Аналитическая геометрия и линейная алгебра. i семестр....

236
̨˝¨ÑÒ¯—ÑÒ´˛ ˛`—À˙˛´À˝¨ß —˛ÑѨÉÑ˚˛É Ô¯˜¯—ÀÖ¨¨ ˇÑ˚˛´Ñ˚¨É ˆ˛ÑÓ˜À—ÑÒ´¯˝˝ÛÉ ˇ¯˜Àˆ˛ˆ¨×¯Ñ˚¨É ¨˝ÑÒ¨ÒÓÒ Lì. Ñ.Ì. ˚¨—˛´À À.À. ˚¨—ÑÀ˝˛´ À˝À¸¨Ò¨×¯Ñ˚Àß ˆ¯˛Ì¯Ò—¨ß ¨ ¸¨˝¯É˝Àß À¸ˆ¯`—À I æåìåæòð (Œóðæ ºåŒöLØ) ˇÑ˚˛´ 2003

Upload: -

Post on 08-Dec-2016

280 views

Category:

Documents


7 download

TRANSCRIPT

Page 1: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈÏÑÊÎÂÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÏÅÄÀÃÎÃÈ×ÅÑÊÈÉ

ÈÍÑÒÈÒÓÒ èì. Ñ.Ì. ÊÈÐÎÂÀ

À.À. ÊÈÐÑÀÍÎÂ

ÀÍÀËÈÒÈ×ÅÑÊÀß ÃÅÎÌÅÒÐÈßÈ

ËÈÍÅÉÍÀß ÀËÃÅÁÐÀ

I ñåìåñòð

(êóðñ ëåêöèé)

ÏÑÊÎÂ 2003

Page 2: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

ÁÁÊ 22.151ÿ73 Ê 435

Ðåöåíçåíòû:Ìåäâåäåâà È.Í. êàíä. ôèç. ìàò. íàóê, äîöåíò êàôåäðû àëãåáðûè ãåîìåòðèè Ïñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî ïåäàãîãè÷åñêîãîèíñòèòóòà èì. Ñ.Ì. Êèðîâà.Êîøìàê Â.Ê. êàíä. òåõí. íàóê, äîöåíò êàôåäðû âûñøåéìàòåìàòèêè Ïñêîâñêîãî ïîëèòåõíè÷åñêîãî èíñòèòóòà.

Êèðñàíîâ À.À.Ê 435 Àíàëèòè÷åñêàÿ ãåîìåòðèÿ è ëèíåéíàÿ àëãåáðà. I ñåìåñòð.

Êóðñ ëåêöèé. Ïñêîâ: ÏÃÏÈ, 2003.-236 ñ. - ISBN 5-87854-273-0

 ó÷åáíîì ïîñîáèè èçëàãàåòñÿ îñíîâíîé ìàòåðèàë, âõîäÿùèé âîáúåäèí¸ííûé êóðñ àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè è ëèíåéíîé àëãåáðû, âñîîòâåòñòâèè ñ äåéñòâóþùèì îáðàçîâàòåëüíûì ñòàíäàðòîì.  I ñåìåñò-ðå èçó÷àþòñÿ ìàòðèöû, îïðåäåëèòåëè, ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé,âåêòîðíàÿ àëãåáðà, ïðÿìûå è ïëîñêîñòè, ëèíèè è ïîâåðõíîñòè âòîðîãîïîðÿäêà.

Äëÿ ñòóäåíòîâ ïåäàãîãè÷åñêèõ èíñòèòóòîâ.Òàáë. 1. Èë. 101. Áèáëèîãð. 21 íàçâ.

Ê 435

© Ïñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûéïåäàãîãè÷åñêèé èíñòèòóò

èì. Ñ.Ì. Êèðîâà, 2003(ÏÃÏÈ èì. Ñ.Ì.Êèðîâà), 2003

© Êèðñàíîâ À.À.,2003ISBN 5-87854-273-0

Ïå÷àòàåòñÿ ïî ðåøåíèþ êàôåäðû àëãåáðû è ãåîìåòðèèè ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêîãî ñîâåòà ÏÃÏÈ èì. Ñ.Ì. Êèðîâà

Page 3: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ

1. Ìàòðèöû1.1. Îïðåäåëåíèå è âèäû ìàòðèö ..................................................... 71.2. Òðàíñïîíèðîâàííàÿ ìàòðèöà ..................................................101.3. Ñëîæåíèå ìàòðèö. Óìíîæåíèå ìàòðèöû íà ÷èñëî. ................111.4. Ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü ìàòðèö ................................................131.5. Ñèìâîë Σ . Ïðàâèëî ñóììèðîâàíèÿ Ýéíøòåéíà ....................171.6. Óìíîæåíèå ìàòðèö ...................................................................201.7. Ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ. Ýëåìåíòàðíûå ìàòðèöû. ....231.8. Âûðîæäåííûå è íåâûðîæäåííûå ìàòðèöû. ............................261.9. Îáðàòíàÿ ìàòðèöà. ...................................................................291.10. Ðàíã ìàòðèöû ..........................................................................321.11. Îñíîâíûå òåîðåìû î ðàíãå ìàòðèöû .....................................35

2. Îïðåäåëèòåëè2.1. Îïðåäåëèòåëè II è III ïîðÿäêîâ ...............................................392.2. Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû n -ãî ïîðÿäêà ....................................412.3. Ñâîéñòâà îïðåäåëèòåëåé ..........................................................462.4. Âû÷èñëåíèå îáðàòíîé ìàòðèöû ñ ïîìîùüþ îïðåäåëèòåëÿ ...54

3. Ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé3.1. Îïðåäåëåíèå è âèäû ñèñòåì ëèíåéíûõ óðàâíåíèé..................553.2. Ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñ nm = ...................................593.4. Ïðàâèëî Êðàìåðà .....................................................................603.5. Òåîðåìà Êðîíåêåðà-Êàïåëëè ...................................................633.6. Îáùåå ïðàâèëî íàõîæäåíèÿ ðåøåíèé .....................................643.7. Ïðèâåä¸ííàÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ............................663.8. Îáùåå ðåøåíèå ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé .......................71

4. Âåêòîðíàÿ àëãåáðà4.1. Îïðåäåëåíèå âåêòîðà è ëèíåéíûå îïåðàöèè íàä âåêòîðàìè .754.2. Ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü âåêòîðîâ. ............................................794.3. Áàçèñ. .........................................................................................814.4. Ñèñòåìû êîîðäèíàò ..................................................................82

4.4.1. Äåêàðòîâà (àôôèííàÿ) ñèñòåìà êîîðäèíàò .......................824.4.2. Äåëåíèå îòðåçêà â äàííîì îòíîøåíèè. .............................844.4.3. Äåêàðòîâà ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò. ...............854.4.4. Ïîëÿðíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò. ...........................................854.4.5. Öèëèíäðè÷åñêàÿ è ñôåðè÷åñêàÿ ñèñòåìû êîîðäèíàò. ......87

4.5. Ïðåîáðàçîâàíèå êîîðäèíàò .....................................................884.5.1. Ïàðàëëåëüíûé ïåðåíîñ ÏÑÊ íà ïëîñêîñòè. .....................88

1*

Page 4: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

4.5.2. Ïîâîðîò ÏÑÊ â ïëîñêîñòè. ............................................... 904.6. Ïðîèçâåäåíèÿ âåêòîðîâ ........................................................ 934.6.1. Ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå âåêòîðîâ. .................................. 934.6.2. Ïðîåêöèÿ âåêòîðà íà ïðîèçâîëüíóþ ïðÿìóþ. ................. 974.6.3. Îðèåíòàöèÿ ïðÿìîé, ïëîñêîñòè è ïðîñòðàíñòâà ............. 984.6.4. Ïëîùàäü îðèåíòèðîâàííîãî ïàðàëëåëîãðàììà, îáú¸ìîðèåíòèðîâàííîãî ïàðàëëåëåïèïåäà ....................................... 1004.6.5. Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ ......................... 101

4.7. Ïðîèçâåäåíèÿ òð¸õ âåêòîðîâ .................................................. 1054.7.1. Ïðîñòåéøåå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ ...................... 1054.7.2. Âåêòîðíî-âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ ......... 1054.7.3. Âåêòîðíî-ñêàëÿðíîå (ñìåøàííîå) ïðîèçâåäåíèåòð¸õ âåêòîðîâ ............................................................................ 108

5. Ïðÿìûå ëèíèè è ïëîñêîñòè5.1. Ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé ..................................... 1125.2. Ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè ................................ 1135.3. Ïðÿìàÿ ëèíèÿ íà ïëîñêîñòè ................................................... 1145.4. Âåêòîðíûå óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòè è ïðÿìîé ........................... 1185.5. Óñëîâèÿ ïàðàëëåëüíîñòè ïëîñêîñòåé è ïðÿìûõíà ïëîñêîñòè .................................................................................. 1255.6. Óðàâíåíèå ïðÿìîé â ïðîñòðàíñòâå ........................................ 1295.7. Ïðÿìàÿ íà ïëîñêîñòè. Îñíîâíûå çàäà÷è ............................... 1325.8. Ïðÿìàÿ è ïëîñêîñòü â ïðîñòðàíñòâå. Îñíîâíûå çàäà÷è ....... 149

6. Ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà6.1. Ïàðàáîëà ................................................................................. 160

6.1.1. Äèðåêòîðèàëüíîå ñâîéñòâî ïàðàáîëû............................ 1616.1.2. Êàñàòåëüíàÿ ê ïàðàáîëå .................................................. 1626.1.3. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ïàðàáîëû ...................................... 163

6.2 Ýëëèïñ ...................................................................................... 1656.2.1. Ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèïñà .......................................... 1676.2.2. Äèðåêòîðèàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèïñà ............................... 1686.2.3. Êàñàòåëüíàÿ ê ýëëèïñó ..................................................... 1706.2.4. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ýëëèïñà ......................................... 171

6.3. Ãèïåðáîëà ................................................................................ 1736.3.1. Ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ãèïåðáîëû ..................................... 1746.3.2. Äèðåêòîðèàëüíûå ñâîéñòâà ãèïåðáîëû ......................... 1766.3.3. Óðàâíåíèå êàñàòåëüíîé ê ãèïåðáîëå .............................. 1776.3.4. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ãèïåðáîëû .................................... 178

Page 5: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

6.4. Óðàâíåíèÿ ãèïåðáîë, ýëëèïñîâ è ïàðàáîë îòíåñ¸ííûåê âåðøèíå ....................................................................................... 1796.5. Óðàâíåíèÿ ýëëèïñîâ, ïàðàáîë è ãèïåðáîëâ ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ ............................................................... 182

7. Ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà. Îáùàÿ òåîðèÿ7.1. Îáùåå ïîíÿòèå î ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà ............................. 1857.2. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè çàìåíå ÏÑÊ .............. 187

7.2.1. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè ïàðàëëåëüíîìïåðåíîñå ÏÑÊ ............................................................................ 1877.2.2. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ ... 188

7.3. Ïîíÿòèå èíâàðèàíòà. Îñíîâíûå èíâàðèàíòû ëèíèèâòîðîãî ïîðÿäêà ............................................................................ 1907.4. Öåíòð ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà. Ïðåîáðàçîâàíèå ê öåíòðó .. 1957.5.Ñòàíäàðòíîå óïðîùåíèå ëþáîãî óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî .....ïîðÿäêà ïóò¸ì ïîâîðîòà îñåé ÏÑÊ .............................................. 1977.6. Óïðîùåíèå óðàâíåíèÿ öåíòðàëüíîé ëèíèè âòîðîãîïîðÿäêà ........................................................................................... 1987.7. Óïðîùåíèå óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà áåç ....................îïðåäåë¸ííîãî öåíòðà ................................................................... 2037.8. Êëàññèôèêàöèÿ ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà ............................... 210

8. Ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà8.1. Öèëèíäðè÷åñêèå ïîâåðõíîñòè ................................................ 2118.2. Êîíóñû âòîðîãî ïîðÿäêà ........................................................ 2158.3. Ýëëèïñîèäû, ãèïåðáîëîèäû è ïàðàáîëîèäû ........................ 219

Page 6: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

αΑ, βΒ, γΓ, δ∆,àëüôà áåòà ãàììà äåëüòà

εΕ, ζΖ, ηΗ, ϑθΘ ,,ýïñèëîí äçåòà ýòà òåòà

ιΙ, κΚ, λΛ, µΜ,éîòà êàïïà ëÿìáäà ìþ

νΝ, ξΞ, οΟ, πΠ,íþ êñè îìèêðîí ïè

ρΡ, σΣ, τΤ, υΥ,ðî ñèãìà òàó èïñèëîí

ϕΦ, χΧ, ψΨ, ωΩ,ôè õè ïñè îìåãà

ÃÐÅ×ÅÑÊÈÉ ÀËÔÀÂÈÒ

Page 7: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

7

1. Ìàòðèöû

1.1. Îïðåäåëåíèå è âèäû ìàòðèö

Îïðåäåëåíèå 1.1. Òàáëèöà ÷èñåë (âåùåñòâåííûõ èëè êîìïëåêñíûõ)

=

mnmm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

22221

11211

, (1.1)

ñîñòîÿùàÿ èç m ñòðîê è n ñòîëáöîâ, íàçûâàåòñÿ ïðÿìîóãîëüíîé

ìàòðèöåé ðàçìåðà nm× .

×èñëî ñòðîê è ñòîëáöîâ ìàòðèöû À, åñëè ýòî íåîáõîäèìî,

ìîæíî óêàçàòü òàê: nmA × .

Ýëåìåíòû inii aaa ,...,, 21 îáðàçóþò ñòðîêó ïîä íîìåðîì i , à

ýëåìåíòû mjjj aaa ,...,, 21 îáðàçóþò ñòîëáåö ïîä íîìåðîì j . Ýëå-

ìåíò ija ëåæèò íà ïåðåñå÷åíèè i -é ñòðîêè è j -ãî ñòîëáöà ìàòðè-

öû A è ìû áóäåì âñåãäà èìåòü â âèäó, ÷òî ïåðâûé èíäåêñ îáîçíà-

÷àåò íîìåð ñòðîêè, à âòîðîé - íîìåð ñòîëáöà. íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìàòðèöó (1.1) áûâàåò óäîáíåå çàïèñàòü

â âèäå

=

mn

mm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

222

21

112

11

. (1.2)

 äàííîì ñëó÷àå èíäåêñ ñòîÿùèé ââåðõó îáîçíà÷àåò íîìåð

ñòðîêè, à âíèçó - íîìåð ñòîëáöà.Äâå ìàòðèöû áóäåì ñ÷èòàòü ðàâíûìè åñëè îíè èìåþò îäèíà-

êîâûå ðàçìåðû, à ýëåìåíòû, ñòîÿùèå íà îäèíàêîâûõ ìåñòàõ ðàâíû

Page 8: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

8

äðóã äðóãó. Ìàòðèöû nmA × è nmB × ðàâíû åñëè

ijij ba = , mi ,...,2,1= ; nj ,...,2,1= .

Åñëè ÷èñëî ñòðîê ìàòðèöû ðàâíî ÷èñëó ñòîëáöîâ, ò.å. nm= ,òî òàêàÿ ìàòðèöà íàçûâàåòñÿ êâàäðàòíîé ìàòðèöåé ïîðÿäêà n . Â

÷àñòíîñòè ïðè 1=n ìû èìååì êâàäðàòíóþ ìàòðèöó ñîñòîÿùóþèç îäíîé ñòðîêè è îäíîãî ñòîëáöà - ïðîñòî ÷èñëî è ìû ìîæåìðàññìàòðèâàòü âåùåñòâåííûå ÷èñëà êàê êâàäðàòíûå ìàòðèöû

ïîðÿäêà 1 . Ýëåìåíòû ija ( ija ) ó êîòîðûõ íîìåð ñòðîêè ðàâåí íî-

ìåðó ñòîëáöà ( nnaaa ,...,, 2211 ) èëè ( )nnaaa ,...,, 2

211 ñîñòàâëÿþò ãëàâíóþ

äèàãîíàëü êâàäðàòíîé ìàòðèöû.Ìàòðèöó ðàçìåðîâ n×1 , ñîñòîÿùóþ èç îäíîé ñòðîêè è n

ñòîëáöîâ íàçîâ¸ì ñòðîêîé äëèíû n èëè ïðîñòî ñòðîêîé.

Ïðèìåð ñòðîêè äëèíîé 3: ( )205=A

Ìàòðèöó ðàçìåðîâ 1×m , ñîñòîÿùóþ èç m ñòðîê è îäíîãîñòîëáöà íàçîâ¸ì ñòîëáöîì âûñîòû m èëè ïðîñòî ñòîëáöîì.

Ïðèìåð ñòîëáöà âûñîòû 2:

=

0

1B .

×àñòî áûâàåò óäîáíî çàïèñàòü ìàòðèöó âèäà (1.2) â âèäåñòðîêè èëè ñòîëáöà. Òàê ïîëàãàÿ â (1.2)

=

ma

a

a

1

21

11

1...

a ,

=

ma

a

a

2

22

12

2...

a, ...,

=

mn

n

n

n

a

a

a

...

2

1

a

ìû ìîæåì çàïèñàòü ìàòðèöó (1.2) â âèäå ñòðîêè

( )nA aaa ...21= , (1.3)

èëè ïîëàãàÿ

Page 9: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

9

( )112

11

1 ... naaa=a , ( )222

21

2 ... naaa=a , ...,

( )mn

mmm aaa ...21=aìû ìîæåì çàïèñàòü ìàòðèöó (1.2) â âèäå

=

m

A

a

a

a

...

2

1

. (1.4)

Îòìåòèì íåñêîëüêî ñïåöèàëüíûõ ìàòðèö:

1. Ìàòðèöà ó êîòîðîé îòëè÷íû îò íóëÿ ëèøü ýëåìåíòû ãëàâ-

íîé äèàãîíàëè: 0≠ija , åñëè ji = è 0=ija , åñëè ji ≠

=

nna

a

a

A

...00

............

0...0

0...0

22

11

íàçûâàåòñÿ äèàãîíàëüíîé ìàòðèöåé ïîðÿäêà n .

2. Ìàòðèöà, ó êîòîðîé ðàâíû íóëþ ýëåìåíòû ëåæàùèå íèæå

(âûøå) ãëàâíîé äèàãîíàëè

=

nn

n

n

a

aa

aaa

A

...00

............

...0

...

222

11211

,

=

nnnn aaa

aa

a

A

...

............

0...

0...0

21

2221

11

,

íàçûâàåòñÿ ñîîòâåòñòâåííî âåðõíåé (íèæíåé) òðåóãîëüíîé ìàò-

ðèöåé.

Page 10: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

10

1.2. Òðàíñïîíèðîâàííàÿ ìàòðèöà

Ðàññìîòðèì ìàòðèöó ðàçìåðîì nm×

=

mnmm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

22221

11211

.

Ýòîé ìàòðèöå ìû ìîæåì ñîïîñòàâèòü ìàòðèöó B ñîñòîÿùóþèç n ñòðîê è m ñòîëáöîâ ïî ñëåäóþùåìó ïðàâèëó. Ýëåìåíòû êàæ-

äîé ñòðîêè ìàòðèöû A çàïèøåì â ñòîëáåö â òîì æå ïîðÿäêå:

=

mnnn

m

m

aaa

aaa

aaa

B

...

............

...

...

21

22212

12111

.

Òàêèì îáðàçîì ìû ìàòðèöå nmA × ñîïîñòàâèëè ìàòðèöó mnB × ,

êîòîðóþ íàçîâ¸ì òðàíñïîíèðîâàííîé ê ìàòðèöå A è ââåä¸ì îáî-çíà÷åíèå:

TAB = .

Ïåðåõîä TAA → íàçîâ¸ì îïåðàöèåé òðàíñïîíèðîâàíèÿ.

Ïðèìåð.

=

05

20

31

A ,

=

023

501TA , ( )

=

05

20

31TTA .

Íà ïðèâåä¸ííîì ïðèìåðå ìû âèäèì, ÷òî ïîâòîðíàÿ îïåðà-

öèÿ òðàíñïîíèðîâàíèÿ ïðèâîäèò íàñ ê èñõîäíîé ìàòðèöå, ò.å.

( ) AATT = .

Page 11: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

11

1.3. Ñëîæåíèå ìàòðèö. Óìíîæåíèå ìàòðèöû íà ÷èñëî.

Ïóñòü ìàòðèöû A è B ïðèíàäëåæàò ìíîæåñòâó ìàòðèö Mðàçìåðà nm× . Ìû ìîæåì ñîïîñòàâèòü èì òðåòüþ ìàòðèöó MC∈ ,ýëåìåíòû êîòîðîé ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèÿìè:

ijijij bac += , mi ,...,1= , nj ,...,1= . (1.4)

Îïðåäåëåíèå 1.2. Ìàòðèöó C , îïðåäåëÿåìóþ ïî ìàòðèöàì A è B âñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (1.4) áóäåì íàçûâàòü èõ ñóììîé, ò.å.

BAC += .Êàê ìû âèäèì, îïåðàöèÿ ñëîæåíèÿ ìàòðèö äà¸ò â ðåçóëüòàòå

ìàòðèöó èç òîãî æå ìíîæåñòâà M , ò.å. ðàçìåðû ìàòðèö ïðè ñëî-

æåíèè íå ìåíÿþòñÿ.Ïðèìåð.

=

37

10

52

A ,

=

10

82

31

B ,

=

++++++

=

+

=

47

92

83

1307

8120

3512

10

82

31

37

10

52

C .

Îïðåäåëåíèå 1.3. Ìàòðèöà C , ýëåìåíòû êîòîðîé ijc ðàâíû ïðî-

èçâåäåíèÿì ñîîòâåòñòâóþùèõ ýëåìåíòîâ ija ìàòðèöû A íà ÷èñ-

ëî λ (âåùåñòâåííîå èëè êîìïëåêñíîå), íàçûâàåòñÿ ïðîèçâåäåíèåì

ìàòðèöû A íà ÷èñëî λ è îáîçíà÷àåòñÿ êàê AC λ= :

ijij ac λ= , mi ,...,1= , nj ,...,1= . (1.5)

Êàê ìû âèäèì, îïåðàöèÿ óìíîæåíèÿ ìàòðèöû íà ÷èñëî äà¸ò

â ðåçóëüòàòå ìàòðèöó èç òîãî æå ìíîæåñòâà M , ò.å. ðàçìåðû

ìàòðèö ïðè óìíîæåíèè èõ íà ÷èñëî íå ìåíÿþòñÿ.

Page 12: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

12

Ïðèìåð.

=

37

10

52

A , 5=λ .

=

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=

⋅=λ=

1535

50

2510

3575

1505

5525

37

10

52

5AC .

Èç ñâîéñòâ ñëîæåíèÿ è óìíîæåíèÿ ñëåäóåò: äëÿ ëþáûõ ìàò-ðèö BA, è C îäèíàêîâûõ ðàçìåðîâ nm× è ëþáûõ ÷èñåë λ èç

íåêîòîðîãî ïîëÿ K âûïîëíåíû ðàâåíñòâà:1. ABBA +=+ ;

2. ( ) ( )CBACBA ++=++ ;

3. ( ) BABA λ+λ=+⋅λ ;

4. ( ) AAA γ+λ=⋅γ+λ ;

5. ( ) ( )AA γλ=⋅λγ .

Ìàòðèöà, âñå ýëåìåíòû êîòîðîé ðàâíû íóëþ, íàçûâàåòñÿíóëåâîé ìàòðèöåé:

=

000

000O , ( )0000=O ,

=

00

00O .

Åñëè O - íóëåâàÿ ìàòðèöà ðàçìåðîâ nm× , òî

AAA =+=+ OO .

Ìàòðèöó ( ) A⋅−1 áóäåì íàçûâàòü ïðîòèâîïîëîæíîé ìàòðè-

öå A è îáîçíà÷èì êàê A− . Î÷åâèäíî, ÷òî

( ) O=−+ AA .

Ñóììó ìàòðèö ( )BA −+ íàçîâ¸ì ðàçíîñòüþ è çàïèøåì êàê

BAC −= .Ïðèìåð.

=

37

10

52

A,

=

10

82

31

B.

−−=

−−−−−−

=−=27

72

21

1307

8120

3512

BAC .

Page 13: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

13

1.4. Ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü ìàòðèö

Ðàññìîòðèì ìíîæåñòâî M ïðÿìîóãîëüíûõ nm× ìàòðèö.Ñóììà äâóõ ïðîèçâîëüíûõ ìàòðèö èç M åñòü ñíîâà ìàòðèöà èç

M . Ïðîèçâåäåíèå ïðîèçâîëüíîé ìàòðèöû èç M íà ïðîèçâîëü-íîå ÷èñëî èç ïîëÿ K åñòü ñíîâà ìàòðèöà èç M .

Îïðåäåëåíèå 1.4. Îïåðàöèè ñëîæåíèÿ ýëåìåíòîâ ìíîæåñòâà Míå âûâîäÿùèå íàñ èç äàííîãî ìíîæåñòâà (âíóòðåííÿÿ îïåðàöèÿ)

MMM →× è óìíîæåíèÿ ýëåìåíòà ìíîæåñòâà M íà ÷èñëî èç

ïîëÿ K äàþùèå ñíîâà ýëåìåíò èç M (âíåøíÿÿ îïåðàöèÿ)

MMK →× íàçûâàþò ëèíåéíûìè îïåðàöèÿìè.Èñïîëüçóÿ ëèíåéíûå îïåðàöèè, ìû ìîæåì ñîñòàâëÿòü èç ýëå-

ìåíòîâ ìíîæåñòâà M ìàòðèö ôèêñèðîâàííîãî ðàçìåðà nm×

1A , 2A , ..., kA

è ÷èñåë èç ïîëÿ K

1α , 2α , ..., kαâûðàæåíèÿ âèäà

MAAA kk ∈α++α+α ...2211 , (1.6)

êîòîðûå â äàëüíåéøåì ìû áóäåì íàçûâàòü ëèíåéíûìè êîìáèíà-

öèÿìè ìàòðèö.Åñëè êàêàÿ-òî ìàòðèöà A ïðåäñòàâëåíà êàê ëèíåéíàÿ êîìáè-

íàöèÿ (1.6) äðóãèõ ìàòðèö, ìû áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî äàííàÿ ìàòðè-

öà A ïî íèì ðàçëîæåíà.

Ïðèìåð. Ïóñòü 321 ,, ppp ñòîëáöû âûñîòû 4. Òîãäà ñòîëáåö q âû-ñîòû 4 ïî íèì ðàçëîæåí, åñëè ïðè íåêîòîðûõ êîýôôèöèåíòàõ

321 ,, ααα

332211 pppq α+α+α=èëè ïîäðîáíî

Page 14: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

14

α+α+αα+α+αα+α+αα+α+α

=

α+

⋅α+

⋅α=

433

422

411

333

322

311

233

222

211

133

122

111

43

33

23

13

3

42

32

22

12

2

41

31

21

11

1

4

3

2

1

ppp

ppp

ppp

ppp

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

q

q

q

q

.

Ýòî ìàòðè÷íîå ðàâåíñòâî ìîæíî çàïèñàòü, èñïîëüçóÿ ïîíÿ-òèå ðàâåíñòâà ìàòðèö, â âèäå ñèñòåìû èç ÷åòûð¸õ ÷èñëîâûõ óðàâ-íåíèé:

133

122

111

1 pppq α+α+α= ,

233

222

211

2 pppq α+α+α= ,

333

322

311

3 pppq α+α+α= ,

433

422

411

4 pppq α+α+α= .

Ïðåäëîæåíèå 1.1. Êàêîâà áû íè áûëà ñèñòåìà ìàòðèö ôèêñèðîâàí-

íîãî ðàçìåðà nm× , íóëåâàÿ ìàòðèöà nmO × ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî ýòèì

ìàòðèöàì â ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ ñ íóëåâûìè êîýôôèöèåíòàìè.Òàêóþ ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ áóäåì íàçûâàòü òðèâèàëüíîé.

O=α++α+α kk AAA ...2211 (1.7)

ïðè 0...21 =α==α=α k .

Î÷åâèäíî, ÷òî òàêàÿ êîìáèíàöèÿ ñóùåñòâóåò âñåãäà. Âîï-ðîñ ñîñòîèò â òîì, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ëè îíà åäèíñòâåííî âîçìîæíîé?Îòâåò íà ýòîò âîïðîñ äà¸ò

. Ñèñòåìó ìàòðèö 1A , 2A , ..., kA áóäåì íàçûâàòü ëèíåéíî íåçàâè-

ñèìîé, åñëè íóëåâàÿ ìàòðèöà ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî íåé îäíîçíà÷íî,ò.å. èç

O=α++α+α kk AAA ...2211

ñëåäóåò 0...21 =α==α=α k .

 ïðîòèâíîì ñëó÷àå, ò.å. åñëè (1.7) âûïîëíÿåòñÿ è ïðè ýòîì

íå âñå 0=αi , ñèñòåìó ìàòðèö 1A , 2A , ..., kA áóäåì íàçûâàòü ëè-

íåéíî çàâèñèìîé.

Page 15: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

15

Ïðèìåð. Ðàññìîòðèì ñòîëáöû

=

0

0

1

1e ,

=

0

1

0

2e ,

=

1

0

0

3e . (1.8)

Ýòè ñòîëáöû ÿâëÿþòñÿ ëèíåéíî íåçàâèñèìûìè, òàê êàê ðàâåí-

ñòâî O=γ+β+α 321 eee âîçìîæíî ëèøü ïðè 0=γ=β=α .

=

γβα

=

γ+

β+

α=

⋅γ+

⋅β+

⋅α

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

,

îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî 0=γ=β=α .

Ïî ñòîëáöàì òèïà 321 ,, eee ðàñêëàäûâàþòñÿ âñå ñòîëáöû âû-

ñîòû òðè.

Ïðèìåð. Ðàçëîæèòü ïî ñòîëáöàì 321 ,, eee ñòîëáåö ( )TA 295= .

Çäåñü ìû èñïîëüçóåì çíàê òðàíñïîíèðîâàíèÿ ìàòðèöû äëÿ ýêî-íîìèè ìåñòà íà ëèñòå. Ìû áóäåì èñïîëüçîâàòü ýòîò ïðè¸ì ïîñòî-ÿííî.

=

γβα

=γ+β+α=2

9

5

321 eeeA . 5=α , 9=β , 2=γ

èëè

=

+

+

=

⋅+

⋅+

⋅=

2

9

5

2

0

0

0

9

0

0

0

5

1

0

0

2

0

1

0

9

0

0

1

5A.

Îïðåäåëåíèå 1.6. Êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà ïîðÿäêà n , ñîñòîÿùàÿ èçñòîëáöîâ òèïà (1.8)

Page 16: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

16

nn

E

×

=

100

010

001

...

............

...

...

,

íàçûâàåòñÿ åäèíè÷íîé ìàòðèöåé ïîðÿäêà n .Ïðåäëîæåíèå 1.2. Ñòîëáöû (ñòðîêè) åäèíè÷íîé ìàòðèöû ëèíåé-íî íåçàâèñèìû è îáëàäàþò òåì ñâîéñòâîì, ÷òî êàæäûé ñòîëáåö(ñòðîêà) ñ òåì æå ÷èñëîì ýëåìåíòîâ ðàñêëàäûâàþòñÿ ïî íèì.Ïðåäëîæåíèå 1.3. Ñèñòåìà èç 1>k ìàòðèö ïîðÿäêà nm× ëèíåé-íî çàâèñèìà òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà õîòÿ áû îäíà èç ìàòðèöýòîé ñèñòåìû åñòü ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ äðóãèõ.

Äîïóñòèì, ÷òî ñèñòåìà

O=α++α+α kk AAA ...2211 (1.7)

ëèíåéíî çàâèñèìà. Òîãäà õîòÿ áû îäèí èç êîýôôèöèåíòîâ iα îò-

ëè÷åí îò íóëÿ. Ïóñòü äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè 01 ≠α . Òîãäà èç (1.8)

ñëåäóåò:

kk

k AAAAαα−−

αα−

αα−= ...3

1

32

1

21 .

Ïðåäëîæåíèå 1.4. Åñëè íåêîòîðûå èç ìàòðèö 1A , 2A , ..., kA ñî-

ñòàâëÿþò ñàìè ïî ñåáå ëèíåéíî çàâèñèìóþ ñèñòåìó ìàòðèö, òî èâñÿ äàííàÿ ñèñòåìà ìàòðèö ëèíåéíî çàâèñèìà.

Äîïóñòèì, ÷òî ñóùåñòâóåò íåòðèâèàëüíàÿ íóëåâàÿ êîìáèíà-öèÿ èç ïåðâûõ s ìàòðèö, ò.å.

O=α++α+α ss AAA ...2211 ïðè 01 ≠α , 02 ≠α , ..., 0≠αs .

Ìû ìîæåì ê ýòîé êîìáèíàöèè äîáàâèòü òðèâèàëüíóþ íóëå-âóþ êîìáèíàöèþ èç îñòàëüíûõ sk − ìàòðèö

O=α++α+α ++++ kkssss AAA ...2211 ïðè 0...21 =α==α=α ++ kss .

 ðåçóëüòàòå ìû ïîëó÷èëè ëèíåéíóþ íóëåâóþ êîìáèíàöèþìàòðèö

Page 17: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

17

O=α++α+α+α++α+α ++++ kkssssss AAAAAA ...... 22112211

ñ îòëè÷íûìè îò íóëÿ êîýôôèöèåíòàìè 01 ≠α , 02 ≠α , ..., 0≠αs ,

÷òî è äîêàçûâàåò íàøå ïðåäëîæåíèå î ëèíåéíîé çàâèñèìîñòèäàííîé ñèñòåìû.

Èç ïðåäëîæåíèÿ 1.4 ñëåäóåò, ÷òî åñëè â ñèñòåìó (1.7) âõîäèò

íóëåâàÿ ìàòðèöà ñèñòåìà áóäåò ëèíåéíî çàâèñèìîé.

Èç ïðåäëîæåíèÿ 1.2 ñëåäóåòÏðåäëîæåíèå 1.5. Ëþáûå ìàòðèöû, âõîäÿùèå â ëèíåéíî íåçàâè-ñèìóþ ñèñòåìó ìàòðèö, ñàìè ïî ñåáå ëèíåéíî íåçàâèñèìû.

Îáðàòíîå ïðåäïîëîæåíèå ïðîòèâîðå÷èëî áû ïðåäëîæåíèþ 1.4.Ïðåäëîæåíèå 1.6. Åñëè ìàòðèöà B ðàñêëàäûâàåòñÿ â ëèíåéíî íå-

çàâèñèìóþ êîìáèíàöèþ ìàòðèö 1A , 2A , ..., kA , òî êîýôôèöèåí-

òû ðàçëîæåíèÿ 1α , 2α , ..., kα îïðåäåëåíû îäíîçíà÷íî.

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ñóùåñòâóåò äâà ðàçëè÷íûõ ðàçëîæåíèÿìàòðèöû B :

kk AAAB α++α+α= ...2211 è kk AAAB β++β+β= ...2211 .

Ñîñòàâèì ðàçíîñòü èç ýòèõ ðàçëîæåíèé:

( ) ( ) ( ) O=β−α++β−α+β−α=− kkk AAABB ...222111 .

Ïî ïðåäïîëîæåíèþ 1A , 2A , ..., kA ëèíåéíî íåçàâèñèìû è

íàì îñòà¸òñÿ ïîëîæèòü

( ) ( ) ( ) O=β−α==β−α=β−α kk...2211 ,

îòêóäà íåìåäëåííî ñëåäóåò ii β=α , ki ,...,2,1= , ÷òî äîêàçûâàåò

åäèíñòâåííîñòü ðàçëîæåíèÿ.

1.5. Ñèìâîë Σ . Ïðàâèëî ñóììèðîâàíèÿ Ýéíøòåéíà

 ìàòåìàòèêå ÷àñòî ðàññìàòðèâàþòñÿ ñóììû áîëüøîãî ÷èñ-ëà ñëàãàåìûõ, èìåþùèõ ñõîäíûé âèä è îòëè÷àþùèõñÿ òîëüêîèíäåêñàìè.

2 À.À. Êèðñàíîâ

Page 18: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

18

Íàïðèìåð

nxxx +++ ...21 . (1.9)

Äëÿ òàêèõ ñóìì ìû áóäåì èñïîëüçîâàòü ñèìâîë n

i 1=Σ , ïîñëå

êîòîðîãî ñòîèò íåêîòîðîå âûðàæåíèå, ñîäåðæàùåå èíäåêñ i .Âûðàæåíèå (1.9) â òàêîì ñëó÷àå çàïèøåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì:

n

n

ii xxxx +++=∑

=...21

1.

Èíäåêñ i íàçûâàåòñÿ èíäåêñîì ñóììèðîâàíèÿ. Î÷åâèäíî,÷òî â êà÷åñòâå èíäåêñà ñóììèðîâàíèÿ ìîæåò áûòü âçÿòà ëþáàÿáóêâà, íàïðèìåð

n

n

pp xxxx +++=∑

=...21

1,

âàæåí ëèøü äèàïàçîí èçìåíåíèÿ èíäåêñà ñóììèðîâàíèÿ. êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåä¸ì åù¸ îäíî âûðàæåíèå

332211

3

1

yxyxyxyxk

kk ++=∑=

.

Çàìåòèì, ÷òî íàñ íè÷òî íå îáÿçûâàåò ñòàâèòü èíäåêñ ñóììè-

ðîâàíèÿ âíèçó. Òîëüêî ÷òî ïðèâåä¸ííîå âûðàæåíèå ìû ìîæåì çà-ïèñàòü è òàê:

3322113

1

yxyxyxyxk

kk ++=∑=

,

èëè

33

22

11

3

1

yxyxyxyxk

kk ++=∑

=.

Ñóììèðîâàíèå îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè:

1. ( ) ∑∑==

α=αn

kk

n

kk xx

11,

Page 19: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

19

2. ( ) ∑∑∑===

+=+m

ll

m

ll

m

lll yxyx

111.

Åñëè èìååòñÿ âûðàæåíèå çàâèñÿùåå îò äâóõ èíäåêñîâ, ïðè-íèìàþùèõ çíà÷åíèÿ n,...,1 è m,...,1 , ìû ìîæåì ïðîñóììèðîâàòüâûðàæåíèå ñíà÷àëà ïî îäíîìó èíäåêñó, à çàòåì, ïî äðóãîìó:

∑∑∑ ∑∑ ∑= == == =

=

=

m

i

n

jij

m

j

n

iij

m

i

n

jij aaa

1 11 11 1. (1.10)

Åñëè ïîä ija ïîíèìàòü, íàïðèìåð, ýëåìåíòû ìàòðèöû (1.1),

òî âûðàæåíèå (1.10) åñòü ñóììà ýëåìåíòîâ äàííîé ìàòðèöû ïî-ëó÷åííàÿ ñëîæåíèåì ýëåìåíòîâ ïî ñòðîêàì, à çàòåì ïî ñòîëá-öàì èëè íàîáîðîò. Ðåçóëüòàò ñëîæåíèÿ â îáîèõ ñëó÷àÿõ áóäåòîäèíàêîâ.

