
||||||||
числовое |
значение |
х = |
а9 и |
определим |
соответствующие значения у из уравнения
F (a \ у) = 0. |
(5') |
|
|
|
|
Пусть корни этого уравнения будут у = |
Ьи |
||||||||
|
|
|
|
у = Ьг. |
Отметим |
на |
рис. |
28 |
две |
точки |
|||
|
|
|
|
Мх и Мг, координаты |
которых |
(а', |
Ьх) и |
||||||
|
|
|
|
(а , Ь2) удовлетворяют, данному уравне |
|||||||||
|
|
|
|
нию. Если переменное |
х |
мы |
будем |
не |
|||||
прерывно |
изменять от значения а до значения а \ |
то прямая L N будет |
|||||||||||
перемещаться |
параллельно |
самой |
себе, |
отправляясь |
от |
положения |
|||||||
PQ и приходя |
в положение |
P 'Q \ |
причем в любом ее положении на |
||||||||||
ней будут |
две |
точки, |
координаты |
которых |
удовлетворяют |
данному |
|||||||
уравнению |
(4). |
Таким |
образом, |
точки |
М и М' |
описывают |
линию. |
Эта линия получается в результате двух движений: с одной стороны,
движения |
прямой L N |
параллельно |
самой себе (изменение я), а с дру |
|
гой— движения точек |
М |
и М по |
этой прямой (изменение у). |
|
Итак, |
уравнение |
(4) |
между |
координатами х и у определяет |
линию как геометрическое место тех точек плоскости, коорди
наты |
которых |
удовлетворяют |
данному |
|
|
|
|||||||
уравнению. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рассмотрим несколько примеров на по |
|
|
|
||||||||||
строение |
линий, |
заданных |
уравнениями. |
|
|
|
|
||||||
П р и м е р |
1. Построить линию, определяемую |
|
|
|
|||||||||
уравнением х — у = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Уравнение можно переписать в виде: |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
У = |
х. |
|
|
|
|
|
|
|
Очевидно, геометрическое место точек, для |
|
|
|
||||||||||
которых |
абсцисса |
равна |
ординате, представляет |
|
|
|
|||||||
собой биссектрису АВ I и III |
координатных углов |
|
Рис. 29. |
|
|||||||||
(рис. 29). Уравнение х — у = |
0 |
определяет, следо |
|
|
|||||||||
вательно, |
эту биссектрису. |
|
|
линию, |
определяемую |
уравнением х-{-у = 0. |
|||||||
П р и м е р |
2. |
Построить |
|||||||||||
Легко |
видеть, |
что |
геометрическим |
местом |
точек, |
для |
которых |
у = — х, |
|||||
будет биссектриса |
CD |
II |
и IV координатных |
углов. |
Следовательно, |
уравне |
|||||||
ние х + ^ = |
0 является уравнением этой биссектрисы (рис. |
29). |
|
§ |
2 ] |
|
|
|
|
|
|
|
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ УРАВНЕНИЙ |
|
|
|
|
39 |
|||||||
|
П р и м е р |
3. Построить линию, |
определяемую уравнением х2— у = 0. |
||||||||||||||||||
|
Выразим из этого уравнения одну из координат через другую |
(например, |
|||||||||||||||||||
у через х): у = х?. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
например —4, ~3, |
|||||||||||
|
Будем давать х различные произвольные значения, |
||||||||||||||||||||
^•2, |
—1, 0, |
1, |
2, |
3, 4, и находить соответствующие |
значения у. |
Таким |
|||||||||||||||
образом, мы получим ряд точек, |
нанесем их на |
плоскость и соединим |
плавной |
||||||||||||||||||
линией (рис. |
30). |
Это |
и будет |
искомая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
кривая. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Рассмотрим |
|
еще |
некоторые |
осо |
|
|
|
|
|
|
X |
У |
||||||||
бые |
виды уравнений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1) |
Уравнение |
может |
содержать |
|
|
|
|
|
— 4 |
16 |
||||||||||
только |
одну |
из |
текущих |
координат |
|
|
|
|
|
||||||||||||
и тем |
не менее |
определять |
некото |
|
|
|
|
|
— 3 |
9 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
—2 |
4 |
|||||||||||||||
рую |
линию. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 1 |
1 |
||||
|
Пусть, |
например, |
дано |
уравне |
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
|||||||||
ние |
у — 2 = |
|
0 |
или |
у = |
2. |
Геоме |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
||||||
трическим |
местом |
точек, |
ординаты |
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
9 |
||||||||||||||
которых |
равны |
2, |
будет, |
очевидно, |
|
|
|
|
|
|
4 |
16 |
|||||||||
прямая, параллельная оси Ох и от |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
стоящая |
от |
|
нее |
на расстоянии двух |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
единиц. |
Аналогично уравнение х -\- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
-\- 1 = 0 |
определяет |
прямую, парал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
лельную |
оси |
Оу. |
часть уравнения F (x , у) = |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
2) |
Если |
левая |
0 |
разлагается на |
мно |
|||||||||||||||
жители, |
то, |
приравнивая |
нулю |
каждый |
множитель в |
отдельности, |
|||||||||||||||
получим несколько новых уравнений, каждое |
из |
которых |
может |
оп |
|||||||||||||||||
ределять некоторую линию. Например, уравнение |
х 2— у 2 = |
0 |
или |
||||||||||||||||||
(^"Ь.УН* — у) = |
0 определяет |
пару прямых |
д г-^ -у ^О |
и |
х — у — |
||||||||||||||||
= |
0 — биссектрис |
координатных |
углов. |
|
|
|
|
F (x , у) = 0 |
|||||||||||||
|
3) |
В |
частности, |
может |
случиться, |
что |
уравнение |
между координатами х и у определяет геометрическое место, состо ящее из’ одной или нескольких отдельных точек. Так, например, уравнение х 2 -{-у2 = 0 определяет точку 0 (0 , 0); уравнению
(*2— 1)2 + (у2 — 4)2 = 0
соответствует геометрическое место, состоящее из четырех точек:
(1, 2); (1, - 2 ) ; ( - 1 , 2); ( - 1 , - 2 ) .
