Текст
                    МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КУЙБЫШЕВСКИЙ ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА
УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА
НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ
КУЙБЫШЕВ 1988

Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт имени академика С.П.Королева УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЭДКА НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ Утверждено редак ем онно-и э дате л ьски м советом института в качестве методических указаний для студентов Куйбышев 1988
ЭДК 51(07) Методические указания содержат примеры и задачи для проведения практических занятий и самостоятельной работы студентов по следующим разделам линейной алгебры с прило- жениями к аналитической геометрии: линейные уравнения и системы двух линейных уравнений на плоскости и в пространст- ве, линии и поверхности второго породка. По каждой теме при- ведены типовые задачи, подробно рассмотрено их режение. Методические указания предназначены для студентов вечернего отделения КуАИ. Составитель Л.Г. 3 у б р и н а Рецензенты: В.И.И щ е н к о 9 О.С.И в а н о в а В.С.Г а н и е в,
I. ЛИНЕЙНОЕ УРАВНЕНИЕ НА ПЛОСКОСТИ В декартовых координатах каждая прямая на плоскости задается уравнением первой степени относительно текущих координат х и у . И, обратно, всякое линейное уравнение определяет прямую. Уравнение вида А х + В у.+С~О называется обфм уравнением прямой в плоскости . Уравнение прямой, разреженное относительно ty. , называется урав- нением с угловым коеффицсентом: где угловой козффигмент cL ~ угол наклона прямой к оси О'*- (рис.1), параметр равен величине отрезка СВ, отсекаемого прямой от оси Оу . Уравнение прямой, проходящей через данную точку (эе{,у<) и имепцей угловой козффидаент К. находится по формуле Уравнение прямой, проходящей через две данные точки fl (ix{,yf) V.- У/ ' Один из смежных углов у между прямыми и вычисляется по формуле ta у = . J / + К,- К* Условием параллельности двух прямых является равенство их угло- вых коэффицентов ~ . Условием перпендикулярности двух прямых является соотношение к, • Кх - - у или К1= ~ ' Приведем примеры решения некоторых задач. 3
I. Построить прямую /, X - у — э = О. Ре в е н и в. Для построения прямой достаточно знать координаты двух любых точек прямой. Пусть X а О, тогда из уравнения прямой найдем = - 3. Если 0, тоХ = 1,5. Через полученные точки Д (0;- 3) и 8 (1,5; 0) проводим прямую (рис.2). Точки А и В явыапы точками пересечения данной прямой с координатными осями. 2. Через точку Г7^(2;- I) про- вести прямую параллельно прямой 2 ос + Зу -3 = о. Решение. В задаче дана точка на искомой прямой, поэтому для нахождения ее уравнения можно воспользоваться формулой у - Cfr = к ( ос - X,), где угловой коэфф* if* ант К прямой неизвестен. Его найдем из условия параллельности двух прямых. Найдем сначала угловой коэффирент !<f данной прямой, разрешая ее уравнение относительно - у X + У , отсюда Kf - - . Угловой коэфф*iffент параллельной прямой тот же самый 9 2^ Подставляя в уравнение y-yz =/< (oe-^X значение и координа- ты точки (2;- I), найдем уравнение параллели к данной прямой + ) = - ifoe-z; или 3. Найти точку В • симметричную точкс^(-2;4) относительно прямой - 8 - О. Ранение. Симметричные точки д А и В расположены на одном перпенди- куляре к данной прямой на одинаковом Q расстоянии от нее (рис.З). Угловой коэф- фидент данной прямой Kf « - 3. Угловой коэфф*if*ант перпендикулярной к ней прямой ^В 4
Уравнение* перпендикуляра АВ к данной прямой найдем по формуле; у ~ 4/ ~ 6х + 2) или ос — Зу + 14 - О Найдем теперь точку С пересечения данной прямой с перпендикулярной прямой, реыая совместно их«уравнения (3 х + #-8=О, t x-3j+tt=(2 , отсюда эс = I, у . 5; 0(1,5). Точка 0 является серединой отрезка п о . Зная координаты точек ZI и С , ИЗ формул X _2ЕлДЬ , и = лс~ Z 7 Z находим координаты искомой точки В y = х = Ч ;5= 6 ,Итак,В(4;6). J > Д ' А 4. На плоскости тстрмъъ прямые м определить их угловые коэфф* щенты : I) т-2.у-6=о, 2) 2х+Зу+6 = О, 3) Зос + у- О, 5) 1у. + 3 = О, б) -X =0, 7) ^-О. Ответ. I) • 2)К=-|= ; 3) К=-3 ; 4) К не суцествует; 5) К » 0; 6) К не существует; 7) К « 0 . 5. Написать уравнение прямой, проходящей через точку /4 (2,3) и наклоненной к оси Ох под углом I) » 135°; 2) оС я 0°; 3) <£- = 90°. О т в е т. I) = 2) = 3 ; 3) х ~ 2, . 6. Составить уравнение прямой, проходящей через начало координат и образующей с осью Ох углы I) </. = 45°; 2) ©С » 180°; 3)<Z = -60°. Ответ. 1)^-Х; 2) ^ = 0; 3) -/з X . 7. Дана прямая + Составить уравнение прямой, про- ходящей через точку А (2,1): I) параллельно данной прямой; 2) пер- пендикулярно данной прямой. Ответ. I) 2, 'x-h Зу — 7 - О 2) 3 т - 2 О. 2-72G1 5