Íà ïðàêòèêå ìû ìîæåì âñòðåòèòüñÿ ñ âûðàæåíèÿìè çàâèñÿ-

ùèìè îò òð¸õ kijb , ÷åòûð¸õ jkl

iw è âîîáùå îò ëþáîãî ÷èñëà èíäåê-

ñîâ, ïðèíèìàþùèõ ñàìûå ðàçíîîáðàçíûå çíà÷åíèÿ è ðàñïîëîæåí-íûõ â ñàìûõ ðàçëè÷íûõ êîìáèíàöèÿõ.  òàêèõ ñëó÷àÿõ, êàê ïîêà-çûâàåò (1.10), íàì ïðèä¸òñÿ ïèñàòü ñîîòâåòñòâóþùåå êîëè÷åñòâîçíàêîâ ñóììèðîâàíèÿ Σ .

Äëÿ óïðîùåíèÿ çàïèñè âûðàæåíèé ñîäåðæàùèõ ñóììû, Ýé-íøòåéíîì áûëî ââåäåíî ïðàâèëî ñîêðàù¸ííîé çàïèñè òàêèõ âû-ðàæåíèé.

Åñëè èíäåêñ ñóììèðîâàíèÿ â ôîðìóëå ïîâòîðÿåòñÿ äâàæäû,

ïðè÷¸ì îäèí ðàç âíèçó è îäèí ðàç ââåðõó - çíàê Σ íå ïèøåòñÿ.

Ïðèìåð.

k

kk

kk yxyxyxyxyx =++=∑

=

11

22

11

3

1.

∑ ∑∑= ==

=m

i

m

ik

ki

n

kk

ki yxyx

1 11.

2*

Page 20: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

20

1.6. Óìíîæåíèå ìàòðèö

Äëÿ íåêîòîðûõ ìàòðèö A è B ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî èõïðîèçâåäåíèå AB. Ýòî ìîæíî ñäåëàòü åñëè ÷èñëî ñòîëáöîâ ìàòðè-

öû A ðàâíî ÷èñëó ñòðîê ìàòðèöû B , ò.å. åñëè íàì çàäàíû ìàòðè-

öû nmA × è rnB × . Ïðè ýòîì ìû ïîëó÷èì ìàòðèöó

rnnmrm BAC ××× ⋅= . (1.11)

Ïóñòü A- ñòðîêà äëèíîé n , à B - ñòîëáåö âûñîòîé n , òîãäà â

ñîîòâåòñòâèè ñ (1.11) 1111 ××× ⋅= nn BAC åñòü ìàòðèöà ðàçìåðà 11× ,

ò.å. ïðîñòî ÷èñëî:

( ) ii

nn

n

n babababa

b

b

b

aaaBA =+++=

⋅=⋅ ......

... 22

11

2

1

21 . (1.12)

Ïðèìåð.

( )231=A , ( )TB 714= .

( ) 211434721341

7

1

4

231 =++=⋅+⋅+⋅=

⋅=⋅= BAC .

Ðàññìîòðèì òåïåðü äâå ïðîèçâîëüíûå ìàòðèöû

=

mnmm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

22221

11211

è

=

nrnn

r

r

bbb

bbb

bbb

B

...

............

...

...

21

22221

11211

.

Ïðåäñòàâèì ìàòðèöó A âèäå m ñòðîê

( )inii aaa ...21 , mi ,...,1= ,

à ìàòðèöó B â âèäå r ñòîëáöîâ

Page 21: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

21

nj

j

j

b

b

b

...2

1

, rj ,...,1= .

Ñîñòàâèì ïðîèçâåäåíèå i -é ñòðîêè íà j -é ñòîëáåö â ñîîò-

âåòñòâèè ñ (1.12), â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷èì ÷èñëî ijc :

∑=

=+++=n

kkjiknjinjijiij babababac

12211 ... . (1.13)

Ïîëó÷åííîå ÷èñëî ijc çàïèøåì íà ïåðåñå÷åíèè i -é ñòðîêè è

j -ãî ñòîëáöà â ìàòðèöå BAC ⋅= . Òàê êàê i ïðîáåãàåò çíà÷åíèÿ

îò 1 äî m , à j îò 1 äî r ìû ïîëó÷èì rm⋅ òàêèõ ÷èñåë, êîòîðûå èñîñòàâÿò ìàòðèöó

=⋅=

mrmm

r

r

ccc

ccc

ccc

BAC

...

............

...

...

21

22221

11211

.

Òàêèì îáðàçîì ïðè ïåðåìíîæåíèè ìàòðèö nmA × è rnB × êàæ-

äàÿ ñòðîêà ìàòðèöû nmA × óìíîæàåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî íà êàæ-

äûé ñòîëáåö ìàòðèöû rnB × è ïîëó÷àþùèåñÿ ÷èñëà ijc â ñîîòâåò-

ñòâèè ñ èíäåêñàìè çàïîëíÿþò ìàòðèöó C .

Ñëåäñòâèå 1.1. Èç (1.13) ñëåäóåò, ÷òî j -é ñòîëáåö ìàòðèöû AB

åñòü ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ ñòîëáöîâ ìàòðèöû A ñ êîýôôèöèåí-

òàìè, ðàâíûìè ýëåìåíòàì j -ãî ñòîëáöà ìàòðèöû B , à i -ÿ ñòðî-

êà ìàòðèöû AB åñòü ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ ñòðîê ìàòðèöû B ñêîýôôèöèåíòàìè, ðàâíûìè ýëåìåíòàì i -é ìàòðèöû A .

Page 22: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

22

Ïðèìåð.

=

76

45A ,

=

213

301B .

Òàê êàê ÷èñëî ñòîëáöîâ ìàòðèöû A ðàâíî ÷èñëó ñòðîê ìàò-ðèöû B , ìû ìîæåì ñîñòàâèòü èõ ïðîèçâåäåíèå:

.32727

23417

273617063716

243514053415

213

301

76

45

=

=

⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅

=

=⋅=

BAC

Çàìåòèì, ÷òî ïðîèçâåäåíèå AB ⋅ ñîñòàâèòü íåëüçÿ.Ïðèâåä¸ííûé ïðèìåð ïîêàçûâàåò, ÷òî äëÿ ìàòðèö íå âûïîë-

íÿåòñÿ êîììóòàòèâíûé çàêîí óìíîæåíèÿ, ò.å. â îáùåì ñëó÷àå

ABBA ⋅≠⋅ .Åñëè èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî

ABBA ⋅=⋅ ,ìû áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî ìàòðèöû A è B êîììóòèðóþò èëè ïåðå-

ñòàíîâî÷íû. Íåîáõîäèìûì óñëîâèåì ïåðåñòàíîâî÷íîñòè ìàòðèöÿâëÿåòñÿ èõ ïðèíàäëåæíîñòü ê ìíîæåñòâó êâàäðàòíûõ ìàòðèö,îäíàêî ýòî óñëîâèå íå ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íûì.Ïðèìåð.

=31

21A ,

−−

=74

81B .

−−

==1311

229BAAB .

Èç ôîðìóëû (1.9) ñ î÷åâèäíîñòüþ ñëåäóþò ñëåäóþùèå ñâîé-ñòâà ïðîèçâåäåíèÿ ìàòðèö:

1. Ñî÷åòàòåëüíîå

( ) ( )BCACAB = ;

2. Ðàñïðåäåëèòåëüíîå ñâîéñòâî óìíîæåíèÿ ìàòðèö îòíîñè-òåëüíî ñëîæåíèÿ

( ) BCACCBA +=+ ,

Page 23: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

23

( ) ACABCBA +=+ ;

3. Åñëè A- êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà ïîðÿäêà n , à E è O ñîîò-âåòñòâåííî åäèíè÷íàÿ è íóëåâàÿ ìàòðèöû ïîðÿäêà n , òî

AEAAE == ,

OOO == AA ;4. Åñëè AB èìååò ñìûñë, òî

( ) ( ) ( )BABAAB α=α=α ;

5. Åñëè îïðåäåëåíî AB, òî îïðåäåëåíî è TT AB , è ñïðàâåä-ëèâî ðàâåíñòâî

( ) TTTABAB = .

1.7. Ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ.Ýëåìåíòàðíûå ìàòðèöû.

Îïðåäåëåíèå1.7. Ê ýëåìåíòàðíûì ïðåîáðàçîâàíèÿì ñòðîê (ñòîëá-öîâ) ìàòðèöû îòíîñÿòñÿ:

1. Óìíîæåíèå ñòðîêè (ñòîëáöà) íà ÷èñëî 0≠λ ;2. Ïðèáàâëåíèå îäíîé ñòðîêè (ñòîëáöà) ê äðóãîé ñòðîêå

(ñòîëáöó).Ôàêòè÷åñêè ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ñòðîê ìîæíî ðàñ-

ñìàòðèâàòü êàê ëèíåéíûå îïåðàöèè íàä ìàòðèöàìè (ñòðîêàìè).Áîëåå ñëîæíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ (ñîñòîÿò èç íàáîðîâ ýëåìåí-

òàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé):3. Ïðèáàâëåíèå ê îäíîé ñòðîêå (ñòîëáöó) äðóãîé ñòðîêè

(ñòîëáöà), óìíîæåííîé íà ÷èñëî 0≠λ ;4. Âû÷èòàíèå îäíîé ñòðîêè (ñòîëáöà) èç äðóãîé ñòðîêè (ñòîë-

áöà);5. Ïåðåñòàíîâêà äâóõ ñòðîê (ñòîëáöîâ) ìåñòàìè.

Ïðèìåð. Ïîêàçàòü ñ ïîìîùüþ ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèéîïåðàöèþ ïåðåñòàíîâêè äâóõ ñòðîê.

−+

−−

+→

+→

a

b

a

b

a

ba

bab

ba

b

ba

b

a.

Page 24: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

24

Âîçìîæíîñòü âû÷èòàòü îäíó ñòðîêó èç äðóãîé è îòëè÷èå îòíóëÿ ÷èñëîâîãî ìíîæèòåëÿ èìåþò ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå: ýëå-

ìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ îáðàòèìû. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ïåðåéäÿ îòìàòðèöû A ê ìàòðèöå B ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ ýëåìåíòàðíûõïðåîáðàçîâàíèé, ñ ïîìîùüþ äðóãîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ýëåìåí-òàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ìû ñìîæåì âåðíóòüñÿ îò B ê A .Ïðåäëîæåíèå 1.7. Êàæäîå ýëåìåíòàðíîå ïðåîáðàçîâàíèå ñòðîêìàòðèöû A ðàçìåðîâ nm× ðàâíîñèëüíî óìíîæåíèþ ìàòðèöû

A ñëåâà íà íåêîòîðóþ êâàäðàòíóþ ìàòðèöó S ïîðÿäêà m . Ïðè

ýòîì S íå çàâèñèò îò A , à ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿåòñÿ òåì ïðåîáðà-çîâàíèåì, êîòîðîå îíà îñóùåñòâëÿåò.Ïðèìåð. Ðàññìîòðèì çàäà÷ó óìíîæåíèÿ òðåòüåé ñòðîêè ìàòðèöû

=

lnm

fed

cba

A

íà ÷èñëî 0≠λ . Âîçüì¸ì åäèíè÷íóþ ìàòðèöó òðåòüåãî ïîðÿäêà è

óìíîæèì å¸ òðåòüþ ñòðîêó íà λ è ïîëó÷åííóþ ìàòðèöó ïðèìåì

â êà÷åñòâå ýëåìåíòàðíîé ìàòðèöû 1S . Óìíîæèì òåïåðü èñõîäíóþ

ìàòðèöó A ñëåâà íà 1S .

λλλ=

λ=

lnm

fed

cba

lnm

fed

cba

AS

00

010

001

1 .

Ðàññìîòðèì òåïåðü çàäà÷ó ïðèáàâëåíèÿ ïåðâîé ñòðîêè èñ-õîäíîé ìàòðèöû ê å¸ âòîðîé ñòðîêå.

Âîçüì¸ì ñíîâà åäèíè÷íóþ ìàòðèöó òðåòüåãî ïîðÿäêà, ñëî-

æèì ó íå¸ âòîðóþ ñòðîêó ñ ïåðâîé, îáîçíà÷èì å¸ ÷åðåç 2S è óìíî-

æèì èñõîäíóþ ìàòðèöó ñëåâà íà 2S .

Page 25: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

25

=

100

011

001

2S .

+++=

=

lnm

fccbda

cba

lnm

fed

cba

AS

100

011

001

2 .

Òåïåðü ïîñìîòðèì êàêîå äåéñòâèå íà èñõîäíóþ ìàòðèöó îêà-

çûâàåò ïîñëåäîâàòåëüíîå óìíîæåíèå ñëåâà íà 12SS .

=

λ⋅

=

lnm

fed

cba

ASS

00

010

001

100

011

001

12

λλλ+++=

λλλ⋅

=

lnm

fcebda

cba

lnm

fed

cba

100

011

001

.

Îïðåäåëåíèå 1.8. Ìàòðèöû, óìíîæåíèå íà êîòîðûå îñóùåñòâëÿåòýëåìåíòàðíûå îïåðàöèè áóäåì íàçûâàòü ýëåìåíòàðíûìè ìàòðè-öàìè.

Èç ïðèâåä¸ííîãî âûøå ïðèìåðà ìû âèäèì, ÷òî ýëåìåíòàð-

íûå ìàòðèöû ìîæíî ïîëó÷àòü èç åäèíè÷íîé ìàòðèöû íåîáõîäè-

ìîãî ïîðÿäêà åñëè îñóùåñòâèòü íàä íåé òðåáóåìóþ ýëåìåíòàð-

íóþ îïåðàöèþ. Ýòî î÷åâèäíî èç ðàâåíñòâà SSE= .

Ïðèâåä¸ííûé âûøå ïðèìåð ïîêàçûâàåò òàêæå, ÷òî ïîñëåäî-

âàòåëüíîå âûïîëíåíèå ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñòðîê îñó-

ùåñòâëÿåòñÿ óìíîæåíèåì èñõîäíîé ìàòðèöû ñëåâà íà ïðîèçâåäå-

íèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ýëåìåíòàðíûõ ìàòðèö, ïðè÷¸ì ìíîæèòåëü,

ñîîòâåòñòâóþùèé ïðåîáðàçîâàíèþ, ñäåëàííîìó ïîçæå, ñòîèò ëå-

âåå: ASSSk 12... .

Page 26: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

26

Ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ñòîëáöîâ ïîëó÷àþòñÿ óìíîæå-

íèåì èñõîäíîé ìàòðèöû nmA × ñïðàâà íà ýëåìåíòàðíóþ ìàòðèöó

ïîðÿäêà n .

Ïðèìåð.

λλλ

=

λ⋅

=⋅

lnm

fed

cba

lnm

fed

cba

SA

00

010

001

1 .

1.8. Âûðîæäåííûå è íåâûðîæäåííûå ìàòðèöû.

Îïðåäåëåíèå 1.9. Êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà íàçûâàåòñÿ âûðîæäåííîé,åñëè å¸ ñòðîêè ëèíåéíî çàâèñèìû.

Âûðîæäåííîé áóäåò êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà ó êîòîðîé åñòü íó-ëåâàÿ ñòðîêà èëè ìàòðèöà èìåþùàÿ äâå îäèíàêîâûå ñòðîêè.

Ïðèìåðîì íåâûðîæäåííîé ìàòðèöû ìîæåò ñëóæèòü åäèíè÷-íàÿ ìàòðèöà.Ïðåäëîæåíèå 1.8. Ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ñòðîê ïåðåâî-äÿò íåâûðîæäåííóþ ìàòðèöó â íåâûðîæäåííóþ, à âûðîæäåííóþâ âûðîæäåííóþ.

Ïóñòü ñòðîêè naaa ,...,, 21 ìàòðèöû A ëèíåéíî íåçàâèñèìû,

ò.å. èõ òðèâèàëüíàÿ ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ

O=α++α+α nnaaa ...2211 ïðè 0...21 =α==α=α n .

Åñëè ìû, äîïóñòèì, ïðèáàâèëè êî âòîðîé ñòðîêå ìàòðèöûå¸ ïåðâóþ ñòðîêó, òîãäà

( ) ( ) O=α++α+α+α=α+++α+α nnnn aaaaaaa ...... 2212121211 .

Òàê êàê èñõîäíàÿ ñèñòåìà ñòðîê naaa ,...,, 21 ëèíåéíî íåçàâè-

ñèìà ìû äîëæíû ïîëîæèòü 0...221 =α==α=α+α n , îòêóäà ñðà-

çó ñëåäóåò, ÷òî 021 =α+α , èëè 01 =α . Ìû âèäèì, ÷òî íîâàÿ ñèñ-

òåìà ñòðîê naaaa ,...,, 211 + òîæå ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíî íåçàâèñèìîé.

Page 27: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

27

Åñëè ìû, íàïðèìåð, óìíîæèì íà 0≠λ òðåòüþ ñòðîêó, òîãäà

O=α+λα+α+α nnaaaa ...332211 ,

à òàê êàê 03 =α , ðàâíî íóëþ è λα3 , è íîâàÿ ñèñòåìà ñòðîê ëèíåé-

íî íåçàâèñèìà.Âòîðóþ ÷àñòü ïðåäëîæåíèÿ ìîæíî äîêàçàòü èñïîëüçóÿ îá-

ðàòèìîñòü ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé. Ïóñòü A âûðîæäåí-íàÿ ìàòðèöà. Åñëè äîïóñòèòü, ÷òî ýëåìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿïåðåâîäÿò å¸ â íåâûðîæäåííóþ ìàòðèöó, òî îáðàòíûå ýëåìåíòàð-íûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ïåðåâåäóò íåâûðîæäåííóþ ìàòðèöó â íåâû-ðîæäåííóþ, ÷òî ïðîòèâîðå÷èò èñõîäíîìó ïðåäïîëîæåíèþ.Ñëåäñòâèå 1.2. Âñå ýëåìåíòàðíûå ìàòðèöû íåâûðîæäåíû.Ïðåäëîæåíèå 1.9. Êàæäàÿ íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà ñ ïîìîùüþýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñòðîê ìîæåò áûòü ïðåâðàùåíà âåäèíè÷íóþ ìàòðèöó.

Ïóñòü íàì äàíà íåâûðîæäåííàÿ êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà ïîðÿä-

êà n è ïóñòü å¸ ñòðîêè naaa ,...,, 21 . Íàøà ïåðâàÿ çàäà÷à çàêëþ÷à-

åòñÿ â ïîëó÷åíèè åäèíèöû íà ìåñòå 11a . Åñëè â ïåðâîì ñòîëáöå

òàêàÿ åäèíèöà óæå ñîäåðæèòñÿ, íàïðèìåð â i ñòðîêå, ìû ýòó ñòðî-êó ìîæåì ïîìåíÿòü ìåñòàìè ñ ïåðâîé ñòðîêîé åäèíèöà îêàæåòñÿ

íà ìåñòå 11a . Åñëè åäèíèöû â ïåðâîì ñòîëáöå íåò, ìû ìîæåì âçÿòü

ëþáîé ýëåìåíò ïåðâîãî ñòîëáöà îòëè÷íûé îò íóëÿ (à îí îáÿçà-òåëüíî íàéä¸òñÿ â ñèëó íåâûðîæäåííîñòè ìàòðèöû) è ïîäåëèâåãî íà ñàìîãî ñåáÿ ýòó åäèíèöó ïîëó÷èòü. Òåïåðü äëÿ âñåõ ñòðîê ñ

ni ,...,2= áóäåì âû÷èòàòü èç i -é ñòðîêè ïåðâóþ ñòðîêó, óìíî-

æåííóþ íà 1ia .  ðåçóëüòàòå ýòîé îïåðàöèè ìû ïîëó÷èì ïåðâûé

ñòîëáåö åäèíè÷íîé ìàòðèöû. Òåïåðü âî âòîðîì ñòîëáöå ìû ìî-

æåì ýëåìåíò 22a , åñëè îí íå ðàâåí íóëþ, ïîäåëèòü íà ñàìîãî ñåáÿ

è ïîëó÷èòü åäèíèöó íà ìåñòå 22a . Òåïåðü äëÿ âñåõ ñòðîê ñ ni ,...,3=áóäåì âû÷èòàòü èç i -é ñòðîêè âòîðóþ ñòðîêó óìíîæåííóþ íà

2ia .  ðåçóëüòàòå ìû ïîëó÷èì íóëè âî âòîðîì ñòîëáöå íèæå ãëàâ-

íîé äèàãîíàëè. Ïîñòóïàÿ òàê è äàëüøå ìû ïîëó÷èì åäèíèöû íà

Page 28: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

28

ãëàâíîé äèàãîíàëè è íóëè íèæå ãëàâíîé äèàãîíàëè. Êîãäà áóäåò

ïîëó÷åíà åäèíèöà íà ìåñòå nna íåòðóäíî áóäåò ïîñòóïàÿ óæå èç-

âåñòíûì ñïîñîáîì ïîëó÷èòü íóëè âûøå ãëàâíîé äèàãîíàëè.Òàêîé ìåòîä ïðåîáðàçîâàíèÿ ìàòðèöû íàçûâàåòñÿ ìåòîäîì

Ãàóññà-Æîðäàíà ñ âûáîðîì âåäóùåãî ýëåìåíòà ïî ñòðîêå.Ïðîäåìîíñòðèðóåì ìåòîä Ãàóññà-Æîðäàíà íà ñëåäóþùåì

ïðèìåðå.

Ïðèìåð. Ïðèâåñòè ñ ïîìîùüþ ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèéäàííóþ ìàòðèöó ê åäèíè÷íîé.

~

780

3210

321

~

780

230

321

~

504

230

321

~

504

321

230

−−

=A

E=

100

010

001

~

100

010

321

~

100

3210

321

~

3500

3210

321

~ .

Çäåñü ìû ïîìåíÿëè âòîðóþ ñòðîêó ñ ïåðâîé, à äàëåå âñå âû-÷èñëåíèÿ äîñòàòî÷íî ïðîçðà÷íû.

Ïðåäëîæåíèå 1.10. Êàæäóþ âûðîæäåííóþ ìàòðèöó ñ ïîìîùüþýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñòðîê ìîæíî ïðåâðàòèòü â ìàò-ðèöó, ó êîòîðîé ïîñëåäíÿÿ ñòðîêà íóëåâàÿ.

Åñëè â âûðîæäåííîé ìàòðèöå áîëåå äâóõ ñòðîê, òî îäíà èçå¸ ñòðîê ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîé êîìáèíàöèåé îñòàëüíûõ. Ïåðåñòàâèìýòó ñòðîêó íà ïîñëåäíåå ìåñòî è âû÷òåì èç íå¸ ëèíåéíóþ êîìáè-íàöèþ îñòàëüíûõ ñòðîê, êîòîðîé îíà ðàâíà.Ïðåäëîæåíèå 1.11. Êàæäóþ íåâûðîæäåííóþ ìàòðèöó ìîæíî ðàç-ëîæèòü â ïðîèçâåäåíèå ýëåìåíòàðíûõ ìàòðèö.

 ñèëó ïðåäëîæåíèÿ 1.8 íàéäóòñÿ òàêèå ýëåìåíòàðíûå ìàò-

ðèöû mTTT ,...,, 21 , ÷òî

EATTTm =12... . (1.14)

Page 29: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

29

Òàê êàê ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèéîáðàòèìû, òî ñóùåñòâóþò òàêèå ýëåìåíòàðíûå ìàòðèöû, äëÿ êî-òîðûõ

AESSS m =...21

èëè

ASSS m =...21 . (1.15)

Ïðåäëîæåíèå 1.12. Êàæäóþ âûðîæäåííóþ ìàòðèöó ìîæíî ðàç-ëîæèòü â ïðîèçâåäåíèå

VSSS m...21 ,

ãäå mSSS ,...,, 21 - ýëåìåíòàðíûå ìàòðèöû, à V - ìàòðèöà, ïîñëå-

äíÿÿ ñòðîêà êîòîðîé ñîñòîèò èç íóëåé.Äàííîå ïðåäëîæåíèå ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ïðåäëîæåíèÿ 1.9.

Ëåêöèÿ ¹4.

1.9. Îáðàòíàÿ ìàòðèöà.

Îïðåäåëåíèå 1.10. Ìàòðèöà X íàçûâàåòñÿ îáðàòíîé äëÿ ìàòðè-öû A , åñëè

EAXXA == . (1.17)Ðàíåå ìû óñòàíîâèëè, ÷òî äâå ìàòðèöû ìîãóò áûòü ïåðåñòà-

íîâî÷íûìè, åñëè îíè îáå êâàäðàòíûå è îäíîãî ïîðÿäêà. Òàêèìîáðàçîì îáðàòíóþ ìàòðèöó ìîæåò èìåòü òîëüêî êâàäðàòíàÿ

ìàòðèöà, õîòÿ ýòîãî è íåäîñòàòî÷íî.Ïðåäëîæåíèå 1.13. Ïðîèçâåäåíèå íåâûðîæäåííûõ ìàòðèö - íåâû-ðîæäåííàÿ ìàòðèöà.

Ðàññìîòðèì ïðîèçâåäåíèå íåâûðîæäåííûõ ìàòðèö A è B -

AB. Íà îñíîâå ïðåäëîæåíèÿ 1.10 ðàçëîæèì ìàòðèöó A â ïðîèç-

âåäåíèå ýëåìåíòàðíûõ ìàòðèö: mSSSA ...21= . Òîãäà

BSSSAB m...21= ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê ðåçóëüòàò äåéñòâèÿ

íà ìàòðèöó B ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ

ìàòðèöàì mSSS ,...,, 21 . Â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 1.7 ýòîò

ðåçóëüòàò åñòü íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà.

Page 30: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

30

Ñëåäñòâèå 1.3. Ïðîèçâåäåíèå ýëåìåíòàðíûõ ìàòðèö íåâûðîæ-

äåíî.Ïðåäëîæåíèå 1.14. Åñëè õîòÿ áû îäíà èç ìàòðèö A èëè B âû-ðîæäåíà òî è AB - âûðîæäåííàÿ ìàòðèöà.

Äåéñòâèòåëüíî, åñëè A íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà, òî B - âû-

ðîæäåííàÿ. Ïîëàãàÿ mSSSA ...21= çàïèøåì

BSSSAB m...21= .

 ñîîòâåòñòâèè ñî âòîðîé ÷àñòüþ ïðåäëîæåíèÿ 1.7 ìû âû-íóæäåíû ïîëîæèòü B âûðîæäåííîé ìàòðèöåé, èíà÷å AB áûëîáû íåâûðîæäåííîé ìàòðèöåé. Åñëè A- âûðîæäåííàÿ ìàòðèöà,òî â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 1.11

VBSSSAB m...21= ,

ãäå ïîñëåäíÿÿ ñòðîêà ìàòðèöû V íóëåâàÿ, íóëåâîé áóäåò è ïîñ-

ëåäíÿÿ ñòðîêà ìàòðèöû VB . Òàêèì îáðàçîì ìàòðèöà AB ïîëó-÷àåòñÿ ýëåìåíòàðíûì ïðåîáðàçîâàíèåì âûðîæäåííîé ìàòðèöû

VB è ïîýòîìó ñàìà âûðîæäåíà.Ñëåäñòâèå 1.4. Âûðîæäåííàÿ ìàòðèöà íå èìååò îáðàòíîé.Ïðåäëîæåíèå 1.15. Äëÿ ëþáîé íåâûðîæäåííîé ìàòðèöû ñóùå-ñòâóåò åäèíñòâåííàÿ îáðàòíàÿ ìàòðèöà.

Ðàññìîòðèì ôîðìóëó (1.14)

EATTTm =12... , (1.14)

ïðåäëîæåíèÿ 1.11 è îáîçíà÷èì ïðîèçâåäåíèå ýëåìåíòàðíûõ ïðå-îáðàçîâàíèé ÷åðåç X :

XTTTm =12... .

Òåïåðü ìû ìîæåì ñêàçàòü, ÷òî äëÿ ëþáîé íåâûðîæäåííîéêâàäðàòíîé ìàòðèöû A ñóùåñòâóåò òàêàÿ ìàòðèöà X , ÷òî

EXA= .Äîêàæåì ñïðàâåäëèâîñòü çàïèñè

EAX = .Òàê êàê ìàòðèöà X åñòü ïðîèçâåäåíèå íåâûðîæäåííûõ ìàò-

ðèö 12... TTTm , îíà è ñàìà íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà, à çíà÷èò èìååò

îáðàòíóþ ìàòðèöó Y , ò.å.

Page 31: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

31

EYX = .Ðàññìîòðèì ïðîèçâåäåíèå

( ) YXAY = .

Ñ äðóãîé ñòîðîíû

( ) AAYX = .

Òîãäà

( ) ( ) AYAYXXAY === .

Îáðàòíàÿ ê A ìàòðèöà X ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííîé, òàê êàêåñëè ïîëîæèòü, ÷òî

EAX =1 è EAX =2 ,

òîãäà

( ) O=− AXX 21

èëè

21 XX = .

Îáðàòíóþ ê A ìàòðèöó ïðèíÿòî îáîçíà÷àòü êàê 1−A . Ñèì-âîë -1 ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê ïîêàçàòåëü ñòåïåíè. Òîãäàäëÿ êâàäðàòíîé ìàòðèöû A ïîêàçàòåëü ñòåïåíè Zk ∈ ìû ìîæåìïîíèìàòü êàê

AAAAk ⋅⋅⋅= ... ,

ò.å. ìàòðèöà A óìíîæåíà ñàìà íà ñåáÿ k ðàç. Î÷åâèäíî, ÷òî

( ) kkAA −− =1 , EA =0 , nmnm AAA +=⋅ , ( ) AA =

−− 11 .

( ) 111 −−− = ABAB ,

òàê êàê

( ) ( ) ( ) EAAABBAABAB ===⋅ −−−−− 11111 .

( ) ( ) EAAAATTT

== −− 11 èëè ( ) ( ) 11 −− = TTAA .

Ïðèâåä¸ì ñïîñîá âû÷èñëåíèÿ îáðàòíîé ìàòðèöû. Åñëè ýëå-ìåíòàðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ïåðåâîäÿò ìàòðèöó A â E , òî îíè æå

ïåðåâîäÿò ìàòðèöó E â ìàòðèöó 1−A , òàê êàê

Page 32: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

32

111 ...... −== ATTETT mm .

Ïðîäåìîíñòðèðóåì ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îáðàòíîé ìàòðèöû íàñëåäóþùåì ïðèìåðå.Ïðèìåð. Íàéòè ìàòðèöó, îáðàòíóþ äàííîé.

=

311

211

001

A .

Ïðèïèøåì ê äàííîé ìàòðèöå ñïðàâà åäèíè÷íóþ ìàòðèöóòàêîãî æå ïîðÿäêà. Ýëåìåíòàðíûìè ïðåîáðàçîâàíèÿìè ñòðîêïåðåâåä¸ì äàííóþ ìàòðèöó â åäèíè÷íóþ, òîãäà åäèíè÷íàÿ ìàò-ðèöà ñïðàâà ýòèìè æå ïðåîáðàçîâàíèÿìè ïåðåéä¸ò â îáðàòíóþ ê

A . Èòàê:

~

110100

011210

001001

~

100311

010211

001001

−−

−−−110100

231010

001001

~ .

−−−=−

110

231

0011A .

1.10. Ðàíã ìàòðèöû

Îïðåäåëåíèå 1.11. Ïóñòü â ìàòðèöå nmA × ñóùåñòâóåò ëèíåéíî íå-

çàâèñèìàÿ ñèñòåìà èç r ñòðîê è íåò ëèíåéíî íåçàâèñèìîé ñèñòå-ìû èç áîëüøåãî ÷èñëà ñòðîê. Òîãäà ìû áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî ñòðî÷-

íûé ðàíã ìàòðèöû nmA × ðàâåí r .

Page 33: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

33

Íóëåâàÿ ìàòðèöà íå ñîäåðæèò ëèíåéíî íåçàâèñèìûõ ñòðîê è

å¸ ñòðî÷íûé ðàíã ïî îïðåäåëåíèþ ðàâåí íóëþ.

Ñòðî÷íûé ðàíã åäèíè÷íîé ìàòðèöû nE ðàâåí, î÷åâèäíî, n, òàê

êàê âñå ñòðîêè åäèíè÷íîé ìàòðèöû (ïðåäëîæåíèå 1.2) ëèíåéíî íå-

çàâèñèìû.

Àíàëîãè÷íî îïðåäåëÿåòñÿ è ñòîëáöîâûé ðàíã ìàòðèöû nmA × .

Îí ðàâåí r , åñëè åñòü ëèíåéíî íåçàâèñèìàÿ ñèñòåìà ñîñòîÿùàÿ èç

r ñòîëáöîâ, è íåò ëèíåéíî íåçàâèñèìîé ñèñòåìû èç áîëüøåãî ÷èñëà

ñòîëáöîâ.

Çàìåòèì ñðàçó, ÷òî ñòîëáöîâûé ðàíã åäèíè÷íîé ìàòðèöû nE

â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 1.2 òàê æå ðàâåí n è ìû âèäèì,÷òî ó åäèíè÷íîé ìàòðèöû ñòðî÷íûé è ñòîëáöîâûé ðàíãè ñîâïà-äàþò è ðàâíû ïîðÿäêó åäèíè÷íîé ìàòðèöû.

Ïîêàæåì, ÷òî åñëè â ìàòðèöå nmA × èìååòñÿ r ëèíåéíî íåçà-

âèñèìûõ ñòðîê è ëþáàÿ ñèñòåìà èç 1+r ñòðîêè ëèíåéíî çàâèñè-ìà, ìû ìîæåì îòûñêàòü â äàííîé ìàòðèöå íåâûðîæäåííóþ ïîä-

ìàòðèöó ïîðÿäêà r .Ïóñòü äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè ÷èñëî ñòðîê ìåíüøå ÷èñëà ñòîëá-

öîâ, ò.å. nm < è mr < .Ïóñòü òàêæå r ëèíåéíî íåçàâèñèìûõ ñòðîê ðàñïîëîæåíû â

ìàòðèöå nmA × â ïðîèçâîëüíîì ïîðÿäêå.

Èñïîëüçóÿ ïðåîáðàçîâàíèå 5 èç îïðåäåëåíèÿ 4.7 ïåðåäâèíåì(ñ îäíîâðåìåííûì èçìåíåíèåì íîìåðîâ ñòðîê) ýòè ñòðîêè ââåðõ,òàê ÷òîáû îíè ðàñïîëîæèëèñü â ïåðâûõ r ñòðîêàõ íàøåé ìàòðè-

öû. Èñõîäíàÿ ìàòðèöà nmA × ïðèìåò âèä:

=

mnmm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

22221

11211

⇒ ( ) ( ) ( )

=+++

mnmm

nrrr

rnrr

n

aaa

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

............

...

21

12111

21

11211

.

3 À.À. Êèðñàíîâ

Page 34: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

34

Òàê êàê ëèíåéíî íåçàâèñèìûìè ÿâëÿþòñÿ òîëüêî ïåðâûå rñòðîê, à ñòðîêè ñ íîìåðàìè 1+r , 2+r , ..., m åñòü èõ ëèíåéíûåêîìáèíàöèè, ìû ìîæåì ýòè ñòðîêè ñäåëàòü íóëåâûìè è ìàòðèöà

nmA × ïðèìåò âèä:

=

000

00021

11211

...

............

...

...

............

...

rnrr

n

aaa

aaa

A èëè

=

rnrr

n

aaa

aaa

A

...

............

...

21

11211

.

Ðàññìîòðèì òåïåðü ìàòðèöó

=

rnrr

n

aaa

aaa

A

...

............

...

21

11211

ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðåäëîæåíèÿ 1.9. Åñëè áû ÷èñëî ñòðîê r áûëî áûðàâíî ÷èñëó ñòîëáöîâ n , ìû èìåëè áû íåâûðîæäåííóþ ìàòðèöóïîðÿäêà n , êîòîðóþ ìåòîäîì Ãàóññà-Æîðäàíà ìîæíî áûëî áûïðèâåñòè ê åäèíè÷íîé ìàòðèöå.

Òàê êàê â íàøåé ñèòóàöèè ÷èñëî ñòðîê ìåíüøå ÷èñëà ñòîëá-öîâ, ò.å. nr < , òî ïðèìåíÿÿ ìåòîä Ãàóññà-Æîðäàíà ê íàøåé ìàò-ðèöå nrA × ìû, î÷åâèäíî, ïðèâåä¸ì å¸ ê âèäó:

( )

( )

( )

′′

′′′′

=

+

+

+

rnrr

nr

nr

aa

aa

aa

A

......

.....................

......

......

1

212

111

100

010

001

. (1.15)

Òàêèì îáðàçîì ìû ïîëó÷èëè ìàòðèöó â êîòîðîé ñîäåðæèò-ñÿ íåâûðîæäåííàÿ (åäèíè÷íàÿ) ïîäìàòðèöà ïîðÿäêà r , ñòîëáöûêîòîðîé, â ñèëó ïðåäëîæåíèÿ 1.2, ëèíåéíî íåçàâèñèìû è âñå îñ-òàëüíûå rn − ñòîëáöîâ ìàòðèöû ñ íîìåðàìè nrr ,...,, 21 ++ åñòüèõ ëèíåéíûå êîìáèíàöèè.

Page 35: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

35

Îïðåäåëåíèå 1.12. Ëèíåéíî íåçàâèñèìûå ñòðîêè è ñòîëáöû ìàò-

ðèöû nmA × áóäåì íàçûâàòü áàçèñíûìè ñòðîêàìè è áàçèñíûìè ñòîë-

áöàìè, íåâûðîæäåííóþ ïîäìàòðèöó, ñòîÿùóþ íà ïåðåñå÷åíèèáàçèñíûõ ñòðîê è ñòîëáöîâ íàçîâ¸ì áàçèñíîé ïîäìàòðèöåé èëèáàçèñíûì ìèíîðîì.

Îïðåäåëåíèå 1.13. Ðàíãîì ìàòðèöû nmA × (ìèíîðíûì ðàíãîì) íà-

çûâàåòñÿ ïîðÿäîê áàçèñíîé ïîäìàòðèöû (áàçèñíîãî ìèíîðà).Ðàíã íóëåâîé ìàòðèöû ïî îïðåäåëåíèþ áóäåì ñ÷èòàòü ðàâíûì

íóëþ.Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè òðàíñïîíèðîâàíèè ìàòðèöû å¸ ðàíã íå ìå-

íÿåòñÿ, òàê êàê ïðè òðàíñïîíèðîâàíèè ìàòðèöû (1.15) å¸ áàçèñ-íàÿ ïîäìàòðèöà ïåðåõîäèò ñàìà â ñåáÿ.