4) Может, наконец, случиться, что уравнение F(x, у) = 0 не определяет никакого геометрического места точек. Так, например, уравнение
|
* 2+ |
/ |
+ |
1 = о |
|
не удовлетворяется ни одной |
парой |
действительных |
значений коор |
||
динат |
X и у. |
|
|
|
|
Если уравнение удовлетворяется, как в только что приведенном при |
|||||
мере, |
лишь, в том случае, когда |
хотя бы одно из |
переменных д:, у |
40 |
|
|
|
|
|
|
ЛИНИИ И |
ИХ |
УРАВНЕНИЯ |
|
|
|
|
|
[ГЛ. И |
|||||||
имеет мнимое значение, то говорят, что уравнению соответствует |
||||||||||||||||||||||
мнимое место |
точек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
§ |
3. Две |
|
основные |
задачи. |
Из |
изложенного |
в |
§§ |
1 |
и 2 выте |
|||||||||||
кает |
постановка |
двух |
основных |
задач. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
I. |
Дана |
линия |
как |
геометрическое |
место |
точек. |
Составить |
||||||||||||||
уравнение этой линии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
И. Дано уравнение между координатами х и у. Построить |
|||||||||||||||||||||
линию, определяемую этим уравнением. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
В следующей |
главе |
мы рассмотрим общее решение той |
и дру |
||||||||||||||||||
гой |
задач в |
отношении |
прямой |
линии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
§ 4. Пересечение двух линий. |
Среди |
|
различных |
геометрических |
|||||||||||||||||
задач одно из важных мест занимает задача нахождения точек пере |
||||||||||||||||||||||
сечения двух |
данных |
линий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Пусть эти |
линии определяются |
соответственно |
уравнениями |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
/ ( * , » = |
0 |
и |
ф(дг, _у) = |
0. |
|
|
|
|
|
|||||||
Если |
существует точка |
их |
пересечения, |
то, |
очевидно, |
она лежит и |
||||||||||||||||
на той и на другой линии. Поэтому координаты ее должны удо |
||||||||||||||||||||||
влетворять каждому из данных уравнений, и, наоборот, всякая точка, |
||||||||||||||||||||||
координаты |
которой |
удовлетворяют |
этим |
двум |
уравнениям, |
лежит |
||||||||||||||||
на обеих линиях. Следовательно, чтобы найти |
точки |
пересечения |
||||||||||||||||||||
двух |
данных |
линий, нужно совместно решить их |
уравнения. |
Каждое |
||||||||||||||||||
действительное решение этой системы уравнений даст точку пересе |
||||||||||||||||||||||
чения. Если |
же |
окажется, |
что |
эта |
система |
несовместна |
или |
во всех |
||||||||||||||
ее |
решениях |
хотя |
бы одно |
из |
чисел х или у |
имеет мнимое значение, |
||||||||||||||||
то |
это будет |
|
означать, |
что данные линии не пересекаются. |
|
|||||||||||||||||
|
П р и м е р . |
|
В § 1 настоящей |
главы было выведено уравнение |
окружности |
|||||||||||||||||
с центром в начале координат и |
радиусом |
R в виде |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X* + |
y*=:R*. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Возьмем радиус, |
равный 5 единицам. Тогда |
|
уравнение |
такой |
окружности |
||||||||||||||||
примет вид: х? -\-у* = |
25. |
В |
примере 1 того же параграфа |
было выведено урав |
||||||||||||||||||
нение |
некоторой |
прямой 2х — у -(- 5 = |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Пусть требуется |
найти |
точки |
пересечения |
этих линий. |
Для |
этого нужно |
|||||||||||||||
решить систему уравнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х2 + У*= 25,
2х — у + Б = 0.
Из последнего уравнения имеем:
У = 2х + 5.
Подставляя это выражение у в первое уравнение, получим: ** -{- (2х + 5)2 = 25.
После упрощений будем иметь:
хг -f- 4х = 0,
откуда
xL= 0 и xz = — 4.