8. Точка, двигаясь равномерно и прямолинейно, эа 4 с, перемести- лась из положения А (6,-7) в положение В (-4*5). Где находилась точка в момент времени £ = 2 с.? Ответ. С (1,-1). 9. Даны вернины треугольника А (-2,0), В (2,6), С (4,2). Составить уравнения: I) стороны ДС ; 2) медианы вМ ; 3) высоты ; 4) прямой БЕ , параллельной стороне АС . О т в е т. I) Х-Зч+2 = 0;2) 5х-Ц- 3) Зх-<.^--Г2=<?;4) 10. Луч света направлен по прямой Ях_3^_/2=£2. Дойдя до оси абсдесс, он от нее отразился. Определить точку встречи луча с осью Ох и уравнение отраженного луча. Ответ. /3(6,0), II. Даны уравнения двух сторон прямоугольника X = О, Qi-Uy+f 5"~ О м уравнение одной из его диагоналей 7-ЭС+ y-15=Q. Найти вериины прямоугольника. О т в е т. (2,1), (4,2), (-1,7), (1,8). 12. Найти цроекдо точки Р (-6,4) на прямую ^Х-5"у+3 = ^. Ответ. (-2,-1). 13. Найти точку 3 , симметричную точке А (1,4) относительно прямой Я X - 3 у - 3 = О. Ответ. /3 (5,-2). I) 2) 3) 4) 14. Определить угол + О , Зх-2^+7 = 0 , К-9.у-Ч- О, Зх+2^-/= О, Ывжяу Двумя прямим : 3« + 2</ = <2 ; 2 х + 3^ - 3= (Э ; 2х-Ъ = О; 5Чс -2 3= 42. 2) 3) ^0- 16 11' 6
2. ЛИНЕЙНОЕ УРАВНЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ В декартовых координатах каждая плоскость ведается уравнением первой степени относительно текущих координат X , , X • И, об- ратно, всякое линейное уравнение определяет плоскость в пространстве Уравнение вида /4xt fiyt С it+0 = О называется общим уравнением плоскости в пространстве.4 Вектор /V С) перпендикулярен плоскости и называется нормальным вектором плоскости (рис.4). Уравнение плоскости, проходящей через данную точку %), перпен- дикулярно вектору MCA)R>)C) имеет вид Угол между двумя плоскостями ^С^тЧ^-О *Лхх+Вдч+фи^=0 вычисляется по формуле * (У,Х) А.-А^/З.-^+С,-^ Р"='4' Условием параллельности двух плоскостей является коллинеарность их нормальных векторов Л/ II Л/ Условием перпендикулярности двух плоскостей является равенство нулю скалярного произведения их нормальных векторов 111,1 Д’0- 15. Построить плоскости, заданные уравнениям D Ух + ^у + Зг-Г^^) = Ремени е. Из данного уравнения видно, что пяоскость не проходит через начало координат = О ). Чтобы построить эту плоскость, можно найти отрезки, отсекаемые плоскостью на осях коор- динат. Найдем точку пересечения плоскости с осью Оэс , для этого примем в данном уравнении = 0 и X = 3. Аналогично, если X 3 0 и а 0, тогда * « 0, то = 7,5; если
X s 0 и у = О, то X = 5. Плоскость, проведенная через най- денные точки <3,0,0), ^(0; 7,5; 0), М/0,0,5), будет искомой. Прямые ♦ Л1, Мэ являются сяеданк данной плоскости в координатных плоскостях (рис.5). 2. Плоскость параллельна оси 02 » так как уравнение плоскости Зх + 2,^ -6 = 0 не содержит члена с координатой 2 ( С = 0). Найдем точки пересечения данной плоскости с осями координат Ох и °? : Н, (2,0, 0) и Л/£(0,3,0). Следом данной плоскости в плос- кости является прямая MtM# а в плоскостях x0g и # Ofc - прямые, параллельные оси О % и проходящие через точки и (рис.6). 16. Даны точки (3,0,-4) и /^/г (4,5,-8). Написать уравне- ние плоскости, проходящей через точку М перпендикулярно вектору мгк. м Решение. Точка г!* лежит в искомой плоскости, поэтому для нахождения уравнения плоскости воспользуемся формулой Д(х-х<) + + о. _ ____________ В качестве нормального вектора плоскости примем вектор J\/= /У( (рис.7). Подставляя в уравнение плоскости координаты точки /V[* и координаты нормального вектора Л/ = М -4), получим уравнение искомой плоскости: илм х + 8
Р. Составить уравнение плоскости, проходящей через точки (3,0,-4) и (4,5,-8) перпендикулярно плоскости Р е и е н и е. Уравнение искомой плоскости, проходящей через точку (3,0,-4), находим в виде Д (х-3)+О, Нормальный вектор искомой плоскости перпендикулярен вектору данной плоскости и вектору MtM(I»5,-4) (рис.8). Поэтому в качестве нормального вектора /У, можно принять векторное произведение двух векторов и • = - f / i -t- 7 "b G К . Подставляя координаты нормального вектора Д/у (-11,7,6) в уравне- ние Af+ , получим уравнение искомой плос- кости + + G(Z + 4)^O или jfx - 7^-62-67-б>. 18. Указать особенности в расположении относительно системы координат, построить плоскости и определить их нормальные векторы: I) 2 ОС + Z - 6 - о ; 2) + й = 3) 4) Яос-^-Я^О ; 5)Х=0. Ответ. I) плоскость общего положения ; Д/ ; 2) плоскость параллельна оси О'Х. 7 О, У,-2.); 3) плоскость параллельна плоскости -хО-2 , Л/( О, Ч, О); 4) плоскость проходит через начало координат, -2); 5) плоскость у Ог } О, О). 3-7261 9
