Что такое канонический вид уравнения? Линии второго порядка Эллипс и его каноническое уравнение
Это общепринятый стандартный вид уравнения, когда в считанные секунды становится ясно, какой геометрический объект оно определяет. Кроме того, канонический вид очень удобен для решения многих практических заданий. Так, например, по каноническому уравнению «плоской» прямой , во-первых, сразу понятно, что это прямая, а во-вторых – элементарно просматривается принадлежащая ей точка и направляющий вектор .
Очевидно, что любая линия 1-го порядка представляет собой прямую. На втором же этаже нас ждёт уже не вахтёр, а гораздо более разнообразная компания из девяти статуй:
Классификация линий второго порядка
С помощью специального комплекса действий любое уравнение линии второго порядка приводится к одному из следующих видов:
( и – положительные действительные числа)
1) – каноническое уравнение эллипса;
2) – каноническое уравнение гиперболы;
3) – каноническое уравнение параболы;
4) – мнимый эллипс;
5) – пара пересекающихся прямых;
6) – пара мнимых пересекающихся прямых (с единственной действительной точкой пересечения в начале координат);
7) – пара параллельных прямых;
8) – пара мнимых параллельных прямых;
9) – пара совпавших прямых.
У ряда читателей может сложиться впечатление неполноты списка. Например, в пункте №7 уравнение задаёт пару прямых , параллельных оси , и возникает вопрос: а где же уравнение , определяющее прямые , параллельные оси ординат? Ответ: оно не считается каноническим . Прямые представляют собой тот же самый стандартный случай , повёрнутый на 90 градусов, и дополнительная запись в классификации избыточна, поскольку не несёт ничего принципиально нового.
Таким образом, существует девять и только девять различных видов линий 2-го порядка, но на практике наиболее часто встречаются эллипс, гипербола и парабола .
Сначала рассмотрим эллипс. Как обычно, я акцентирую внимание на тех моментах, которые имеют большое значение для решения задач, и если вам необходим подробный вывод формул, доказательства теорем, пожалуйста, обратитесь, например, к учебнику Базылева/Атанасяна либо Александрова..
Эллипс и его каноническое уравнение
Правописание… пожалуйста, не повторяйте ошибок некоторых пользователей Яндекса, которых интересует «как построить эллибз», «отличие элипса от овала» и «эксцентриситет элебса».
Каноническое уравнение эллипса имеет вид , где – положительные действительные числа, причём . Само определение эллипса я сформулирую позже, а пока самое время отдохнуть от говорильни и решить распространённую задачу:
Как построить эллипс?
Да, вот взять его и просто начертить. Задание встречается часто, и значительная часть студентов не совсем грамотно справляются с чертежом:
Пример 1
Построить эллипс, заданный уравнением
Решение
: сначала приведём уравнение к каноническому виду:
Зачем приводить? Одно из преимуществ канонического уравнения заключается в том, что оно позволяет моментально определить вершины эллипса , которые находятся в точках . Легко заметить, что координаты каждой из этих точек удовлетворяют уравнению .
В данном случае :
Отрезок
называют большой осью
эллипса;
отрезок
– малой осью
;
число
называют большой полуосью
эллипса;
число
– малой полуосью
.
в нашем примере: .
Чтобы быстро представить, как выглядит тот или иной эллипс достаточно посмотреть на значения «а» и «бэ» его канонического уравнения.
Всё ладно, складно и красиво, но есть один нюанс: я выполнил чертёж с помощью программы. И вы можете выполнить чертёж с помощью какого-либо приложения. Однако в суровой действительности на столе лежит клетчатый листок бумаги, и на наших руках водят хороводы мыши. Люди с художественным талантом, конечно, могут поспорить, но мыши есть и у вас тоже (правда, поменьше). Таки не зря человечество изобрело линейку, циркуль, транспортир и другие нехитрые приспособления для черчения.
По этой причине нам вряд ли удастся аккуратно начертить эллипс, зная одни вершины. Ещё куда ни шло, если эллипс небольшой, например, с полуосями . Как вариант, можно уменьшить масштаб и, соответственно, размеры чертежа. Но в общем случае крайне желательно найти дополнительные точки.
Существует два подхода к построению эллипса – геометрический и алгебраический. Построение с помощью циркуля и линейки мне не нравится по причине не самого короткого алгоритма и существенной загроможденности чертежа. В случае крайней необходимости, пожалуйста, обратитесь к учебнику, а в реальности же гораздо рациональнее воспользоваться средствами алгебры. Из уравнения эллипса на черновике быстренько выражаем:
Далее уравнение распадается на две функции:
– определяет верхнюю дугу эллипса;
– определяет нижнюю дугу эллипса.