Î÷åâèäíî òàê æå, ÷òî ðàíã ëþáîé ïîäìàòðèöû A′ ìàòðèöû

A íå ïðåâîñõîäèò ðàíãà ìàòðèöû A . Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî áà-çèñíàÿ ïîäìàòðèöà ìàòðèöû A′ ñîäåðæèòñÿ è â ìàòðèöå A .

Îïðåäåëåíèå 1.14. Ìàòðèöó nmA × áóäåì íàçûâàòü óïðîù¸ííîé,

åñëè íåêîòîðûå r å¸ ñòîëáöîâ ÿâëÿþòñÿ ïåðâûìè r ñòîëáöàìèåäèíè÷íîé ìàòðèöû ïîðÿäêà m è åñëè mr < å¸ ïîñëåäíèå rm −ñòðîê íóëåâûå.

Åñëè ìû îòáðîñèì íóëåâûå ñòðîêè, òî ìû è ïîëó÷èì ìàòðè-öó (1.15) â êà÷åñòâå óïðîù¸ííîé ìàòðèöû, ïîëó÷åííîé èç èñõîä-íîé ìàòðèöû ìåòîäîì Ãàóññà-Æîðäàíà.

1.11. Îñíîâíûå òåîðåìû î ðàíãå ìàòðèöû

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.1. Ó ëþáîé ìàòðèöû nmA × ñòðî÷íûé ðàíã ðàâåí ìè-

íîðíîìó ðàíãó è ðàâåí ñòîëáöîâîìó ðàíãó.Äîêàçàòåëüñòâî ýòîé òåîðåìû ñîäåðæèòñÿ â ïóíêòå 1.10 è

çàêëþ÷àåòñÿ â ïîëó÷åíèè ìàòðèöû (1.15).Èç òåîðåìû 1.1 ñëåäóåò, ÷òî âñå òðè îïðåäåëåíèÿ ðàíãà ìàò-

ðèöû îïðåäåëÿþò íà ñàìîì äåëå îäíî è òîæå ÷èñëî, êîòîðîå ìûáóäåì íàçâàòü ïðîñòî ðàíãîì ìàòðèöû è îáîçíà÷èì êàê

rRgA = .

3*

Page 36: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

36

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.2. Êàæäûé ñòîëáåö (ñòðîêà) ìàòðèöû ðàñêëàäûâà-åòñÿ â ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ å¸ áàçèñíûõ ñòîëáöîâ (ñòðîê).

Êàæäûé èç áàçèñíûõ ñòîëáöîâ ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî áàçèñíûìñòîëáöàì åñëè âçÿòü ñàì ýòîò ñòîëáåö ñ êîýôôèöèåíòîì åäèíèöà, àîñòàëüíûå ñòîëáöû ñ íóëåâûìè êîýôôèöèåíòàìè. Íàïðèìåð. Ïóñòü

áàçèñíûå ñòîëáöû îáîçíà÷åíû êàê reee ,...,, 21 , à îñòàëüíûå êàê

nrr aaa ,...,, 21 ++ , òîãäà äëÿ áàçèñíîãî ñòîëáöà 3e ìîæåì çàïèñàòü:

reeeeee ⋅++⋅+⋅+⋅+⋅= 00100 43213 ... .

Äëÿ íåáàçèñíîãî ñòîëáöà, íàïðèìåð, 2+ra ïî òåîðåìå 1.1 íàé-

äóòñÿ òàêèå êîýôôèöèåíòû λααα ,,...,, r21 , ÷òî

Oaeee =λ+α++α+α +22211 rrr... .

Çäåñü 0≠λ , òàê êàê â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ìû ïîëó÷èëè áû ëèíåé-íóþ çàâèñèìîñòü áàçèñíûõ ñòîëáöîâ è ìû ìîæåì çàïèñàòü:

rr

r eeeaλα−−

λα−

λα−=+ ...2

21

12 .

Ïîäîáíîå ðàâåíñòâî, íî ñ äðóãèìè êîýôôèöèåíòàìè, ìûìîæåì çàïèñàòü è äëÿ ëþáîãî íåáàçèñíîãî ñòîëáöà, ÷òî è çàâåð-øàåò äîêàçàòåëüñòâî íàøåé òåîðåìû. Î÷åâèäíî, ÷òî âñ¸ ñêàçàí-íîå ñïðàâåäëèâî è äëÿ ñòðîê ìàòðèöû.

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.3. Ïðèïèñûâàíèå ê ìàòðèöå nmA × ñòîëáöà b âûñî-

òû m íå ìåíÿåò å¸ ðàíãà òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà ýòîò ñòîë-

áåö - ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ ñòîëáöîâ ìàòðèöû nmA × .

Ïóñòü ó íàñ èìååòñÿ ìàòðèöà nmA × ðàíãà r . Ïðèïèñûâàÿ ê

íåé ñòîëáåö b ïîëó÷èì ìàòðèöó

=

mmnmm

n

n

b

baaa

baaa

baaa

A

...

...............

...

...

21

222221

111211

.

Page 37: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

37

Åñëè rRgARgAb == , òîãäà áàçèñíûå ìèíîðû, ÷èñëà áàçèñ-

íûõ ñòîëáöîâ è áàçèñíûõ ñòðîê ó îáåèõ ìàòðèö îäèíàêîâûå è

ñòîëáåö b ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî áàçèñíûì ñòîëáöàì ìàòðèöû nmA × .

Îí, î÷åâèäíî, áóäåò è ëèíåéíîé êîìáèíàöèåé âñåõ ñòîëáöîâ ìàò-

ðèöû nmA × , òàê êàê ìû ýòî ìîæåì ïðåäñòàâèòü â âèäå:

nrrr aaeeeb ⋅++⋅+β++β+β= + 00 12211 ...... ,

ãäå ïî ïðåæíåìó reee ,...,, 21 - áàçèñíûå ñòîëáöû, à nrr aaa ,...,, 21 ++ -

îñòàëüíûå ñòîëáöû ìàòðèöû nmA × .

Îáðàòíî, åñëè b ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî ñòîëáöàì ìàòðèöû

nmA × , òî âû÷èòàÿ èç ñòîëáöà b åãî ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ ìû

ïîëó÷èì âìåñòî ñòîëáöà b íóëåâîé ñòîëáåö, êîòîðûé íå ìîæåò

èçìåíèòü ðàçìåðà áàçèñíîé ïîäìàòðèöû ìàòðèöû nmA × , ÷òî è

òðåáîâàëîñü äîêàçàòü.

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.4. Åñëè â ìàòðèöå nmA × åñòü r ñòîëáöîâ, ïî êîòî-

ðûì ðàñêëàäûâàþòñÿ âñå å¸ ñòîëáöû, å¸ ðàíã íå ïðåâûøàåò r

( rRgA ≤ ). Åñëè ýòè r ñòîëáöîâ ëèíåéíî íåçàâèñèìû - å¸ ðàíãðàâåí r .

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.5. Åñëè ìàòðèöà rmA × ñîñòîèò èç r ëèíåéíî íåçà-

âèñèìûõ ñòîëáöîâ âûñîòû n , òî å¸ ìîæíî äîïîëíèòü rn − ëè-íåéíî íåçàâèñèìûìè ñòîëáöàìè âûñîòû n äî íåâûðîæäåííîéìàòðèöû ïîðÿäêà n .

Äîêàçàòåëüñòâî äàííîé òåîðåìû ñðàçó ñëåäóåò èç ïðåäëîæå-íèÿ 1.2 è ïðåäëîæåíèÿ 9.ÒÅÎÐÅÌÀ 1.6. Ðàíã ïðîèçâåäåíèÿ äâóõ ìàòðèö íå ïðåâîñõîäèòðàíãîâ ñîìíîæèòåëåé.

Ïóñòü îïðåäåëåíî ïðîèçâåäåíèå AB . Ñîñòàâèì ðàñøèðåí-íóþ ìàòðèöó

( )ABAC = .

Òàê êàê AB - ïîäìàòðèöà ìàòðèöû Ñ , å¸ ðàíã íå ïðåâîñõî-

äèò ðàíãà ìàòðèöû C :

Page 38: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

38

RgCRgAB ≤ .

 ñèëó ñëåäñòâèÿ 1.1 ñòîëáöû ìàòðèöû AB åñòü ëèíåéíûåêîìáèíàöèè ñòîëáöîâ ìàòðèöû A è â ñèëó òåîðåìû 1.3 ìû ìî-æåì çàïèñàòü:

RgARgC =èëè

RgARgAB ≤ .

Ñîñòàâèì òåïåðü ìàòðèöó C′ èç ñòðîê ìàòðèö B è AB :

=′

AB

BC .

Çäåñü òàê æå ìàòðèöà AB ÿâëÿåòñÿ ïîäìàòðèöåé ìàòðèöû C′ è

å¸ ðàíã íå ïðåâîñõîäèò ðàíãà ìàòðèöûC′ :

CRgRgAB ′≤ .

 ñèëó ñëåäñòâèÿ 1.1. ñòðîêè ìàòðèöû AB åñòü ëèíåéíûåêîìáèíàöèè ñòðîê ìàòðèöû B è â ñèëó òåîðåìû 1.3 ìû ñíîâàìîæåì çàïèñàòü:

RgBCRg =′èëè

RgBRgAB ≤ .

ÒÅÎÐÅÌÀ 1.7. Åñëè A - íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà è îïðåäåëåíûïðîèçâåäåíèÿ ìàòðèö AB è CA , òî

RgBRgAB = è RgCRgCA = .

Òàê êàê A - íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà, å¸ ìîæíî ñ ïîìîùüþ

ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñâåñòè ê åäèíè÷íîé ìàòðèöå AE

òîãî æå ïîðÿäêà è ðàíãà, ÷òî è ìàòðèöà A . Òîãäà:

RgBBRgERgAB A == ,

à

RgCRgCERgCA A == .

Page 39: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

39

2. Îïðåäåëèòåëè

2.1. Îïðåäåëèòåëè II è III ïîðÿäêîâ

Ïðè èçó÷åíèè êâàäðàòíûõ ìàòðèö ìîæíî ââåñòè â ðàññìîò-ðåíèå íåêîòîðóþ ÷èñëîâóþ ôóíêöèþ, ïîçâîëÿþùóþ äîâîëüíîëåãêî ñäåëàòü âûâîä î âûðîæäåííîñòè èëè íåâûðîæäåííîñòèäàííîé ìàòðèöû.Îïðåäåëåíèå 2.1. ×èñëîâàÿ ôóíêöèÿ íà ìíîæåñòâå âñåõ êâàäðàò-íûõ ìàòðèö ïîðÿäêà n íàçûâàåòñÿ îïðåäåëèòåëåì (äåòåðìèíàí-òîì)1 ïîðÿäêà n , à å¸ çíà÷åíèå íà ìàòðèöå A- îïðåäåëèòåëåì A ,åñëè îíà îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè.

1. Êàêóþ áû ñòðîêó êâàäðàòíîé ìàòðèöû ìû íå âçÿëè, ôóí-êöèÿ ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíûì îäíîðîäíûì ìíîãî÷ëåíîì îò ýëåìåí-òîâ ýòîé ñòðîêè.

Äëÿ i -îé ñòðîêè ìàòðèöû A ýòî çíà÷èò, ÷òî

( ) innii ahahahAf +++= ...2211 , (2.1)

ãäå jh - êîýôôèöèåíòû íå çàâèñÿùèå îò ýëåìåíòîâ i -é ñòðîêè

inii aaa ,...,, 21 , íî çàâèñÿùèå îò ýëåìåíòîâ îñòàëüíûõ ñòðîê ìàòðèöû.

2. Çíà÷åíèå ôóíêöèè ( )Af íà ëþáîé âûðîæäåííîé ìàòðèöå

ðàâíî íóëþ.

3. Çíà÷åíèå ôóíêöèè ( )Af íà åäèíè÷íîé ìàòðèöå ðàâíî åäè-

íèöå.

Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû A îáîçíà÷àåòñÿ êàê Adet èëè A .

Ïðåæäå ÷åì èçó÷àòü ñâîéñòâà îïðåäåëèòåëåé, ðàññìîòðèìîïðåäåëèòåëè ìàòðèö ïåðâîãî, âòîðîãî è òðåòüåãî ïîðÿäêîâ.

Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû ïåðâîãî ïîðÿäêà ( )11aA = èëè ïðî-

ñòî ÷èñëà åñòü, î÷åâèäíî, ñàìî ýòî ÷èñëî:

1111 aa = .

1 Â íåêîòîðîé ëèòåðàòóðå îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû íàçûâàåòñÿ äåòåðìèíàíòîììàòðèöû.

Page 40: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

40

Ðàññìîòðèì ìàòðèöó âòîðîãî ïîðÿäêà

=

2221

1211

aa

aaA .

Ïîä îïðåäåëèòåëåì ìàòðèöû âòîðîãî ïîðÿäêà áóäåì ïîíè-ìàòü ÷èñëîâóþ ôóíêöèþ

( ) 21122211122111 aaaaahahAf −=+=èëè

21122211 aaaaA −= . (2.2)

Ïðèìåð. 264324143

21−=−=⋅−⋅==A .

Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ìàòðèöà

=

43

21A - íåâûðîæäåíà.

Ïîä îïðåäåëèòåëåì ìàòðèöû òðåòüåãî ïîðÿäêà

=

333231

232221

131211

aaa

aaa

aaa

A

áóäåì ïîíèìàòü ÷èñëîâóþ ôóíêöèþ îò ýëåìåíòîâ i -é ñòðîêè çà-äàííóþ âûðàæåíèåì

( ) 332211 iii ahahahAf ++=èëè

332112322311312213322113312312332211 aaaaaaaaaaaaaaaaaaA −−−++= .

(2.3)

Èç (2.3) íåòðóäíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèÿ äëÿ jh , íàïðèìåð,

äëÿ ïåðâîé ñòðîêè èìååì:

( ) ( ) ( ) ( ) 133122322112312333211132233322 aaaaaaaaaaaaaaaAf −+−−−= .

Çäåñü:

( )322333221 aaaah −= , ( )312333212 aaaah −−= , ( )312232213 aaaah −= .

Page 41: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

41

Ñôîðìóëèðóåì ïðîñòîå äëÿ çàïîìèíàíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîåïðàâèëî âû÷èñëåíèÿ îïðåäåëèòåëåé òðåòüåãî ïîðÿäêà:

- ñî çíàêîì (+) áåðóòñÿ ïðîèçâåäåíèÿ ýëåìåíòîâ ñîåäèí¸í-íûå ïðÿìîé ëèíèåé è òðåóãîëüíèêàìè

ooo

ooo

ooo

,

- à ñî çíàêîì (-) - ooo

ooo

ooo

.

Ïðèìåð.

3221341013420323420111

130

412

321

=⋅⋅−⋅⋅−⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅=

2.2. Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû n-ãî ïîðÿäêà

Ïðåæäå ÷åì îáñóäèòü âîïðîñ îá îïðåäåëèòåëå ìàòðèöû n-ãî ïîðÿäêà, ðàññìîòðèì åù¸ ðàç áîëåå âíèìàòåëüíî îïðåäåëèòå-ëè ìàòðèö âòîðîãî è òðåòüåãî ïîðÿäêîâ.

Èòàê, ìàòðèöà âòîðîãî ïîðÿäêà, 2=n :

211222112221

1211 aaaaaa

aa−= .

Îïðåäåëèòåëü ñîäåðæèò ñóììó èç äâóõ ñîìíîæèòåëåé â êàæ-äîì ñëàãàåìîì, ïî îäíîìó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæ-

äîãî ñòîëáöà. Îäíî ñëàãàåìîå âçÿòî ñî çíàêîì ( )+ , äðóãîå ñî

çíàêîì ( )− .

Page 42: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

42

Ìàòðèöà òðåòüåãî ïîðÿäêà, 3=n :

.332112322311312213

322113312312332211

333231

232221

131211

aaaaaaaaa

aaaaaaaaa

aaa

aaa

aaa

−−−

−++=

Îïðåäåëèòåëü òðåòüåãî ïîðÿäêà ñîäåðæèò ñóììó èç òð¸õ ñî-ìíîæèòåëåé ïî îäíîìó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæäî-

ãî ñòîëáöà, ïîëîâèíà ñëàãàåìûõ âçÿòà ñî çíàêîì ( )+ , à ïîëîâèíà

ñî çíàêîì ( )− .

Ìîæíî çàìåòèòü, ÷òî ÷èñëî ñîìíîæèòåëåé â ñóììàõ ñîâïà-äàåò ñ ïîðÿäêîì îïðåäåëèòåëÿ ìàòðèöû.

Çàìåòèì, òàê æå, ÷òî

!2212 =⋅= , à !33216 =⋅⋅= .Âåðîÿòíî, ñëåäóåò îæèäàòü, ÷òî îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû n-ãî

ïîðÿäêà áóäåò ñîäåðæàòü !n ñëàãàåìûõ ñîñòîÿùèõ èç n ñîìíîæèòå-ëåé ïî îäíîìó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæäîãî ñòîëáöà.

Ïîëîâèíà èõ áóäåò ñî çíàêîì ( )+ , à ïîëîâèíà ñî çíàêîì ( )− .

Ïîêàæåì ýòî. Ïóñòü p - íåêîòîðîå ïðîèçâåäåíèå, ñîñòîÿ-ùåå èç ýëåìåíòîâ ìàòðèöû n -ãî ïîðÿäêà, ñîäåðæàùåå ïî îäíîìóýëåìåíòó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó ýëåìåíòó èç êàæäîãîñòîëáöà.

Ïóñòü ìíîæèòåëü âõîäÿùèé èç ïåðâîé ñòðîêè èìååò âèä α1a ,

ãäå α - íîìåð ñòîëáöà n≤α≤1 . Ìíîæèòåëü èç âòîðîé ñòðîêè

èìååò âèä β2a , ãäå β - íîìåð ñòîëáöà n≤β≤1 è ò.ä. Ìíîæèòåëü

èç ïîñëåäíåé n -é ñòðîêè áóäåò èìåòü âèä ωna , ãäå ω íîìåð ñòîë-

áöà n≤ω≤1 . Òàêèì îáðàçîì

ωβα ⋅⋅⋅= naaap ...21 . (2.4)

Òàê êàê âñå ñîìíîæèòåëè â (2.4) âçÿòû ïî îäíîìó èç êàæäîé

ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæäîãî ñòîëáöà, âñå èíäåêñû ωβα ,...,,

Page 43: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

43

ðàçëè÷íû è, ñëåäîâàòåëüíî, îáðàçóþò ïåðåñòàíîâêó ( )ωαβ... èç

íàòóðàëüíûõ ÷èñåë ( )n...12 .

Ñ ïðîèçâåäåíèåì (2.4) òàêèì îáðàçîì ñâÿçàíà îïðåäåë¸ííàÿ

ïåðåñòàíîâêà ( )ωαβ... .

Íàîáîðîò, åñëè âçÿòü êàêóþ-íèáóäü ïåðåñòàíîâêó ( )ωαβ...

íàòóðàëüíûõ ÷èñåë n,...,2,1 è ïî íåé ñîñòàâèòü ïðîèçâåäåíèÿ (2.4),òî ýòè ïðîèçâåäåíèÿ, î÷åâèäíî, áóäóò èìåòü ìíîæèòåëè ïî îäíî-ìó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæäîãî ñòîëáöà è ÷èñëî èõáóäåò !n .

Äàäèì òåïåðü ñëåäóþùåå ïðåäâàðèòåëüíîåÎïðåäåëåíèå 2.2. Îïðåäåëèòåëåì ìàòðèöû n -ãî ïîðÿäêà íàçûâà-åòñÿ ñóììà âñåõ !n ïðîèçâåäåíèé ýëåìåíòîâ ýòîé ìàòðèöû, âçÿ-òûõ ïî îäíîìó èç êàæäîé ñòðîêè è ïî îäíîìó èç êàæäîãî ñòîëáöà.Ïðè ýòîì êàæäîå ïðîèçâåäåíèå ñíàáæåíî çíàêîì (+) èëè (-) ïîíåêîòîðîìó ïðàâèëó.

Ñôîðìóëèðóåì ïðàâèëî äëÿ çíàêà. Âåðí¸ìñÿ ñíîâà ê îïðåäå-ëèòåëÿì âòîðîãî è òðåòüåãî ïîðÿäêîâ:

211222112221

1211 aaaaaa

aa−= .

Íîìåðà ñòðîê ìû çàðàíåå ðàçìåñòèëè â îäíîì è òîì æå ïî-ðÿäêå 2,1 . Ïîñìîòðèì êàê ðàñïîëîæåíû íîìåðà ñòîëáöîâ:

2211aa + - â äàííîì ïðîèçâåäåíèè ñòîëáöû îáðàçóþò ïåðå-

ñòàíîâêó ( )12 , ñîâïàäàþùóþ ñ íàòóðàëüíûì ðÿäîì.

2112aa − - çäåñü ñòîëáöû îáðàçóþò ïåðåñòàíîâêó ( )21 , â êîòî-

ðîé íàðóøåí ïîðÿäîê ñëåäîâàíèÿ íàòóðàëüíûõ ÷èñåë îäèí ðàç,÷èñëî 2 ñòîèò ïåðåä ÷èñëîì 1.

Âûïèøåì òåïåðü ïîðÿäêè íîìåðîâ ñòîëáöîâ äëÿ îïðåäåëè-òåëÿ ìàòðèöû òðåòüåãî ïîðÿäêà (2.3) ó÷èòûâàÿ, ÷òî íîìåðà ñòðîê

ñíîâà ðàñïîëîæåíû â íàòóðàëüíîì ïîðÿäêå ( )123 :

Page 44: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

44

+ ( )123 , ( )231 , ( )312 ;

- ( )321 , ( )132 , ( )213 .

Ìû âèäèì, ÷òî â ïÿòè ïåðåñòàíîâêàõ ðàñïîëîæåíèÿ íåêîòî-

ðûõ ïàð íîìåðîâ ïðîòèâîïîëîæíû èõ íàòóðàëüíîìó ðÿäó ( )123 .

Òàêîå ÿâëåíèå ìû áóäåì íàçûâàòü íàðóøåíèåì ïîðÿäêà èëèèíâåðñèåé.

Îïðåäåëåíèå 2.3. Ïóñòü èìååòñÿ ïåðåñòàíîâêà ( )ωαβ... íàòóðàëü-

íûõ ÷èñåë n,...,2,1 . Ìû áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî äâà ÷èñëà, âõîäÿùèõâ ýòó ïåðåñòàíîâêó, îáðàçóþò èíâåðñèþ, åñëè áîëüøåå ÷èñëî èç íà-øåé ïàðû ïðåäøåñòâóåò ìåíüøåìó. ×èñëî ïàð, îáðàçóþùèõ èí-âåðñèþ, íàçîâ¸ì ÷èñëîì èíâåðñèé äàííîé ïåðåñòàíîâêè è îáîçíà-÷èì áóêâîé s .

 íàòóðàëüíîì ðÿäå ( )n ...21 èíâåðñèé íåò: 0=s .

 ðÿäå ( )121 ... −nn ñîäåðæèòñÿ î÷åâèäíî ( )

2

12 −== nnCs n

ïàð èíâåðñèé.

Ïðèìåð.  ïåðåñòàíîâêå ( )4 2 5 1 3 èìååòñÿ ÷åòûðå ïàðû èíâåðñèé:

( )1 3 , ( )2 3 , ( )2 5 , ( )4 5 .

Ëåãêî óâèäåòü, ÷òî äëÿ ïîäñ÷¸òà ÷èñëà èíâåðñèé â ïåðåñòà-

íîâêå ( )ωαβ... ñëåäóåò ïîäñ÷èòàòü, ñêîëüêî äëÿ êàæäîãî ÷èñëà

èìååòñÿ ñëåäóþùèõ çà íèì ìåíüøèõ åãî ÷èñåë è çàòåì ñëîæèòüâñå íàéäåííûå çíà÷åíèÿ.

Âåðí¸ìñÿ ê íàøåìó ïðèìåðó ( )4 2 5 1 3 .

×èñëî ïàð èíâåðñèé 400202 =++++=s .Îïðåäåëåíèå 2.4. Ïåðåñòàíîâêà íàçûâàåòñÿ ÷¸òíîé, åñëè îíà ñî-äåðæèò ÷¸òíîå ÷èñëî ïàð èíâåðñèé, è íàçûâàåòñÿ íå÷¸òíîé â ïðî-òèâíîì ñëó÷àå.

Ïðàâèëî äëÿ çíàêà.Ïóñòü p - ôèêñèðîâàííîå ïðîèçâåäåíèå, âõîäÿùåå â ñîñòàâ

îïðåäåëèòåëÿ ìàòðèöû ïîðÿäêà n . Âûïèøåì ñîìíîæèòåëè ïðî-èçâåäåíèÿ p â ïîðÿäêå ñëåäîâàíèÿ ñòðîê:

Page 45: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

45

ωβα ⋅⋅⋅= naaap ...21 .

Î÷åâèäíî, ÷òî íîìåðà ñòîëáöîâ äàäóò ïåðåñòàíîâêó ( )ωαβ... .

Ïðîèçâåäåíèå p áåð¸òñÿ ñî çíàêîì (+), åñëè ýòà ïåðåñòàíîâ-êà ÷¸òíàÿ, è ñî çíàêîì (-), åñëè îíà íå÷¸òíàÿ.

Åñëè ÷èñëî ïàð èíâåðñèé â ïåðåñòàíîâêå ( )ωαβ... ðàâíî s ,

ìû ìîæåì ñ÷èòàòü, ïðîèçâåäåíèå p âõîäèò â îïðåäåëèòåëü ìàò-

ðèöû ñî çíàêîì ( )s1− .

Äëÿ ïðèìåðà ðàññìîòðèì ñ êàêèìè çíàêàìè âõîäÿò ñëàãàå-ìûå â îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû ïîðÿäêà òðè:

332211 aaa + ( )321 0=s ;

3123aa12a + ( )1 3 2 2011 =++=s ;

322113 aaa + ( )2 1 3 2002 =++=s ;

312213 aaa − ( )1 2 3 3012 =++=s ;

322311 aaa − ( )2 3 1 1010 =++=s ;

332112 aaa − ( )3 1 2 1001 =++=s .

Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû ïîðÿäêà n ìîæíî çàïèñàòü òàê:

( ) ( )

( )∑

ωαβωβα

ωαβ−=...

21...

21

22221

11211

...1

...

............

...

...

ns

nnnn

n

n

aaa

aaa

aaa

aaa

. (2.5)

(2.5) åñòü ôîðìóëà ïîëíîãî ðàçëîæåíèÿ îïðåäåëèòåëÿ ìàòðèöû n -ãî ïîðÿäêà.Çàìå÷àíèå 2.1. Åñëè ìàòðèöà èìååò íóëåâóþ ñòðîêó èëè íóëåâîé

ñòîëáåö, òî â ïðîèçâåäåíèÿ ωβα ⋅⋅⋅= naaap ...21 îáÿçàòåëüíî áóäóò

âõîäèòü ýòè íóëåâûå ýëåìåíòû, è òàêèì îáðàçîì îïðåäåëèòåëüäàííîé ìàòðèöû áóäåò ðàâåí íóëþ.

Page 46: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

46

Äëÿ äèàãîíàëüíîé, âåðõíåé è íèæíåé òðåóãîëüíûõ ìàòðèöîïðåäåëèòåëü áóäåò îäèí è òîò æå è áóäåò ðàâåí ïðîèçâåäåíèþäèàãîíàëüíûõ ýëåìåíòîâ:

nnaaaA ...2211= .

2.3. Ñâîéñòâà îïðåäåëèòåëåé

Ñâîéñòâî 1. Ïðè òðàíñïîíèðîâàíèè ìàòðèöû å¸ îïðåäåëèòåëü íåìåíÿåòñÿ.

TAA = . (2.6)

Ñâîéñòâî 1 ãîâîðèò î òîì, ÷òî ñ òî÷êè çðåíèÿ òåîðèè îïðå-äåëèòåëåé ñòðîêè è ñòîëáöû çàíèìàþò ðàâíîïðàâíîå ïîëîæåíèåè åñëè íàì áóäåò èçâåñòíî íåêîòîðîå ñâîéñòâî îïðåäåëèòåëÿ îò-íîñÿùååñÿ ê ñòðîêàì (ñòîëáöàì), òî ìû ìîæåì ñêàçàòü, ÷òî òàêîåæå ñâîéñòâî èìåþò è ñòîëáöû (ñòðîêè).Ïðèìåð.

=

43

21A , 2

43

21−==A ;

=

42

31TA , 242

31−==TA .

Ñâîéñòâî 2. Åñëè äâå ñòðîêè (ñòîëáöà) ìàòðèöû ïîìåíÿòü ìåñòà-ìè, å¸ îïðåäåëèòåëü óìíîæèòñÿ íà ÷èñëî (-1).Ïðèìåð. Ïîìåíÿåì ìåñòàìè ñòðîêè ó ìàòðèöû A ïðåäûäóùåãîïðèìåðà, òîãäà:

=

21

43B , 2

21

43==B .

Ñâîéñòâî 3. Åñëè ìàòðèöà ïîðÿäêà n èìååò äâå îäèíàêîâûå ñòðî-êè (ñòîëáöà), å¸ îïðåäåëèòåëü ðàâåí íóëþ.

Ýòî ñâîéñòâî ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ñâîéñòâà 2.

Page 47: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

47

Îïðåäåëåíèå 2.5. Ïóñòü íàì äàíà ìàòðèöà ïîðÿäêà n

=

nnnn

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

22221

11211

.

Âû÷åðêíåì â íåé ñòðîêó ïîä íîìåðîì i è ñòîëáåö ïîä íî-

ìåðîì k , è ñäâèíåì, íå íàðóøàÿ ïîðÿäêà, îñòàëüíûå ýëåìåíòû.

 ðåçóëüòàòå ìû ïîëó÷èì ìàòðèöó ïîðÿäêà ( )1−n , ÿâëÿþùóþñÿ

ïîäìàòðèöåé ìàòðèöû A , êîòîðóþ ìû îáîçíà÷èì êàê ikD è íà-

çîâ¸ì äîïîëíèòåëüíîé ïîäìàòðèöåé. Äîïîëíèòåëüíûì ìèíîðîì

(ìèíîðîì) ýëåìåíòà ika íàçîâ¸ì ÷èñëî

ikik Dd = . (2.7)

Ïðèìåð. Äàíà ìàòðèöà

=

44434241

34333231

24232221

14131211

aaaa

aaaa

aaaa

aaaa

A.

Íàéòè äîïîëíèòåëüíóþ ïîäìàòðèöó äëÿ ýëåìåíòà 23a .

 ñîîòâåòñòâèè ñ îïðåäåëåíèåì 2.5 âû÷åðêíåì â èñõîäíîéìàòðèöå ñòðîêó ïîä íîìåðîì 2 è ñòîëáåö ïîä íîìåðîì 3

=

44434241

34333231

24232221

14131211

aaaa

aaaa

aaaa

aaaa

A

è ñäâèíåì íå íàðóøàÿ ïîðÿäêà îñòàâøèåñÿ ýëåìåíòû. Â ðåçóëü-

òàòå ÷åãî ïîëó÷èì äîïîëíèòåëüíóþ ïîäìàòðèöó 23D :

Page 48: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

48

=

444241

343231

141211

23

aaa

aaa

aaa

D ,

äîïîëíèòåëüíûé ìèíîð ýëåìåíòà 23a åñòü

444241

343231

141211

2323

aaa

aaa

aaa

Dd == .

Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ìàòðèöû ïîðÿäêà n ìû ìîæåì ñîñòàâèòü2n äîïîëíèòåëüíûõ ìèíîðîâ, ïî îäíîìó äëÿ êàæäîãî ýëåìåíòà.

Ëåììà 2.1. Åñëè âñå ýëåìåíòû ïåðâîé ñòðîêè ìàòðèöû ïîðÿäêà n

ðàâíû íóëþ, êðîìå 11a , òî å¸ îïðåäåëèòåëü ðàâåí ïðîèçâåäåíèþ

ýëåìåíòà 11a íà åãî äîïîëíèòåëüíûé ìèíîð 11d .

 áîëåå ïîäðîáíîé çàïèñè ýòî âûãëÿäèò òàê:

=

nnnn

n

aaa

aaa

a

A

...

............

...

...

21

22221

11 00

,

=

nnnn

n

n

aaa

aaa

aaa

D

...

............

...

...

32

33332

22322

11 , 1111 Dd = ,

1111daA = . (2.8)

Ðàâåíñòâî (2.8) ñðàçó ñëåäóåò èç îïðåäåëåíèÿ 2.1 è óðàâíå-íèÿ (2.1)

( ) innii ahahahAf +++= ...2211 , (2.1)

ãäå 111 dh = , à 032 ==== nhhh ... .

( ) 1111111 daahAfA === .

Ðàññìîòðèì òåïåðü ìàòðèöó ïîðÿäêà n ó êîòîðîé â i -é ñòðî-

êå âñå ýëåìåíòû ðàâíû íóëþ, êðîìå ýëåìåíòà ika .

Page 49: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

49

( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

=

+−

++++−++

−+−−−−−

+−

nnknnkknn

nikikikii

ik

nikikikii

nkkk

aaaaa

aaaaa

a

aaaaa

aaaaa

A

......

.....................

......

......

......

.....................

......

111

11111111

11111111

11111111

0000

.

Ðàñïðîñòðàíèì ëåììó 2.1 íà ýòîò áîëåå îáùèé ñëó÷àé. Áó-äåì ïîñëåäîâàòåëüíî ïåðåäâèãàòü i -þ ñòðîêó ââåðõ, ìåíÿÿ å¸ìåñòàìè ñ âûøåëåæàùèìè ñòðîêàìè íå íàðóøàÿ ïîðÿäêà èõ ñëå-äîâàíèÿ. Íàì ïðèä¸òñÿ ñäåëàòü 1−i ïåðåñòàíîâêó ñòðîê è ïðèêàæäîé òàêîé çàìåíå îïðåäåëèòåëü, â ñîîòâåòñòâèè ñî ñâîéñòâîì2, áóäåò ìåíÿòü çíàê.

 êîíå÷íîì èòîãå ìû ïîëó÷èì:

( )

−= −

nnnkn

k

ik

i

aaa

naaa

a

A

......

...............

......

......

1

11111

00

1.

Ñòðîêà ñ íóëÿìè òåïåðü íàõîäèòñÿ ââåðõó. Ïåðåñòàâëÿÿ k -é

ñòîëáåö âëåâî 1−k ðàç ñäâèíåì åãî íà ìåñòî ïåðâîãî ñòîëáöà, âðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷èì:

( ) ( )

nnnnk

nk

ik

ki

aaa

aaa

a

A

...

............

...

...

1

111111

00

11 −− −−=.

Ïðèìåíÿÿ ëåììó 2.1 îêîí÷àòåëüíî çàïèøåì:

4 À.À. Êèðñàíîâ

Page 50: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

50

( ) ikki

ik daA +−= 1 , (2.9)

ãäå ikd - äîïîëíèòåëüíûé ìèíîð ýëåìåíòà ika .

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) kikikikiki ++−+−+−− −=−

−=−−=−=−− 11

1111111

2

2211

.

Îïðåäåëåíèå 2.6. Äîïîëíèòåëüíûé ìèíîð ikd ýëåìåíòà ika ìàò-

ðèöû ïîðÿäêà n âçÿòûé ñî çíàêîì ( ) ki+−1 , íàçûâàåòñÿ àëãåáðàè-

÷åñêèì äîïîëíåíèåì ýëåìåíòà ika .

Îáîçíà÷àÿ àëãåáðàè÷åñêîå äîïîëíåíèå ýëåìåíòà ika ÷åðåç

ikA çàïèøåì:

( ) ikki

ik dA +−= 1 . (2.10)

Ïðèìåð.

Äàíà ìàòðèöà

=

107

654

321

A . Íàéòè àëãåáðàè÷åñêîå äîïîë-

íåíèå 23A äëÿ ýëåìåíòà 23a .

Íàéä¸ì ñíà÷àëà äîïîëíèòåëüíûé ìèíîð 23d :

1407

2123 −==d .

Òîãäà ( ) ( ) ( ) 141411 523

3223 =−⋅−=−= + dA .

Ñëåäñòâèå 2.1. Äëÿ ýëåìåíòîâ, ðàñïîëîæåííûõ íà ãëàâíîé äèàãî-íàëè, àëãåáðàè÷åñêèå äîïîëíåíèÿ ñîâïàäàþò ñ äîïîëíèòåëüíûììèíîðîì, ò.å. äëÿ ki =

( ) iiiii

ii ddA =−= 21 . (2.11)

Page 51: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

51

Ëåììà 2.2. Åñëè âñå ýëåìåíòû i -é ñòðîêè ìàòðèöû ïîðÿäêà n ,

êðîìå ika ðàâíû íóëþ, òî å¸ îïðåäåëèòåëü áóäåò ðàâåí ïðîèçâå-

äåíèþ ýëåìåíòà ika íà åãî àëãåáðàè÷åñêîå äîïîëíåíèå.

ikik AaA = . (2.12)

Ëåììà 2.2. åñòü ïðÿìîå ñëåäñòâèå ëåììû 2.1 è îïðåäåëåíèÿ

2.1, åñëè â ôîðìóëå (2.1) ïîëîæèòü kik hA = , ò.å.

( ) ( ) ( ) inkiikikkii aaAaaaAfA ⋅++⋅++⋅++⋅== +− 0000 111 ...... .

Ñâîéñòâî 4. Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû ïîðÿäêà n ðàâåí ñóììå ïðî-èçâåäåíèé âñåõ ýëåìåíòîâ êàêîé-íèáóäü îäíîé ôèêñèðîâàííîéñòðîêè (ñòîëáöà) íà å¸ (åãî) àëãåáðàè÷åñêèå äîïîëíåíèÿ, ò.å.äëÿ ñòðîê ñ ni ,...,,21=

∑=

=+++=n

sisisininiiii AaAaAaAaA

12211 ... ; (2.13)

äëÿ ñòîëáöîâ ñ nk ,...,,21=

∑=

=+++=n

ssksknknkkkkk AaAaAaAaA

12211 ... . (2.14)

äëÿ òîãî, ÷òîáû óáåäèòüñÿ â ñïðàâåäëèâîñòè ñâîéñòâà 4 äîñòà-òî÷íî ñðàâíèòü ôîðìóëû (2.13) è (2.14) ñ (2.1), ïîëîæèâ

11 hAi = ,..., nin hA =èëè

11 hA k = ,..., nnk hA = .