19. Вычислить объем гмрашды, ограниченной плоскостью _ За,- 12- О и координатными плоскостям. Ответ. 16 куб .ед. 20. Составить уравнение плоскости, которая проходит через точку Md.2,-2) и имеет нормальный вектор Л/ (1,-3,2). 6 т в ы т. Х-3ч + 2. 2+3= О . 21. Составить уравнение плоскости, проходящей через т*0Ч*У М(3,4,-5), параллельно двум векторам О. (3,1,—I) и % (1,-2,1). ‘ответ. х + Чу + ¥% -t- IS - О. 22. Составить уравнение плоскости, проходящей через три точки М(3,0,4), М1(5,2,6)и Мэ(2,3,-3). 'Ответ. fx-З О. 23. Составить уравнение плоскости, которая проходит: I) через точку Мх(2,1,-3) параллельно плоскости хб^; 2) через точку /^|t(T,-3,4) параллельно плоскости 3) через точку Мх (4,5,6) параллельно плоскости ^0% , Ответ. I) t 3-0^2) x-f 0; 3) - 5 = О. 24. Составить уравнение плоскости, которая проходит: I) через ось Ох и точку Мх(4,-1,2); 2) через ось 0i и точку Мх(3,1,-1); 3) через ось Оч и точку (2»-2,3). Ответ. 1)Ц+£=0; 2) Х-3^=0; З)3х-2*=О. 25. Составить уравнение плоскости, которая проходит: I) через точки (7,2,-3) и f*1t(5,6,-4) параллельно оси Ох- 2) через точки (3,-2,5) и ^(2,3,1) параллельно оси 0%, 0 т в е т. I) + S’ £ +/0= 0 ; 2) 5" Х + -13- О . 26. Определить, при каких значениях и m следующие пары уравнений будут определять параллельные плоскости: I) 2.ос +-Сч+32-5= О 7 mос - 6ч-6 2 + 2.= О; 2) о, fLoc.-5у--Съ - О. О т в е т. I) {, = 3, т = 4; 2) О, - 3, щ > - . 27. Определить, при каком значении Z следующие пары уравнений будут определять перпендикулярные плоскости: _ I) Зх-^ч+€«-3=0, х + 'Зу + 21И-Я=О-, 2) 5"х+ ч - Зэе - 3= О , 2.x+£^-3,зь+/ = 0. Ответ.!) I = 6; 2) £ = - 19. 10
28. Определить двугранные углы, образованные пересечением сле- дующих пар плоскостей: D + , З-х-б'у-1=О‘} 2) ос-^|/2'+ 1-1 = О , ос + ^/2 - 2 + 3= О-> 3) 'х + Ъу-Зъ + Ч-О, те.- 3 = О. О т в е т. I) и ; 2) И ; 3) и H-anudr Z Z 3 3 Гт 29. Составить уравнение плоскости, которая проходит через нача- ло координат параллельно плоскости 5*х — С - 8- О. Ответ. + — О. 30. Написать уравнение плоскости, которая проходит через точку ^(1,2,-2) параллельно плоскости Ответ. + i + / = 31. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку M^I.It-2) перпендикулярно двум плоскостям 2х-2 + /-О и 00+2^=Л Ответ. 2,-эс- ^ + ^2+^=0. 3. СИСТЭЛА ДВУХ ЛИНЕЙНЫХ уравнений в пространстве Общими уравнениями прямой в пространстве называется уравнения (A* + + CxTfc+®2=0, если не выполняются условия —- = Ах /Эя. Сг Прямая здесь задана как пересечение двух плоскостей. Если известна одна точка (хх и ^прямой и направляпф'й вектор ♦ то прямая в пространстве может быть' определена каноническими уравнениями (рис.9) ч-^__ . m v И Р Обозначив буквой £ каждое из равных отношений в канонических уравнениях получим -V Т" i = / II
Эти уравнения называются параметрическими М, Р и с. 9. уравнениями прямой. Канонические уравнения прямой, про- ход яцей через две данные точки и ”« я-х,_ у-к, _ z-г, Пусть даны две прямые в пространстве каноническими уравнениями: g-gy g-»„. '*’/ nt Pt * *4 n,. pz Угол между двумя прямыми в пространстве вычисляется по формуле се-/- п< п,т р.-рь 1 Тх| 'Jrf+nf+pf ‘ \lrf+r£ + p*' Условием параллельности двух прямых в пространстве является коллинеарность их направляющих векторов Условием перпендикулярности двух прямых в пространстве является равенство нулю скалярного произведения их направляющих векторов ИЛИ + Л 'р2=О. Пусть даны прямая X- ОС, ц-ц,_ % - %, *Л р и плоскость Д ОС + /3^ + £ J? + = О Угол между прямой и плоскостью определяется по формуле - Ат + Вп+Ср 7 ffl’ISl ' 12
Усломе параллельности прямой м плоскости = O Ат + Вп+Ср = О. Усжоме перпендикулярности прямой и плоскости Л/ I/ S илм ~т~ *^" = ~р ' 32. Написать канонические уравнеюя перпендикуляра, опушенного иэ точки (1,-2,3) на* плоскость Vxj-W + 2 £ —3 = 0. Р е е н и е. Нормальный вектор // (4,-1,2), перпендикуляр- ный данной пл о ск оста, параллелен искомой прямой (pic.10). Поэтому его можно считать направляпдим векто- ром этой прямой Подставляя коор- динаты точки М^(1,-2,3) и координаты направяжцего вектора У (4,-1,2) в канонические уравнения прямой m п р получим искомые уравнения прямой 33. Найти точку пересечения прямой -2L м плоскос- ти 2х + Зу + 2-/=0. 1-2 6 Р е е н и е. Чтобы найти точку пересечения Р прямой и плоскости, надо ремть совместно их уравнения (рис.II). Для этого сначала приведем канонические урав- нения прямой к параметрическому виду Отвода foe. = 1 + I , к =-<- («= fi-£ Подставляя х , у , 2 в уравнение плоскости, получим 4-7261 13
Искомая точка пересечения прямой и плоскости имеет координаты Х= 2. , у = -7-2 = -3, *= 6 НЛП Р (2,-3,б). 34. Пр»вести к каноническому виду обцие уравнения прямой [З'Х+Zy- 5*Х -4= 0. Реиение. Чтобы перейти от обцих уравнений прямой к ее каноничес- ким уравнениям -x-'Xt _ 2-Х/ m п Р надо на прямой найти какую-нибудь точку определить ее направжяпций век- тор 'Sfm и р)- Точку М1 находят так: задают произвольно/ например, % » 0 и из обцих уравнений прямой находят ] о:-2у -4= о, ХЪК+Zu-H = о, отсюда X. 2, I или М, (2,1,0). Напра вл лоций вектор £ прямой перпендикулярен нормальным векторам /V^(I,-2,3) и Л£(3,2,-5) можно веять вектор данных плоскостей (рис. 12). Поэтому в качестве Тогда канонические уравнения данной прямой примут лид Ч ’ 14 8 «" ~д7"~ у" “ V ’ 35. Составить канонические уравнежя прямой, проходящей через точку М. (2,0,-3) параллельно: 1 7 Х-/_ Х + I) вектору 5 (2,-3,5); 2) прямой --> 3) оси ох ; 4) оси Ои ; 5) оси 0<£ . Ответ та 'X-l - « - ^ + 3 , ,, . Ответ. I) —-------------, 3) t --%---Q-, Л) 5- -1 > 4) ~о---1 О > ’О Q 1 ‘ 14
