Кривая второго порядка – геометрическое место точек плоскости, прямоугольные координаты которых удовлетворяют уравнению вида
в котором, по крайней мере, один из коэффициентов , , отличен от нуля. Общее уравнение кривой можно записать в матричном виде
Невырожденная кривая второго порядка при
оказывается вещественным эллипсом, мнимым эллипсом, гиперболой или параболой в зависимости от того, будет ли квадратичная форма
положительно определённой, отрицательно определённой, неопределённой или полуопределённой, что устанавливается по корням характеристического уравнения:
Вводом новой системы координат можно привести уравнения кривых второго порядка к стандартному каноническому виду. Для каждой кривой 2-го порядка (для каждого уравнения) существует такая система координат, в которой уравнение кривой имеет вид окружности, эллипса, гиперболы или параболы.
1. Если собственные значения и одного знака, то уравнение кривой второго порядка можно привести к уравнению эллиптического типа:
|
|
Если и имеют тот же знак, что и , то имеем каноническое уравнение эллипса:
Эллипс – геометрическое место точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух данных точек и , называемых фокусами, постоянна и больше расстояния между фокусами: при .
Если , то уравнение имеет единственное решение при , определяющее точку на плоскости.
Если и имеют знак, противоположный знаку , то имеем пустое множество решений, иногда называемое мнимым эллипсом:
2. Если собственные значения и разных знаков, то уравнение кривой второго порядка можно привести к уравнению гиперболического типа:
При оно сводится к одному из двух уравнений
в зависимости от знака . Оба этих уравнения определяют гиперболу – геометрическое место точек плоскости, для которых абсолютное значение разности расстояний от точки до двух выделенных точек и , называемых фокусами, постоянно: при .
При получаем уравнение
эквивалентное двум линейным уравнениям:
задающим пару пересекающих прямых.
3. Если одно из собственных значений или равно нулю, то уравнение кривой второго порядка можно привести к уравнению параболического типа, которое можно привести к одному из следующих видов:
Уравнение определяет параболу – геометрическое место точек , равноудаленных от данной прямой , называемой директрисой, и данной точки , называемой фокусом параболы: .
Уравнение , или определяет пару параллельных прямых.
Уравнение определяет пару совпадающих прямых.
Уравнение не имеет решений, следовательно, не определяет никакого геометрического образа.
|
|
Пример. Записать в каноническом виде уравнение эллипса, проходящего через точки:
Решение: Каноническое уравнение эллипса, координатные оси которого совпадают с осями эллипса, имеет вид:
Значения осей эллипса и найдем из двух условий:
известных по условию задачи. Подставим эти значения в каноническое уравнение эллипса. Получим систему двух уравнений:
Разрешив систему этих двух уравнений относительно неизвестных и , например, методом исключения, получим , . Таким образом, каноническое уравнение эллипса имеет вид:
Ответ: Каноническое уравнение эллипса, проходящего через точки:
имеет вид:
Пример. Уравнение гиперболы
привести к каноническому виду.
Решение: В уравнении гиперболы сделаем замену переменных:
Тогда
Поскольку каноническое уравнение гиперболы
не содержит произведение , из условия следует, что . Подставляя значение в уравнение
получим
Ответ: Уравнение гиперболы
имеет канонический вид:
Пример. Определить вид кривой, определяемой уравнением
Вычислить основные параметры этой кривой.
Решение. Преобразуем исходное уравнение.
Последнее уравнение является каноническим уравнением параболы с вершиной в точке
Ветви параболы направлены вниз.
Фокус имеет координаты:
Директриса:
Ответ: Кривая, определяемая уравнением , является параболой
с ветвями, направленными вниз, с директрисой , с фокусом в точке с координатами , с вершиной в точке с координатами .
Литература
- Высшая математика для экономического бакалавриата. Учебник и практикум / под ред. Н.Ш. Кремера.– М.: Юрайт, 2014.
- Кремер Н.Ш., Фридман М.Н. Линейная алгебра. Учебник и практикум / под ред. Н.Ш. Кремера.– М.: Юрайт, 2014.
- Математика для экономистов и менеджеров. Учебник /под ред. Н.Ш. Кремера. – М.: Кнорус, 2014.
- Математика для экономистов и менеджеров. Практикум /под ред. Н.Ш. Кремера. – М.: Кнорус, 2014.