Ñâîéñòâî 5. Ñóììà ïðîèçâåäåíèé ýëåìåíòîâ îäíîé ñòðîêè (ñòîë-áöà) ìàòðèöû ïîðÿäêà n íà àëãåáðàè÷åñêèå äîïîëíåíèÿ ñîîò-âåòñòâóþùèõ ýëåìåíòîâ äðóãîé ñòðîêè (ñòîëáöà) ðàâíà íóëþ, ò.å.äëÿ ñòîê:

02211 =+++ injnijij AaAaAa ... , åñëè ji ≠ ; (2.15)

äëÿ ñòîëáöîâ:

02211 =+++ nknlklkl AaaaAa ... , åñëè kl ≠ . (2.16)

4*

Page 52: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

52

Ðàññìîòðèì îïðåäåëèòåëü, â êîòîðîì j -ÿ ñòðîêà çàìåíåíà

íà i -þ ñòðîêó è ji ≠ :

nnnn

inii

inii

n

aaa

aaaj

aaai

aaa

A

...

............

...

............

...

............

...

21

21

21

11211

=.

Òàê êàê â îïðåäåëèòåëå ñîäåðæàòñÿ äâå îäèíàêîâûå ñòðîêè,òî ïî ñâîéñòâó 3 îí ðàâåí íóëþ.

Ðàçëîæèì íàø îïðåäåëèòåëü ïî j -é ñòðîêå:

01

== ∑=

n

sjsis AaA . (2.17)

Î÷åâèäíî, ÷òî ðàâåíñòâî (2.17) áóäåò ñïðàâåäëèâî è â òîì

ñëó÷àå, êîãäà ýëåìåíòû j -é ñòðîêè íå ÿâëÿþòñÿ ýëåìåíòàìè i -é

ñòðîêè, òàê êàê àëãåáðàè÷åñêèå ýëåìåíòû jsA îò ýëåìåíòîâ j -é

ñòðîêè â ñîîòâåòñòâèè ñ îïðåäåëåíèÿìè 2.5 è 2.6 íå çàâèñÿò.Ðàâåíñòâà (2.13) - (2.17) ìîæíî çàïèñàòü â áîëåå îáùåì âèäå:

≠=

=∑= . ,

, ,

ji

jiAAa

n

sjsis

01(2.18)

Ñâîéñòâî 6. Åñëè âñå ýëåìåíòû êàêîé-íèáóäü ñòðîêè (ñòîëáöà)óìíîæèòü íà ÷èñëî 0≠λ , òî è îïðåäåëèòåëü óìíîæèòñÿ íà ýòîæå ÷èñëî.

Ìíîæèòåëü, îáùèé äëÿ âñåõ ýëåìåíòîâ ñòðîêè (ñòîëáöà)ìîæåò áûòü âûíåñåí çà çíàê îïðåäåëèòåëÿ.

Page 53: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

53

Ïðèìåð.

693

42==A èëè 6

31

2132

93

42=⋅⋅==A .

Èç ñâîéñòâ 6 è 3 ñëåäóåò

Ñâîéñòâî 7. Åñëè ìàòðèöà ïîðÿäêà n èìååò äâå ïðîïîðöèîíàëü-íûå ñòðîêè (ñòîëáöà), òî å¸ îïðåäåëèòåëü ðàâåí íóëþ.

Ñâîéñòâî 8. Åñëè âñå ýëåìåíòû i -é ñòðîêè ìàòðèöû ïîðÿäêà nïðåäñòàâëåíû â âèäå

ikikik cba += , nk ,...,1= ,

òî å¸ îïðåäåëèòåëü ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóììû äâóõ îïðå-äåëèòåëåé, ó êîòîðûõ â ñòðîêå ïîä íîìåðîì i áóäóò ñòîÿòü ýëå-

ìåíòû ikb è ikc :

nnn

ini

n

nnn

ini

n

nnnn

ininiiii

n

aa

cc

aa

aa

bb

aa

aaa

cbcbcb

aaa

A

...

.........

...

.........

...

...

.........

...

.........

...

...

............

...

............

...

1

1

111

1

1

111

21

2211

11211

+=+++=.

(2.19)

Ñâîéñòâî 9. Îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû ïîðÿäêà n íå èçìåíèòñÿ, åñëèê îäíîé å¸ ñòðîêå (ñòîëáöó) ïðèáàâèòü äðóãóþ ñòðîêó (ñòîëáåö)óìíîæåííóþ íà ïðîèçâîëüíîå ÷èñëî λ .

Ñâîéñòâî 10. Äëÿ ëþáûõ äâóõ ìàòðèö ïîðÿäêà n

BABA ⋅=⋅ . (2.20)

Page 54: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

54

2.4. Âû÷èñëåíèå îáðàòíîé ìàòðèöû ñ ïîìîùüþîïðåäåëèòåëÿ

Ðàíåå ìû óñòàíîâèëè (ïðåäëîæåíèå 1.15), ÷òî ëþáàÿ íåâû-ðîæäåííàÿ ìàòðèöà èìååò åäèíñòâåííóþ îáðàòíóþ ìàòðèöó. Èñ-ïîëüçóÿ ïîíÿòèå îïðåäåëèòåëÿ ìû ìîæåì ñôîðìóëèðîâàòü ïðåä-ëîæåíèå îá îáðàòíîé ìàòðèöå, ïîäîáíîå ïðåäëîæåíèþ 1.15.Ïðåäëîæåíèå 2.1. Äëÿ òîãî ÷òîáû ìàòðèöà A èìåëà îáðàòíóþìàòðèöó, íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû å¸ îïðåäåëèòåëü áûëîòëè÷åí îò íóëÿ.

Ïóñòü B - ìàòðèöà îáðàòíàÿ ê ìàòðèöå A . Òîãäà EBAAB ==

è â ñîîòâåòñòâèè ñî ñâîéñòâîì 10

1==⋅= EBAAB ,

îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî 0≠A .

Ðàññìîòðèì ìàòðèöó A ïîðÿäêà n ó êîòîðîé 0≠A . Ïîêà-

æåì, ÷òî ìàòðèöà B âèäà

⋅=

nnnn

n

n

AAA

AAA

AAA

AB

...

............

...

...

21

22212

12111

1(2.21)

ÿâëÿåòñÿ îáðàòíîé ê ìàòðèöå A .Íåïîñðåäñòâåííî âû÷èñëÿÿ ïðîèçâåäåíèÿ AB è BA , â ñîîò-

âåòñòâèè ñî ñâîéñòâàìè îïðåäåëèòåëåé 4 è 5 óáåæäàåìñÿ, ÷òî ìàò-ðèöà B îáðàòíàÿ ê ìàòðèöå A .

Page 55: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

55

3. Ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

3.1. Îïðåäåëåíèå è âèäû ñèñòåì ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

Îïðåäåëåíèå 3.1. Ñèñòåìó óðàâíåíèé âèäà

,...

.,........................................

,...

,...

mnmn

mm

nn

nn

bxaxaxa

bxaxaxa

bxaxaxa

=+++

=+++

=+++

22

11

22222

121

11212

111

(3.1)

ìû áóäåì íàçûâàòü ñèñòåìîé m ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñ n íåèçâå-

ñòíûìè nxxx ,...,, 21 .

Èñïîëüçóÿ ïðàâèëî ñóììèðîâàíèÿ Ýéíøòåéíà ñèñòåìó óðàâ-íåíèé (3.1) ìîæíî çàïèñàòü â âèäå:

ikik bxa = , mi ,...,,21= , nk ,...,,21= . (3.2)

Êîýôôèöèåíòû ïðè íåèçâåñòíûõ óðàâíåíèé (3.1) ìû ìîæåìçàïèñàòü â âèäå ìàòðèöû

=

mn

mm

n

n

aaa

aaa

aaa

A

...

............

...

...

21

222

21

112

11

,

êîòîðóþ ìû áóäåì íàçûâàòü ìàòðèöåé ñèñòåìû. ×èñëà ñòîÿùèåâ ïðàâûõ ÷àñòÿõ (3.1), îáðàçóþò ñòîëáåö

=

mb

b

b

...

2

1

b,

íàçûâàåìûé ñòîëáöîì ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ.

Page 56: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

56

Åñëè íåèçâåñòíûå nxxx ,...,, 21 , òàê æå çàïèñàòü â âèäå ñòîëáöà

=

nx

x

x

...

2

1

x,

òîãäà (3.1) ìîæíî ïðåäñòàâèòü â ìàòðè÷íîé çàïèñè:

=

mnmn

mm

n

n

b

b

b

x

x

x

aaa

aaa

aaa

......

...

............

...

...2

1

2

1

21

222

21

112

11

èëè

bx =A . (3.3)Ìàòðèöà ñèñòåìû A äîïîëíåííàÿ ñïðàâà ñòîëáöîì ñâîáîä-

íûõ ÷ëåíîâ b , íàçûâàåòñÿ ðàñøèðåííîé ìàòðèöåé ñèñòåìû (3.1) èîáîçíà÷àåòñÿ áóêâîé B .

=

mmn

mm

n

n

baaa

baaa

baaa

B

...

...............

...

...

21

2222

21

1112

11

èëè ( )bAB = . (3.4)

Åñëè ñâîáîäíûå ÷ëåíû ñèñòåìû (3.1) ðàâíû íóëþ, òî òàêàÿñèñòåìà íàçûâàåòñÿ îäíîðîäíîé, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå - íåîäíîðîäíîé.

Îäíîðîäíàÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé èìååò âèä:

,...

.,........................................

,...

,...

0

0

0

22

11

2222

121

1212

111

=+++

=+++

=+++

nmn

mm

nn

nn

xaxaxa

xaxaxa

xaxaxa

(3.5)

Page 57: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

57

èëè

0=kik xa , mi ,...,,21= , nk ,...,,21= .

Îïðåäåëåíèå 3.2. Ñîâîêóïíîñòü ÷èñåë nααα ,...,, 21 íàçûâàåòñÿ ðå-

øåíèåì ñèñòåìû (3.1) åñëè êàæäîå óðàâíåíèå ñèñòåìû îáðàùàåò-ñÿ â ÷èñëîâîå ðàâåíñòâî ïîñëå ïîäñòàíîâêè â íåãî ÷èñåë

nααα ,...,, 21 âìåñòî ñîîòâåòñòâóþùèõ íåèçâåñòíûõ nxxx ,...,, 21 .

Ïîëüçóÿñü ïîíÿòèåì ëèíåéíûõ îïåðàöèé ñî ñòîëáöàìè ï1.4ìû ìîæåì ïåðåïèñàòü (3.1) êàê

=

⋅++

⋅+

mmn

n

n

n

mm b

b

b

a

a

a

x

a

a

a

x

a

a

a

x......

.........

2

1

2

1

2

22

12

2

1

21

11

1

, (3.6)

èëè â áîëåå ñæàòîì âèäå

baaa =+++ nnxxx ...2

21

1 , (3.7)

ãäå naaa ,...,, 21 - ñòîëáöû ìàòðèöû ñèñòåìû, à b - ñòîëáåö ñâîáîä-

íûõ ÷ëåíîâ.Îòñþäà ñðàçó âûòåêàåò ñëåäóþùàÿ èíòåðïðåòàöèÿ ðåøåíèÿ

ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé (3.1).Ïðåäëîæåíèå 3.1. Ðåøåíèå ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé - ýòî ñî-

âîêóïíîñòü êîýôôèöèåíòîâ nxxx ,...,, 21 , ñ êîòîðûìè ñòîëáåö ñâî-

áîäíûõ ÷ëåíîâ ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî ñòîëáöàì ìàòðèöû A ñèñòåìû.Íàøà öåëü ñîñòîèò â íàõîæäåíèè âñåõ ðåøåíèé ñèñòåìû (3.1),

ïðè÷¸ì ìû çàðàíåå íå äåëàåì íèêàêèõ ïðåäïîëîæåíèé îòíîñèòåëü-

íî êîýôôèöèåíòîâ jia è ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ jb ñèñòåìû (3.1). ×èñëî

óðàâíåíèé m , òàê æå ñ÷èòàåòñÿ íåèçâåñòíûì.Ïðè òàêîì ïîäõîäå ìû ìîæåì îæèäàòü ñëåäóþùèå âîçìîæ-

íîñòè:1. Ñèñòåìà ìîæåò âîîáùå íå èìåòü ðåøåíèé.2. Ñèñòåìà ìîæåò èìåòü áåñêîíå÷íî ìíîãî ðåøåíèé.3. Ñèñòåìà ìîæåò èìåòü åäèíñòâåííîå ðåøåíèå.

Page 58: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

58

Ñèñòåìû (3.1) èìåþùèå ðåøåíèÿ áóäåì íàçûâàòü ñîâìåñò-íûìè. Ïðè ýòîì åñëè ðåøåíèå åäèíñòâåííîå - ñèñòåìó áóäåì íà-

çûâàòü îïðåäåë¸ííîé, åñëè ðåøåíèé áåñêîíå÷íî ìíîãî - íåîïðå-äåë¸ííîé. Ñèñòåìû íå èìåþùèå ðåøåíèé áóäåì íàçûâàòü íåñîâ-ìåñòíûìè.

Êàê ñëåäñòâèå ïðåäëîæåíèé 3.1 è 1.6 ìû ìîæåì ñôîðìóëè-ðîâàòüÏðåäëîæåíèå 3.2. Åñëè ñòîëáöû ìàòðèöû A ñèñòåìû ëèíåéíîíåçàâèñèìû, òî ñèñòåìà íå ìîæåò èìåòü äâóõ ðàçëè÷íûõ ðåøå-íèé: îíà èëè íåñîâìåñòíà èëè ñîâìåñòíàÿ è îïðåäåë¸ííàÿ.

Îñíîâíûì ñðåäñòâîì èññëåäîâàíèÿ è ðåøåíèÿ ñèñòåì ëèíåéíûõ

óðàâíåíèé (3.1) äëÿ íàñ áóäåò ìåòîä ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèéìàòðèöû B . Ïðè÷èíà ýòîãî ëåæèò â ñëåäóþùåì ïðåäëîæåíèè.

Ïðåäëîæåíèå 3.3. Ýëåìåíòàðíûì ïðåîáðàçîâàíèÿì ñòðîê ðàñøè-ðåííîé ìàòðèöû B ñèñòåìû (3.1) ñîîòâåòñòâóþò ïðåîáðàçîâàíèÿäàííîé ñèñòåìû, íå ìåíÿþùèå ìíîæåñòâà å¸ ðåøåíèé.

Äåéñòâèòåëüíî, åñëè i -ÿ ñòðîêà ìàòðèöû B óìíîæåíà íà

÷èñëî 0≠λ , òî ïðåîáðàçîâàííàÿ ìàòðèöà B ÿâëÿåòñÿ ðàñøèðåí-

íîé ìàòðèöåé äëÿ ñèñòåìû, ïîëó÷åííîé èç (3.1) óìíîæåíèåì i -

ãî óðàâíåíèÿ íà ÷èñëî 0≠λ . Åñëè â ìàòðèöå B i -ÿ ñòðîêà ïðè-

áàâëÿåòñÿ ê j -é ñòðîêå, òî â ñèñòåìå (3.1) i -å óðàâíåíèå ïðèáàâ-

ëÿåòñÿ ê j -ìó.  ëþáîì ñëó÷àå ïðåîáðàçîâàííàÿ ñèñòåìà ÿâëÿåò-ñÿ ñëåäñòâèåì èñõîäíîé ñèñòåìû (3.1). Ìû çíàåì, ÷òî ýëåìåíòàð-

íûå ïðåîáðàçîâàíèÿ îáðàòèìû, à çíà÷èò, è èñõîäíàÿ ñèñòåìà ìî-

æåò áûòü ïîëó÷åíà èç ïðåîáðàçîâàííîé è ÿâëÿåòñÿ å¸ ñëåäñòâèåì.Ïîýòîìó ìíîæåñòâà ðåøåíèé îáåèõ ñèñòåì ñîâïàäàþò.

Ïðèìåð.

.

,

1

321

21

−=−

=+

xx

xx~

−−

=111

311B

Page 59: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

59

.

,

420

321

21

−=−⋅

=+

xx

xx~~

−− 420

311

.

,

20

321

21

=+⋅

=+

xx

xx~~

210

311

.

,

20

1021

21

=+⋅

=⋅+

xx

xx.~

210

101

.

,

2

12

1

=

=

x

x

=

⋅+

2

1

1

02

0

11 .

3.2. Ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñ nm =

 ýòîì ñëó÷àå ìû èìååì ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíåíèé âèäà:

,...

.,........................................

,...

,...

nnnn

nn

nn

nn

bxaxaxa

bxaxaxa

bxaxaxa

=+++

=+++

=+++

22

11

22222

121

11212

111

(3.8)

Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî íè îäíî èç óðàâíåíèé ñèñòåìû (3.8) íåÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîé êîìáèíàöèåé îñòàëüíûõ.  ýòîì ñëó÷àå êâàä-ðàòíàÿ ìàòðèöà êîýôôèöèåíòîâ A áóäåò íåâûðîæäåííîé, ò.å. å¸ñòîëáöû áóäóò ëèíåéíî íåçàâèñèìû è å¸ îïðåäåëèòåëü áóäåò îò-

ëè÷åí îò íóëÿ.ÒÅÎÐÅÌÀ 3.1. Ñèñòåìà, ñîñòîÿùàÿ èç n óðàâíåíèé ñ n íåèçâåñ-òíûìè áóäåò ñîâìåñòíîé è îïðåäåë¸ííîé åñëè îïðåäåëèòåëü ìàò-ðèöû å¸ êîýôôèöèåíòîâ A îòëè÷åí îò íóëÿ.

Page 60: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

60

Çàïèøåì (3.8) â âèäå

bx =A .Òàê êàê ïî óñëîâèþ òåîðåìû ìàòðèöà A íåâûðîæäåííàÿ -

îíà èìååò îáðàòíóþ ìàòðèöó 1−A è òîãäà èç

bx =A

ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî

bx 1−= A .

Ïîêàæåì, ÷òî bx 1−= A óäîâëåòâîðÿåò ñèñòåìå (3.8).

Äåéñòâèòåëüíî

( ) ( ) bbbbx ==⋅== −− EAAAAA 11 .

Ðåøåíèå åäèíñòâåííî â ñèëó ïðåäëîæåíèÿ 3.2, òàê êàê ñòîë-áöû íåâûðîæäåííîé ìàòðèöû A ëèíåéíî íåçàâèñèìû. Èñïîëü-çóÿ ïðåäëîæåíèå 3.2 ìû ìîæåì ñôîðìóëèðîâàòü òåîðåìó 3.1 êàê:Ïðåäëîæåíèå 3.4. Åñëè A - íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà ïîðÿäêà n

( 0≠A ), òîãäà ëþáîé ñòîëáåö b âûñîòû n ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî

ñòîëáöàì ìàòðèöû A îäíîçíà÷íî.Òàê êàê ìàòðèöà A íåâûðîæäåííàÿ, å¸ ñòîëáöû, â ñîîòâåò-

ñòâèè ñ îïðåäåëåíèåì 1.12, ÿâëÿþòñÿ áàçèñíûìè ñòîëáöàìè è âñîîòâåòñòâèè ñ òåîðåìîé 1.2 ëþáîé ñòîëáåö b âûñîòû n ðàñêëà-äûâàåòñÿ ïî ñòîëáöàì ìàòðèöû A îäíîçíà÷íî.Ñëåäñòâèå 3.1. Åñëè A - íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà ïîðÿäêà n

( 0≠A ), òîãäà ëþáàÿ ñòðîêà äëèíû n îäíîçíà÷íî ðàñêëàäûâà-

åòñÿ ïî ñòðîêàì ìàòðèöû A .

3.4. Ïðàâèëî Êðàìåðà

Ïðàâèëî Êðàìåðà ïîçâîëÿåò íàõîäèòü ðåøåíèå ñèñòåìû ëè-

íåéíûõ óðàâíåíèé ïðè nm = , ò.å. ñèñòåìû (3.8) åñëè 0≠A . Òà-

êèì îáðàçîì, äëÿ ïðèìåíåíèÿ ïðàâèëà Êðàìåðà íàäî ñíà÷àëàâû÷èñëèòü îïðåäåëèòåëü ñèñòåìû (3.8), åñëè îí íå ðàâåí íóëþ,ìû ìîæåì ïðîäîëæèòü âû÷èñëåíèå íåèçâåñòíûõ.

Page 61: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

61

Âûáåðåì ïðîèçâîëüíóþ íåèçâåñòíóþ, íàïðèìåð, jx è â ìàò-

ðèöå A çàìåíèì ñòîëáåö ja ñòîëáöîì ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ b . Îï-

ðåäåëèòåëü ïîëó÷åííîé ìàòðèöû áóäåò èìåòü âèä:

nn

nj

nnj

n

njj

njj

j

aabaa

aabaa

aabaa

......

.....................

......

......

111

221

221

21

111

111

11

+−

+−

+−

=∆(3.9)

èëè â êðàòêîé çàïèñè (ñì. (1.2)):

njjj aabaa ...... 111 +−=∆ .

Åñëè çíà÷åíèÿ nxxx ,...,, 21 ÿâëÿþòñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû (3.8),

òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 3.1 è ôîðìóëîé (3.7)

nnxxx aaab +++= ...2

21

1 . (3.7)

Ïîäñòàâëÿÿ (3.7) â (3.9) ïîëó÷èì:

njnn

jj

xx aaaaaa ......... 111

11 +− ++=∆ .

Èñïîëüçóÿ ñâîéñòâî 8, ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî ìîæíî çàïèñàòüòàê:

..........

............

.........

njnn

j

njjj

j

njjj

x

x

x

aaaaa

aaaaa

aaaaa

111

111

111

11

+−

+−

+−

+

++

+=∆

Âñå ñëàãàåìûå, êðîìå j -ãî èìåþò ïðîïîðöèîíàëüíûå ñòîë-

áöû è â ñîîòâåòñòâèè ñî ñâîéñòâîì 7 èõ îïðåäåëèòåëè ðàâíû íóëþè ïîñëåäíåå âûðàæåíèå ïðèìåò âèä:

.......

......

Axx

x

jnjjj

j

njjj

jj

⋅=⋅=

==∆

+−

+−

aaaaa

aaaaa

111

111

Page 62: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

62

Îòêóäà ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ ôîðìóëû Êðàìåðà:

Ax

jj ∆= , nj ,...,,21= . (3.10)

Ïðèìåð. Íàéòè ðåøåíèå ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ìåòîäîìÊðàìåðà.

.

,

,

22

132

0

=−+−=+−

=−+

zyx

zyx

zyx

Íàéä¸ì îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû êîýôôèöèåíòîâ:

3

121

132

111

−=−

−−

=A .

Òàê êàê â íàøåì ñëó÷àå ÷èñëî óðàâíåíèé ðàâíî ÷èñëó íåèç-âåñòíûõ è îïðåäåëèòåëü ñèñòåìû íå ðàâåí íóëþ, ìû ìîæåì äëÿíàõîæäåíèÿ íåèçâåñòíûõ âîñïîëüçîâàòüñÿ ôîðìóëàìè Êðàìåðà.

3

122

131

110

−=−

−−−

=∆x

, 13

3 =−−=∆=

Ax

x

.

6

121

112

101

−=−

−−

=∆y

, 23

6 =−−=∆=

Ay

y

.

9

221

132

011

−=−−=∆z

, 33

9 =−−=∆=

Az

z

.

Page 63: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

63

3.5. Òåîðåìà Êðîíåêåðà-Êàïåëëè

Ðàññìîòðèì ñíîâà ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíåíèé (3.1)

,...

.,........................................

,...

,...

mnmn

mm

nn

nn

bxaxaxa

bxaxaxa

bxaxaxa

=+++

=+++

=+++

22

11

22222

121

11212

111

(3.1)

êîòîðóþ ìîæíî ïåðåïèñàòü â âèäå

bx =A . (3.3)Ðàññìàòðèâàåìàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé çàäàíà ñâîé ðàñøèðåí-

íîé ìàòðèöåé

( )bAB = . (3.4)

Ïðîñòîå è ýôôåêòèâíîå óñëîâèå, íåîáõîäèìîå è äîñòàòî÷-íîå äëÿ ñîâìåñòíîñòè ñèñòåìû (3.1) äà¸òÒÅÎÐÅÌÀ 3.2. (Òåîðåìà Êðîíåêåðà-Êàïåëëè).

Ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñîâìåñòíà òîãäà è òîëüêî òîã-äà, êîãäà ðàíã ìàòðèöû A ñèñòåìû ðàâåí ðàíãó ðàñøèðåííîéìàòðèöû B :

rRgBRgA == . (3.11)Ðåøåíèå ñèñòåìû (3.1) ñóùåñòâóåò òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

ñòîëáåö ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ, â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 3.1,ðàñêëàäûâàåòñÿ â ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ ñòîëáöîâ ìàòðèöû A ñ

êîýôôèöèåíòàìè nxxx ,...,, 21 , à òîãäà â ñèëó òåîðåìû 1.3 ðàíã ðàñ-

øèðåííîé ìàòðèöû áóäåò ðàâåí ðàíãó ìàòðèöû ñèñòåìû.

Ïðè ýòîì âîçìîæíû äâà ñëó÷àÿ:1. nr = , ò.å. ÷èñëî íåèçâåñòíûõ ðàâíî ÷èñëó óðàâíåíèé è

0≠A .

Ñèñòåìà áóäåò ñîâìåñòíîé è îïðåäåë¸ííîé, ò.å. áóäåò èìåòüåäèíñòâåííîå ðåøåíèå, êîòîðîå ìîæíî íàéòè, íàïðèìåð, ñ ïîìî-ùüþ ôîðìóë Êðàìåðà.

Page 64: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

64

2. nr < , ò.å. ÷èñëî íåèçâåñòíûõ áîëüøå ÷èñëà óðàâíåíèé.Ñèñòåìà óðàâíåíèé áóäåò â ýòîì ñëó÷àå ñîâìåñòíîé íî íåî-

ïðåäåë¸ííîé, ò.å. áóäåò èìåòü áåñêîíå÷íî ìíîãî ðåøåíèé.

Åñëè RgARgB > - ñèñòåìà óðàâíåíèé áóäåò íåñîâìåñòíîé. ýòîì ñëó÷àå ñòîëáåö ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ íå ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîéêîìáèíàöèåé áàçèñíûõ ñòîëáöîâ ìàòðèöû A .

3.6. Îáùåå ïðàâèëî íàõîæäåíèÿ ðåøåíèé

Ïóñòü rRgARgB == , ò.å. ñèñòåìà (1.3) ñîâìåñòíàÿ. Ðàññìîò-ðèì ðàñøèðåííóþ ìàòðèöó (3.4)

=

mmn

mm

n

n

baaa

baaa

baaa

B

...

...............

...

...

21

2222

21

1112

11

. (3.4)

Òàê êàê ðàíã ðàñøèðåííîé ìàòðèöû B ðàâåí ðàíãó ìàòðè-öû A ñèñòåìû, ìû ìîæåì ñ÷èòàòü, ÷òî áàçèñíûé ìèíîð ìàòðèöû

A ÿâëÿåòñÿ è áàçèñíûì ìèíîðîì ìàòðèöû B .Ñ ïîìîùüþ ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñòðîê ìàòðèöû

B ïðèâåä¸ì å¸ ê âèäó (1.15):

′′′

′′′′′′

=

+

+

+

rrn

rr

nr

nr

baa

baa

baa

B

......

........................

......

......

1

2221

1111

100

010

001

. (3.12)

Ïîëó÷åííîé ðàñøèðåííîé ìàòðèöå áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòüýêâèâàëåíòíàÿ èñõîäíîé ñèñòåìà óðàâíåíèé:

Page 65: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

65

,...

.....,........................................

,...

,...

rrn

nrr

rr

nn

rr

nn

rr

baxaxx

baxaxx

baxaxx

′=′+++

′=′++′+

′=′++′+

++

++

++

11

2221

12

1111

11

êîòîðóþ ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê:

....

.....,........................................

,...

,...

221

1

221

122

111

111

nn

rrrr

nn

rr

nn

rr

axaxbx

axaxbx

axaxbx

′−−′−′=

′−−′−′=

′−−′−′=

++

++

++

(3.13)

 ëåâîé ÷àñòè (3.13) ñòîÿò íåèçâåñòíûå ñîîòâåòñòâóþùèåñòîëáöàì âûáðàííîãî íàìè áàçèñíîãî ìèíîðà (áàçèñíûõ ñòîëá-öîâ) - òàê íàçûâàåìûå áàçèñíûå íåèçâåñòíûå. Îñòàëüíûå íåèçâåñ-

òíûå nrr xxx ,...,, 21 ++ , ïåðåíåñ¸ííûå â ïðàâóþ ÷àñòü (3.13) ìû áó-

äåì íàçûâàòü ïàðàìåòðè÷åñêèìè. Ïàðàìåòðè÷åñêèì íåèçâåñòíûììû ìîæåì ïðèäàâàòü ïðîèçâîëüíûå çíà÷åíèÿ, ïîëó÷àÿ ïðè ýòîììíîæåñòâî ðåøåíèé ñèñòåìû (3.1).

Ïðèìåð. Ðåøèòü ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

.

,

,

,

6233

1542

83

7

54321

541

5321

54321

=−+++

=++

=+−−

=++++

xxxxx

xxx

xxxx

xxxxx

Ñîñòàâèì ðàñøèðåííóþ ìàòðèöó B è ñ ïîìîùüþ ýëåìåí-òàðíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ñòðîê óïðîñòèì å¸:

5 À.À. Êèðñàíîâ

Page 66: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

66

~~

−−−−−−−−

−−=

121220

121220

121220

711111

612331

1541002

830111

711111

B

~~~

−−

−−−

21121110

711111

000000

000000

121220

711111

.~

−− 21121110

215221001

Óïðîù¸ííàÿ ðàñøèðåííàÿ ìàòðèöà ýêâèâàëåíòíà ñèñòåìåóðàâíåíèé

.

,

5432

541

2

1

2

1

22

1

2

15

xxxx

xxx

+−−−=

−−=

Çäåñü 1x è 2x - áàçèñíûå ïåðåìåííûå, à 43 xx , è 5x - ëþáûå

÷èñëà.

3.7. Ïðèâåä¸ííàÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

Îïðåäåëåíèå 3.3. Îäíîðîäíàÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

Ox =A , (3.14)ïîëó÷åííàÿ èç íåîäíîðîäíîé ñèñòåìû (3.1)

bx =A (3.3)ïðèðàâíèâàíèåì íóëþ ñâîáîäíûõ ÷ëåíîâ, íàçûâàåòñÿ ïðèâåä¸í-íîé ñèñòåìîé ëèíåéíûõ óðàâíåíèé.

Page 67: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

67

Ïðåäëîæåíèå 3.5. Ïóñòü 0x - ðåøåíèå ñèñòåìû (3.1) ò.å. bx =0A .

Ñòîëáåö x òàêæå áóäåò å¸ ðåøåíèåì òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäàíàéä¸òñÿ òàêîå ðåøåíèå y ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìû (3.14), ÷òî

yxx += 0 . (3.15)

Ïóñòü x - ðåøåíèå ñèñòåìû (3.1), ò.å. bx =A . Ðàññìîòðèìðàçíîñòü

0xxy −= .

Äëÿ íå¸

( ) Obbxxxxy =−=−=−= 00 AAAA .

Îáðàòíî, ïóñòü y - ðåøåíèå ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìû (3.14) è

yxx += 0 ,

òîãäà

( ) bObyxyxx =+=+=+= AAAA 00 .

Ýòî ïðåäëîæåíèå ñâîäèò çàäà÷ó îïèñàíèÿ ìíîæåñòâà ðåøå-

íèé ñîâìåñòíîé íåîäíîðîäíîé ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé (3.1) êîïèñàíèþ ìíîæåñòâà ðåøåíèé å¸ ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìû (3.14).

Îäíîðîäíàÿ ñèñòåìà ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñîâìåñòíà âñåãäà.Ÿ ðåøåíèåì áóäåò, íàïðèìåð, íóëåâîé ñòîëáåö âûñîòû n . Òàêîåðåøåíèå ìû áóäåì íàçûâàòü òðèâèàëüíûì.

Ïóñòü ñòîëáöû ìàòðèöû A ñèñòåìû (3.1) ëèíåéíî íåçàâè-ñèìû, ò.å.

nRgA = .Òîãäà ïðèâåä¸ííàÿ ñèñòåìà (3.14) èìååò â ñèëó òåîðåìû 3.2

ï.1 åäèíñòâåííîå òðèâèàëüíîå ðåøåíèå è íåòðèâèàëüíûõ ðåøå-íèé íå èìååò.

Ïðåäëîæåíèå 3.6. Åñëè 1x è 2x - ðåøåíèÿ îäíîðîäíîé ñèñòåìû

ëèíåéíûõ óðàâíåíèé (3.14), òî ëþáàÿ èõ ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿòîæå ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû (3.14).

Ïóñòü 1x è 2x - ðåøåíèÿ îäíîðîäíîé ñèñòåìû ëèíåéíûõ

óðàâíåíèé (3.14), ò.å.

5*

Page 68: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

68

Ox =1A è Ox =2A .

Òîãäà, î÷åâèäíî, äëÿ ëþáûõ ÷èñåë α è β

( ) ( ) ( ) Oxxxxxx =β+α=β+α=β+α 212121 AAAAA .

Åñëè ñèñòåìà (3.14) èìååò íåòðèâèàëüíûå ðåøåíèÿ, òî èç âñå-ãî ìíîæåñòâà ðåøåíèé ìû ìîæåì âûáðàòü ëèíåéíî íåçàâèñèìûå

ðåøåíèÿ, òàêèå, ÷òî âñ¸ ðåøåíèÿ áóäóò ÿâëÿòüñÿ èõ ëèíåéíûìè

êîìáèíàöèÿìè.Îïðåäåëåíèå 3.4. Ìàòðèöà F , ñîñòîÿùàÿ èç ñòîëáöîâ âûñîòû n ,íàçûâàåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíîé ìàòðèöåé äëÿ îäíîðîäíîé ñèñòå-ìû (3.14) ñ ìàòðèöåé A ðàçìåðîâ nm × , åñëè:

1. O=⋅ FA .2. Ñòîëáöû ìàòðèöû F ëèíåéíî íåçàâèñèìû.3. Ðàíã ìàòðèöû F ìàêñèìàëåí ñðåäè ðàíãîâ ìàòðèö, óäîâ-

ëåòâîðÿþùèõ óñëîâèþ 1.Åñëè ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìàòðèöà F ñóùåñòâóåò, òî êàæäûé

å¸ ñòîëáåö â ñèëó óñëîâèÿ 1 åñòü ðåøåíèå ñèñòåìû (3.14).Ñòîëáöû ôóíäàìåíòàëüíîé ìàòðèöû F íàçûâàþòñÿ ôóíäà-

ìåíòàëüíîé ñèñòåìîé ðåøåíèé. Åñëè ñèñòåìà (3.14) íå èìååò íå-

òðèâèàëüíûõ ðåøåíèé, òî ôóíäàìåíòàëüíîé ìàòðèöû íåò, åñëè

åñòü íåòðèâèàëüíûå ðåøåíèÿ, ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìàòðèöà ñóùå-

ñòâóåò.Ñîãëàñíî ïðåäëîæåíèþ 3.1 ðåøåíèå îäíîðîäíîé ñèñòåìû

(3.14) ñîñòîèò èç êîýôôèöèåíòîâ ðàâíîé íóëþ ëèíåéíîé êîìáè-íàöèè ñòîëáöîâ ìàòðèöû A ñèñòåìû.  äàííîé ñèòóàöèè ðàñøè-ðåííàÿ ìàòðèöà B ñîâïàäàåò ñ ìàòðèöåé A ñèñòåìû, òàê êàêñâîáîäíûå ÷ëåíû âñå ðàâíû íóëþ. Ïîñëå ýëåìåíòàðíûõ ïðåîáðà-çîâàíèé ñòðîê ìàòðèöà A ìîæåò áûòü ïðèâåäåíà ê âèäó:

′′

′′′′

==

+

+

+

rn

rr

nr

nr

aa

aa

aa

AB

......

.....................

......

......

1

221

111

100

010

001

. (3.16)

Page 69: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

69

Êàæäûé íåáàçèñíûé ñòîëáåö nrr aaa ′′′ ++ ,...,, 21 ðàñêëàäûâàåò-

ñÿ ïî r áàçèñíûì ñòîëáöàì (ñòîëáöàì åäèíè÷íîé ìàòðèöû ïî-ðÿäêà r ):

rrjjjj eeea α++α+α=′ ...2

21

1 , (3.17)

ãäå ie - ñòîëáöû åäèíè÷íîé ìàòðèöû ïîðÿäêà r .

Ïåðåïèøåì (3.17) â âèäå:

Oaaaaa

eee

=′⋅++′⋅+′+′⋅++′⋅+

+α−−α−α−

+−+ njjjr

rrjjj

0000 111

22

11

......

....

Êîýôôèöèåíòû ïîñëåäíåãî ðàâåíñòâà îáðàçóþò ñòîëáåö

( )Trjjj 0010021 ........ α−α−α− (3.18)

ÿâëÿþùèéñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû (3.14). (Åäèíèöà ñòîèò íà j -ììåñòå.)

Ìû ìîæåì ñîñòàâèòü, î÷åâèäíî, ñòîëüêî òàêèõ ðåøåíèé -

ñêîëüêî ó íàñ åñòü íåáàçèñíûõ ñòîëáöîâ, ò.å. rn − .

Ïîêàæåì, ÷òî âñå rn − ñòîëáöîâ (3.18) ëèíåéíî íåçàâèñè-ìû, äëÿ ÷åãî ñîñòàâèì èç íèõ ìàòðèöó

α−α−α−

α−α−α−

=++

++

100

010

00121

112

11

...

............

...

...

...

............

...

rn

rr

rr

nrr

F

. (3.19)

Òàê êàê â ïîëó÷åííîé ìàòðèöå ñîäåðæèòñÿ åäèíè÷íàÿ ìàò-ðèöà ïîðÿäêà rn − ðàíã ìàòðèöû F ðàâåí ÷èñëó ñòîëáöîâ, àçíà÷èò îíè ëèíåéíî íåçàâèñèìû.

Page 70: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

70

Ïðåäëîæåíèå 3.7. Åñëè ðàíã ìàòðèöû îäíîðîäíîé ñèñòåìû ëè-íåéíûõ óðàâíåíèé r ìåíüøå ÷èñëà íåèçâåñòíûõ n , òî ñèñòåìàèìååò ôóíäàìåíòàëüíóþ ìàòðèöó èç rn − ñòîëáöîâ.

Òàê êàê ñòîëáöû ìàòðèöû (3.19) ÿâëÿþòñÿ ðåøåíèÿìè îäíî-ðîäíîé ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé (3.14) è ÿâëÿþòñÿ ëèíåéíîíåçàâèñèìûìè, îíè, î÷åâèäíî, óäîâëåòâîðÿþò óñëîâèÿì 1 è 2îïðåäåëåíèÿ 3.4. Ïîêàæåì, ÷òî óäîâëåòâîðåíî è óñëîâèå 3.

Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà âîçüì¸ì ìàòðèöó (3.16) è äîïîëíèì å¸íà îñíîâàíèè òåîðåìû 1.5 rn − ëèíåéíî íåçàâèñèìûìè ñòðîêà-ìè äî êâàäðàòíîé íåâûðîæäåííîé ìàòðèöû D ïîðÿäêà n .

′′

′′′′

= +

+

+

10000

01000

100

010

001

1

221

111

......

.....................

......

......

.....................

......

......

rn

rr

nr

nr

aa

aa

aa

D

.

Ïóñòü òåïåðü F - ïðîèçâîëüíàÿ ìàòðèöà óäîâëåòâîðÿþùàÿóñëîâèþ 1, ò.å. O=AF , òîãäà ïåðâûå r ñòðîê ìàòðèöû DF áó-

äóò íóëåâûìè ñòðîêàìè, òàê êàê ïåðâûå r ñòðîê ìàòðèöû D ÿâ-ëÿþòñÿ ñòðîêàìè ìàòðèöû A è ïðîèçâåäåíèå ëþáîé ñòðîêè ìàò-ðèöû A íà F - åñòü íóëåâàÿ ñòðîêà. Ýòî çíà÷èò, ÷òî

rnRgDF −≤ ,

à òàê êàê DF - íåâûðîæäåííàÿ ìàòðèöà, òî â ñèëó òåîðåìû 1.7

rnRgDF −= .Ýòèì ñàìûì ìû ïîêàçàëè, ÷òî ìàòðèöà (3.19) íåîáîñíîâàí-

íî îáîçíà÷åííàÿ íàìè êàê F íà ñàìîì äåëå è åñòü ôóíäàìåíòàëü-íàÿ ìàòðèöà.

Ñèñòåìó ñòîëáöîâ ìàòðèöû (3.19) áóäåì íàçûâàòü íîðìàëü-íîé ôóíäàìåíòàëüíîé ñèñòåìîé ðåøåíèé.

Page 71: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

71

Âûáèðàÿ äðóãèå áàçèñíûå ñòîëáöû ìû áóäåì ïîëó÷àòü èäðóãèå ôóíäàìåíòàëüíûå ðåøåíèÿ, îäíàêî ÷èñëî èõ âñåãäà áóäåò

rn − .

Ïóñòü F - ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìàòðèöà ñèñòåìû Ox =A . Ðàñ-ñìîòðèì ïðîèçâîëüíûé ñòîëáåö c âûñîòû rn − . Ñîñòàâèì ïðî-èçâåäåíèå cF :

( ) ( ) 11 ××−−× =⋅ nrnrnnF xc .

Åñëè ïîëîæèòü

Oc =AF ,

òîãäà xc =F åñòü ðåøåíèå ñèñòåìû Ox =A , òàê êàê cF åñòü íå÷òî èíîå êàê ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ ñòîëáöîâ ìàòðèöû F ñ êîýô-ôèöèåíòàìè èç c .

Ïðåäëîæåíèå 3.8. Ñòîëáåö x ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû Ox =A

òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà ñóùåñòâóåò òàêîé ñòîëáåö c , ÷òî

cx F= .

Ïóñòü x - ðåøåíèå ñèñòåìû, ò.å. Ox =A . Ñîñòàâèì ðàñøè-

ðåííóþ ìàòðèöó ( )xFF =′ . Òàê êàê êàæäûé ñòîëáåö ìàòðèöû

F ′ ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû, ìû ìîæåì çàïèñàòü O=′FA . Ýòî

çíà÷èò, ÷òî rnFRg −=′ . Òîãäà ïî òåîðåìå Êðîíåêåðà-Êàïåëëè

äîëæåí ñóùåñòâîâàòü ñòîëáåö c , äëÿ êîòîðîãî xc =F .

3.8. Îáùåå ðåøåíèå ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

ÒÅÎÐÅÌÀ 3.3. Åñëè 0x - íåêîòîðîå ÷àñòíîå ðåøåíèå ñèñòåìû

(3.1), à F - ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìàòðèöà å¸ ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìû(3.14), òî ñòîëáåö

cxx F+= 0 (3.20)

ïðè ëþáîì c ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñèñòåìû (3.1).Âûðàæåíèå, ñòîÿùåå â ïðàâîé ÷àñòè ôîðìóëû (3.20) íàçûâà-

þò îáùèì ðåøåíèåì ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé.

Page 72: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

72

Åñëè ( )rnF −= fff ...21 , à ( )Trnccc −= ...21c , òî (3.20)

ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê:

rnrnccc −

−++++= fffxx ...22

11

0 . (3.21)

Page 73: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

73

4. Âåêòîðíàÿ àëãåáðà

4.1. Îïðåäåëåíèå âåêòîðà è ëèíåéíûå îïåðàöèèíàä âåêòîðàìè

Ïàðó òî÷åê A è B áóäåì íàçûâàòü óïîðÿäî÷åííîé, åñëè èçâå-ñòíî êàêàÿ èç íèõ ïåðâàÿ, à êàêàÿ - âòîðàÿ.Îïðåäåëåíèå 4.1. Îòðåçîê, êîíöû êîòîðîãî óïîðÿäî÷åíû, íàçûâà-åòñÿ íàïðàâëåííûì îòðåçêîì èëè âåêòîðîì. Ïåðâûé èç åãî êîí-öîâ íàçûâàåòñÿ íà÷àëîì âåêòîðà, âòîðîé - êîíöîì âåêòîðà.

Íà ÷åðòåæå âåêòîð èçîáðàæàåòñÿ ñòðåëî÷êîé (ðèñ. 4.1).Èç îïðåäåëåíèÿ 4.1 ñëåäóåò, ÷òî âåêòîð-

íûå âåëè÷èíû äàþò íàì íîâûé ìàòåìàòè÷åñ-êèé îáúåêò, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåòñÿ ÷èñëî-âîé ìåðîé (ñêàëÿðîì) è íàïðàâëåíèåì.  âåê-òîðíîé àëãåáðå ñêàëÿðû è âåêòîðû áóäåì ðàñ-ñìàòðèâàòü êàê îñîáîãî ðîäà àëãåáðàè÷åñêèåâåëè÷èíû, íàä êîòîðûìè ìû ìîæåì ïðîèçâî-

äèòü àëãåáðàè÷åñêèå îïåðàöèè.Ýòè îïåðàöèè îòðàæàþò õàðàêòåðíûå çàâèñèìîñòè, ñóùå-

ñòâóþùèå ìåæäó ñêàëÿðíûìè è âåêòîðíûìè âåëè÷èíàìè â ãåî-ìåòðèè è ôèçèêå. Èçó÷åíèå ýòèõ îïåðàöèé è ñîñòàâëÿåò ïðåäìåòâåêòîðíîé àëãåáðû.

Óñëîâèìñÿ â äàëüíåéøåì îáîçíà÷àòü ñêàëÿðû áóêâàìè èöèôðàìè:

... 1.75; ; ; âácba ;;;Âåêòîðû, â îòëè÷èå îò ñêàëÿðîâ, áóäåì îáîçíà÷àòü áóêâàìè

ïîëóæèðíîãî øðèôòà èëè ïèñàòü ñòðåëî÷êó íàä áóêîé:

... AB;; ; ; ;;;;; kjifrrrrr

ωRbaÎïðåäåëåíèå 4.2. Îòðåçîê, êîíöû êîòîðîãî ñîâïàäàþò, áóäåì íà-

çûâàòü íóëåâûì âåêòîðîì è îáîçíà÷àòü êàê O . Íàïðàâëåíèå íó-ëåâîãî âåêòîðà áóäåì ñ÷èòàòü íåîïðåäåë¸ííûì.

 âåêòîðíîé àëãåáðå âûáèðàåòñÿ îïðåäåë¸ííàÿ åäèíèöà èç-ìåðåíèÿ äëèí âñåõ âåêòîðîâ íåçàâèñèìî îò èõ íàïðàâëåíèé. Ïî-

ar

A

B

Ðèñ. 4.1.

Page 74: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

74

ýòîìó äëèíà êàæäîãî íåíóëåâîãî âåêòîðà âûðàæàåòñÿ âïîëíåîïðåäåëåííûì ïîëîæèòåëüíûì ÷èñëîì, êîòîðîå ìû áóäåì íàçû-âàòü äëèíîé âåêòîðà èëè åãî ìîäóëåì.Îïðåäåëåíèå 4.3. Ìîäóëåì âåêòîðà íàçûâàåòñÿ åãî äëèíà ïðè óñ-ëîâèè, ÷òî âûáðàíà îïðåäåë¸ííàÿ åäèíèöà èçìåðåíèÿ äëèí.

Ìîäóëü âåêòîðà îáîçíà÷àåòñÿ òîé æå áóêâîé, ïîñòàâëåííîéìåæäó äâóìÿ äâîéíûìè âåðòèêàëüíûìè ÷¸ðòî÷êàìè èëè òîé æåáóêâîé ïðîñòîãî øðèôòà:

ABAB = ; a=a .

Âåêòîðû AB è BA èìåþò îäèí è òîò æå ìîäóëü, êîòîðûéìû è îáîçíà÷àåì êàê ñîîòâåòñòâóþùèé íåíàïðàâëåííûé îòðåçîê

AB èëè BA.

Îïðåäåëåíèå 4.4. Äâà âåêòîðà ar

è br

ðàâíû, åñëè îíè ïàðàëëåëü-íû íåêîòîðîé ïðÿìîé (êîëëèíåàðíû), îäèíàêîâî íàïðàâëåíû è

bar

r

= .

Íàä âåêòîðàìè, êàê àëãåáðàè÷åñêèìè îáúåêòàìè, ìîæíî óñ-òàíîâèòü ëèíåéíûå îïåðàöèè. Ïîä ëèíåéíûìè îïåðàöèÿìè íàä âåê-òîðàìè áóäåì ïîíèìàòü îïåðàöèè ñëîæåíèÿ âåêòîðîâ è óìíîæå-íèÿ âåêòîðà íà ÷èñëî.

Îïðåäåëåíèå 4.5. Ïóñòü íàì äàíû äâà âåêòîðà ar

è br

. Ïîñòðîèì

ðàâíûå èì âåêòîðû AB è BC . Òîãäà âåêòîð AC (ðèñ.4.2) áóäåòèõ ñóììîé, ò.å.

ACBCAB =+ èëè cbar

rr =+ . (4.1)

Ðèñ. 4.2.

ar

br

A

B

C

Page 75: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

75

Îïðåäåëåíèå 4.6. Ïðîèçâåäåíèåì âåêòîðà ar íà âåùåñòâåííîå ÷èñ-

ëî R∈λ , íàçûâàåòñÿ âåêòîð br

, óäîâëåòâîðÿþùèé ñëåäóþùèìóñëîâèÿì:

à) abr

r

⋅λ= ;

á) âåêòîðû ar

è br

êîëëèíåàðíû (ïàðàëëåëüíû íåêîòîðîéïðÿìîé);

â) ar è b

r

íàïðàâëåíû îäèíàêîâî, åñëè 0>λ , ïðîòèâîïîëîæ-

íî, åñëè 0<λ è åñëè 0=λ , òî O=br

.

Ñâîéñòâà ëèíåéíûõ îïåðàöèé íàä âåêòîðàìè.

Ïðåäëîæåíèå 4.1. Äëÿ ëþáûõ âåêòîðîâ ar , b

r

è cr èç íåêîòîðîãî

ìíîæåñòâà L è ëþáûõ ÷èñåë α è β èç ïîëÿ Ko1 . abba

rrr

r +=+ .

o2 . ( ) ( )cbacbar

rrr

rr ++=++ .

o3 . aarr

=+ O .

o4 . Âåêòîð ( )ar1− - ïðîòèâîïîëîæåí âåêòîðó ar

è îáîçíà÷à-

åòñÿ êàê ar− (ðèñ. 4.3).

( ) O=−=⋅−+ aaaarrrr

1 .

o5 . ( ) ( )aarr βα=αβ .

o6 . ( ) aaarrr β+α=β+α .

o7 . ( ) babar

rr

r α+α=+α .

o8 . aarr

=⋅1 .

Îïðåäåëåíèå 4.7. Ðàçíîñòüþ äâóõ âåêòîðîâ ar

è br

íàçûâàåòñÿ

(ðèñ.4.4) ñóììà âåêòîðîâ ( )bar

r −+ .

Åñëè axbrr

r

=+ , òî baxr

rr −= .

ar

ar

Ðèñ. 4.3.

ar

br

baxr

rr −=

Ðèñ. 4.4.

Page 76: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

76

Ïðåäëîæåíèå 4.2. Åñëè O≠ar

, òî ëþáîé âåêòîð br

êîëëèíåàðíûé

âåêòîðó ar

, ïðåäñòàâèì â âèäå:

aa

bb

r

r

r

r

±= . (4.2)

çíàê (+) áåð¸òñÿ åñëè âåêòîðû ar

è br

íàïðàâëåíû îäèíàêîâî, à

çíàê (-) - åñëè âåêòîðû ar

è br

íàïðàâëåíû ïðîòèâîïîëîæíî.Îáîçíà÷èâ

λ=a

br

r

,

(4.2) ìîæíî çàïèñàòü òàê:

abr

r

λ±= . (4.3)

Ñ ïîìîùüþ ëèíåéíûõ îïåðàöèé ìîæíî ñîñòàâèòü ëèíåéíóþêîìáèíàöèþ âåêòîðîâ ïðèíàäëåæàùèõ íåêîòîðîìó ìíîæåñòâó L :

kkaaarrr α++α+α ...2211 ,

ãäå K∈ααα k,...,, 21 êîýôôèöèåíòû.

Ïðåäëîæåíèå 4.1 äà¸ò íàì ïîëíûé íàáîð ñâîéñòâ ïîçâîëÿþ-ùèõ ïðîèçâîäèòü ëþáûå âû÷èñëåíèÿ â ëèíåéíûõ êîìáèíàöèÿõâåêòîðîâ.

Ïðåäëîæåíèå 4.3. Åñëè âñå âåêòîðû kaaarrr

,...,, 21 êîëëèíåàðíû (ïà-

ðàëëåëüíû íåêîòîðîé ïðÿìîé), òî ëþáàÿ èõ ëèíåéíàÿ êîìáèíà-

öèÿ èì êîëëèíåàðíà, à åñëè âåêòîðû kaaarrr

,...,, 21 êîìïëàíàðíû (ëå-

æàò â îäíîé ïëîñêîñòè), òî ëþáàÿ èõ ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ èìêîìïëàíàðíà.Îïðåäåëåíèå 4.8. Ìíîæåñòâî ýëåìåíòîâ áóäåì ñ÷èòàòü çàìêíóòûìîòíîñèòåëüíî íåêîòîðîé îïåðàöèè, åñëè äëÿ ëþáûõ ýëåìåíòîâýòîãî ìíîæåñòâà ðåçóëüòàò ïðèìåíåíèÿ äàííîé îïåðàöèè ñíîâà

ïðèíàäëåæèò ýòîìó ìíîæåñòâó, ò.å., åñëè L∈bar

r

, , òî è L∈+ bar

r .

Page 77: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

77

Îïðåäåëåíèå 4.9. Ìíîæåñòâî L , çàìêíóòîå îòíîñèòåëüíî ëèíåé-

íûõ îïåðàöèé, ñ ó÷¸òîì àêñèîì oo 81 ÷ , íàçûâàåòñÿ âåêòîðíûìïðîñòðàíñòâîì.

Åñëè îäíî âåêòîðíîå ïðîñòðàíñòâî ÿâëÿåòñÿ ïîäìíîæåñòâîìäðóãîãî, òî îíî íàçûâàåòñÿ åãî ïîäïðîñòðàíñòâîì.Ïðèìåð. Ìíîæåñòâî âåêòîðîâ, êîëëèíåàðíûõ äàííîé ïðÿìîé (îä-

íîìåðíîå ïðîñòðàíñòâî 1L ) è ìíîæåñòâî âåêòîðîâ êîìïëàíàðíûõ

äàííîé ïëîñêîñòè (äâóìåðíîå ïðîñòðàíñòâî 2L ) ÿâëÿþòñÿ ïðè-

ìåðàìè âåêòîðíûõ ïðîñòðàíñòâ, ÿâëÿþùèõñÿ ïîäïðîñòðàíñòâà-

ìè òðåõìåðíîãî ïðîñòðàíñòâà 3L . Ââåä¸ì â ðàññìîòðåíèå íóëü-

ìåðíîå ïðîñòðàíñòâî 0L , ñîñòîÿùåå èç îäíîãî íóëåâîãî âåêòîðà

O , òîãäà

3210 LLLL ⊂⊂⊂ .

4.2. Ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü âåêòîðîâ.

Áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî âåêòîð br

ðàñêëàäûâàåòñÿ â ëèíåéíóþ

êîìáèíàöèþ âåêòîðîâ kaaarrr

,...,, 21 , åñëè åãî ìîæíî ïðåäñòàâèòü â

âèäå ëèíåéíîé êîìáèíàöèè

kkaaabrrr

r

α++α+α= ...2211 . (4.3)

Íóëåâîé âåêòîð ðàñêëàäûâàåòñÿ î÷åâèäíî ïî ëþáîé ñèñòåìåâåêòîðîâ. Ìû ïîëó÷èì íóëåâîé âåêòîð O , åñëè â (4.3) ïîëîæèì

âñå 0=αi . Òàêàÿ ëèíåéíàÿ êîìáèíàöèÿ íàçûâàåòñÿ òðèâèàëüíîé.

Îïðåäåëåíèå 4.10. Ñèñòåìó âåêòîðîâ kaaarrr

,...,, 21 áóäåì íàçûâàòü

ëèíåéíî íåçàâèñèìîé åñëè íóëåâîé âåêòîð ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî íåéåäèíñòâåííûì ñïîñîáîì - òðèâèàëüíûì, ò.å.

O=α++α+α kkaaarrr

...2211 (4.4)

ïðè

0...21 =α==α=α k .

Page 78: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

78

Ñèñòåìà âåêòîðîâ kaaarrr

,...,, 21 ëèíåéíî çàâèñèìà åñëè (4.4) ïî-ëó÷àåòñÿ èç íå¸ íå åäèíñòâåííûì ñïîñîáîì, ò.å. åñëè õîòÿ áû îäèí

èç iα îòëè÷àåòñÿ îò íóëÿ èëè 0... 222

21 ≠α++α+α k .

Ñâîéñòâà ëèíåéíî-çàâèñèìûõ è ëèíåéíî-íåçàâèñèìûõ âåêòîðîâ.1. Åñëè ñðåäè âåêòîðîâ kaaa

rrr

,...,, 21 åñòü íóëåâîé âåêòîð, òîâñÿ ýòà ñèñòåìà âåêòîðîâ ëèíåéíî çàâèñèìà.

2. Ñèñòåìà, ñîäåðæàùàÿ îäèí âåêòîð ëèíåéíî çàâèñèìà, åñëèýòî âåêòîð íóëåâîé.

3. Åñëè ñèñòåìà âåêòîðîâ ëèíåéíî çàâèñèìà, òî ëèíåéíî çà-âèñèìà è ëþáàÿ å¸ ÷àñòü.

4. Ëþáàÿ ÷àñòü ëèíåéíî íåçàâèñèìîé ñèñòåìû âåêòîðîâ -ëèíåéíî íåçàâèñèìà.

Ïðåäëîæåíèå 4.4. Ïóñòü kaaarrr

,...,, 21 ëèíåéíî íåçàâèñèìàÿ ñèñòåìà

âåêòîðîâ. Åñëè kkaaaxrrrr α++α+α= ...2211 , òî ýòî ðàçëîæåíèå åäèí-

ñòâåííî.

Ïóñòü kkaaaxrrrr β++β+β= ...2211 äðóãîå ðàçëîæåíèå, òîãäà

( ) ( ) ( ) O=β−α++β−α+β−α=− kkk aaaxxrrrrr

...222111 .

Òàê êàê ñèñòåìà âåêòîðîâ kaaarrr

,...,, 21 ëèíåéíî íåçàâèñèìà ïî

îïðåäåëåíèþ, ìû äîëæíû ïîëîæèòü

0...2211 =β−α==β−α=β−α kk èëè ii β=α ,

÷òî äîêàçûâàåò åäèíñòâåííîñòü ðàçëîæåíèÿ.Ïðåäëîæåíèå 4.5. Ñèñòåìà èç 1>k âåêòîðîâ ëèíåéíî çàâèñèìàòîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà îäèí èç âåêòîðîâ ðàñêëàäûâàåòñÿ ïîîñòàëüíûì âåêòîðàì.

Ïóñòü kaaarrr

,...,, 21 ëèíåéíî çàâèñèìàÿ ñèñòåìà âåêòîðîâ, òîãäà

O=α++α+α kkaaarrr

...2211

è îäèí èç êîýôôèöèåíòîâ îòëè÷åí îò íóëÿ. Ïóñòü ýòî áóäåò, íà-

ïðèìåð, 1α , òîãäà

kk aaa1

21

21 ...

αα−−

αα−=

rr

.

Page 79: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

79

Ãåîìåòðè÷åñêèé ñìûñë ëèíåéíîé çàâèñèìîñòè.

ÒÅÎÐÅÌÀ 4.1.1. Ñèñòåìà èç îäíîãî âåêòîðà ëèíåéíî çàâèñèìà åñëè îí íó-

ëåâîé.2. Ñèñòåìà èç äâóõ âåêòîðîâ ëèíåéíî çàâèñèìà åñëè ýòè âåê-

òîðû êîëëèíåàðíû.3. Ñèñòåìà èç òð¸õ âåêòîðîâ ëèíåéíî çàâèñèìà òîãäà è òîëü-

êî òîãäà, êîãäà ýòè âåêòîðû êîìïëàíàðíû.

4.3. Áàçèñ.

Îïðåäåëåíèå 4.11. Áàçèñîì â âåêòîðíîì ïðîñòðàíñòâå L íàçûâàåò-ñÿ óïîðÿäî÷åííàÿ ëèíåéíî íåçàâèñèìàÿ ñèñòåìà âåêòîðîâ, òàêàÿ, ÷òîëþáîé âåêòîð ýòîãî ïðîñòðàíñòâà ïî íåé ðàñêëàäûâàåòñÿ.

Èç òåîðåìû 4.1 ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî:1. Â íóëåâîì ïðîñòðàíñòâå áàçèñà íåò.2. Â îäíîìåðíîì ïðîñòðàíñòâå (ïðÿìàÿ ëèíèÿ) áàçèñ ñîñòî-

èò èç îäíîãî íåíóëåâîãî âåêòîðà.3. Â äâóõìåðíîì ïðîñòðàíñòâå (ïëîñêîñòü) áàçèñ ñîñòîèò èç

äâóõ óïîðÿäî÷åííûõ íåêîëëèíåàðíûõ âåêòîðîâ.4.  òð¸õìåðíîì ïðîñòðàíñòâå áàçèñ ñîñòîèò èç òð¸õ óïîðÿ-

äî÷åííûõ íåêîìïëàíàðíûõ âåêòîðîâ.Ñìûñë óïîðÿäî÷åííîñòè çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî, íàïðèìåð,

bar

r

, è abr

r

, ðàçíûå áàçèñû.

Òàê êàê âåêòîðû áàçèñà ëèíåéíî íåçàâèñèìû, òî êîýôôèöè-åíòû ðàçëîæåíèÿ âåêòîðà ïî áàçèñó â ñèëó ïðåäëîæåíèÿ 4.4 îä-íîçíà÷íû. Ýòè êîýôôèöèåíòû íàçûâàþò êîìïîíåíòàìè èëè êî-îðäèíàòàìè âåêòîðà â äàííîì áàçèñå.

Ïðèìåð. Ïóñòü 321 ,, eeerrr

- áàçèñ â ïðîñòðàíñòâå 3L . Òîãäà âåêòîð

3L∈ar

ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ áàçèñíûõ

âåêòîðîâ:

Page 80: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

80

332211 eeearrrr

α+α+α= .

×èñëà 321 ,, ααα è åñòü êîýôôèöèåíòû ðàçëîæåíèÿ âåêòîðà

ar

ïî áàçèñó 321 ,, eeerrr

, è ýòî ðàçëîæåíèå åäèíñòâåííî. Òåïåðü âåê-

òîð ar ïðè çàäàííîì áàçèñå 321 ,, eee

rrr

ìîæíî çàïèñàòü êàê

( )321 ,, αααar

. Èç êîýôôèöèåíòîâ ðàçëîæåíèÿ âåêòîðà ar ïî äàí-

íîìó áàçèñó ìû ìîæåì ñîñòàâèòü ñòðîêó ( )321 ααα èëè ñòîëáåö

( )T321 ααα . Òàêèì îáðàçîì ìû ìîæåì óñòàíîâèòü âçàèìíî

îäíîçíà÷íîå ñîîòâåòñòâèå ìåæäó âåêòîðàìè è ìàòðèöàìè ñîñòî-ÿùèìè èç ñòðîê (ñòîëáöîâ) ñîîòâåòñòâóþùåé äëèíû è ëèíåéíûåêîìáèíàöèè âåêòîðîâ ìû òåïåðü ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê ëè-íåéíûå êîìáèíàöèè ñòðîê (ñòîëáöîâ) èçó÷åííûå íàìè ðàíåå.

Ïðåäëîæåíèå 4.6. Ïðè óìíîæåíèè âåêòîðà íà ÷èñëî, âñå åãîêîîðäèíàòû óìíîæàþòñÿ íà ýòî ÷èñëî, à ïðè ñëîæåíèè âåêòîðîâñêëàäûâàþòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèå êîîðäèíàòû.

Ýòî ÿâëÿåòñÿ ïðÿìûì ñëåäñòâèåì ïðåäñòàâëåíèÿ âåêòîðîâ ââèäå ñòðîê (ñòîëáöîâ) ñîîòâåòñòâóþùåé äëèíû.

4.4. Ñèñòåìû êîîðäèíàò

4.4.1. Äåêàðòîâà (àôôèííàÿ) ñèñòåìà êîîðäèíàò

Çàôèêñèðóåì â ïðîñòðàíñòâå 3L òî÷êó O è ðàññìîòðèì ïðî-

èçâîëüíóþ òî÷êó M.

Îïðåäåëåíèå 4.12. Ðàäèóñ-âåêòîðîì òî÷êè M ïî îòíîøåíèþ ê òî÷-

êå O íàçûâàåòñÿ âåêòîð OMr =r

.

Åñëè â ïðîñòðàíñòâå 3L âûáðàí áàçèñ 321 ,, eeerrr

, òî òî÷êå M

ìîæåò áûòü ñîïîñòàâëåíà óïîðÿäî÷åííàÿ òðîéêà ÷èñåë 321 ,, ααα

- êîìïîíåíòû ðàäèóñ-âåêòîðà OMr =r .

Page 81: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

81

Îïðåäåëåíèå 4.13. Äåêàðòîâîé (àôôèííîé) ñèñòåìîé êîîðäèíàò âïðîñòðàíñòâå íàçûâàåòñÿ ñîâîêóïíîñòü òî÷êè O è áàçèñà

321 ,, eeerrr

.Òî÷êà O íîñèò íàçâàíèå íà÷àëà êîîðäèíàò. Ïðÿìûå, ïðî-

õîäÿùèå ÷åðåç íà÷àëî êîîðäèíàò â íàïðàâëåíèè áàçèñíûõ âåêòî-ðîâ íàçûâàþòñÿ îñÿìè êîîðäèíàò. Îñü, ñîîòâåòñòâóþùàÿ áàçèñ-

íîìó âåêòîðó 1er

íàçûâàåòñÿ îñüþ àáñöèññ, 2er

- îñüþ îðäèíàò, 3er

-

îñüþ àïïëèêàò. Ïëîñêîñòè, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç îñè êîîðäèíàò,íàçûâàþòñÿ êîîðäèíàòíûìè ïëîñêîñòÿìè.Îïðåäåëåíèå 4.14. Ïóñòü äàíà äåêàðòîâà ñèñòåìà êîîðäèíàò

321 ,,, eeerrr

O . Êîìïîíåíòû ðàäèóñ-âåêòîðà

OMr =r

òî÷êè M íàçûâàþòñÿ êîîðäèíàòà-

ìè òî÷êè M â äàííîé ñèñòåìå êîîðäèíàò(ðèñ.4.5) è îáîçíà÷àþòñÿ êàê zyx ,, :

321 ezeyexrOMrrrr ++== .

Çäåñü x- àáñöèññà, y - îðäèíàòà, à z-

àïïëèêàòà. Êîîðäèíàòû òî÷êè M ìû áó-

äåì îáîçíà÷àòü êàê ( )zyxM ,, .

Ðàññìîòðèì (ðèñ.4.6) äâå òî÷êè

( )1111 ,, zyxM è ( )2222 ,, zyxM â äåêàðòîâîé

ñèñòåìå êîîðäèíàò 321 ,,, eeerrr

O , è íàéä¸ì

êîìïîíåíòû âåêòîðà 21MM .

2211 OMMMOM =+èëè

1221 OMOMMM −= .

 ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëîæåíèåì 4.6ìû ìîæåì çàïèñàòü:

( )12121221 ,, zzyyxxMM −−− . (4.5)

M

O1er

2er

3er

x y

z

1M

rr

Ðèñ. 4.5.

Ðèñ. 4.6.

1M

2M

1er 2e

r

3er

O

1rr

2rr

12 rrrr

6 À.À. Êèðñàíîâ

Page 82: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

82

Ïðåäëîæåíèå 4.7. ×òîáû íàéòè êîîðäèíàòû âåêòîðà íàäî èç êî-îðäèíàò åãî êîíöà âû÷åñòü êîîðäèíàòû åãî íà÷àëà.

4.4.2. Äåëåíèå îòðåçêà â äàííîì îòíîøåíèè.

Íàéä¸ì êîîðäèíàòû òî÷êè M êîòîðàÿ (ðèñ.4.7) äåëèò îòðå-

çîê AB â îòíîøåíèè µλ , ò.å.

µλ=

MB

AM, 0>λ , 0>µ . (4.6)

Òàê êàê 0>λ è 0>µ , âåêòîðû AM è MB íàïðàâëåíû â îäíó

ñòîðîíó è ìû ìîæåì (4.6) ïåðåïèñàòü òàê:

MBAM λ=µ . (4.7)

Ïóñòü ( )111 ,, zyxA è ( )222 ,, zyxB êîîðäèíàòû êîíöîâ îòðåçêà

AB, à ( )zyxM ,, êîîðäèíàòû òî÷êè M

â áàçèñå 321 ,,, eeeOrrr

. Èñïîëüçóÿ ôîðìóëó

(4.5) ðàçëîæèì ðàâåíñòâî (4.7) ïî áàçè-

ñó 321 ,,, eeeOrrr

:

( ) ( )xxxx −λ=−µ 21 ,

( ) ( )yyyy −λ=−µ 21 , (4.8)

( ) ( )zzzz −λ=−µ 21 .

Ó÷èòûâàÿ, ÷òî 0≠µ+λ ïðèâåä¸ìñèñòåìó óðàâíåíèé (4.8) ê âèäó:

µ+λλ+µ= 21 xx

x , µ+λλ+µ= 21 yy

y , µ+λλ+µ= 21 zz

z . (4.9)

Åñëè îäíî èç ÷èñåë λ èëè µ ìåíüøå íóëÿ, òîãäà òî÷êà

M áóäåò íàõîäèòñÿ âíå îòðåçêà AB äåëÿ åãî â îòíîøåíèè µλ .

Ðèñ. 4.7.1er 2e

r

3er

O

A

B

µ

Page 83: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

83

4.4.3. Äåêàðòîâà ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò.

Ñðåäè ìíîæåñòâà äåêàðòîâûõ (àô-ôèííûõ) ñèñòåì êîîðäèíàò ìîæíî âûá-ðàòü òàêóþ ñèñòåìó êîîðäèíàò (ðèñ. 4.8)ó êîòîðîé âñå áàçèñíûå âåêòîðû ïîïàðíîïåðïåíäèêóëÿðíû è èõ ìîäóëè ðàâíû åäè-íèöå, ò.å.

1321 === eeerrr

; 321 eeerrr ⊥⊥ .

Òàêîé áàçèñ íàçûâàåòñÿ îðòîíîðìèðîâàííûì, à ñèñòåìà êî-îðäèíàò - äåêàðòîâîé ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìîé êîîðäèíàò (ÏÑÊ).

 ýòîì ñëó÷àå äëÿ îðòîâ ïðèíÿòî ñïåöèàëüíîå îáîçíà÷åíèå:

ierr

=1 , jerr

=2 , ker