36. Составить канонические уравнения пряной, проходящей черве точку NJI.-5.3) и образувщвй с осям координат углы 60°, 45°, 120°. 1 Ответ. □е—/ ^ + 5* 95-^3 / = vr“= -i ' 37. Написать уравнение пряной, проходящей черен две точки r*T{f-I,2,3) и М&(2,6,-2). Найти направляющие кожнусы пряной. О т , . = ijLl; 38. Через точки (-6,6,-5) и 12,-6,1) проведена пряная. Найти точки пересечения етой пряной с координатным плоскостям. 0 т в е т. (9,-4,0), (3.0.-2), (О,2,-3). 39. Привести к каноническому виду общие уравнения пряных: f fax-3u’3fc=3, 1,(Я'Х+ у - 8 = о ; + « = з. °””- 40. Написать канонические уравнения пряной, проходящей через точку (2,0,-3) параллельно пряной: f3oe-u-<-2^-7=(9 \ 2 +3 =0. Ответ. Т—£ — </ — -£ ~ У “ У * 41. При какой значении т пряные и (ос^+^-в-О параллельны? Ответ. ХИ > 3. 42. При каком значении К71 пряные □е- <+ii, ljb= Y-6-t Ответ. Ш = эе-у_ 4+1- 4-2. и —зперпендикулярны? 2. 43. Найти острый угол нейду прямым* 15
!0Cs-S + 3-£, ,« = 3- ± Ответ. I) 60°; 2) 45°. X x - i 4- 2 -t, °! ± * = -3+ ± . И 44. Опредеаить косинус угла между прямым: f Х-Ч-5" — О X- 7 _ W-t-t- я. (£х+#-2£ ~Ч=О И 6 " з -2 Ответ. eot> i/ - + -~~т 1 2.1 Х-И _ «У-Д-^ч-З 45. При каком значении Ки прямая n^- - j “ параллель- на плоскости Ответ, т » - 3. + if/ 46. Выяснить, лежит ли прямая ^ = 1-4/ в плоскости ЗХ + 2у- 3=0. (%=-3+^ Ответ. Прямая лежит в плоскости. 47. Найти угол между прямой и плоскостью: Z) , «» + ¥-<( = «>. Ответ. I) 0°; 2) 45°. 48. Составить уравнение прямой, проходящей через точку перпендикулярно плоскости S’x—2 Ответ. ^1. 5" 2- 49. Написать уравнение плоскости, проходящей через точку М, (3,4,0) и прямую X= У + 2 ‘ 1 Я Ответ. С =. 0, 50. Составить уравнение плоскости, проходящей через точку М< (3,4,5) перпендикулярно прямой . л 2- — У $ Ответ. +^-15'=0. гос_3^+^ 51. Доказать, что прямые Х~<- 4 + tL~ it-S и = 2 “3 Ч лежат в одной плоскости и составить уравнение этой плоскости. Ответ. 2х — 16 1 3 % + 3 1 = О. 16
52. Найти проекдо точки М<(4,-5,1) на плоскость х+2а-%-3*0 и вы<м сжить расстояше от точки до плоскости. Ответ. P(S,-1f О) , </ = /Г. 53. Найти точку Р , симметричную точке Q. (1,3,-4) относи- тельно плоскости Зх+у. ~2z=-O. Ответ. Р (-5,1.0). г Ivf I*** , 54. Найти проекфю точки на прямую J^ = п [1- 2+Хб . Ответ. Г (3.-2.4). 55. Вычислить расстояние о/ от точки Л/ (1,-1,-2) до прямой 'Х.+З _ 4±i- 8 з “ уГ"’ -2. ‘ Ответ. (X = 7. „ л vf г fx ~ Z t 56. Даны уравнения движения точки Л/(3^2) : --3 + ;н/ Определить расстояние о/ , которое пройдет S’-'i. эта точка за промежуток времени от *6 « 0 до 7. От вв т. о| = 21. * Х 4. ЛИНИИ ВТОРОГО поредкл 4.1. Окружность Каноническое уравнение окружности cj^bht^m в точке и радиусом R амевт вид 'X ~ ‘ ~ частности, если центр окружности лежит в начале координат, т.е. Х^ = = 0, то ее уравнение примет простейяий вид wX- fc*' ° Общее алгебраическое уравнение второй степени Д<эе1+ В> 'х-ч -*• £ Ч* + Я)х + £ и + F о определяет уравнение окружности, если т(=С»/3=0- Следовательно, общее уравнение окружности имеет вид: А Ау2-^ ©ос. + Е^. + F = О. Разделив это уравнение на Д и выделив полные квадраты по X и по , приведем его к каноническому виду. 57. Составить уравнение окружности,если точки Д (3,2) и ^(136) являются концами одного из диаметров окружности. Реш е н и е. Каноническое уравнение окружности имеет вид 17 5-7261
(х-Л0) + где координаты центра (_ и радиус К 0пока неизвестны (рис.13). Найдем координаты . фнтра окружности как координаты середины отрез- ка 43 X = ,ХА~^ XJ3 - _ J Радиус p, определим по формуле расстояния n то <*W двумя точкам Рис. 13. д=/ё!/= = /(3-0+62-*/ =2&. Таким образом, искомая окружность имеет уравнение 58. Привести к каноническому виду общее уравнение окружности + • Найти центр и радиус окружности. Р ет1 е н и е. Разделим все члены данного уравнения на 2. u*- f-x + 2ч.-ь 1= О. Сгруппируем*члетш, содержащие только X и только , и дополним их до полных квадратов х) + ('Лгу)+ р- S х + (|)7- (%} + [ /+*y+J- i+i-O. л™, (ж-з) + (?+Yy= Л-. Таким образом, уравнение окружности приведено к каноническому виду, ее центр Q (-| , -l), а радиус . 59. Построить окружности. Записать уравнения полуокружностей, расположенных в верхней, нижней, правой и левой полуплоскостях сис- темы координат х 0 и ; 2) О т в в т. I) = ^ = -^<3-^ х= /9 2) ^=/i5---xF у = -х=- 18