Любой эллипс симметричен относительно координатных осей, а также относительно начала координат
. И это отлично – симметрия почти всегда предвестник халявы. Очевидно, что достаточно разобраться с 1-ой координатной четвертью, поэтому нам потребуется функция . Напрашивается нахождение дополнительных точек с абсциссами . Настукаем три смс-ки на калькуляторе:
Безусловно, приятно и то, что если допущена серьёзная ошибка в вычислениях, то это сразу выяснится в ходе построения.
Отметим на чертеже точки (красный цвет), симметричные точки на остальных дугах (синий цвет) и аккуратно соединим линией всю компанию:
Первоначальный набросок лучше прочертить тонко-тонко, и только потом придать нажим карандашу. В результате должен получиться вполне достойный эллипс. Кстати, не желаете ли узнать, что это за кривая?
8.3.15. Точка А лежит на прямой . Расстояние от точки А до плоскости
8.3.16. Составьте уравнение прямой, симметричной прямой
относительно плоскости .
8.3.17. Составьте уравнения проекций на плоскость следующих прямых:
а) ;
б)
в) .
8.3.18. Найдите угол между плоскостью и прямой:
а) ;
б) .
8.3.19. Найдите точку, симметричную точке относительно плоскости, проходящей через прямые:
и
8.3.20. Точка А лежит на прямой
Расстояние от точки А до прямой равно . Найдите координаты точки А.
§ 8.4. КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА
Установим на плоскости прямоугольную систему координат и рассмотрим общее уравнение второй степени
в котором .
Множество всех точек плоскости, координаты которых удовлетворяют уравнению (8.4.1), называется кривой (линией ) второго порядка .
Для всякой кривой второго порядка существует прямоугольная система координат, называемая канонической, в которой уравнение этой кривой имеет один из следующих видов:
1) (эллипс);
2) (мнимый эллипс);
3) (пара мнимых пересекающихся прямых);
4) (гипербола);
5) (пара пересекающихся прямых);
6) (парабола);
7) (пара параллельных прямых);
8) (пара мнимых параллельных прямых);
9) (пара совпадающих прямых).
Уравнения 1) – 9) называются каноническими уравнениями кривых второго порядка.
Решение задачи приведения уравнения кривой второго порядка к каноническому виду включает нахождение канонического уравнения кривой и канонической системы координат. Приведение к каноническому виду позволяет вычислить параметры кривой и определить ее расположение относительно исходной системы координат. Переход от исходной прямоугольной системы координат к канонической осуществляется путем поворота осей исходной системы координат вокруг точки О на некоторый угол j и последующего параллельного переноса системы координат.
Инвариантами кривой второго порядка (8.4.1) называются такие функции от коэффициентов ее уравнения, значения которых не меняются при переходе от одной прямоугольной системы координат к другой такой же системе.
Для кривой второго порядка (8.4.1) сумма коэффициентов при квадратах координат
,
определитель, составленный из коэффициентов при старших членах
и определитель третьего порядка
являются инвариантами.
Значение инвариантов s, d, D можно использовать для определения типа и составления канонического уравнения кривой второго порядка.
Таблица 8.1.
Классификация кривых второго порядка, основанная на инвариантах
Кривая эллиптического типа |
sD<0. Эллипс |
|
sD>0. Мнимый эллипс |
||
Пара мнимых прямых, пересекающихся в действительной точке |
||
Кривая гиперболического типа |
Гипербола |
|
Пара пересекающихся прямых |
||
Кривая параболического типа |
Парабола |
|
Пара параллельных прямых (различных, мнимых или совпадающих) |
Рассмотрим подробнее эллипс, гиперболу и параболу.
Эллипсом (рис. 8.1) называется геометрическое место точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух фиксированных точек этой плоскости, называемых фокусами эллипса , есть величина постоянная (большая, чем расстояние между фокусами). При этом не исключается совпадение фокусов эллипса. Если фокусы совпадают, то эллипс представляет собой окружность.
Полусумму расстояний от точки эллипса до его фокусов обозначают через а, половину расстояний между фокусами – с. Если прямоугольная система координат на плоскости выбрана так, что фокусы эллипса располагаются на оси Оx симметрично относительно начала координат, то в этой системе координат эллипс задается уравнением
, (8.4.2)
называемым каноническим уравнением эллипса , где .
Рис. 8.1
При указанном выборе прямоугольной системы координат эллипс симметричен относительно осей координат и начала координат. Оси симметрии эллипса называют его осями , а центрего симметрии – центром эллипса . Вместе с тем часто осями эллипса называют числа 2a и 2b, а числа a и b – большой и малой полуосью соответственно.
Точки пересечения эллипса с его осями называются вершинами эллипса . Вершины эллипса имеет координаты (а,0), (–а,0), (0,b), (0,–b).
Эксцентриситетом эллипса называется число