r =3 , (4.10)

à áàçèñ 321 ,,, eeeOrrr

çàïèøåòñÿ êàê kjiOrrr

,,, .

Ðàäèóñ-âåêòîð ïðîèçâîëüíîé òî÷êè ( )zyxM ,, â 3L òåïåðü

ìîæíî çàïèñàòü òàê:

kzjyixrrrrr ++= . (4.11)

Äåêàðòîâû (àôôèííûå) ñèñòåìû êîîðäèíàò íå ÿâëÿþòñÿåäèíñòâåííûìè ñèñòåìàìè êîîðäèíàò.  çàâèñèìîñòè îò õàðàê-òåðà çàäà÷è ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû è äðóãèå ñèñòåìû êîîðäèíàò.Ðàññìîòðèì íàèáîëåå ÷àñòî óïîòðåáëÿåìûå ñèñòåìû êîîðäèíàò.

4.4.4. Ïîëÿðíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò.

Âûäåëèì íà ïëîñêîñòè íåêîòîðóþ òî÷êó O è íàçîâ¸ì å¸ ïî-

ëþñîì, èñõîäÿùèé èç òî÷êè O ëó÷ OA íàçîâ¸ì ïîëÿðíîé îñüþ.Âûáåðåì ìàñøòàá äëÿ èçìåðåíèÿ äëèíû. Ïîâîðîò, ñîâåðøà-

åìûé îêîëî òî÷êè O ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè áóäåì ñ÷èòàòü ïî-ëîæèòåëüíûì è áóäåì èçìåðÿòü åãî â ðàäèàíàõ.

Ïîëîæåíèå ïðîèçâîëüíîé òî÷êè M íà ïëîñêîñòè (ðèñ.4.9)ìîæíî òåïåðü çàôèêñèðîâàòü äâóìÿ ÷èñëàìè: ðàäèóñ-âåêòîðîì

Ðèñ. 4.8.

Oir

jr

kr

x

y

z

6*

Page 84: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

84

OMr =r è óãëîì ϕ ìåæäó ïîëÿðíîé

îñüþ è âåêòîðîì OMr =r

. Óãîë ϕ áó-äåì íàçûâàòü ïîëÿðíûì óãëîì.

Ó ïîëþñà O=rr

, à óãîë ϕ íå îï-ðåäåë¸í. Îñòàëüíûå òî÷êè ïëîñêîñòèõàðàêòåðèçóþòñÿ çíà÷åíèåì 0>r

r è

óãëîì ϕ îïðåäåë¸ííûì ñ òî÷íîñòüþ äî ñëàãàåìîãî êðàòíîãî π2 .

Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïàðû ÷èñåë ( )ϕ,rr

è ( )π+ϕ kr 2,r

, ãäå k - ïðîèç-

âîëüíîå öåëîå ÷èñëî, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïîëÿðíûå êîîðäèíà-òû îäíîé è òîé æå òî÷êè. Îãðàíè÷èì çíà÷åíèÿ ïîëÿðíîãî óãëà âïðåäåëàõ π≤ϕ<π− .

Âûáåðåì íà ïëîñêîñòè ÏÑÊ, ïîìåñòèâ å¸ íà÷àëî â ïîëþñO , îñü àáñöèññ ñîâìåñòèì ñ ïî-ëÿðíîé îñüþ è óñòàíîâèì ñîîò-íîøåíèÿ ñâÿçûâàþùèå ïîëÿð-íûå êîîðäèíàòû ñ äåêàðòîâû-ìè. Êàê ëåãêî âèäåòü èçðèñ.4.10, äåêàðòîâû ïðÿìîó-ãîëüíûå êîîðäèíàòû òî÷êè

( )yxM , âûðàæàþòñÿ ÷åðåç å¸ïîëÿðíûå êîîðäèíàòû ôîðìó-ëàìè:

ϕ= cosrx ,

ϕ= sinry . (4.12)Çäåñü

22 yxr += , (4.13)

22sin

yx

y

+=ϕ , 22

cosyx

x

+=ϕ ,

x

y=ϕtg . (4.14)

Ðèñ. 4.9.

M

1r

l

rr

Ðèñ. 4.10.O i

r xx

y

y

ϕjr

rr

M

Page 85: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

85

4.4.5. Öèëèíäðè÷åñêàÿ è ñôåðè÷åñêàÿ ñèñòåìû êîîðäèíàò.

 ïðîñòðàíñòâå îáîáùåíèåì ïîëÿðíîé ñèñòåìû êîîðäèíàòÿâëÿþòñÿ öèëèíäðè÷åñêèå (ðèñ. 4.11) è ñôåðè÷åñêèå (ðèñ. 4.13) ñè-ñòåìû êîîðäèíàò. È äëÿ òåõ, è äëÿ äðóãèõ ôèãóðà, îòíîñèòåëüíîêîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ ïîëîæåíèåòî÷êè, ñîñòîèò èç ïîëþñà O , ëó÷à

OA, èñõîäÿùåãî èç O , è åäèíè÷-íîãî âåêòîðà n

r ïåðïåíäèêóëÿðíî-

ãî ê ëó÷ó nr

. ×åðåç òî÷êó O ïðîâå-ä¸ì ïëîñêîñòü p , ïåðïåíäèêóëÿð-

íóþ âåêòîðó nr

. Ëó÷ OA áóäåò ëå-æàòü â ýòîé ïëîñêîñòè.

Ðàññìîòðèì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó M . Îïóñòèì èç ýòîé òî÷-

êè ïåðïåíäèêóëÿð MM ′ íà ïëîñêîñòü p . Öèëèíäðè÷åñêèå êîîð-

äèíàòû òî÷êè M - òðè ÷èñëà hr ,,ϕ . ×èñëà ϕ,r - ïîëÿðíûå êîîð-

äèíàòû òî÷êè M ′ ïî îòíîøåíèþ ê ïîëþñó O è ïîëÿðíîé îñè

OA, à h - êîìïîíåíòà âåêòîðà MM ′ ïîâåêòîðó n

r . Îíà îïðåäåëåíà â ñèëó êîë-ëèíåàðíîñòè ýòèõ âåêòîðîâ (ðèñ. 4.11).

Óñòàíîâèì ñîîòíîøåíèÿ, ñâÿçûâà-þùèå öèëèíäðè÷åñêèå êîîðäèíàòû ñÏÑÊ. Äëÿ ýòîãî ñîâìåñòèì (ðèñ. 4.12)íà÷àëî ÏÑÊ ñ ïîëþñîì O , îñü OX ñî-

âìåñòèì ñ ëó÷îì OA, ïëîñêîñòü XOYñîâìåñòèòñÿ ñ ïëîñêîñòüþ p . Èç ðèñ.

4.12 âèäíî, ÷òî òî÷êà ( )hrM ,,ϕ áóäåò èìåòü â ÏÑÊ êîîðäèíàòû:

ϕ= cosrx ,

ϕ= sinry , (4.15)

hz = .

Ðèñ. 4.11.

O

l

ϕ

M

M′rr

hnr

ð

Ðèñ. 4.12.

À

Page 86: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

86

Çàìå÷àíèå. Òàê êàê ïåðâûå äâå öèëèíäðè÷åñêèå êîîðäèíàòû r è

ϕ ÿâëÿþòñÿ ïîëÿðíûìè êîîðäèíàòàìè ïðîåêöèè M ′ òî÷êè Míà ïëîñêîñòü p , òî ê ýòèì äâóì êîîðäèíàòàì îòíîñÿòñÿ çàìå÷à-íèÿ è âûâîäû ñäåëàííûå â ïðåäûäóùåì ïóíêòå.

Ñôåðè÷åñêèå êîîðäèíàòû òî÷êè -

òðè ÷èñëà ( )θϕ,,r . Îíè îïðåäåëÿþòñÿ

(ðèñ. 4.13) òàê: OMr = . Êàê è äëÿ öè-

ëèíäðè÷åñêèõ êîîðäèíàò, ϕ - óãîë âåê-

òîðà MO ′ ñ ëó÷îì OA (äîëãîòà), à θ -

óãîë âåêòîðà OM (øèðîòà) ñ ïëîñêî-

ñòüþ p .

Êîîðäèíàòû ïðîèçâîëüíîé òî÷êè ( )θϕ,,rM â ÏÑÊ áóäóò

âûãëÿäåòü òàê:

ϕθ= coscosrx ,

ϕθ= sincosry , (4.16)

θ= sinrz .

4.5. Ïðåîáðàçîâàíèå êîîðäèíàò

4.5.1. Ïàðàëëåëüíûé ïåðåíîñ ÏÑÊ íà ïëîñêîñòè.

Äî ñèõ ïîð ìû ïîëüçîâàëèñü êîíêðåòíî âûáðàííûì áàçè-ñîì. Îäíàêî, íè÷òî íå ìåøàåò íàì âûáðàòü äðóãîé áàçèñ è â ñâÿ-çè ñ ýòèì íàñ çàèíòåðåñóåò âîïðîñ î ïåðåõîäå îò îäíîãî áàçèñà êäðóãîìó.

Ðàññìîòðèì äëÿ íà÷àëà íàèáîëåå ïðîñòîé ñëó÷àé ïàðàëëåëü-

íîãî ïåðåíîñà (ðèñ.4.14) íà÷àëà ÏÑÊ â íåêîòîðóþ òî÷êó ( )βα′ ,O .

Ïóñòü ( )yxM , - êîîðäèíàòû òî÷êè M â ÏÑÊ yxO ,, , à

( )yxM ′′, - êîîðäèíàòû ýòîé æå òî÷êè â ÏÑÊ yxO ′′′ ,, . Èç ðèñ.4.14

ñðàçó âèäíî, ÷òî

ϕ

θ

Ðèñ. 4.13.À

Page 87: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

87

MOOOOM ′+′=èëè

α+′= xx ,

β+′= yy . (4.17)

Ðàâåíñòâà (4.17) ïîçâîëÿþòíàì âû÷èñëèòü êîîðäèíàòû òî÷êè

â ÏÑÊ yxO ,, , åñëè èçâåñòíû å¸ êî-

îðäèíàòû â ÏÑÊ yxO ′′′ ,, .

Ïîïðîáóåì çàïèñàòü ñèñòåìó(4.17) â ìàòðè÷íîé ôîðìå. Äëÿ ýòîãî íàäî ïîñìîòðåòü íà (4.17)

êàê íà ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíåíèé, èìåÿ â âèäó, ÷òî α è β -

êîýôôèöèåíòû ïðè åäèíèöå. Èòàê:

101 ⋅α+′⋅+′⋅= yxx ,

110 ⋅β+′⋅+′⋅= yxy ,

11001 ⋅+′⋅+′⋅= yx .

Ïîñëåäíåå óðàâíåíèå åñòü ïðîñòî ÷èñëîâîå ðàâåíñòâî 11= ,êîòîðîå íàì íóæíî ëèøü äëÿ ñîñòàâëåíèÿ ìàòðèöû A ïåðåõîäà

îò yxO ,, ê yxO ′′′ ,, . Ïîëó÷åííóþ ñèñòåìó èç òð¸õ óðàâíåíèé ìû

òåïåðü ìîæåì çàïèñàòü â ìàòðè÷íîé ôîðìå:

′′

βα

=

1100

10

01

1

y

x

y

x

, (4.18)

ãäå

βα

=100

10

01

A - ìàòðèöà ïåðåõîäà îò yxO ,, ê yxO ′′′ ,, .

Îáðàòíûå ôîðìóëû î÷åâèäíû:

α−=′ xx ,

β−=′ yy . (4.19)

Ðèñ. 4.14.O

O′

x

x′

yy′

α

β

M

Page 88: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

88

Ôîðìóëû (4.17) è (4.19) ëåãêî ðàñïðîñòðàíèòü íà ñëó÷àé òð¸õ-ìåðíîãî ïðîñòðàíñòâà.

Ðàññìîòðèì òåïåðü êàê âåä¸ò ñåáÿ îòðåçîê 21MM ïðè ïåðå-

õîäå îò îäíîé ÏÑÊ ê äðóãîé. Ïóñòü ( )111 , yxM è ( )222 , yxM - êîîð-

äèíàòû êîíöîâ çàäàííîãî îòðåçêà â ÏÑÊ yxO ,, , à ( )111 , yxM ′′′ è

( )222 , yxM ′′′ - êîîðäèíàòû òîãî æå îòðåçêà â íîâîé ÏÑÊ yxO ′′′ ,, .

Òàê êàê îòðåçîê 21MM â îáîèõ ÏÑÊ îäèí è òîò æå ìû ìîæåì

çàïèñàòü:

2121 MMMM ′′=èëè â êîîðäèíàòàõ

( ) ( ) 121212 xxxxxx ′−′=α+′−α+′=− ,

( ) ( ) 121212 yyyyyy ′−′=β+′−β+′=− .

Ìû âèäèì, ÷òî ðàçíîñòü êîîðäèíàò âåêòîðà 21MM ïðè ïà-

ðàëëåëüíîì ïåðåíîñå ÏÑÊ íå ìåíÿþòñÿ. Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òîâåêòîð ÿâëÿåòñÿ èíâàðèàíòíîé âåëè÷èíîé, ò.å. âåëè÷èíîé íå çàâèñÿ-ùåé îò âûáîðà ÑÊ, ÷òî ñîáñòâåííî è ïîçâîëÿåò íàì åãî èçó÷àòü.

4.5.2. Ïîâîðîò ÏÑÊ â ïëîñêîñòè.

Ðàññìîòðèì ïîâîðîò ÏÑÊ yxO ,, âîêðóã òî÷êè O (ðèñ. 4.15)

íà óãîë ϕ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ñòàðàÿ

ÏÑÊ ïåðåéä¸ò â íîâóþ ÏÑÊ yxO ′′,, . Âûÿñíèì ñíà÷àëà êàê áó-

äóò ïðåîáðàçîâûâàòüñÿ îðòû. Èç ðèñ. 4.15 ÿñíî:

jiirrr

ϕ+ϕ=′ sincos ,

jijrrr

ϕ+ϕ−=′ cossin .

 ìàòðè÷íîé ôîðìå ýòî ìîæíî çàïèñàòü òàê:

ϕϕ−ϕϕ

=

′′

j

i

j

ir

r

r

r

cossin

sincos(4.20)

Page 89: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

89

èëè

ee ⋅=′ A , (4.21)ãäå

′′

=′j

ir

r

e ,

=

j

ir

r

e

ñòîëáöû ñîñòàâëåííûå èç áàçèñíûõ âåêòîðîâ, à

ϕϕ−ϕϕ

=cossin

sincosA (4.22)

ìàòðèöà ïðåîáðàçîâàíèÿ áàçèñíûõ âåêòîðîâ ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ íàóãîë ϕ .

Èç (4.21) ñðàçó ìîæíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèå ñòàðûõ áàçèñ-íûõ âåêòîðîâ ÷åðåç íîâûå:

ee ′= −1A (4.23)

èëè

′′

ϕϕϕ−ϕ

=

j

i

j

ir

r

r

r

cossin

sincos. (4.24)

Çàìå÷àíèå. Ñðàâíèâàÿ (4.20) è (4.24) ìû âèäèì, ÷òî TAA =−1 .Òàêèå ìàòðèöû íàçûâàþòñÿ îðòîãîíàëüíûìè. Èõ èçó÷åíèåì ìûçàéì¸ìñÿ ïîçæå.

Ðèñ. 4.15

Page 90: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

90

Ðàññìîòðèì òåïåðü êàê âåä¸ò ñåáÿ ðàäèóñ-âåêòîð OMr =r

ïðèïîâîðîòå ÏÑÊ íà óãîë ϕ (ðèñ. 4.16). Â ñèëó èíâàðèàíòíîñòè âåêòî-ðà èìååì:

( ) ( )( ) ( ) .cossinsincos

cossinsincos

jyxiyx

jiyjixjyixiyixrrr

rrrrrrrrr

ϕ′+ϕ′+ϕ′−ϕ′=

=ϕ+ϕ−′+ϕ+ϕ′=′′+′′=+=

Ñðàâíèâàÿ êîýôôèöèåíòû ïðè áàçèñíûõ âåêòîðàõ ïîëó÷èì:

ϕ′−ϕ′= sincos yxx ,

ϕ′+ϕ′= cossin yxy . (4.25)

 ìàòðè÷íîé ôîðìå ýòè ðàâåíñòâà çàïèøóòñÿ òàê:

′′

ϕϕϕ−ϕ

=

y

x

y

x

cossin

sincos

èëè

rAr T ′⋅= . (4.26)

Çäåñü

=

y

xr è

′′

=′y

xr êîîðäèíàòû ðàäèóñ-âåêòîðà OMr =

r

äî

è ïîñëå ïîâîðîòà ÏÑÊ íà óãîë ϕ .Îáúåäèíÿÿ ïàðàëëåëüíûé ïåðåíîñ è ïîâîðîò ìû ìîæåì èç

ôîðìóë (4.17) è (4.26) ñîñòàâèòü îáùóþ ôîðìóëó:

α+ϕ′−ϕ′= sincos yxx ,

β+ϕ′+ϕ′= cossin yxy . (4.27)

x

x′

y

y′

M

Ðèñ. 4.16.

Page 91: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

91

Óðàâíåíèÿ (4.27) ñ ó÷¸òîì (4.18) ìîæíî ïåðåïèñàòü â ìàò-ðè÷íîé ôîðìå:

′′

βϕϕαϕ−ϕ

=

11001

y

x

y

x

cossin

sincos

. (4.28)

4.6. Ïðîèçâåäåíèÿ âåêòîðîâ

Îïåðàöèÿ ïåðåìíîæåíèÿ äâóõ âåêòîðîâ, ñ îäíîé ñòîðîíû,äîëæíà ïîä÷èíÿòüñÿ â îñíîâíîì òåì æå çàêîíàì, ÷òî è îïåðàöèÿóìíîæåíèÿ ÷èñåë, ñ äðóãîé ñòîðîíû, îíà äîëæíà îáîáùàòü ðàñ-ïðîñòðàí¸ííûå â ãåîìåòðèè è ôèçèêå êîíêðåòíûå îïåðàöèè. Îêà-çûâàåòñÿ, ÷òî è ñòîé è ñ äðóãîé òî÷åê çðåíèÿ äîëæíû ñóùåñòâî-âàòü äâå îïåðàöèè óìíîæåíèÿ äâóõ âåêòîðîâ. Îäíà äà¸ò â ðåçóëü-òàòå ÷èñëî - ñêàëÿð è ïîýòîìó íàçûâàåòñÿ ñêàëÿðíûì óìíîæåíè-åì. Äðóãàÿ äà¸ò â ðåçóëüòàòå âåêòîð è ïîòîìó íàçûâàåòñÿ âåêòîð-íûì óìíîæåíèåì äâóõ âåêòîðîâ.  êà÷åñòâå ïðèìåðîâ ìû ìîæåìðàññìîòðåòü ïîíÿòèå ðàáîòû êàê ïðîèçâåäåíèÿ äâóõ âåêòîðíûõ

âåëè÷èí - ñèëû Fr

è ïåðåìåùåíèÿ sr , â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷àåòñÿ

ñêàëÿðíàÿ âåëè÷èíà - ðàáîòà A .  ôèçèêå èçâåñòíà è äðóãàÿ ôè-

çè÷åñêàÿ âåëè÷èíà - ìîìåíò ñèëû Lr

, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ âåêòîðîìè ïîëó÷àåòñÿ êàê ðåçóëüòàò óìíîæåíèÿ äâóõ âåêòîðíûõ âåëè÷èí:

ñèëû Fr

è ïëå÷à ñèëû Rr

.

4.6.1. Ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå âåêòîðîâ.

Ïîä óãëîì ìåæäó âåêòîðàìè ar è b

r

áóäåì ïîíèìàòü óãîë

ìåæäó ýòèìè âåêòîðàìè ïðèâåä¸ííûìè â îáùåå íà÷àëî (ðèñ. 4.17).

Åñëè óãîë ïðÿìîé áóäåì ñ÷èòàòü âåêòîðû ar è b

r

ïåðïåíäèêóëÿð-

íûìè (îðòîãîíàëüíûìè) äðóã ê äðóãó è îáîçíà÷àòü ýòî êàê bar

r

⊥ .

Page 92: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

92

Òàê êàê

( )ϕ−π=ϕ 2coscos ,

ìû ìîæåì ñîñòàâèòü âûðàæåíèå

( ) ϕ= cos, abbar

r , (4.29)

ãäå aar

= , à bbr

= , îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿþùåå íåêîòîðîå ÷èñ-

ëî ( )bar

r

, .

Îïðåäåëåíèå 4.15. ×èñëî ( )bar

r

, îïðåäåëÿåìîå ôîðìóëîé (4.29) íà-

çûâàåòñÿ ñêàëÿðíûì ïðîèçâåäåíèåì âåêòîðîâ ar è b

r

.

 ðàçëè÷íîé ëèòåðàòóðå ìîæíî âñòðåòèòü òàêèå îáîçíà÷å-íèÿ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ:

bar

r , bar

r ⋅ , ( )bar

r

, .

Ìû áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ òðåòüåãî âàðèàíòà.

Ðàâåíñòâî ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ íóëþ.

Ïî îïðåäåëåíèþ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ðàâåíñòâî

( ) 0, =bar

r

ðàâíîñèëüíî ðàâåíñòâó

0cos =ϕab .

À ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ëèáî 0=a , ëèáî 0=b , ëèáî 0cos =ϕ ,

ò.å. ëèáî O=ar

, ëèáî O=br

, ëèáî bar

r

⊥ .Åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî íóëåâîé âåêòîð ïåðïåíäèêóëÿðåí ëþáîìó

íåíóëåâîìó âåêòîðó, ðàâåíñòâî íóëþ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿìû ìîæåì ñôîðìóëèðîâàòü òàê:Ïðåäëîæåíèå 4.8. Óñëîâèåì îðòîãîíàëüíîñòè äâóõ âåêòîðîâ a

r è

br

ÿâëÿåòñÿ ðàâåíñòâî íóëþ èõ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ:

( ) 0, =bar

r. (4.30)

Ðèñ. 4.17.

Page 93: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

93

Ìû âèäèì, ÷òî ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ â àë-ãåáðàè÷åñêîì îòíîøåíèè ñóùåñòâåííî îòëè÷àåòñÿ îò ïðîèçâåäå-íèÿ äâóõ ÷èñåë: èç ðàâåíñòâà ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ íóëþ óæå íåâûòåêàåò ðàâåíñòâî íóëþ îäíîãî èç ñîìíîæèòåëåé. Òåì íå ìåíååàëãåáðàè÷åñêèå çàêîíû óìíîæåíèÿ ÷èñåë ïîëíîñòüþ ïåðåíîñÿò-ñÿ íà ñêàëÿðíîå óìíîæåíèå âåêòîðîâ.

Çàêîíû ñêàëÿðíîãî óìíîæåíèÿ.

Èç îïðåäåëåíèÿ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ (4.29) ñëåäóåò, ÷òî:

1. ( ) ( )abbar

rrr

,, = - çàêîí ïåðåìåñòèòåëüíîñòè (êîììóòàòèâíîñòè);

2. ( )( ) ( ) ( )cabacbarr

rrr

rr

,,, +=+ - ðàñïðåäåëèòåëüíûé çàêîí;

3. ( ) ( ) ( )bababar

rr

rr

r λ=λ=λ ,,, - çàêîí ñî÷åòàòåëüíîñòè îòíîñèòåëüíî

ñêàëÿðíûõ ìíîæèòåëåé;

4. ( ) 20cos, aaaaa

rrro == äëÿ ëþáûõ a

r ;

5. ( ) 0, >aarr

, åñëè O≠ar .

Ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå èìååò ñìûñë, åñëè âûáðàíà åäèíèöàèçìåðåíèÿ äëèí âåêòîðîâ.

Âåêòîðû îðòîíîðìèðîâàííîãî áàçèñà kjirrr

,, óäîâëåòâîðÿþò

ðàâåíñòâàì:

( ) ( ) ( ) 1,,, === kkjjiirrrrrr

,

( ) ( ) ( ) 0,,, === kjkijirrrrrr

.

Ïðåäëîæåíèå 9. Åñëè áàçèñíûå âåêòîðû ïîïàðíî îðòîãîíàëüíû,òî êîìïîíåíòû ëþáîãî âåêòîðà íàõîäÿòñÿ ïî ôîðìóëå:

332211 eeearrrr

α+α+α= , (4.31)

ãäå

( )2

1

11

,

e

ear

rr

=α , ( )

22

22

,

e

ear

rr

=α , ( )

23

33

,

e

ear

rr

=α . (4.32)

Page 94: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

94

 ÷àñòíîñòè, åñëè áàçèñ îðòîíîðìèðîâàí, òî:

( )iaxrr

,= , ( )jayrr

,= , ( )kazr

r

,= ;

( ) ( ) ( )kkajjaiiaarr

rrrrrrrr

,,, ++= (4.33)

èëè

kzjyixarrrr ++= . (4.34)

ÒÅÎÐÅÌÀ 4.2. Åñëè áàçèñ îðòîíîðìèðîâàííûé, òî äëÿ ëþáûõ

âåêòîðîâ ( )111 ,, zyxar

è ( )222 ,, zyxbr

èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî:

( ) 212121, zzyyxxba ++=r

r. (4.35)

Äåéñòâèòåëüíî, ïîäñòàâëÿÿ â (4.35) âìåñòî âåêòîðîâ ar è b

r

èõ ðàçëîæåíèÿ (4.34), ïîëó÷èì:

( ) ( ) 212121222111 ,, zzyyxxkzjyixkzjyixba ++=++++=rrrrrrr

r.

Òåîðåìà 4.2 ïîçâîëÿåò íàïèñàòü âûðàæåíèå äëèíû âåêòîðà÷åðåç åãî êîìïîíåíòû â ÏÑÊ:

( ) 222, zyxaa ++=rr

èëè

222 zyxa ++=r

, (4.36)

à òàêæå âûðàæåíèå äëÿ êîñèíóñà óãëà ìåæäó âåêòîðàìè

( )22

22

22

21

21

21

212121,cos

zyxzyx

zzyyxx

ba

ba

++⋅++

++=⋅

=ϕ rr

rr

. (4.37)

Èñïîëüçóÿ ôîðìóëó (4.36) ìîæíî ïîëó÷èòü ôîðìóëó äëÿ âû-

÷èñëåíèÿ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó äâóìÿ òî÷êàìè ( )1111 ,, zyxM è

( )2222 ,, zyxM :

( ) ( ) ( )212

212

21221 zzyyxxMM −+−+−= . (4.38)

Page 95: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

95

4.6.2. Ïðîåêöèÿ âåêòîðà íà ïðîèçâîëüíóþ ïðÿìóþ.

Ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå òåñíî ñâÿçàíî ñ ïîíÿòèåì ïðî-

åêöèè âåêòîðà. Ïóñòü íàì çàäàí âåêòîð AB è íåêîòîðàÿ ïðÿ-

ìàÿ l . Îïóñòèì èç òî÷åê A è Bïåðïåíäèêóëÿðû íà ïðÿìóþ è

îáîçíà÷èì èõ îñíîâàíèÿ A′ è

B′ (ðèñ. 4.18). Âåêòîð BA ′′ áó-äåì íàçûâàòü âåêòîðíîé ïðîåê-

öèåé âåêòîðà AB íà ïðÿìóþ lè áóäåì îáîçíà÷àòü êàê:

ABBA lÏð=′′ .

Èç îïðåäåëåíèÿ ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî ïðîåêöèè ðàâíûõ âåêòî-ðîâ íà ïàðàëëåëüíûå ïðÿìû ðàâíû ìåæäó ñîáîé.

Çàäàäèì íà l íåíóëåâîé âåêòîð er , òîãäà

eBABAr

α=′′=′′ . (4.39)

Ïðåäñòàâèì âåêòîð AB êàê beBBBAABr

r

+α=′′+′′= , ãäå

âåêòîð eBBbr

r

⊥′′= . Òîãäà

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2,,,,, eeeebeeebeeAB

rrrrr

rrrr

rr α=α=+α=+α=èëè

( )2

,

e

eABr

r

=α .

Ïîäñòàâëÿÿ íàéäåííîå çíà÷åíèå α â (4.39), ïîëó÷èì

( )e

e

eABABl

r

r

r

2

,=Ïð . (4.40)

Ïðèâåä¸ì áåç äîêàçàòåëüñòâ íåñêîëüêî ñâîéñòâ âåêòîðíûõïðîåêöèé:

à) ïðîåêöèÿ âåêòîðà ar íà ïðÿìóþ l ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ

Ðèñ. 4.18.

B ′′

Page 96: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

96

ìîäóëÿ âåêòîðà ar êîñèíóñ óãëà ϕ ìåæäó âåêòîðîì è ïðÿìîé, ò.å.

ϕ= cosaalr

Ïð ; (4.41)

á) ðàâíûå âåêòîðû èìåþò ðàâíûå ïðîåêöèè íà îäíó è òóæåïðÿìóþ;

â) ïðîåêöèè äâóõ âçàèìíî ïðîòèâîïîëîæíûõ âåêòîðîâ íàîäíó è òó æå ïðÿìóþ îòëè÷àþòñÿ òîëüêî çíàêîì:

( ) ( )aa ll

rr

ÏðÏð −=− ;

ã) ïðîåêöèÿ ñóììû âåêòîðîâ íà êàêóþ-ëèáî ïðÿìóþ ðàâíàñóììå ïðîåêöèé ñëàãàåìûõ âåêòîðîâ íà ýòó ïðÿìóþ;

ä) ïðîåêöèÿ ïðîèçâåäåíèÿ ñêàëÿðà íà âåêòîð ðàâíà ïðîèçâå-äåíèþ ýòîãî ñêàëÿðà íà ïðîåêöèþ âåêòîðà íà òó æå ïðÿìóþ;

å) ïðîåêöèÿ ëèíåéíîé êîìáèíàöèè âåêòîðîâ ðàâíà òîé æåëèíåéíîé êîìáèíàöèè èõ ïðîåêöèé.

Ïðèìåð. Íàéòè ïðîåêöèþ âåêòîðà jiarrr

23 += íà âåêòîð jibrrr

2−= .

( ) ( )( ) bbb

b

baa

b

rrr

r

rr

rr

51

21

2213,222 −=

−+−⋅+⋅==Ïð

.

4.6.3. Îðèåíòàöèÿ ïðÿìîé, ïëîñêîñòè è ïðîñòðàíñòâà

Âûáåðåì (ðèñ. 4.19) íà ïðÿìîé l íåíóëåâîé âåêòîð 1er

, êîòî-

ðûé ìû ìîæåì ïðèíÿòü â êà÷åñòâåáàçèñíîãî âåêòîðà. Ïðÿìóþ ëèíèþ

l â ýòîì ñëó÷àå áóäåì ñ÷èòàòü íà-ïðàâëåííîé ïðÿìîé (îñüþ). Âñå áàçè-ñû íà ïðÿìîé, î÷åâèäíî, ðàçäåëÿò-

ñÿ íà äâà êëàññà: áàçèñíûå âåêòîðû èçîäíîãî êëàññà íàïðàâëåíû (ðèñ. 4.20)îäèíàêîâî, à èç äðóãîãî - ïðîòèâîïî-ëîæíî.

Åñëè èç äâóõ êëàññîâ áàçèñîâ âûá-ðàí îäèí, òî ãîâîðÿò, ÷òî ïðÿìàÿ l îðè-

O

er

Ðèñ. 4.19.

O

O

er

er

Ðèñ. 4.20.

Page 97: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

97

åíòèðîâàíà. Áàçèñû âûáðàííîãî êëàñ-ñà íàçîâ¸ì ïîëîæèòåëüíî îðèåíòèðî-âàííûìè èëè ïîëîæèòåëüíûìè.

Äâà áàçèñà íà ïëîñêîñòè îäèíàêîâîîðèåíòèðîâàíû, åñëè â îáåèõ áàçèñàõ (ðèñ.

4.21) êðàò÷àéøèé ïîâîðîò îò 1er

ê 2er

ïðî-

èçâîäèòñÿ â îäíó ñòîðîíó: 21 eerr

, è 21 eerr ′′, -

(ðèñ. 4.21) îðèåíòèðîâàíû îäèíàêîâî,

à 21 eerr

, è 21 eerr ′′, - (ðèñ. 4.22) îðèåíòèðîâà-

íû ïðîòèâîïîëîæíî.Ïëîñêîñòü áóäåò îðèåíòèðîâàíà,

åñëè èç äâóõ êëàññîâ áàçèñîâ âûáðàí îäèí.Îðèåíòàöèþ áàçèñà íà ïëîñêîñòè

ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ïîëîæèòåëüíîé, åñëè

êðàò÷àéøèé ïîâîðîò îò 1er

ê 2er

ïðîèç-

âîäèòñÿ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè (ðèñ. 4.21).

Áàçèñ 321 eeerrr

,, â ïðîñòðàíñòâå (ðèñ. 4.23) áóäåì íàçûâàòü ïðà-

âûì åñëè ñ êîíöà âåêòîðà 3er

êðàò÷àéøèé ïîâîðîò îò 1er

ê 2er

ñî-

âåðøàåòñÿ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå (ðèñ. 4.24)

áàçèñ 321 eeerrr

,, áóäåì íàçûâàòü ëåâûì.

7 À.À. Êèðñàíîâ

Page 98: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

98

Ïðîñòðàíñòâî íàçûâàåòñÿ îðèåíòèðîâàííûì, åñëè èç äâóõêëàññîâ áàçèñîâ âûáðàí îäèí. Áàçèñû âûáðàííîãî êëàññà íàçû-âàþòñÿ ïîëîæèòåëüíî îðèåíòèðîâàííûìè. Ìû áóäåì âñåãäà ïðè-äåðæèâàòüñÿ ïðàâîé îðèåíòàöèè ïðîñòðàíñòâà, ñ÷èòàÿ ïîëîæè-òåëüíûìè ïðàâûå áàçèñû è áóäåì âñåãäà ïîìíèòü î òîì, ÷òî íè÷-òî íå ìåøàåò íàì âûáðàòü ëåâûé áàçèñ è åãî îðèåíòàöèþ ñ÷èòàòüïîëîæèòåëüíî îðèåíòèðîâàííîé - âñ¸ ýòî îòíîñèòåëüíî.

Åñëè ïðîñòðàíñòâî îðèåíòèðî-âàíî, òî îðèåíòàöèþ ëþáîé ïëîñêî-ñòè (ðèñ. 4.25) â í¸ì ìîæíî çàäàòü,óêàçàâ îðèåíòàöèþ ïðÿìîé. Ïðè ýòîì

ïîëîæèòåëüíûì áàçèñîì bar

r

, íà

ïëîñêîñòè áóäåì ñ÷èòàòü òàêîé, êîòî-ðûé âìåñòå ñ ïîëîæèòåëüíûì áàçèñîì

nr íà ïðÿìîé ñîñòàâëÿåò ïîëîæèòåëüíûé áàçèñ ïðîñòðàíñòâà

nbar

rr

,, .  ýòîì ñëó÷àå ãîâîðÿò, ÷òî îðèåíòàöèÿ ïëîñêîñòè îïðåäå-

ëåíà íîðìàëüíûì âåêòîðîì nr .

 îðèåíòèðîâàííîì ïðîñòðàíñòâåàíàëîãè÷íî ìîæíî çàäàòü îðèåíòàöèþïðÿìîé ëèíèè. Äëÿ ýòîãî íóæíî çàäàòüîðèåíòàöèþ ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿð-íîé ê ýòîé ïðÿìîé. Òîãäà ïîëîæèòåëüíûìáàçèñîì a

r íà ïðÿìîé (ðèñ. 4.26) áóäåò òà-êîé áàçèñ, êîòîðûé âìåñòå ñ áàçèñíûìè

âåêòîðàìè nbr

r

, ïëîñêîñòè ñîñòàâëÿåò ïî-

ëîæèòåëüíûé áàçèñ ïðîñòðàíñòâà.

4.6.4. Ïëîùàäü îðèåíòèðîâàííîãî ïàðàëëåëîãðàììà, îáú¸ìîðèåíòèðîâàííîãî ïàðàëëåëåïèïåäà

Ïóñòü íà ïðÿìîé ëèíèè âûáðàí áàçèñíûé âåêòîð, ò.å. ïðÿ-ìàÿ îðèåíòèðîâàíà. Òîãäà äëèíå ëþáîãî íåíóëåâîãî âåêòîðà íàäàííîé ïðÿìîé ìîæåò áûòü ïðèïèñàí çíàê (+), åñëè íàïðàâëåíèå

Page 99: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

99

âåêòîðà ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì áàçèñíîãî âåêòîðà è çíàê (-) âïðîòèâíîì ñëó÷àå.

Ðàññìîòðèì ïàðàë-ëåëîãðàìì íà ïëîñêîñòè(ðèñ. 4.27) îáðàçîâàí-íûé óïîðÿäî÷åííîé ïà-

ðîé âåêòîðîâ 1er

, 2er

ïðè-

âåä¸ííûõ ê îáùåìó íà-÷àëó. Åñëè âåêòîðû îá-ðàçóþò ïðàâûé áàçèñ íà ïëîñêîñòè ìû áóäåì ïðèïèñûâàòü ïëî-ùàäè ïàðàëëåëîãðàììà çíàê (+), åñëè íåò - (-).

Ðàññìîòðèì òåïåðü ïàðàëëåëåïèïåä (ðèñ. 4.28) ïîñòðîåííûé

íà óïîðÿäî÷åííûõ âåêòîðàõ 1er

, 2er

, 3er

ïðèâåä¸ííûõ ê îáùåìó íà-

÷àëó. Åñëè îðèåíòàöèÿ âåêòîðîâ 1er

, 2er

, 3er

, îáðàçóþùèõ ïàðàëëå-

ëåïèïåä, îáðàçóåò ïðàâûé áàçèñ - ïðèïèøåì îáúåìó ïàðàëëåëå-ïèïåäà çíàê (+), åñëè íåò - (-).

4.6.5. Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ

Êàê ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå âîçíèêàåò èç ïîíÿòèÿ ðàáîòû,òàê âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ âîçíèêàåò èç ïîíÿòèÿ,íàïðèìåð, ìîìåíòà ñèëû.Îïðåäåëåíèå 4.16. Âåêòîðíûì ïðîèçâåäåíèåì äâóõ âåêòîðîâ a

r è

br

íàçûâàåòñÿ âåêòîð Nr

, êîòîðûé:

7*

Page 100: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

100

à) èìååò ìîäóëü Nr

÷èñëåííî ðàâíûé ïëîùàäè îðèåíòèðî-

âàííîãî ïàðàëëåëîãðàììà, ïîñòðîåííîãî íà âåêòîðàõ ar è b

r

;

á) íàïðàâëåí ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïåðåìíîæàåìûì âåêòîðàìâ òó ñòîðîíó, îòêóäà íàèìåíüøèé ñîâìåùàþùèé èõ ïîâîðîò îòïåðâîãî âåêòîðà êî âòîðîìó âèäåí ïðîèñõîäÿùèì ïðîòèâ ÷àñî-âîé ñòðåëêè.

Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ ar è b

r

îáîçíà÷àåòñÿ

îäíèì èç ñëåäóþùèõ ñïîñîáîâ:

bar

r× , [ ]bar

r, [ ]ba

rr

, . (4.42)

Ìû áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ òðå-òüåãî âàðèàíòà.

Èç ãåîìåòðèè èçâåñòíî (ðèñ. 4.29),÷òî ïëîùàäü ïàðàëëåëîãðàììà ÷èñ-ëåííî ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ äâóõ åãîíåïàðàëëåëüíûõ ñòîðîí íà ñèíóñ óãëàìåæäó íèìè. Ïîýòîìó ìû ìîæåì ñî-ñòàâèòü ôîðìóëó äëÿ ìîäóëÿ âåêòîðíî-ãî ïðîèçâåäåíèÿ:

ϕ⋅= sinbaNrr

. (4.43)

Óñëîâèå ðàâåíñòâà íóëþ âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ.

Ðàâåíñòâî íóëþ âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ, ò.å.

[ ] O=bar

r

, ,

ðàâíîñèëüíî ðàâåíñòâó íóëþ åãî ìîäóëÿ:

0=ϕsinab .

Ýòî ðàâíîñèëüíî òîìó, ÷òî ëèáî oa = , ëèáî 0=b , ëèáî

0=ϕsin , ò.å. ëèáî O=ar , ëèáî O=b

r

, ëèáî îíè ïàðàëëåëüíû bar

r

.

Èìåÿ â âèäó, ÷òî íóëåâîé âåêòîð O êîëëèíåàðåí ëþáîìó âåêòî-

Page 101: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

101

ðó, ìû ìîæåì ñôîðìóëèðîâàòü óñëîâèå ðàâåíñòâà íóëþ âåêòîð-íîãî ïðîèçâåäåíèÿ òàê:Îïðåäåëåíèå 4.17. Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ ðàâíîíóëþ åñëè ýòè âåêòîðû êîëëèíåàðíû.Çàìå÷àíèå. Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå âåêòîðà ñàìîãî íà ñåáÿ âñå-ãäà ðàâíî íóëåâîìó âåêòîðó:

[ ] O=aarr

, .

Çàêîíû âåêòîðíîãî óìíîæåíèÿ.

Èç îïðåäåëåíèÿ 4.16 âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ñðàçó ñëåäó-åò, ÷òî

1. [ ] [ ]abbar

rrr

,, −= ,

ò.å. âåêòîðíîå óìíîæåíèå àíòèêîììóòàòèâíî.

2. ( )[ ] [ ] [ ]bacacbar

rrrrr

r

,,, +=+ - ðàñïðåäåëèòåëüíûé çàêîí.

3. [ ] [ ]babar

rr

r

,, λ=λ - ñî÷åòàòåëüíûé çàêîí îòíîñèòåëüíî ñêàëÿð-

íûõ ìíîæèòåëåé.

Âåêòîðíûå ïðîèçâåäåíèÿ áàçèñíûõ âåêòîðîâ â ÏÑÊ.

Èç ñâîéñòâ âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî:

[ ] O=iirr

, , [ ] O=jjrr

, , [ ] O=kkrr

, . (4.44)