60. Построить окружности. Зашсать уравнения полуокружностей, расположенных в верхней и нижней полуплоскостях относительно горизон- тального диаметра окружности г I) (x.-lf'-F 2) -X -« (^-3) -ДУ. о » в в т. i) f ^=-А- fa-а?; 2) ^ = 3-«1^Я5’-х1', у = . 61. Составить каноническое уравнение окружности, если: I) окружность проходит через начало координат, и ее центр сов- падает с точкой Q (6,-8); 2) окружность проходит через точку А (5,-8),и ее центр находится в точке С, (0,4); 3) окружность проходит через точки О (0,0), А (2,0), R (0,4) 4) окружность касается оси Очс. в начале координат и пересекает ось Оу в точке А (0,10). Ответ. , , D ( х - 6) + (У + 8) = <ОО 2) Xх + (у- -9) =^6 9 ? з) ; 4) 'X*'+ ( у- sf = 2 5. 62. Найти центр и радиус каждой из следущих окружностей: I) хг+уг+- бу-3-0; 2) + 5) ЗхХ+зУ-^х+ /5-=^; б) ЯхМ/+ ?х-Зу-2= О- Ответ. I)C(-2,3), 2) C(£>l), > 3) t(-2,o)} 2; 4) С.Со,3}, 5> й=-ф-; 6’ 63. В точке А (0,3) провести касательную к окружности Х*-<- 2 X - 3 = О. Ответ. - 3«+9= 0. 19
64. Найта точки пересечен я прямой и окружности I) = , •х*Ч-ух--</х--Г2.= О; 2) х + = о, 5" X = О. О т в е т. I) (2,4); (-2,0)} 1) (О, О) } (- f 65. Показать, что прямая касается окружности ^х. -1=0. Найти точку касания. 4.2. Эллипс Каноническое г уравнение эллипса имеет вид г большая ось эллипса; - малая ось эллипса; - расстояние между фокусам; где начало координат ; 0 - центр симметрии эллипса;оси координат - оси симмет- рии эллипса; /у (-С,О) и Р2(С,0) - фокусы эллипса;/7J , Я2 (а,О) (О~$) %В2 (О,&) - вершины эллипса (рис. 14)•Вели- чина £ = — < J называется эксцентриситетом эллипса. Он характе- ризует форму (вытянутость) эллипса. Окружность можно считать частным случаем эллипса, у кото- рого а- £ , следовательно, С » О *s=o. г 1 66. Дан эллипс $1. + 2-5ч-№>. Найти: I) его полуоси; 2) координа- ты вериин и центра; 3) координаты фокусов; 4) эксцентриситет; 5) построить эллипс. № Р и с. 14. Р е е н и е. Разделив все члены данного уравнения на 225, при- ведем уравнение эллипса к каноническому виду _ и. —- у 25- <3 ‘ ' I) Иэ уравнения следует, что больиая полуось ОС • 5, малая полуось = 3. 20
2) Вершины эллипса (-5,0), Д^(5,0), [if (0,-3),/3^(0,3); цэнтр эллипсе 0 (0,0). __________, 3) Из формулы С.9"^ас — находим С.= /й-б'—З = ' • Следовательно, (-4,0) и fy (4,0) - фокусы эллипса. 4) Эксцентриситет эллипса £ я Л- я -Д < -/ . 5) Построим эллипс (рис.15). 67. Составить уравнение эллипса, если эксцентриситет , а малая ось равна 12. ^Решение. По условию задачи ,К • I2.Hof3l поэтому имеем систему уравнений л~ 5 > v= 6, К. *1 Л С — Л. — о Отсюда имеем (С“ Г*0* ’ К= б, 1^.Л~ 3 6 . Тогда Ct « 10, € » б. Следовательно, каноническое уравнение эллипса принимает вид -3^- + • UQ 36 68. Дан эллипс Y6. Найти: I) его полуоси , 2) координаты вервин и центра, 3) координаты фокусов, 4) эксцентриситет, 5) построить эллипс. О т в е т. I) а ’ 4, € - 2; 2) А< (-4,0), (4,0), ч , ч (°>-2). в* ^^13,6)^^ 2, 2 * 69. Построить эллипс S-x М—~ / . Найти его фокусы и эксцентри- ситет. Ответ. F1 (-3,0) и /^(3,0), f = . 70. Найти каноническое уравнение эллипса, зная, что: I) фокусное расстояние равно 8, малая полуось равна 3; 21
2) болымя полуось равна 6, эксцентриситет £ > 0,5; 3) расстояние между фокусам равно 12, а эксцентриситет ; 4) расстояние одного из фокусов эямпса до концов его больной оси равно I и 7. Х* с/ ПС1 и- J 0» е I) 7 ; loo > 16 т 71. Составить уравнение эллипса, если известны: I) точка (-1^1) эллипса и его малая полуось > 3; 2) точка /*| (2,-2) эллипса и его больная полуось а. = 4. 0 т в е т. !) — +-= -i , 2) ^+-^7=^. 3 6 9 ’ 16 72. Определять эксцентриситет эллипса, если его малая ось видна ив фокусов под углом в 60°. Ответ. £ - УТ с ” а ’ 73. Найти точки пересечения прямой X-f-iw-7-Ои эллипса У^+Чи-- 15. 0 т в е т. (4, / ) и (3,2). X 4.3. Гипербола Каноническое уравнение гиперболы имеет вид Xя- „ 7 ----- I а* 1 ' At I - - действительная ось гиперболы; “ мнимая ось гипвРболы- х х X I - ~ расстояние между фокусам, где С -Л ; оси координат являются осями симметрии гиперболы, начало координат - . ее центром симметрии. Гипербола пересекает ось абсщсс в точкахА^(г %°) и О) • которые называются ее вершинами. Фокусы гиперболы имеют координаты и (С, о) . Для построения гиперболы целесооб- разно построить точки и прямоугольник со сторо- нами ^Lcl н %-£ , параллельными координатным осям и с центром в начале координат. Его диагонали у- — являются асимптотами 22
гиперболы, т.е. прямьвм, к которым неограниченно приближаются ветви гиперболы (рис.16). Эксцентриситет гиперболы £=-^- > / характери- зует ее форму. Если (X — £ , то гипербола называется равносторонней, ее канони- ческое уравнение имеет вид х1- <Х~ • Гипербола, которая опре- деляется уравнением — i , называется сопряженной к гиперво- ле — * Ев ввРиины 11 фокусы лежат на оси Оу Грис. 17). Рис. 16. Рис. 17. 74. Дана гипербола = У4(4 , Найти: I) полуоси; 2) координаты вершин и центра; 3) координаты фокусов; 4) эксцентриситет; 5) уравнения асимптот; 6) уравнение сопряженной гиперболы; 5) построить данную и сопряженную гиперболы. Решение. Разделив все члены уравнения на 144, приведем данное уравнение гиперболы к каноническому виду 9 ГС 1 ‘ I) Из уравнения следует, что действительная полуось О. = 3, мнимая полуось = 4. Действительная ось гмперболы и ее фокусы рас- положены на оси О'Х . 2) Вершины гиперболы At (-3,0) и Дл(3,0); центр гиперболы О (0,0). 1 1 2. /------г __________ 3) Найдем С по формуле С — ; С— =у9+16—5* Следовательно, координаты фокусов /- о) и /-у (О). 4) Эксцентриситет гиперболы У . 23
