Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат

Теорема. Для будь-якої кривої другого порядку існує така прямокутна система координат, відносно якої рівняння цієї лінії не містить в собі члена ху.

Нехай в деякій прямокутній системі координат лінія другого порядку задана рівнянням:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Повернемо осі координат на деякий кут Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru ; тоді координати усіх точок площини перетворяться за формулами:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Користуючись цими формулами, отримаємо рівняння кривої (1) в новій системі координат.

Для цього замінимо в рівнянні (1) х та у їх значеннями по формулам (2):

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Після перетворення рівняння лінії набере вигляду:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Виберемо тепер кут Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru так, щоб Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

тобто: Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Розв’язуючи це рівняння, маємо:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Цим теорема доведена, так як Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru може приймати будь-яких значень. В рівнянні (10) Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru Насправді, якщо б Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru то рівності (10) слідувало, що Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru і, значить, в повороті осей координат необхідності не має.

Поділивши всі члени рівняння (10) на Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru маємо:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Так як дискримінант цього рівняння

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

воно матиме два дійсних розв’язки: Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

За теоремою Вієтта Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru , значить Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru відмінні від Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru . Для того, щоб скласти формули повороту осей координат (2), потрібно взяти будь-яке із значень Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru і підрахувати за формулами:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Після перетворення рівняння (1) набере вигляду:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Приклад 1.

Спростити рівняння Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru та побудувати лінію, зберігаючи на малюнку початкову систему координат.

Розв’язання.

В даному прикладі

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Визначимо тангенс кута повороту з рівняння (12):

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Беремо Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru .

Обчислимо за формулами (13) Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Складемо формули повороту осей координат:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Перетворивши за даними формулами рівняння даної лінії, отримаємо:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

або

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Дана лінія – еліпс з півосями Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Побудуємо цей еліпс, зберігаючи початкову систему координат

(мал.1).

Вправа. Спростити рівняння Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru та побудувати

Відповідну йому криву, зберігаючи початкову систему координат.

Складання рівняння(14) кривої (1) відносно нової системи координат можна виконати простіше. Звернемо увагу, по-перше,

що: Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

в чому легко впевнитися, склавши рівняння (4) та (6).

Перетворимо рівність (10) до вигляду:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Позначивши ці відношення через «s», маємо систему:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Ця система лінійних однорідний рівнянь відносно невідомих Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru має розв’язки, відмінні від нульових (нульових розв’язків у системи немає, так як Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru одночасно не можуть бути нулями) при умові, що визначник дорівнює нулю, тобто:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

або в розгорнутому вигляді:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Це рівняння називається характеристичним.

Його дискримінант

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Значить, рівняння (18) має дійсні корені Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru . Взявши один із них, наприклад Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru , можна з рівнянь Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

або Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

знайти Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru - кут повороту осей координат

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Якщо взяти значення кореня Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru , то отримаємо:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Покажемо, що напрями Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru взаємно перпендикулярні; для цього знайдемо:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

За теоремою Вієтта для рівняння Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru ,

ось чому

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

За теоремою Вієтта для рівняння Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru маємо: Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru ,

а так як Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru то

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Тепер не важко підрахувати коефіцієнти Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Але так як Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru задовольняють рівнянням Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru ,

то

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Із рівності (20) отримуємо, що Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Рівняння (14) можна тепер записати в наступному вигляді:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Приклад 2.

Спростіть рівняння (звільніться від члену з добутком ху):

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Розв’язок.

1) Складемо характеристичне рівняння:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Розв’язуючи рівняння, знаходимо: Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

2) Знайдемо кут повороту осей координат:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

3) Складемо формули перетворення повороту осей координат:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru 4) Перетворимо лінійну частину даного рівняння:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

5) Рівняння лінії в новій системі координат матиме вигляд:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Вправа. Звільнитися від члена з добутком ху у рівнянні кривої:

Спрощення загального рівняння кривої другого порядку шляхом повороту осей координат - student2.ru

Наши рекомендации