Ïðè ðàññìîòðåíèè âåêòîðíûõ ïðîèçâåäåíèé ðàçíîèì¸ííûõîðòîâ ñóùåñòâåííûì ÿâëÿåòñÿ îðèåíòà-öèÿ áàçèñà â ïðîñòðàíñòâå. Ïðåäïîëî-æèì, ÷òî íàì çàäàíà ïðàâàÿ (ðèñ. 4.30)ÏÑÊ.

Ó÷èòûâàÿ, ÷òî áàçèñíûå âåêòîðû

kjirrr

,, íîðìèðîâàíû (èõ ìîäóëè ðàâíû

åäèíèöå), ïîëó÷èì (ðèñ. 4.31):

kr

jr

ir

Ðèñ. 4.30.

Page 102: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

102

[ ] kjirrr

=, , [ ] kijrrr

−=, ,

[ ] ikjrrr

=, , [ ] ijkrrr

−=, , (4.45)

[ ] jikrrr

=, , [ ] jkirrr

−=, .

Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå äâóõ âåêòîðîâ â êîîðäèíàòíîé ôîðìå.

Ïóñòü äâà âåêòîðà â ÏÑÊ èìåþò âèä:

kajaiaa zyx

rrrr ++= , kbjbibb zyx

rrrr

++= .

Ñîñòàâèì âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå [ ]bar

r

, â êîîðäèíàòíîé

ôîðìå:

[ ] [ ]=++++= kbjbibkajaiaba zyxzyx

rrrrrrrr

,,

[ ] [ ] [ ]+++= kibajibaiiba zxyxxx

rrrrrr

,,,

[ ] [ ] [ ]++++ kjbajjbaijba zyyyxy

rrrrrr

,,,

[ ] [ ] [ ]=+++ kkbajkbaikba zzyzxz

rrrrrr

,,,

ibajbaibakbajbakba yzxzzyxyzxyx

rrrrrr

−++−−=èëè

[ ] ( ) ( ) ( )xyyxxzzxyzzy babakbabajbabaiba −+−−−=rrrr

r

, .

Íåòðóäíî óâèäåòü, ÷òî êîýôôèöèåíòû ïðè îðòàõ åñòü îïðå-äåëèòåëè âòîðîãî ïîðÿäêà:

[ ]yx

yx

zx

zx

zy

zy

bb

aak

bb

aaj

bb

aaiba ⋅+⋅−⋅=

rrrrr

, .

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî åñòü ðàçëîæåíèå îïðåäåëèòåëÿ òðåòüå-ãî ïîðÿäêà ïî ïåðâîé ñòðîêå, ýëåìåíòàìè êîòîðîé ÿâëÿþòñÿ îðòû

kjirrr

,, ò.å.:

Ðèñ. 4.31.

kr

jr

ir

Page 103: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

103

[ ]zyx

zyx

bbb

aaa

kji

ba

rrr

rr

=,. (4.46)

4.7. Ïðîèçâåäåíèÿ òð¸õ âåêòîðîâ

4.7.1. Ïðîñòåéøåå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ

Ïðîñòåéøåå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ cbar

rr

,, ïîëó÷àåòñÿåñëè óìíîæèòü äâà âåêòîðà ñêàëÿðíî è ðåçóëüòàò óìíîæèòü íàòðåòèé âåêòîð, ò.å.

( ) ccbarr

rr λ=⋅, ,

ãäå ( )bar

r

,=λ .

ßñíî, ÷òî â ðåçóëüòàòå ìû ïîëó÷èì âåêòîð, êîëëèíåàðíûé ñ

âåêòîðîì cr

.ßñíî, òàê æå, ÷òî

( ) ( )cbacbar

rrr

rr

,, ⋅≠⋅åñëè âåêòîðû a

r

è cr

íå êîëëèíåàðíû.

4.7.2. Âåêòîðíî-âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ

Âåêòîðíî-âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ ïîëó÷àåò-ñÿ âåêòîðíûì óìíîæåíèåì âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ äâóõ âåêòî-

ðîâ [ ]bar

r

, íà òðåòèé âåêòîð cr , ïðè ýòîì ìû, î÷åâèäíî, ïîëó÷èì

ñíîâà âåêòîð, êîòîðûé îáîçíà÷èì êàê Rr

:

[ ][ ]cbaRr

rrr

,,= .

Òàê êàê âåêòîð Rr

åñòü âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå âåêòîðîâ

[ ]baNr

rr

,= è âåêòîðà cr , îí áóäåò ïåðïåíäèêóëÿðåí (ðèñ. 4.32) êàê

âåêòîðó [ ]baNr

rr

,= , òàê è âåêòîðó cr

.

Page 104: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

104

Èç ïåðïåíäèêóëÿðíîñòè âåêòîðà Rr

ê âåêòîðíîìó ïðîèçâå-

äåíèþ [ ]baNr

rr

,= ñëåäóåò, ÷òî îí ëåæèò â ïëîñêîñòè âåêòîðîâ ar è

br

, è ðàçëàãàåòñÿ ïî íàì â ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ âèäà:

baRr

rr

µ+λ= . (4.47)

Òàê êàê cRr

r

⊥ - èõ ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå ðàâíî íóëþ:

( ) ( )( ) ( ) ( ) 0=µ+λ=µ+λ= cbcacbacRr

rrrr

rrrr

,,,,

èëè

( ) ( )cbcar

rrr

,,

λ−=µ.

Îáîçíà÷èâ ýòè ðàâíûå îòíîøåíèÿ ÷åðåç σ , ïîëó÷èì:

( ) ( ) σ=λ−=µcbcar

rrr

,,

èëè

( )carr

,σ=µ , ( )cbr

r

,σ−=λ .

Ïîäñòàâëÿÿ ýòè âûðàæåíèÿ â (4.47), ïîëó÷èì:

( ) ( ) cbacabRr

rrrr

rr

,, −σ= . (4.48)

Îïðåäåëèì ÷èñëî σ . Äëÿ ýòîãî ââåä¸ì ÏÑÊ, ñîâìåñòèâ îñü

OX ñ âåêòîðîì ar . Îñü OY ïåðïåíäèêóëÿðíà îñè OX è ëåæèò â

Ðèñ. 4.32.

cr

br

ar

[ ]baNr

rr

,=

[ ][ ]cbaRr

rrr

,,=

Page 105: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

105

ïëîñêîñòè âåêòîðîâ ar è b

r

(ðèñ. 4.32). Ðàçëîæèì âåêòîðû ar , b

r

è

cr ïî îðòàì âûáðàííîé íàìè ÏÑÊ:

iaa x

rr = ,

jbibb yx

rrr

+= , (4.49)

kcjcicc zyx

rrrr ++= .

Âû÷èñëèì òåïåðü [ ][ ] [ ]cNcbaRrrr

rrr

,, == .

Òàê êàê

[ ] kba

bb

a

kji

baN yx

yx

x

r

rrr

rrr

===0

00,,

òî

[ ] [ ] [ ]

.

, ,,

jcbaicba

ccc

ba

kji

kcjcickbackbacNR

xyxyyx

zyx

yxzyxyxyx

rr

rrr

rrrrr

rrrr

+−=

==++=== 00

(4.50)

Âû÷èñëèì òåïåðü Rr

ïî ôîðìóëå (4.48). Çäåñü, â ñîîòâåòñòâèèñ (4.49) èìååì:

( ) xxcaca =rr

, , ( ) yyxx cbcbcb +=rr

, .

Òîãäà

( ) ( ) ( ) ( ) =+⋅−⋅+σ=−σ= yyxxxxxyx cbcbiacajbibcbacabRrrrrr

rrrr

rr

,,

=−−+σ= icbaicbajcbaicba yyxxxxxyxxxx

rrrr

jcbaicba xyxyyx

rr

+−σ= . (4.51)

Ñðàâíèâàÿ (4.50) è (4.51) ïîëó÷èì:

1=σ .

Page 106: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

106

Îêîí÷àòåëüíî óðàâíåíèå (4.48) çàïèøåòñÿ òàê:

( ) ( )cbacabRr

rrrr

rr

,, −=èëè

[ ][ ] ( ) ( )cbacabcbar

rrrr

rr

rr

,,, −= . (4.52

Ðàññìîòðèì òåïåðü ïðîèçâåäåíèå

[ ][ ]cbar

rr

,, .

Èç ñâîéñòâ âåêòîðíîãî óìíîæåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî:

[ ][ ] [ ][ ]acbcbarr

rr

rr

,,, −=èëè ñ ó÷¸òîì (*)

[ ][ ] ( ) ( ) acbabccbarr

rr

rrr

rr

,,,, ⋅−⋅−=èëè

[ ][ ] ( ) ( )baccabcbar

rrrrr

rr

r

,,,, ⋅−⋅= . (4.53)

Ïîñëåäíåå óðàâíåíèå õîðîøî çàïîìèíàåòñÿ êàêàáö=áàö-öàá.

Çàìåòèì, ÷òî

[ ][ ] [ ][ ]cbacbar

rrr

rr

,,, ≠ . (4.54)

4.7.3. Âåêòîðíî-ñêàëÿðíîå (ñìåøàííîå) ïðîèçâåäåíèå òð¸õâåêòîðîâ

Âåêòîðíî-ñêàëÿðíîå (ñìåøàííîå) ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòî-ðîâ åñòü ïðîèçâåäåíèå âèäà

[ ]( )cbar

rr

,, ,

êîòîðîå ìû áóäåì â äàëüíåéøåì îáîçíà÷àòü êàê

( )cbar

rr

,, .

Î÷åâèäíî, ÷òî ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ ïðåä-ñòàâëÿåò ñîáîé ñêàëÿð.

Âûÿñíèì ãåîìåòðè÷åñêèé ñìûñë ñìåøàííîãî ïðîèçâåäåíèÿ.

Äëÿ ýòîãî (ðèñ. 4.33) ïîñòðîèì íà äàííûõ âåêòîðàõ ar , b

r

è cr ïà-

ðàëëåëåïèïåä.

Page 107: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

107

Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òîïëîùàäü îðèåíòèðîâàííîãîïàðàëëåëîãðàììà, ïîñòðîåí-

íîãî íà âåêòîðàõ ar è b

r

åñòü:

[ ] ψ== sin, abbaSr

r

.

Òîãäà îáú¸ì îðèåíòèðî-âàííîãî ïàðàëëåëåïèïåäà,ïîñòðîåííîãî íà äàííûõ âåê-òîðàõ åñòü:

( )cSScShVr

r

,cos =ϕ==

èëè

( )cbaVr

rr

,,= . (4.55)

Îïðåäåëåíèå 4.18. Âåêòîðíî-ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòî-ðîâ, îáðàçóþùèõ ïðàâóþ ñèñòåìó, ðàâíî îáú¸ìó ïàðàëëåëåïèïå-äà, ïîñòðîåííîãî íà ýòèõ âåêòîðàõ.

Ñâîéñòâà ñìåøàííîãî ïðîèçâåäåíèÿ âåêòîðîâ.

1. Ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ íå çàâèñèò îò ãðóï-ïèðîâêè ìíîæèòåëåé:

[ ]( ) [ ]( )cbacbar

rrr

rr

,,,, = - ñâîéñòâî ñî÷åòàòåëüíîñòè.

2. Ïðè ïåðåñòàíîâêå ìíîæèòåëåé, íå íàðóøàþùåé ïîðÿäêà èõñëåäîâàíèÿ (ðèñ. 4.34), ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå íå ìåíÿåòñÿ. Åñëèïîðÿäîê ñëåäîâàíèÿ ìíîæèòåëåé íàðóøàåòñÿ - ñìåøàííîå ïðîèç-âåäåíèå ìåíÿåò ñâîé çíàê.

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )cbabacacbbacacbcbar

rr

rrrrr

rrrrrr

rr

rr

,,,,,,,,,,,, −=−=−=== - ñâîé-

ñòâî êðóãîâîé ïåðåìåñòèòåëüíîñòè.3. Ñêàëÿðíûé ìíîæèòåëü ìîæíî âûíîñèòü çà çíàê ñìåøàí-

íîãî ïðîèçâåäåíèÿ:

Ðèñ. 4.33.

[ ]baSr

rr

,=

hcr

br

ar

Page 108: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

108

( ) ( )cbacbar

rrr

rr

,,,, λ=λ - ñâîéñòâî ñî÷å-

òàòåëüíîñòè îòíîñèòåëüíî ñêàëÿðíûõìíîæèòåëåé.

Ðàâåíñòâî íóëþ ñìåøàííîãî ïðîèçâå-äåíèÿ.

Èñõîäÿ èç ãåîìåòðè÷åñêîãî ñìûñ-ëà ñìåøàííîãî ïðîèçâåäåíèÿ ìîæíî

ñðàçó ñêàçàòü, ÷òî ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ ðàâíîíóëþ, åñëè ðàâåí íóëþ îáú¸ì ïîñòðîåííîãî íà ýòèõ âåêòîðàõ ïà-ðàëëåëåïèïåäà. Ýòî âîçìîæíî åñëè âåêòîðû êîìïëàíàðíû èëè èìå-

þòñÿ äâà îäèíàêîâûõ âåêòîðà, ò.å. ( ) 0=baar

rr

,, .

Îïðåäåëåíèå 4.19. Óñëîâèåì êîìïëàíàðíîñòè òð¸õ âåêòîðîâ ÿâ-ëÿåòñÿ ðàâåíñòâî íóëþ èõ ñìåøàííîãî ïðîèçâåäåíèÿ.

Ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå òð¸õ âåêòîðîâ â ÏÑÊ.

Ðàññìîòðèì âåêòîðû ar , b

r

è cr â ÏÑÊ:

kajaiaa zyx

rrrr ++= ,

kbjbibb zyx

rrrr

++= , (4.56)

kcjcicc zyx

rrrr ++= .

Âû÷èñëèì ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå [ ]( )cbar

rr

,, ñ ó÷¸òîì (455):

[ ]yx

yx

zx

zx

zy

zy

zyx

zyx cc

bbk

cc

bbj

cc

bbi

ccc

bbb

kji

cb ⋅+⋅−⋅==rrr

rrr

rr

,,

Ðèñ. 4.34.

cr b

r

ar

Page 109: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

109

[ ]( )

+−=

yx

yxz

zx

zxy

zy

zyx cc

bba

cc

bba

cc

bbacba

rrr

,, .

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî åñòü íå ÷òî èíîå, êàê ðàçëîæåíèå îïðå-äåëèòåëÿ

zyx

zyx

zyx

ccc

bbb

aaa

ïî ïåðâîé ñòðîêå, ò.î. ñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå â ÏÑÊ èìååò âèä:

( )zyx

zyx

zyx

ccc

bbb

aaa

cba =rrr

,, . (4.57)

Èç óðàâíåíèÿ (4.57) ñðàçó ìîæåì íàïèñàòü óñëîâèå êîìïëà-íàðíîñòè òð¸õ âåêòîðîâ â ÏÑÊ:

0=

zyx

zyx

zyx

ccc

bbb

aaa

. (4.58)

Page 110: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

110

5. Ïðÿìûå ëèíèè è ïëîñêîñòè

5.1. Ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé

Îïðåäåëåíèå 5.1. Ïðÿìàÿ ëèíèÿ l íà ïëîñêîñòè è â ïðîñòðàíñòâå

îïðåäåëåíà, åñëè çàäàíà òî÷êà 0M è çàäàí íåíóëåâîé âåêòîð ar ,

ïàðàëëåëüíûé ïðÿìîé.

Òî÷êó 0M áóäåì íàçûâàòü íà÷àëüíîé òî÷êîé ïðÿìîé, à âåê-

òîð ar - íàïðàâëÿþùèì âåêòîðîì ïðÿìîé.

Ïóñòü 0rr

- ðàäèóñ âåêòîð

òî÷êè 0M è ar - íàïðàâëÿþ-

ùèé âåêòîð. Ðàññìîòðèì(ðèñ. 5.1.) ïðîèçâîëüíóþ òî÷-êó lM ∈ ñ ðàäèóñ âåêòîðîì

rr . Âåêòîð

00 rrMMrr −= ïà-

ðàëëåëåí ïðÿìîé l (âåêòîðó

ar ) òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîã-

äà òî÷êà M ëåæèò íà ïðÿìîé l . Òîãäà, â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäëî-

æåíèåì 4.2, íàéä¸òñÿ òàêîå ÷èñëî t , ÷òî atMMr=0

èëè

atrrrrr

=− 0 . (5.1)

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî ìîæíî çàïèñàòü òàê:

atrrrr

+= 0 .

Íàîáîðîò, êàêîå áû ÷èñëî t ìû íè ïîñòàâèëè â (5.1), âåêòîð

rr áóäåò îïðåäåëÿòü íåêîòîðóþ òî÷êó M ëåæàùóþ íà ïðÿìîé l .

Óðàâíåíèå (5.1) íàçûâàåòñÿ âåêòîðíûì ïàðàìåòðè÷åñêèì óðàâ-íåíèåì ïðÿìîé, à âåëè÷èíà Rt∈ íàçûâàåòñÿ ïàðàìåòðîì.

Âåêòîðíîå ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé âûãëÿäèòîäèíàêîâî è â ïëàíèìåòðèè è â ñòåðåîìåòðèè.  ðàçëîæåíèè ïîñîîòâåòñòâóþùåìó áàçèñó (îïðåäåëåíèå 4.14) îíî áóäåò èìåòü äâàèëè òðè óðàâíåíèÿ:

0M

M

l

ar

0rrr

r −

0rr

rr

3er

2er

1erÎ Ðèñ. 5.1.

Page 111: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

111

1. Â áàçèñå 321 eeeOrrr

(òð¸õìåðíîå ïðîñòðàíñòâî)

,

,

,

ntzz

mtyy

ltxx

+=+=+=

0

0

0

(5.2)

ãäå 321 enemelarrrr ++= .

 áàçèñå 21eeOrr

(ïëîñêîñòü)

,

,

mtyy

ltxx

+=+=

0

0(5.3)

ãäå 21 emelarrr += .

Óðàâíåíèÿ (5.2) è (5.3) íàçûâàþòñÿ ïàðàìåòðè÷åñêèìè óðàâ-

íåíèÿìè ïðÿìîé â ïðîñòðàíñòâå è íà ïëîñêîñòè.

5.2. Ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

Ïîëó÷èì òåïåðü ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè π âïðîñòðàíñòâå (ðèñ. 5.2).

Ïóñòü pr

è qr

äâà å¸ íåêîëëèíåàðíûõ íàïðàâëÿþùèõ âåêòî-

ðà âûõîäÿùèõ èç òî÷êè 0M ëåæàùåé â ïëîñêîñòè, 0rr

- ðàäèóñ

âåêòîð òî÷êè 0M , à rr - ðàäèóñ âåêòîð ïðîèçâîëüíîé òî÷êè M .

Âåêòîð 00 rrMMrr −= , íà÷àëî êîòîðîãî ëåæèò â ïëîñêîñòè π , ïà-

ðàëëåëåí åé òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà òî÷êà M ëåæèò íà ïëîñ-

êîñòè. Â ñèëó íåêîëëèíåàðíîñòè âåêòîðîâ pr

è qr

âåêòîð

00 rrMMrr −= ìîæåò áûòü (òåîðåìà 4.1 ï.2) ïî íèì ðàçëîæåí, ò.å.

íàéäóòñÿ òàêèå ÷èñëà 1t è 2t , ÷òî

qtptrrrrrr

210 +=− (5.4)

èëè

qtptrrrrrr

210 ++= .

Page 112: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

112

Ýòî óðàâíåíèå íàçûâàåòñÿ âåêòîðíûì ïàðàìåòðè÷åñêèì óðàâ-

íåíèåì ïëîñêîñòè.

Ïóñòü ( )000 zyx ,, è ( )zyx ,, êîîðäèíàòû òî÷åê 0M è M â

321 eeeOrrr

, epepepprrrr

32211 ++= , 332211 eqeqeqqrrr ++= , òîãäà (5.4)

ìîæíî çàïèñàòü êàê ñèñòåìó óðàâíåíèé

,

,

,

32310

22210

12110

qtptzz

qtptyy

qtptxx

++=++=++=

(5.5)

êîòîðóþ ìû áóäåì íàçûâàòü ñèñòåìîé ïàðàìåòðè÷åñêèõ óðàâíå-

íèé ïëîñêîñòè.

5.3. Ïðÿìàÿ ëèíèÿ íà ïëîñêîñòè

Âîçüì¸ì ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé (5.3) íà ïëîñ-êîñòè è èñêëþ÷èì èç íåãî ïàðàìåòð t :

m

yy

l

xxt 00 −=−= .

Ïîëó÷åííîå ðàâåíñòâî ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê:

( ) ( )00 yylxxm −=−èëè

Ðèñ. 5.2.Î

qr

pr

π

0M

M0rrr

r

0rr

rr

3er

2er

1er

Page 113: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

113

( ) ( ) 000 =−−− yylxxm .

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî åñòü íå ÷òî èíîå, êàê ðàçâ¸ðíóòàÿ çà-ïèñü îïðåäåëèòåëÿ âòîðîãî ïîðÿäêà, ò.å.

000 =−−ml

yyxx. (5.6)

Ïðåäëîæåíèå 5.1.  ïðîèçâîëüíîé äåêàðòîâîé ñèñòåìå êî-îðäèíàò íà ïëîñêîñòè óðàâíåíèå ïðÿìîé ëèíèè ñ íà÷àëüíîé òî÷-

êîé ( )000 yxM , è íàïðàâëÿþùèì âåêòîðîì ( )mla ,r

ìîæåò áûòü çà-

ïèñàíî â âèäå (5.6).Óðàâíåíèå (5.6) ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê óñëîâèå êîëëè-

íåàðíîñòè äâóõ âåêòîðîâ.Ïðåîáðàçóåì óðàâíåíèå (5.6):

( ) ( ) ( ) 0000000 =−+−=−−−=

−−mxlylymxyylxxm

ml

yyxx.

Ïîëàãàÿ

mA = ; lB −= ; 00 mxlyC −=ïîëó÷èì îáùåå óðàâíåíèå ïðÿìîé íà ïëîñêîñòè:

0=++ CByAx . (5.7)

Çäåñü ìû ïîëàãàåì, ÷òî êîýôôèöèåíòû A è B íå ðàâíû íóëþîäíîâðåìåííî, ò.å.

022 ≠+ BA .

Ïðîñòîé ïîäñòàíîâêîé â (5.7) ìîæíî ëåãêî óáåäèòüñÿ, ÷òî÷èñëà

220BA

ACx

+−= è 220

BA

BCy

+−= (5.8)

ìîæíî ïðèíÿòü çà íà÷àëüíóþ òî÷êó ( )000 yxM , ïðÿìîé (5.7).

Ïðåäëîæåíèå 5.2. Âåêòîð ( )ABa ,−r

ìîæíî ïðèíÿòü çà íàïðàâ-

ëÿþùèé âåêòîð ïðÿìîé (5.7), à òî÷êó (5.8) çà å¸ íà÷àëüíóþ òî÷êó.Åñëè â êà÷åñòâå ñèñòåìû êîîðäèíàò âûáðàòü îðòîíîðìèðî-

8 À.À. Êèðñàíîâ

Page 114: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

114

âàííóþ äåêàðòîâó ñèñòåìó êîîðäèíàò, òîãäà âåêòîðó ( )ABa ,−r

ìîæíî ñîïîñòàâèòü ïåðïåíäèêóëÿðíûé ê íåìó âåêòîð ( )BAn ,r

,

êîòîðûé ìû áóäåì íàçûâàòü íîðìàëüíûì âåêòîðîì.

Ïåðïåíäèêóëÿðíîñòü âåêòîðîâ ( )ABa ,−r

è ( )BAn ,r

ëåãêî ïðî-

âåðÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ:

( ) 0=+−= ABBAnarr

, .

Ðàññìîòðèì ïîâåäåíèå óðàâíåíèÿ ïðÿìîé (5.7) ïðè:1. 0=A , 0≠B , 0≠C ,

òîãäà (5.7) ïðèìåò âèä

0=+ CBy èëè B

Cy −= - ïðÿìàÿ ïàðàëëåëüíàÿ îñè àáñöèññ;

2. 0≠A , 0=B , 0≠C ,òîãäà èìååì

0=+ CAx èëè A

Cx −= - ïðÿìàÿ ïàðàëëåëüíàÿ îñè îðäèíàò;

3. 0≠A , 0≠B , 0=C ,èìååì ïðÿìóþ ïðîõîäÿùóþ ÷åðåç íà÷àëî ñèñòåìû êîîðäèíàò

0=+ ByAx .

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â óðàâíåíèè (5.7) êîýôôèöèåíò 0≠B , ò.å.ïðÿìàÿ íå ïàðàëëåëüíà îñè îðäèíàò. Ïîäåëèâ âñå ñëàãàåìûå óðàâ-íåíèÿ (5.7) íà 0≠B , ïîëó÷èì:

0=++B

Cyx

B

A

èëè ïîëàãàÿ

kB

A =− è bB

C =−

îêîí÷àòåëüíî çàïèøåì

bkxy += . (5.9)Çàìåòèì, ÷òî

Page 115: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

115

l

m

B

Ak =−= .

Îïðåäåëåíèå 5.2. Îòíîøåíèå êîìïîíåíò íàïðàâëÿþùåãî âåê-

òîðà ( )mla ,r

íàçûâàåòñÿ óãëîâûì êîýôôèöèåíòîì ïðÿìîé (5.9), à

ñàìî óðàâíåíèå íàçûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ïðÿìîé ñ óãëîâûì êîýôôè-

öèåíòîì (ïðèâåä¸ííûì óðàâíåíèåì ïðÿìîé).Óãëîâîé êîýôôèöèåíò k ïðÿìîé

(5.9) â îðòîíîðìèðîâàííîé ñèñòåìåêîîðäèíàò ðàâåí òàíãåíñó óãëà, êîòî-ðûé ïðÿìàÿ îáðàçóåò ñ îñüþ àáñöèññ.Óãîë îòñ÷èòûâàåòñÿ îò îñè àáñöèññ âíàïðàâëåíèè êðàò÷àéøåãî ïîâîðîòà

îò ir

ê jr

(ðèñ. 5.3).

Èòàê

l

mtgk =ϕ= . (5.10)

Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå (5.6)

( ) ( ) 00000 =−−−=

−−yylxxm

ml

yyxx.

Åãî, î÷åâèäíî, ìîæíî çàïèñàòü êàê

( ) ( )00 yylxxm −=−èëè

( )00 xxl

myy −=− .

Ñ ó÷¸òîì (5.10) ìû ïîëó÷èì óðàâíåíèå ïðÿìîé ïðîõîäÿùåé

÷åðåç òî÷êó ( )000 yxM , ñ óãëîâûì êîýôôèöèåíòîì k :

( )00 xxkyy −=− . (5.11)

ϕ

22 += xyy

x

jr

ir

1=ϕ= tgk

Ðèñ. 5.3.

Î

8*

Page 116: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

116

5.4. Âåêòîðíûå óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòè è ïðÿìîé

Âåêòîðíîå ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè (5.4) óò-âåðæäàåò, ÷òî òî÷êà M (ðèñ. 5.4) ëåæèò íà ïëîñêîñòè π òîãäà è

òîëüêî òîãäà, êîãäà 0rrrr

− êîìïëàíàðåí íàïðàâëÿþùèì âåêòîðàì

pr

è qr

. Ýòó êîìïëàíàðíîñòü ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç ñìåøàííîåïðîèçâåäåíèå óêàçàííûõ âûøå âåêòîðîâ:

( ) 00 =− qprrrrrr

,, . (5.12)

Çäåñü [ ]qpnrrr

,= íåíóëåâîé âåêòîð ïåðïåíäèêóëÿðíûé ê ïëîñ-

êîñòè π , à ñëåäîâàòåëüíî è âåêòîðó π∈− 0rrrr

. Óñëîâèå ïåðïåíäè-

êóëÿðíîñòè âåêòîðîâ 0rrrr

− è nr åñòü ðàâåíñòâî íóëþ èõ ñêàëÿð-

íîãî ïðîèçâåäåíèÿ, ò.å.

( ) 00 =− nrrrrr

, . (5.13)

Óðàâíåíèÿ (5.12) è (5.13) áóäåì íàçûâàòü âåêòîðíûìè óðàâ-íåíèÿìè ïëîñêîñòè.

Óðàâíåíèå (5.13), èñïîëüçóÿ ðàñïðåäåëèòåëüíûé çàêîí ñêà-ëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ, ìîæíî ïðåîáðàçîâàòü òàê:

( ) ( ) ( ) 000 =−=− nrnrnrrrrrrrrr

,,, .

Ïîëàãàÿ ( ) Dnr =− r

,0 , ïîëó÷èì åù¸ îäíî óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

Ðèñ. 5.4.

[ ]qpnrrr

,= qr

pr

π

0M

M0rrrr

0rr

rr

3er

2er

1erÎ

Page 117: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

117

( ) 0=+ Dnrrr

, . (5.14)

Âåêòîðíîå ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé (5.1) ãîâîðèòî òîì, ÷òî òî÷êà M ëåæèò íà ïðÿìîé òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

âåêòîð 0rrrr

− ïàðàëëåëåí íàïðàâëÿþùåìó âåêòîðó ar . Â ýòîì ñëó-

÷àå íîðìàëüíûé âåêòîð ( )BAn ,r

ïåðïåíäèêóëÿðåí êàê íàïðàâëÿ-

þùåìó âåêòîðó ar , òàê è âåêòîðó 0rr

rr

− . Óñëîâèå ïåðïåíäèêóëÿð-

íîñòè âåêòîðîâ 0rrrr

− è nr åñòü ðàâåíñòâî íóëþ èõ ñêàëÿðíîãî

ïðîèçâåäåíèÿ, ò.å.

( ) 00 =− nrrrrr

, . (5.15)

Óðàâíåíèå (5.15) íàçîâ¸ì âåêòîðíûì óðàâíåíèåì ïðÿìîé íàïëîñêîñòè.

Ïîñëåäíåå óðàâíåíèå ìû ìîæåì ïðåîáðàçîâàòü ïðèâåä¸ííûìâûøå ñïîñîáîì:

( ) ( ) ( ) 000 =−=− nrnrnrrrrrrrrr

,,, .

Ïîëàãàÿ ( ) Cnr =− r

,0 , ïîëó÷èì íîâîå óðàâíåíèå ïðÿìîé íà

ïëîñêîñòè:

( ) 0=+ Cnrrr

, . (5.16)

Ïðåäëîæåíèå 5.3. Åñëè zyx ,, - êîìïîíåíòû ðàäèóñ âåêòîðà

rr â îðòîíîðìèðîâàííîé äåêàðòîâîé ñèñòåìå êîîðäèíàò, òîãäàâåêòîðíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

( ) 00 =− nrrrrr

,

ïðè O≠nr ìîæåò áûòü çàïèñàíî â âèäå ëèíåéíîãî ìíîãî÷ëåíà

0=+++ DCzByAx ,

ãäå 0222 ≠++ CBA .

Ïóñòü kzjyixrrrr

r ++= , òîãäà

Page 118: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

118

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) .,,,,

,,,,,

00

000

=−++=

=−++=−=−

nrnkznjynix

nrnkzjyixnrnrnrrrrr

r

r

r

r

r

rrr

rrr

rrrrrrr

Ïîëàãàÿ

( )niAr

r

,= , ( )njBr

r

,= , ( )nkCr

r

,= , ( )nrDrr

,0−= (5.17)

âåêòîðíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè (5.13) ìû ìîæåì çàïèñàòü êàê

0=+++ DCzByAx , (5.18)êîòîðîå ìû áóäåì íàçûâàòü îáùèì óðàâíåíèåì ïëîñêîñòè.

Êîýôôèöèåíòû A , B è C îäíîâðåìåííî íóëþ íå ðàâíû,

òàê êàê îòëè÷íûé îò íóëåâîãî íîðìàëüíûé âåêòîð nr íå ìîæåò

áûòü îäíîâðåìåííî ïåðïåíäèêóëÿðåí âñåì òð¸ì áàçèñíûì âåê-òîðàì.

Òàê êàê ( )nrDrr

,0−= ìû ìîæåì ïîëîæèòü nr

rr

λ=0 , òîãäà

( )nnDrr

,λ−= , ( ) 2n

D

nn

Dr

rr−=−=λ

,

è, òàêèì îáðàçîì,

nn

Dr

r

r

r

⋅−=20 . (5.19)

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî ïîçâîëÿåò âû÷èñëèòü íà÷àëüíóþ òî÷-

êó ïëîñêîñòè åñëè îíà çàäàíà îáùèì óðàâíåíèåì (5.18).Ïðåäëîæåíèå 5.4. Åñëè ñèñòåìà êîîðäèíàò îðòîíîðìèðîâàí-

íàÿ, âåêòîð nr ñ êîîðäèíàòàìè CBA ,, ÿâëÿåòñÿ íîðìàëüíûì âåê-

òîðîì äëÿ ïëîñêîñòè çàäàííîé îáùèì óðàâíåíèåì

0=+++ DCzByAx .

Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà äàííîãî ïðåäëîæåíèÿ âîñïîëüçóåìñÿïðåäëîæåíèåì 4.9 è ôîðìóëàìè (4.31), (4.32) è (5.17).

Èòàê, åñëè

kCjBiAnrrr

r ++= ,

òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ (4.32) èìååì

Page 119: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

119

( ) ( )ini

inA

r

r

r

r

r

,, ==

2 , ( ) ( )jn

j

jnB

r

r

r

r

r

,, ==

2 , ( ) ( )kn

k

knC

r

r

r

r

r

,, ==

2 ,

÷òî ñ ó÷¸òîì êîììóòàòèâíîñòè ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ñîâïà-äàåò ñ (5.17).

Ðàññìîòðèì åù¸ îäèí ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îáùåãî óðàâíåíèÿïëîñêîñòè èç âåêòîðíîãî óðàâíåíèÿ

( ) 00 =− qprrrrrr

,, . (5.12)

Ïóñòü êîîðäèíàòû âåêòîðîâ â îðòîíîðìèðîâàííîé ñèñòåìåêîîðäèíàò åñòü:

( ) ( ) ( )kzzjyyixxrrrrr

rr

0000 −+−+−=− ,

kpjpipp zyx

rrr

r ++= , kqjqiqq zyx

rrr

r ++= .

Òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ (4.57) ìû ìîæåì çàïèñàòü

( ) 0000

0 =−−−

=−

zyx

zyx

qqq

ppp

zzyyxx

qprrrrrr

,,

èëè, ïîñëå ðàçëîæåíèÿ îïðåäåëèòåëÿ ïî ïåðâîé ñòðîêå è ïåðåìå-

íå ìåñòàìè ñòîëáöîâ âî âòîðîì ñëàãàåìîì

( ) ( ) ( ) . 0000

000

=−⋅+−⋅+−⋅=

=−−−

zzqq

ppyy

qq

ppxx

qq

pp

qqq

ppp

zzyyxx

yx

yx

xz

xz

zy

zy

zyx

zyx

Ââåä¸ì îáîçíà÷åíèÿ:

zy

zy

qq

ppA = ,

xz

xz

qq

ppB = ,

yx

yx

qq

ppC = .

Page 120: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

120

Òîãäà, ñ ó÷¸òîì ââåä¸ííûõ îáîçíà÷åíèé,

( ) ( ) ( ) 0000 =−+−+− zzCyyBxxA (5.20)

èëè

0=+++ DCzByAx . (5.18)

Çäåñü ìû ïîëîæèëè 000 CzByAxD −−−= .

Ðàâåíñòâî (5.20) ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñêàëÿðíîå ïðî-

èçâåäåíèå âåêòîðà kCjBiAnrrr

r ++= è ïåðïåíäèêóëÿðíîãî åìó

âåêòîðà ( ) ( ) ( )kzzjyyixxrrrrr

rr

0000 −+−+−=− . Òàê êàê âåêòîð

0rrrr

− ïðèíàäëåæèò ïëîñêîñòè, òî âåêòîð nr åñòü íîðìàëüíûé ê

äàííîé ïëîñêîñòè âåêòîð.

Ðàññìîòðèì òàê íàçûâàåìûå íåïîëíûå óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòè,ïîëó÷àåìûå èç óðàâíåíèÿ

0=+++ DCzByAx (5.18)ïðèðàâíèâàíèåì íóëþ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ êîýôôèöèåíòîâ:

1. 0=D . ýòîì ñëó÷àå ìû ïîëó÷àåì óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

0=++ CzByAx ,

êîòîðîå óäîâëåòâîðÿåòñÿ çíà÷åíèÿìè 0=== zyx , ò.å. äàííàÿïëîñêîñòü ïðîõîäèò ÷åðåç íà÷àëî êîîðäèíàò.

2. 0=A . ýòîì ñëó÷àå ìû ïîëó÷àåì óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

0=++ DCzBy

ïàðàëëåëüíîé îñè Ox , òàê êàê íîðìàëüíûé âåêòîð äàííîé ïëîñ-

êîñòè ( )CBn ,,0r

ïåðïåíäèêóëÿðåí îñè Ox , êîòîðàÿ çàäà¸òñÿ íà-

ïðàâëÿþùèì âåêòîðîì ( )001 ,,ir

. Ðàññìàòðèâàåìàÿ ïëîñêîñòü ïå-

ðåñåêàåò ïëîñêîñòü Oyz ïî ïðÿìîé, óðàâíåíèå êîòîðîé â ýòîéïëîñêîñòè ñîâïàäàåò ñ ñàìèì óðàâíåíèåì ïëîñêîñòè

0=++ DCzBy .

Page 121: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

121

Ðàññìàòðèâàÿ àíàëîãè÷íûå ñëó÷àè 0=B è 0=C ìû ïîëó-÷èì ñîîòâåòñòâåííî óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòåé

0=++ DCzAx è 0=++ DByAx

ïàðàëëåëüíûõ ñîîòâåòñòâåííî îñÿì Oy è Oz .Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò êðàòêî ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê:

åñëè â îáùåì óðàâíåíèè ïëîñêîñòè îòñóòñòâóåò ÷ëåí, ñîäåðæà-

ùèé îäíó èç êîîðäèíàò, òî ïëîñêîñòü ïàðàëëåëüíà ñîîòâåòñòâó-

þùåé îñè êîîðäèíàò.3. 0== BA . ýòîì ñëó÷àå ìû ïîëó÷àåì óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

0=+ DCz

ïàðàëëåëüíîé ïëîñêîñòè Oxy , òàê êàê íîðìàëüíûé âåêòîð ïîëó-

÷åííîé ïëîñêîñòè ( )Cn ,,00r

ïàðàëëåëåí íàïðàâëÿþùåìó âåêòîðó

îñè Oz - ( )100 ,,kr

.

Çàìåòèì, ÷òî åñëè ïåðåïèñàòü óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

0=+ DCz

â âèäå

C

Dz −= ,