5) По формулам U — находим уравнения асимптот гипер- 6) Уравнение сопряженной гиперболы — —f- -у— = 7 . 7) Для построения гиперболы через точки Аг , ДЛ , Ц1 (0,-4) и 6Х (094) проводим прямые, параллельные координатным осям» Получим прямоугольник. Его диагонали х являются асимптотами гипер- болы. Построим их. Затем через вераины At и А^ проводим ветви дан- ной гиперболы, приближая их к асимптотам. Сопряженная гипербола отме- чена пунктирной линией (рис.18). 75. Составить каноническое чаем систему уравнений; уравнение гиперболы, если она проходит через точку И* (-5,3), а ее эксцентриситет равен Р е и е н и е. Каноническое уравнение гиперболы имеет вид £ L аЛ ? где полуоси а и £ неизвестны. Точка (-5,3) лежит на гипер- боле, следовательно, ее координаты удовлетворяют уравнению гиперболы т.е. JL- J . По условию оЛ в1 задачи £ - ~ - У? ° Отсюда полу- Решая эту систему, получим некие гиперболы Тб " (X - IG . Следовательно, искомое урав- 76. Дана гипербола X ~ = • Найти : I) полуоси; 2) координаты вернин и центра; 3) координаты фокусов; 24
4) эксцентриситет; 5) уравнения асимптот; б) уравнение сопряженной гиперболы; 7) построить данную и сопрвежую гиперболы. Ответ. I) 2) (-4.0). Ах(4,0), 0(0,0); О Е=<; з>^=±Хх; И-а.+ ^.=у. Ха ц2, j 77. Построить гиперболу ~д~~• Н****1 99 эксцентриситет, уравнения асимптот и угол между асммптотавм. Ответ, с _ . и-• U>~ cmda — • 78. Составить каноническое уравнение гиперболы, зная, что: I) расстожие между верпннавм равно 8, фокальное расстояние равно 10; 2) действительная ось равна 6, гипербола проходит через точку N, (9,-4); 3) расстояние между фокуса» равно 6, эксцентриситет £= у ; 4) действительная ось равна 16, эксцентриситет £- £ ; 5) уравнение асимптот u = те и расстожие между фокуса» равно 20. Ответ. I) " 3 г " ,.г 3) i- 4) г! - 5) 36 W 79. Составить уравнение гиперболы, проходящей через две точки (6,-1) и М, (-8, 21/2). Ответ. Xх иг _ J ЪО_~ *8 80. Найти точки пересечения прямой Q-те. О и гиперболы Ответ. (6,2) и (Т’~з )• 25
4.4. Парабола Каноническое уравнение параболы имеет вид ~ 2(р>0\ где р - расстояние от фокуса до директрисы параболы. Начало коор- динат 0 является верниной параболы, а ось абсцюс - ее осью симмет- рии. Координаты фокуса р , уравнение директрисы параболы • (рис.19). Эксцентриситет параболы £ - I. Рассмотрим параболы, заданные уравнениями u^~-ZpX- рис.20,а; — % - рис.20,б; ос5=- " рис.20,в. На рис.20,а парабола симметрична относительно оси б)х и направлена в отрицательную сторону. На рис.20,б\ в осью симметрии является ось (рис.20,6,в). Координаты фокусов для этих случаев следующие: Р(-? - см.рис.20,a; F(&, - см.рис.20,б; F (<>>-•£) ~ см.рис. 20, в. Уравнения директрис имеют сле- дующий вид: х= £ - рис. 20,а; Рис. 20. 26
81. Построить параболу Найти координаты фокуса и уравнения директрисы. Решение. Осью симметрии данной параболы является отрица- тельная полуось , вершиной - начало координат О . Сравнивая уравнение =-^Хс уравнением параболы у = , находим, что параметр данной параболы р » 2. Фокус имеет координаты а директриса определяется уравнением * X = I. Для построения параболы найдем несколько ее точек, придавая значения X равные: О, -I, -4. Тогда парабола и прохо- дит через точки (0,0), (-1.2), (-1,-2), (-4,4), (4,-4) (рис.21). 82. Парабола с вершиной в начале координат проходит через точку pl* (1,-2) и симметрична относительно оси Оц. Написать ее уравне- ние, найти фокус и директрису. Решение. Данная парабола симметрична относительно проходит через точку с отрицательной ординатой, поэтому ее уравнение имеет вид . Подставляя координаты точки (1,-2) в это уравнение, получимя Чр • Р~^ • Следовательно, искомое урав- нв и , фокус параболы р(О * тг) , директриса Р и с. 22. 83. Даны параболы I) X- 2. 4) = X . Для каждой из них относительно координатных осей; рисы; построить параболу. Ответ. I) р = 4, р 2) 3)ХХ=6у; найти параметр р ; расположение координаты фокуса; уравнение доСрект- (0,2), и s - 2;
2) /0-2, 3) р . 3, О р.1, F (-1.0). V. - I; F М). у F й.о). г _3. . а,9 84. Нашсать каноническое уравнение параболы, если I) парабола симметрична относительно положительной полуоси Ох, и расстояние от фокуса до директрисы равно 6; 2) парабола симметрична относительно оси Ох и проходит через точку А (-2.4); 3) парабола симметрична относительно оси О и и проходит через точку Д (1,4); 4) фокус параболы находится в точке р (0,2). Ответ. I) 2) 85. Найти точки пересечения парабол м = Х и х = у1. Сделать чертеж. ® Ответ. (0,0) и (1,1). я. . 86. Найти точки пересечения параболы и s и прямой 2.x + # - Ч ~ О 4 Ответ. (1,2) и (4,-4). 4. 5. Преобразование уравнения линии второго порядка к каноническому виду Общее ураяиение линии второго порядка имеет вид А ос/ч-Дху+ + £у. где коэф({И1><внты А , Й и С одновременно в нуль не обращаются. Если в уравнении коэф^идеент /3 = 0, то оно имеет вид Л хг+ С^2, -t- S) ос -ь + F —О. Это уравнение приводится к каноническому виду методом выделения полных квадратов аналогично тому, как это делалось выше для окружнос- ти. 87. Привести к каноническому виду уравнение линии второго по- рядка и построить кривую i G х1- 9 ^2'- 28
Решение. Группируем члены, содержащие только X и толь- ко у , вынося коэф$И1><енты при х2 и с^2, за скобку 6$) - 1G1 - О. Дополняем выражения в скобках до полных квадратов: 1G (хг- Ч"х.+ — 9 (бу+9-9)— 1G ('V-if- 6^ - 9(у+3)г + ЗУ-Гб7=0; 16 L'x-l/ - 9(у+3)2 = W • &- 6/4-3)* 7 в 46 ~ • Итак,данная линия второго по- рядка есть гипербола с полуосями CL =3, S =4. Центр гиперболы находится в точке С (2,-3) (рис.23). 88. Упростить уравнение и по- строить кривую +• б^-^/З = zZ Решение. Так как член с отсутствует, то надо выделить полный квадрат только по у : JYyV +- /3-0) 3(tf+l)2*- 5т 10 = О-, 3(^.ff~-5(x+-2); Рис. 23. Отсюда следует, что данная линия есть парабола с вершиной в точке Е> г-2,-1). Ось симметрии параболы параллельна оси О ос. . Парабола направлена в отрицательную сторону оси Оэс. (рис.24). 89. Привести к каноническому виду уравнение линии второго яо- рядка, построить кривые: D д»1- ^«4-32.^- 367 - О', 29
2) + +9 = 0; 3) +Y9 = O; 4) / б Xх- - /^ + /99= 0- 5) /С«Х+Х^*+ЗЛх-/^у-2^=^ 6) 4 ,xz- Яъ-ц-ь ¥-0- Ответ. 1)1^).-ДсгхД 2)X^-\l^=7.. 5)^4+Z^t 6) ^-</=1^-3). 5. ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЦЦКА 5.1. Канонические уравнения поверхностей Поверхность второго порядка задается в декартовых координатах уравнением второй степени С%~+$)ху. + £ + /у? + С~х + + Къ + L~ О. Общее уравнение сферы получается при Л — В — С #= О } Q — E-F-О : Лх1+ Аух+А'^1'+ G-x-t Ну+ K'z-t- L -О. Делением на коэф^игхент Д и выделением полных квадратов по X , , GS оно приводится к виду (Х-Хо) + C^-^O) = ZZ} где - радиус сферы, а ( ) - координаты центра. В частности, каноническое уравнение сферы полу- чается в том случае, когда начало координат находится в центре сфе- ры (табл.). 30
Канонические уравнения поверхностей второго порядка Название поверхности Каноническое уравне- ние поверхности Вид поверхности Сфера z Z 1 пъ = к. (x*j Z 'Х У / J Эллипсоид 2- * 2L. 4- У. (- .зЬ, — 7 а* Г с*” 1 2 С Р и * Однополостный гиперболоид 1 2- 2 1 / х ИМ •» Двуполостный гиперболоид + г'>„ II 1 w~~ 2 х Конус Z л я. * йЬк У 31
Название поверхности Каноническое уравне- ние поверхности Вид лове] лености Эллиптический параболоид nr* иг1 (р>О > <£>О) IJ X Гиперболический параболоид ( седло ) •X2, 2 (р>О9^>о) о I1 \ JC / 1 \ \ 1 1 \ 9^ X 90. Установить вид поверхности X + и построить ее. Решение. Данное уравнение определяет круговой параболоид с вершиной в точке (0,0,4). Рассмотрим селения данной поверхности коор- динатные плоскостями и плоскостями „параллельными координатным плдс- костям. I) Сечение плоскостью хОч' £ = 0) ' Получив "окружность в плоскости динат и радиусом 2. г^. __ 2) Сечение плоскостью = 0) ’ Эта кривая точке <0,0,4) и с центром в начале коор~ . - Ч-Ъ плоскости с вершиной в является параболой в осью симметрии О % , ветвь параболы направлена вниз. 3) Сечение плоскостью чО% ( ОС = 0) ; * (.У ~ Это - парабола в плоскости О %. с вершиной в точке (0,0,4), ось симметрии параболы - отрицательная полуось О £ . 4) Сечение плоскостями, параллельными плоскости ос. Оч. : Ъл/и3-=^--^ , л Получим множество окружностей, центры которых имеют координаты (0,0,л) и радиусы /Л - А? . 32
Таким образом, исследуемая поверхность является параболоидом вращения, расположение которого показано на рис.25. 91. Установить вид поверхности Р и с. 25 и построить ее I) 2^- £ Q 5 2> 'X®' + и % = 44L 3) ~ 4,^+^.+f=/; 5) А+-У-.-3_-_у. Ч Ч ~ *’ 6) tf*'- % +2 . Ответ. .:) однополостный гиперболоид с осью Оу ; 2) круговой параболоид с верикной в начале координат и осью О %'. 3) гиперболический параболоид; 4) эллипсоид с полуосями <Х=» 2, 3, С « 2; 5) двуиолостный гиперболоид; 6) круговой параболоид с вершиной в точке (0,0,-2) и осью О % . 92. Найти центр и радиус сферы, заданной уравнениями I) XZ-t- Ц'+Ч:*'- + Чу. ~ Ч%~ 7-= О, 2) ое*Ч- ^4- «*+ Ч'Х. - + ~ 5" - О . Ответ. 1) С (I.-2.2), £= 4; 2) С f-2,3,-^), £ = . 93. Сфера проходит через точку И (4,2,2) и имеет центр в точке (2(1,-1,-1). Составить ее уравнение^ Ответ. fr--+yL+ ( у+ =• 27. 94. Составить уравнение сферы, если известно, что точки и /3 ^,-1,3) являются концами одного из ее диаметров. Ответ, (те-4^4-2)*-= 38. 33
5.2. Цминдрические поверхности Уравнение с двумя переменными вида F в пространствен- ной системе координат определяет гялиндрическую поверхность с образую- щими, параллельными оси 0 % ♦ т.е. оси отсутствующей координаты. Аналогично, уравнение р^^^О^у^^определяет 1><линдрическую поверхность с образующими, параллельным оси Оу. (оси Ozz ). Напри- мер, на рис.26?27^ 28 изображены эллиптический, гиперболический и па- раболический делиндры, заданные своими каноническими уравнениями: У"2 „ я2 V2 2 » 95. Установить вид поверхнос- ти, заданной уравнением 2. £ - X + 1=0, и построить ее. Решение. Данное уравне- ние не содержит у , поэтому оно определяет 1>«линдр с образующими, параллельными оси Оу . Его нал- равляпцая ; О, СЧ-О «*и 34
есть парабола на плоскости xOg с вершиной в точке (0,0,-1), нагь равленная в положительную сторону оси Ох . Таким образом, данная поверхность является параболическим хщлиндром (рис.29). 96. Установить вид по- верхности и построить ее: 2) 3) = о; X У 4) 5) X1- Ч X - ъ = О. X Р и с. 29. Ответ. I) круговой делиндр с образующим, параллельными оси Ой ; 2) гиперболический чииндр с образующим, параллельным оси Ох ; 3) круговой 1щлиндр с образующим, параллельным оси 0% ; 4) параболический делиндр с образующим, параллельным оси О % ; 5) параболический делиндр с образующим, параллельными оси Оу • 5.3. Поверхности вращения Чтобы получить уравнение поверхности, образованной вращением линии , лежащей в плоскости мОй ♦ вокруг оси Оч ♦ ° < * нужно в уравнении этой линии координату у , одноименную с осью вращения Оу ♦ оставить без изменения, а координату % заменить на X2 • Искомое уравнение поверхности вращения будет иметь вид F ( % , * - О. Аналогичные правила имеют место и по отношению к поверхностям, полу* энным вращением плоских линий вокруг других координатных осей. 97. Гипербола вращается вокруг оси О £ • Соста- <3 16 ' вить уравнение поверхности вращения. Решение. Чтобы написать уравнение поверхности, полученной от вращения данной гиперболы вокруг оси 0^ , следует в уравнении 35
гиперболы переменную Z , соответствующую оси вращения, оставить без изменения. Вторую же переменную в уравнении гиперболы за- менить на ± w2'* • Тогда уравнение поверхности вращения запишет- ся следующим образом : Итак, искомая поверхность является однополостным гиперболоидом вращения (рис.30). 98. Составить уравнение поверхности. Рис. 30. образованной вращением данной линии вокруг указанной оси:^ 2 I) эллипса 2^. •+ вокруг оси Оу , 2) прямой вокруг оси Оъ ; 3) параболы с/ вокруг оси О Ч . 1 v X Д ° Ответ. I) X . Ч________i, g - 7 - эллип- оА V оУ ~ 7 соид вращения; 2) $£ - круговой конус; 2 2 3) X + "Z = Ч - круговой параболоид.' 99. Построить тело, ограниченное поверхностями I) Л^=3-£ , % = 0 (рис.31); 2) Х1- у , = 0, X = 0, £ = 4, = I (рис.32). 35
Библиографический список Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры.- М.:Наука, 1971. Клетеник Д.В. Сборник задач по аналитической геометрии.-М.: Наука, 1975. Сборник задач и упражнений по специальным главам высшей матема- тики /Под ред. Г.И.Кручковича.-М.:Высжая школа, 1970. 37
СОДЕРЖАНИЕ I. Линейное уравнение на плоскости............................ 3 2. Линейное уравнение в пространстве.......................... 7 3. Система двух линейных уравнений в пространстве............ II 4. Линии второго порядка..................................... 17 4.1. Окружность........................................... 17 4.2. Эллипс........................................... 20 4.3. Гипербола............................................ 22 4.4. Парабола............................................. 26 4.5. Преобразование уравнения линии второго порядка к каноническому виду....................................... 28 5. Поверхности второго порядка............................. 30 5.1. Канонические уравнения поверхностей.................. 30 5.2. 1>линдрические поверхности........................... 34 5.3. Поверхности вращения................................. 35 Библиографический сгшсок..................................... 37 38
Составитель Лилия Григорьевна 3 у б р и н а УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРОКА НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ Редактор Т.Н. П а й к и н а Техн.редактор Н.М. К а л е н ю к Корректор О.Ю.Н е и а ш е в а Подписано в печать 22.06.88. Формат 60x84 I/I6. Бумага оберточная белая. Печать оперативная. Усл.п.л.2,3. Уч.-изд.л. 2,0. T.I000 ©кз. Заказ № 7261. Бесплатно. Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт имени академика С.П.Королева, г.Куйбшев, ул.Моло- догвардейская, 151. Типография имени В.П.Мяги Куйбышевского полиграфического объединения, 443099, г.Куйбыпев, ул.Венцека, 60.