òî ìû ìîæåì ñêàçàòü, ÷òî íàøà ïëîñêîñòü îòñåêàåò íà îñè Oz

îòðåçîê, ðàâíûé C

D− .

Ïîëàãàÿ 0== CA è 0== CB ìû ïîëó÷èì ñîîòâåòñòâåííîóðàâíåíèÿ ïëîñêîñòåé

0=+ DBy è 0=+ DAx ,

ïàðàëëåëüíûõ ñîîòâåòñòâåííî ïëîñêîñòÿì Oxz è Oyz .Èòàê, åñëè íåïîëíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè ñîäåðæèò òîëüêî

îäíó ïåðåìåííóþ, òî äàííàÿ ïëîñêîñòü ïàðàëëåëüíà òîé êîîðäè-

íàòíîé ïëîñêîñòè, ïåðåìåííûå êîòîðîé íå âõîäÿò â ðàññìàòðèâà-

åìîå íåïîëíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè.4. 0=== DBA .

Page 122: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

122

 ýòîì ñëó÷àå ìû ïîëó÷àåì óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

0=Cz ,

êîòîðîå è åñòü óðàâíåíèå ïëîñêîñòè Oxy , ò.ê. ïîëó÷åííîå óðàâ-

íåíèå óäîâëåòâîðÿåòñÿ çíà÷åíèÿìè 0=z , à ïåðåìåííûå x è y

ìîãóò ïðèíèìàòü ëþáûå çíà÷åíèÿ. Êðîìå òîãî, íîðìàëüíûé âåê-

òîð ðàññìàòðèâàåìîé ïëîñêîñòè ( )Cn ,,00r

, êàê è â ïðåäûäóùåì

ñëó÷àå, ïàðàëëåëåí íàïðàâëÿþùåìó âåêòîðó îñè Oz .

Ïîëàãàÿ 0=== DCA è 0=== DCB ìû ïîëó÷èì ñîîòâåò-ñòâåííî óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòåé

0=By è 0=Ax ,

ñîâïàäàþùèå ñîîòâåòñòâåííî ñ êîîðäèíàòíûìè ïëîñêîñòÿìè Oxz

è Oyz . Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû åñòü ÷àñòíûé ñëó÷àé ïóíêòà 3 ïðè

0=D .

Âîçüì¸ì ïðîèçâîëüíûé âåêòîð knjmilarrr

r ++= è ñîñòàâèì

ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå

( ) ( ) ( ) ( ) ( )nknnjmnilnknjmilnar

r

r

r

r

r

r

rrr

rr

,,,,, ++=++= .

Ñ ó÷¸òîì (5.17) ýòî ðàâåíñòâî ìîæíî çàïèñàòü êàê

( ) CnBmAlna ++=rr

, .

Ïðåäëîæåíèå 5.5. Âåêòîð ar ñ êîìïîíåíòàìè nml ,, â îðòî-

íîðìèðîâàííîé ñèñòåìå êîîðäèíàò ïàðàëëåëåí ïëîñêîñòè

0=+++ DCzByAx òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

0=++ CnBmAl . (5.21)Çàìåòèì, ÷òî ëþáûå äâà íåêîëëèíåàðíûõ âåêòîðà, óäîâëåòâî-

ðÿþùèå óñëîâèþ (5.21) ìîãóò áûòü ïðèíÿòû â êà÷åñòâå íàïðàâëÿ-

þùèõ âåêòîðîâ ïëîñêîñòè.

Âñ¸ ñêàçàííîå âûøå î ïëîñêîñòè, ìîæåò áûòü ïðèìåíåíî è êïðÿìîé íà ïëîñêîñòè.  ÷àñòíîñòè, èìååò ìåñòî

Ïðåäëîæåíèå 5.6. Âåêòîð ar ñ êîîðäèíàòàìè ml, â îðòîíîð-

ìèðîâàííîé ñèñòåìå êîîðäèíàò ïàðàëëåëåí ïðÿìîé

Page 123: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

123

0=++ cByAx òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

0=+ BmAl . (5.22)

Òàê êàê â ýòîì ñëó÷àå jBiAnrr

r += , óñëîâèå îðòîãîíàëüíîñ-

òè âåêòîðà nr è íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðà jmila

rr

r += è åñòü (5.22).

Ó÷èòûâàÿ êîëëèíåàðíîñòü âåêòîðîâ 0rrrr

− è ar ìû ìîæåì

çàïèñàòü âåêòîðíîå óðàâíåíèå ïðÿìîé èñïîëüçóÿ ðàâåíñòâî íóëþ

èõ âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ:

[ ] O=− arrrrr

,0 . (5.23)

5.5. Óñëîâèÿ ïàðàëëåëüíîñòè ïëîñêîñòåé è ïðÿìûõíà ïëîñêîñòè

Ðàññìîòðèì äâå ïëîñêîñòè 1π è 2π çàäàííûå ñâîèìè îáùè-

ìè óðàâíåíèÿìè:

01111 =+++ DzCyBxA è 02222 =+++ DzCyBxA .

Ïðåäëîæåíèå 5.7. Äâå ïëîñêîñòè 01111 =+++ DzCyBxA è

02222 =+++ DzCyBxA ïàðàëëåëüíû òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

λ===2

1

2

1

2

1

C

C

B

B

A

A(5.24)

è ñîâïàäàþò, åñëè åù¸

λ=2

1

D

D. (5.25)

Óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè ïëîñêîñòåé 1π è 2π ýêâèâàëåíòíî

óñëîâèþ êîëëèíåàðíîñòè èõ íîðìàëüíûõ âåêòîðîâ ( )1111 CBAn ,,r

è ( )2222 CBAn ,,r

, ò.å. 21 nnrr λ= , îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò (5.24).

Ðàâåíñòâà (5.24) ìîæíî ïîëó÷èòü è äðóãèì ñïîñîáîì, èñïîëü-çóÿ, íàïðèìåð, ðàâåíñòâà (5.17):

Page 124: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

124

( ) ( ) ( ) 22211 AnininiA λ=λ=λ== r

r

r

r

r

r

,,, è ò.ä.

Åñëè îäíîâðåìåííî âûïîëíåíû óñëîâèÿ (5.24) è (5.25), òîã-äà óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòåé ýêâèâàëåíòíû, òàê êàê 0≠λ (êîýôôè-öèåíòû ïðÿìûõ îäíîâðåìåííî íå ìîãóò áûòü ðàâíûìè íóëþ).

Óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè äâóõ ïëîñêîñòåé 1π è 2π ìîæíî ïî-

ëó÷èòü èç ðàâåíñòâà íóëåâîìó âåêòîðó (îïðåäåëåíèå 4.17) âåêòîð-íîãî ïðîèçâåäåíèÿ èõ íîðìàëüíûõ âåêòîðîâ:

[ ] O=21 nnrr

,

èëè

O=++= kBA

BAj

AC

ACi

CB

CB

CBA

CBA

kjirrr

rrr

22

11

22

11

22

11

222

111 ,

èëè

022

11

22

11

22

11 === BA

BA

AC

AC

CB

CB. (5.26)

Ðàâåíñòâà (5.26) åñòü óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè äâóõ ïëîñêîñòåé.

Ïðåäëîæåíèå 5.8. Äâå ïðÿìûå 1l è 2l íà ïëîñêîñòè çàäàííûå

îáùèìè óðàâíåíèÿìè 0111 =++ CyBxA è 0222 =++ CyBxA ïà-

ðàëëåëüíû òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà

λ==2

1

2

1

B

B

A

A(5.27)

è ñîâïàäàþò, åñëè åù¸

λ=2

1

C

C. (5.28)

Åñëè ïðÿìûå 1l è 2l ïàðàëëåëüíû, òî ïàðàëëåëüíû è èõ íà-

ïðàâëÿþùèå âåêòîðû ( )111 ABa ,−r

è ( )222 ABa ,−r

, ò.å. 21 aarr λ= , îò-

Page 125: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

125

êóäà ñðàçó ñëåäóåò (5.27). Åñëè îäíîâðåìåííî âûïîëíåíû óñëî-âèÿ (5.27) è (5.28), òî ó÷èòûâàÿ, ÷òî 0≠λ , ìû èìååì ýêâèâàëåíò-

íûå óðàâíåíèÿ ïðÿìûõ 1l è 2l .

Âîïðîñ î ïàðàëëåëüíîñòè äâóõ ïðÿìûõ 1l è 2l (íàïðàâëÿþ-

ùèõ âåêòîðîâ ( )111 ABa ,−r

è ( )222 ABa ,−r

), ìîæíî ðàññìîòðåòü åù¸

èñïîëüçóÿ ðàâåíñòâî (5.7). Åñëè âûïîëíåíû ðàâåíñòâà (5.27), òî

022

22

22

22

22

11 =−−

λ=−

λλ−=

−−

AB

AB

AB

AB

AB

AB.

Òàêèì îáðàçîì, óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè äâóõ ïðÿìûõ ìîæíîçàïèñàòü â âèäå

022

11 =BA

BA. (5.29)

Çàäà÷à î ïàðàëëåëüíîñòè äâóõ ïðÿìûõ èëè äâóõ ïëîñêîñòåéìîæåò áûòü ðåøåíà è ñ òî÷êè çðåíèÿ òåîðèè ñèñòåì ëèíåéíûõóðàâíåíèé.

Ðàññìîòðèì äâå ïðÿìûå 0111 =++ CyBxA è

0222 =++ CyBxA . Ñîñòàâèì èç íèõ ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíå-

íèé:

111 CyBxA −=+ ,

222 CyBxA −=+ .

Åñëè

022

11 ≠BA

BA,

òî ïî òåîðåìå 3.1 íàøà ñèñòåìà èìååò åäèíñòâåííîå ðåøåíèå (ïðÿ-

ìûå ïåðåñåêàþòñÿ â íåêîòîðîé òî÷êå) ïðè ëþáûõ çíà÷åíèÿõ 1C è

2C .

Åñëè æå

Page 126: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

126

022

11 =BA

BA,

÷òî âîçìîæíî, íàïðèìåð, ïðè ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ñòðîê îïðå-

äåëèòåëÿ, ò.å. åñëè 21 AA λ= è 21 BB λ= , òîãäà ïîëàãàÿ 21 AA λ= è

21 BB λ= ñîñòàâèì ðàñøèðåííóþ ìàòðèöó íàøåé ñèñòåìû:

+λ−

−λλ

−−λλ

−−

12

122

222

122

222

111

00 CC

CBA

CBA

CBA

CBA

CBA~~ .

 ýòîì ñëó÷àå ðàíã ìàòðèöû êîýôôèöèåíòîâ áóäåò ìåíüøåäâóõ, òîãäà nr < è ïî òåîðåìå Êðîíåêåðà-Êàïåëëè ñèñòåìà áóäåò

ñîâìåñòíîé è íåîïðåäåë¸ííîé (ïðÿìûå ñîâïàäàþò) åñëè 21 CC λ= è

áóäåò íåñîâìåñòíîé (ïðÿìûå ïàðàëëåëüíû), åñëè 21 CC λ≠ .

Ðàññìîòðèì òåïåðü äâå ïëîñêîñòè 01111 =+++ DzCyBxA è

02222 =+++ DzCyBxA . Ïîëîæèì 21 AA λ= , 21 BB λ= , 21 CC λ=è ñîñòàâèì ñèñòåìó óðàâíåíèé

1111 DzCyBxA −=++ ,

2222 DzCyBxA −=++ .

Ðàñøèðåííàÿ ìàòðèöà äàííîé ñèñòåìû ïðè ñäåëàííûõ âûøåïðåäïîëîæåíèÿõ ëåãêî ìîæåò áûòü ïðèâåäåíà ê âèäó

+λ−

−λλλ

12

1222

000 DD

DCBA,

àíàëèç êîòîðîé ëåãêî äà¸ò ïðèâåä¸ííûå âûøå óñëîâèÿ ïàðàëëåëü-íîñòè è ñîâïàäåíèÿ äâóõ ïëîñêîñòåé.

Page 127: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

127

5.6. Óðàâíåíèå ïðÿìîé â ïðîñòðàíñòâå

 ïðåäëîæåíèè 5.7 ìû óñòàíîâèëè óñëîâèÿ ïàðàëëåëüíîñòèèëè ñîâïàäåíèÿ äâóõ ïëîñêîñòåé

022

11

22

11

22

11 === BA

BA

AC

AC

CB

CB. (5.26)

Åñëè óñëîâèå (5.26) íå âûïîëíåíî, ò.å. õîòÿ áû îäèí èç îïðå-äåëèòåëåé îòëè÷åí îò íóëÿ, ÷òî ðàâíîñèëüíî çàïèñè

022

11

22

11

22

11 ≠++ 222

BA

BA

AC

AC

CB

CB, (5.30)

òî ïëîñêîñòè çàäàííûå óðàâíåíèÿìè

01111 =+++ DzCyBxA ,

02222 =+++ DzCyBxA (5.31)

îïðåäåëÿþò ïðÿìóþ, êàê ëèíèþ ïåðåñå÷åíèÿ äâóõ ïëîñêîñòåé.Òàêèì îáðàçîì, ñèñòåìó óðàâíåíèé (5.31) ìû ìîæåì ðàññìàò-

ðèâàòü êàê óðàâíåíèå ïðÿìîé ëèíèè â ïðîñòðàíñòâå ïðè âûïîëíå-íèè óñëîâèÿ (5.29).

Âûÿñíèì ãåîìåòðè÷åñêèé ñìûñë îáùåãî ðåøåíèÿ ñèñòåìû(5.31) ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ (5.30).  ýòîì ñëó÷àå ðàíã ñèñòå-ìû ðàâåí 2 è îáùåå ðåøåíèå áóäåò ñîñòîÿòü èç ÷àñòíîãî ðåøåíèÿñèñòåìû è ôóíäàìåíòàëüíîãî ðåøåíèÿ å¸ ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìû.

×àñòíîå ðåøåíèå ìû ìîæåì ïîëó÷èòü ïîëîæèâ â (5.31) 0=z ,òîãäà (5.31) ïðèìåò âèä

0111 =++ DyBxA ,

0222 =++ DyBxA .

 ñèëó (5.30) îïðåäåëèòåëü

022

11 ≠ BA

BA

è ïî ïðàâèëó Êðàìåðà ìû ìîæåì íàéòè åäèíñòâåííîå ðåøåíèåíîâîé ñèñòåìû

Page 128: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

128

22

11

22

11

0

BA

BA

BD

BD

x−−

= è

22

11

22

11

0

BA

BA

DA

DA

y−−

=. (5.32)

Òî÷êó ( )0000 ,, yxM ìû ìîæåì ïðèíÿòü çà íà÷àëüíóþ òî÷êó

ïðÿìîé (5.31). Ôóíäàìåíòàëüíîå ðåøåíèå ïðèâåä¸ííîé ñèñòåìûïðè 1=z ìû ìîæåì ïðèíÿòü â êà÷åñòâå íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðàïðÿìîé.

Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïëîñêîñòè (5.31) èìåþò íîðìàëüíûå âåê-

òîðû ( )1111 CBAn ,,r

è ( )2222 CBAn ,,r

, êîòîðûå ïåðïåíäèêóëÿðíû êàê

ñîîòâåòñòâóþùèì ïëîñêîñòÿì, òàê è ëèíèè ïåðåñå÷åíèÿ ýòèõ ïëîñ-êîñòåé. Âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå íîðìàëüíûõ âåêòîðîâ åñòü âåê-òîð ïàðàëëåëüíûé ïðÿìîé (5.31) è â ñîîòâåòñòâèè ñ (4.46) ìû ìî-æåì íàïèñàòü:

[ ]22

11

22

11

22

11

222

11121BA

BAk

CA

CAj

CB

CBi

CBA

CBA

kji

nna ⋅+⋅−⋅===rrr

rrr

rrr

,.

Ïîìåíÿâ âî âòîðîì îïðåäåëèòåëè ìåñòàìè ñòîëáöû çàïèøåìêîîðäèíàòû íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðà ïðÿìîé â âèäå:

22

11

CB

CB,

22

11

AC

AC,

22

11

BA

BA. (5.33)

Ðàññìîòðèì ïàðàìåòðè÷åñêîå óðàâíåíèå ïðÿìîé (5.2)

.

,

,

ntzz

mtyy

ltxx

+=+=+=

0

0

0

(5.2)

Åñëè íè îäíà èç êîìïîíåíò íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðà ( )nmla ,,r

íå ðàâíà íóëþ ìû ìîæåì ïåðåïèñàòü (5.2) â âèäå

Page 129: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

129

l

xxt 0−= ,

m

yyt 0−= ,

n

zzt 0−=

èëè

n

zz

l

xx 00 −=−,

n

zz

m

yy 00 −=−. (5.34)

Óðàâíåíèÿ (5.34) îïðåäåëÿþò ïðÿìóþ êàê ëèíèþ ïåðåñå÷å-íèÿ äâóõ ïëîñêîñòåé, ïåðâàÿ èç êîòîðûõ ïàðàëëåëüíà îñè îðäè-íàò (â íå¸ íå âõîäèò ïåðåìåííàÿ y ), âòîðàÿ ïàðàëëåëüíà îñè àáñ-öèññ (â íå¸ íå âõîäèò ïåðåìåííàÿ x ).

Óðàâíåíèÿ (5.34) ìîæíî çàïèñàòü â áîëåå ñèììåòðè÷íîìâèäå,

n

zz

m

yy

l

xx 000 −=−=−. (5.35)

Åñëè îäíà èç êîìïîíåíò íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðà ðàâíà

íóëþ, íàïðèìåð, 0=l , òîãäà íàäî ïîëîæèòü 0xx = è óðàâíåíèå

ïðÿìîé ïðèìåò âèä

0xx = , n

zz

m

yy 00 −=−. (5.36)

Äàííàÿ ïðÿìàÿ ëåæèò â ïëîñêîñòè 0xx = , ò.å. ïàðàëëåëüíà

ïëîñêîñòè 0=x . Àíàëîãè÷íî çàïèøóòñÿ óðàâíåíèÿ ïðÿìîé (5.36),åñëè íóëþ áóäåò ðàâíà äðóãàÿ êîìïîíåíòà íàïðàâëÿþùåãî âåê-òîðà, ò.å. åñëè 0=m èëè 0=n .

Åñëè íóëþ ðàâíû îäíîâðåìåííî äâå êîìïîíåíòû íàïðàâëÿ-þùåãî âåêòîðà, íàïðèìåð, 0== ml , òî óðàâíåíèå ïðÿìîé ïðè-ìåò âèä

0xx = , 0yy = . (5.37)

Ýòà ïðÿìàÿ ïàðàëëåëüíà îñè àïïëèêàò - îñè Oz . Îñòàëüíûå

âàðèàíòû ( 0== nl è 0== mn ) çàïèøóòñÿ àíàëîãè÷íî.

9 À.À. Êèðñàíîâ

Page 130: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

130

5.7. Ïðÿìàÿ íà ïëîñêîñòè. Îñíîâíûå çàäà÷è

Çàäà÷à 1. Ñôîðìóëèðîâàòü óñëîâèÿ ïàðàëëåëüíîñòè è ñîâïàäåíèÿ

äâóõ ïðÿìûõ

1. Åñëè ïðÿìûå çàäàíû óðàâíåíèÿìè â îáùåì âèäå (5.7)

0111 =++ CyBxA è 0222 =++ CyBxA

ìû ìîæåì âîñïîëüçîâàòüñÿ ïðåäëîæåíèåì 5.8, â êîòîðîì ãîâî-ðèòñÿ, ÷òî ïðÿìûå ïàðàëëåëüíû, åñëè

2

1

2

1

B

B

A

A = (5.38)

è ñîâïàäàþò, åñëè

2

1

2

1

2

1

C

C

B

B

A

A == . (5.39)

2. Åñëè ïðÿìûå çàäàíû ïðèâåä¸ííûìè óðàâíåíèÿìè (5.9)

11 bxky += è 22 bxky += ,

òî óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè ïðÿìûõ ñâîäèòüñÿ ê ðàâåíñòâó óãëî-âûõ êîýôôèöèåíòîâ, ò.å.

21 kk = , (5.40)

à óñëîâèÿ èõ ñîâïàäåíèÿ ñâîäÿòñÿ ê ðàâåíñòâàì

21 kk = è 21 bb = . (5.41)

3. Åñëè ïðÿìûå çàäàíû âåêòîðíûìè óðàâíåíèÿìè (5.15) èëè(5.16)

( ) 011 =− nrrrrr

, è ( ) 022 =− nrrrrr

,

èëè

( ) 011 =+ Cnrrr

, è ( ) 022 =+ Cnrrr

, ,

òî óñëîâèå ïàðàëëåëüíîñòè ïðÿìûõ ñâîäèòñÿ ê ïàðàëëåëüíîñòèèõ íîðìàëüíûõ âåêòîðîâ (ïðåäëîæåíèå 4.2), ò.å.

21 nnrr λ= , (5.42)

à óñëîâèÿ èõ ñîâïàäåíèÿ ñâîäÿòñÿ ê ðàâåíñòâàì

Page 131: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

131

21 nnrr

λ= , 21 rrrr

= èëè 21 nnrr

λ= , 21 CC = . (5.43)

Çàäà÷à 2. Íàéòè òî÷êó ïåðåñå÷åíèÿ äâóõ ïðÿìûõ

 êàêîì áû âèäå íå áûëè çàäàíû óðàâíåíèÿ ïðÿìûõ ìû âñå-

ãäà ñìîæåì ïðèâåñòè ýòè óðàâíåíèÿ ê îáùåìó âèäó (5.7), ïîýòî-ìó áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî óðàâíåíèÿ ïðÿìûõ è çàäàíû â âèäå (5.7)

0111 =++ CyBxA ,

0222 =++ CyBxA .

Òàê êàê â ýòîì ñëó÷àå îïðåäåëèòåëü ñèñòåìû óðàâíåíèé

022

11 ≠=∆BA

BA,

ìû ìîæåì âîñïîëüçîâàòüñÿ ïðàâèëîì Êðàìåðà (ñì. (3.10)):

22

11

BC

BCx −

−=∆ ,

22

11

CA

CAy −

−=∆ . (5.44)

Òî÷êà ïåðåñå÷åíèÿ ïðÿìûõ áóäåò èìåòü êîîðäèíàòû

∆∆= xx0 è

∆∆

= yy0 . (5.45)

Çàäà÷à 3. Íàéòè óãîë ìåæäó äâóìÿ äàííûìè ïðÿìûìè

Ïîä óãëîì ϕ ìåæäó äâóìÿ ïðÿìûìè 1l è 2l , ðàññìàòðèâàå-

ìûìè èìåííî â òàêîì ïîðÿäêå, áóäåì ïîíèìàòü óãîë, íà êîòîðûé

íàäî ïîâåðíóòü ïðÿìóþ 1l ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè äî å¸ ñîâïàäå-

íèÿ ñ ïðÿìîé 2l (ðèñ. 5.5).

Ïóñòü íà ïëîñêîñòè çàäàíû äâå ïðÿìûå 1l è 2l

0111 =++ CyBxA ,

0222 =++ CyBxA .

1. ×òîáû íàéòè óãîë ìåæäó äâóìÿ ïðÿìûìè íà ïëîñêîñòè,

9*

Page 132: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

132

ìû ìîæåì âçÿòü èõ íàïðàâëÿþùèå âåê-

òîðû ( )111 ABa ,−r

, ( )222 ABa ,−r

è âû÷èñ-

ëèòü êîñèíóñ óãëà ìåæäó íèìè, èñïîëü-çóÿ ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå (4.29)

( ) ϕ⋅⋅= cos, 2121 aaaarrrr

.

Èñïîëüçóÿ ôîðìóëû (4.36) è (4.37)ïîëó÷èì

22

22

21

21

2121

BABA

BBAA

+⋅+

+=ϕcos . (5.46)

Åñëè 2π=ϕ , òî 0=ϕcos , òîãäà

02121 =+ BBAA , (5.47)

÷òî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê óñëîâèå ïåðïåíäèêóëÿðíîñòè äâóõ

ïðÿìûõ íà ïëîñêîñòè.

2. Óãîë ìåæäó ïðÿìûìè 1l è 2l ìîæíî îïðåäåëèòü, åñëè âîñ-

ïîëüçîâàòüñÿ ôîðìóëîé (5.10) è ðèñ. 5.6

B

Atgk −=ϕ= . (5.10)

Ïóñòü 1ϕ è 2ϕ - óãëû íàêëîíà

ïðÿìûõ 1l è 2l ê îñè Ox , òîãäà, êàê

ýòî ñëåäóåò èç ðèñ. 5.6,

12 ϕ−ϕ=ϕè

( )21

1212 1 ϕ⋅ϕ+

ϕ−ϕ=ϕ−ϕ=ϕtgtg

tgtgtgtg . (5.48)

Ïîäñòàâëÿÿ

Ðèñ. 5.5.

y

x

ϕ

2l

1l

Î

Ðèñ. 5.6.

2ϕ1ϕ

y

x

ϕ

2l1l

Î

Page 133: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

133

1

11

B

Atg −=ϕ è

2

22

B

Atg −=ϕ

â (5.48) ïîëó÷èì

2121

1221

2

2

1

1

2

2

1

1

1 BBAA

BABA

B

A

B

A

B

A

B

A

tg+−=

⋅+

+−=ϕ

èëè

2121

1221

BBAA

BABAtg

+−=ϕ . (5.49)

Åñëè ïðÿìûå çàäàíû â ïðèâåä¸ííîì âèäå

11 bxky += è 22 bxky += ,

òîãäà ïîäñòàâëÿÿ

11 ϕ= tgk è 22 ϕ= tgk

â (5.48) ïîëó÷èì

21

12

1 kk

kktg

⋅+−=ϕ . (5.50)

Åñëè 2π=ϕ , òî ϕtg íå ñóùåñòâóåò è íàì ñëåäóåò ïîëîæèòü

01 21 =+ kk ,

îòêóäà

12

1k

k −= (5.51)

åñòü óñëîâèå ïåðïåíäèêóëÿðíîñòè ïðÿìûõ çàäàííûõ â ïðèâåä¸ííîì âèäå.

Çàäà÷à 4. Óðàâíåíèå ïðÿìîé â îòðåçêàõ

Ðàññìîòðèì îáùåå óðàâíåíèå ïðÿìîé íà ïëîñêîñòè

0=++ CByAx .

Page 134: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

134

Âûïîëíèì î÷åâèäíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ äàííîãî óðàâíåíèÿ:

CByAx −=+ ,

A

xAx

1=

, B

yBy

1=

,

C

B

y

A

x −=+11

èëè 1=−−=−+− C

C

B

C

y

A

C

x.

Ââåä¸ì îáîçíà÷åíèÿ:

aA

C =− , bB

C =−

è ïîäñòàâèì ýòè çíà÷åíèÿ â ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî, òîãäà ïîëó÷èì

1=+b

y

a

x(5.52)

òàê íàçûâàåìîå óðàâíåíèå ïðÿìîé â îòðåçêàõ.Âåëè÷èíû a è b , êàê ýòî ñëåäóåò èç

ðèñ.5.7, åñòü îòðåçêè îòñåêàåìûå ïðÿìîé íà êî-îðäèíàòíûõ îñÿõ.

Çàäà÷à 5. Ðàçáèåíèå ïëîñêîñòè íà äâå ïîëóïëîñêîñòè

Ïóñòü íàì äàíà ïðÿìàÿ l è îïðåäå-

ë¸ííûé å¸ íîðìàëüíûé âåêòîð nr . Ïîëó-

ïëîñêîñòüþ, îïðåäåëÿåìîé ïðÿìîé l è å¸

íîðìàëüíûì âåêòîðîì nr , áóäåì íàçûâàòü

ìíîæåñòâî òî÷åê (ðèñ. 5.8) M òàêèõ, ÷òî

äëÿ íåêîòîðîé òî÷êè 0M íà ïðÿìîé âåê-

òîð MM0 ñîñòàâëÿåò ñ n

r óãîë, íå ïðåâûøàþùèé 2π

.

Åñëè rr - ðàäèóñ-âåêòîð òî÷êè M , à 0r

r

- òî÷êè 0M , òî îïðåäå-

Ðèñ. 5.7.

b

a

l

y

0M

Mnr

ϕ

Ðèñ. 5.8.

l

Page 135: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

135

ëåíèå ïîëóïëîñêîñòè ýêâèâàëåíòíî íåðàâåíñòâó

( ) 00 ≥− nrrrrr

, (5.53)

èëè

0≥++ CByAx . (5.54)îáà ýòè íåðàâåíñòâà ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê óðàâíåíèÿ ïî-

ëîæèòåëüíîé ïîëóïëîñêîñòè.Ïðÿìàÿ l è íîðìàëüíûé âåêòîð n

r− çàäàþò äðóãóþ ïîëó-ïëîñêîñòü ñ óðàâíåíèåì

( ) 00 ≤− nrrrrr

, èëè 0≤++ CByAx . (5.55)

Ýòó ïîëóïëîñêîñòü ìû íàçîâ¸ì îòðèöàòåëüíîé ïîëóïëîñ-

êîñòüþ. Çàìåòèì îäíàêî, ÷òî òàêîå ðàçáèåíèå óñëîâíî - îíî îï-ðåäåëåíî íàïðàâëåíèåìíîðìàëüíîãî âåêòîðà n

r .Èçìåíåíèå íàïðàâëåíèÿýòîãî âåêòîðà ðàâíîñèëüíîóìíîæåíèþ óðàâíåíèÿ ïðÿ-ìîé íà (-1). Ïðè ýòîì ïî-ëîæèòåëüíàÿ ïîëóïëîñ-êîñòü ñòàíîâèòñÿ îòðèöà-òåëüíîé, è íàîáîðîò.

Ìû âèäèì, ÷òî âûáîð îäíîãî èç óðàâíåíèé ïðÿìîé âûäåëÿ-åò îäíó, ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóïëîñêîñòü è òåì ñàìûì îïðåäå-ëÿåò îðèåíòàöèþ ïðÿìîé.

Çàìåòèì, ÷òî åñëè òî÷êà ( )0000 zyxM ,, ëåæèò íà ïðÿìîé

0=++ CByAx ,

òî òî÷êà ñ êîîðäèíàòàìè ( )ByAx ++ 00 , ëåæèò â ïîëîæèòåëü-

íîé ïîëóïëîñêîñòè, òàê êàê ïîäñòàâèâ ýòè êîîðäèíàòû â óðàâ-íåíèå ïðÿìîé ïîëó÷èì

( ) ( ) ( ) 0220000 >++++=++++ BACByAxCByBAxA .

Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî íîðìàëüíûé âåêòîð ( )BAn ,r

íàïðàâ-

ëåí â ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóïëîñêîñòü è ñîñòàâëÿåò ñ íàïðàâëÿ-

þùèì âåêòîðîì ( )ABa ,−r

ïðàâóþ ïàðó âåêòîðîâ (ñì. ðèñ. 5.9).

Ðèñ. 5.9.

0<++ CByAx

0>++ CByAx 0=++

CBy

Axnr

ar

Page 136: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

136

Çàäà÷à 6. Íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïðÿìîé

Ðàññìîòðèì îáùåå óðàâíåíèå ïðÿìîé

0=++ CByAx , (5.7)

ñ íîðìàëüíûì âåêòîðîì ( )BAn ,r

. Åñëè âåêòîð nr íîðìèðîâàí, òî

122 =+= BAnr

.

 ýòîì ñëó÷àå èç ðèñ. 5.10 ìû âè-äèì, ÷òî

α= cosA , α= sinB , (5.56)

ãäå α - óãîë íàêëîíà âåêòîðà nr ê îñè

Ox .Ïåðåïèøåì óðàâíåíèå ïðÿìîé

(5.7) ñ ó÷¸òîì (5.56)

0=−α+α pyx sincos , (5.57)ãäå

0>−= Cp . (5.58)Óðàâíåíèå ïðÿìîé âèäà (5.57) áóäåì íàçûâàòü íîðìàëüíûì

óðàâíåíèåì ïðÿìîé. âåêòîðíîé ôîðìå íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïðÿìîé èìååò âèä:

( ) 0=− prnrr

, èëè ( ) prn =rr

, , (5.59)

òàê êàê

jBiAnrr

r += , jyixrrr

r +=è ïîäñòàâëÿÿ ýòè çíà÷åíèÿ â (5.59) è ó÷èòûâàÿ (5.58) ïîëó÷èì

( ) ( ) 0=++=−++=− CByAxpjyixjBiAprnrrrr

rr

,, .

Åñëè 1≠nr

, òî äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðèâåñòè óðàâíåíèå ïðÿìîé

(5.7) ê íîðìàëüíîìó âèäó íàäî óìíîæèòü åãî íà íîðìèðóþùèé

ìíîæèòåëü

nr

αl

y

xÎÐèñ. 5.10.

Page 137: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

137

22

1

BA +±=λ . (5.60)

äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè áóäåì òàê âûáèðàòü çíàê ïåðåä ðàäèêàëîì,÷òîáû ïðîèçâåäåíèå Cλ áûëî îòðèöàòåëüíîé âåëè÷èíîé, ò.å.

áóäåì áðàòü çíàê ( )+ åñëè 0<C è ( )− åñëè 0>C .

Âûÿñíèì ãåîìåòðè÷åñêèé ñìûñë âåëè÷èíû p â íîðìàëüíîìóðàâíåíèè ïðÿìîé (5.57).  ýòîì ñëó÷àå

íîðìàëüíûé âåêòîð åñòü ( )αα sin,cosnr

. Ïå-

ðåíåñ¸ì ýòîò âåêòîð â íà÷àëî êîîðäèíàò(ðèñ. 5.11), òîãäà, ïðè ñîáëþäåíèè óñëîâèéîòíîñèòåëüíî âûáîðà çíàêà ó p âåêòîð n

r

áóäåò îáðàù¸í â ñòîðîíó ïðÿìîé è

OKp = åñòü äëèíà ïåðïåíäèêóëÿðà, îïó-

ùåííîãî èç íà÷àëà êîîðäèíàò íà ïðÿìóþ.

Ïóñòü ( )yxM , ïðîèçâîëüíàÿ òî÷êà,

ëåæàùàÿ íà ïðÿìîé l , òîãäà OK åñòü ïðîåêöèÿ âåêòîðà OM

íà íîðìàëüíûé âåêòîð nr . Ó÷èòûâàÿ, ÷òî âåêòîð n

r íîðìèðîâàí,

ò.å. 1=nr

, íà îñíîâàíèè (4.40) çàïèøåì

( ) ( ) α+α==⋅== sincos,,

ÏÐ yxnOMnn

nOMOMOK n

rr

r

r

r

2 . (5.61)

Çäåñü ó÷òåíî, ÷òî

jyixOMrr

+= , à jinrr

r ⋅α+⋅α= sincos .

Ñðàâíèâàÿ (5.61) ñ (5.57) ïîëó÷èì

pyxOK =α+α= sincos . (5.62)

Èòàê, p åñòü ðàññòîÿíèå îò íà÷àëà êîîðäèíàò äî ïðÿìîé.

Ðèñ. 5.11.

M

Knr

l

y

Page 138: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

138

Çàäà÷à 7. Ðàññòîÿíèå îò òî÷êè äî ïðÿìîé

Íàì òðåáóåòñÿ îïðåäå-ëèòü (ðèñ. 5.12) ðàññòîÿíèå îò

íåêîòîðîé òî÷êè ( ) lYXM ∉,

äî ïðÿìîé l , çàäàííîé îäíèìèç èçâåñòíûõ íàì óðàâíåíèé.

1. Êàê âèäíî èç ðèñ. 5.12ðàññòîÿíèå h îò òî÷êè M äî

ïðÿìîé l åñòü ìîäóëü ïðîåê-

öèè âåêòîðà 00 rRMMr

r

−= íà

íîðìàëüíûé âåêòîð ïðÿìîé nr .

Èñïîëüçóÿ (4.40) ìû ìîæåì çà-

ïèñàòü âûðàæåíèå äëÿ ïðîåêöèè âåêòîðà ( )0rRr

r

− íà íîðìàëüíûé

âåêòîð ïðÿìîé nr

( ) ( )n

n

nrRrRn

r

r

rr

r

r

r

r ⋅−=−20

0,

Ïð . (5.63)

Ó÷èòûâàÿ, ÷òî

0nn

n r

r

r

= è 10 =nr

(5.64)

íàïèøåì ôîðìóëó äëÿ îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèÿ îò òî÷êè M äîïðÿìîé l

( ) ( )n

nrRrRh n r

r

r

r

r

r

,Ïð

0

0

−=−= . (5.65)

Çàìåòèì, ÷òî âûðàæåíèå ( )nrRrr

r

,0− ïîëó÷àåòñÿ èç âåêòîðíî-

ãî óðàâíåíèÿ ïðÿìîé

( ) 00 =− nrrrrr

, (5.15)

åñëè â íåãî âìåñòî òåêóùåãî ðàäèóñ-âåêòîðà rr ïîäñòàâèòü ðàäè-

Ðèñ. 5.12.

NK ′

K

0rr

Rr

nr

0M

M

ar

l

y

x

h

Î

Page 139: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

139

óñ-âåêòîð Rr

äàííîé òî÷êè ( )YXM , .

 ýòîì ñëó÷àå áóäåò âûïîëíåíî óñëîâèå (5.53)

( ) 00 >− nrRrr

r

, ,

åñëè òî÷êà ( )YXM , è íîðìàëüíûé âåêòîð nr ëåæàò â îäíîé ïîëó-

ïëîñêîñòè, è óñëîâèå (5.55)

( ) 00 <− nrRrr

r

, ,

åñëè òî÷êà ( )YXM , è íîðìàëüíûé nr âåêòîð ëåæàò â ðàçíûõ ïî-

ëóïëîñêîñòÿõ.

Èòàê, äëÿ òîãî, ÷òîáû íàéòè ðàññòîÿíèå îò òî÷êè ( )YXM ,

äî ïðÿìîé l çàäàííîé âåêòîðíûì óðàâíåíèåì (5.15), íàäî â ëåâóþ

÷àñòü ýòîãî óðàâíåíèÿ âìåñòî òåêóùåãî ðàäèóñ-âåêòîðà rr

ïîä-

ñòàâèòü ðàäèóñ-âåêòîð Rr

äàííîé òî÷êè ( )YXM , è ïîëó÷åííûé

ìîäóëü ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ïîäåëèòü íà ìîäóëü íîðìàëüíîãî

âåêòîðà nr

ïðÿìîé l .2. Åñëè ïðÿìàÿ çàäàíà âåêòîðíûì óðàâíåíèåì

[ ] O=− arrrrr

,0 , (5.23)

òî ðàññòîÿíèå îò òî÷êè ( )YXM , äî ïðÿìîé l ìîæíî îïðåäåëèòü

(ñì. ðèñ. 5.12) èç ñîîòíîøåíèÿ

[ ]a

arR

a

Sh

r

r

r

r

,0−== . (5.66)

Çäåñü [ ]arRSrr

r

,0−= - ïëîùàäü ïàðàëëåëîãðàììà ïîñòðîåí-

íîãî íà âåêòîðàõ 00 rRMM −=

r

è ar .

Òàêèì îáðàçîì ìû âèäèì, ÷òî äëÿ òîãî, ÷òîáû íàéòè ðàñ-

ñòîÿíèå îò òî÷êè ( )YXM , äî ïðÿìîé l çàäàííîé âåêòîðíûì óðàâ-

íåíèåì (5.23), íàäî â äàííîå óðàâíåíèå ïðÿìîé âìåñòî òåêóùåãî

ðàäèóñ-âåêòîðà rr

ïîäñòàâèòü äàííûé ðàäèóñ âåêòîð Rr

òî÷êè

Page 140: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

140

( )YXM , è ïîëó÷åííûé ìîäóëü âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ ïîäåëèòü

íà ìîäóëü íàïðàâëÿþùåãî âåêòîðà ar

ïðÿìîé l .3. Ïóñòü ïðÿìàÿ çàäàíà íîðìàëüíûì óðàâíåíèåì

0=−α+α pyx sincos . (5.57)Èç ðèñ. 5.13 ñëåäóåò, ÷òî ìîäóëü ïðîåêöèè ðàäèóñ-âåêòîðà

Rr

íà íîðìàëüíûé íîðìèðîâàííûé âåêòîð nr åñòü

( )phYXn

n

nRRn +=α+α=⋅= sincos

,ÏÐ

r

r

r

r

r

r

2 ,

îòêóäà

pYXh −α+α= sincos . (5.67)

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî

jYiXRrrr

+= , jinrr

r ⋅α+⋅α= sincos ,

1=nr

.

Òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íàéòè

ðàññòîÿíèå îò òî÷êè ( )YXM , äî ïðÿ-

ìîé l , çàäàííîé â íîðìàëüíîì âèäå

(5.57), íàäî â ýòî óðàâíåíèå ïîäñòà-

âèòü êîîðäèíàòû äàííîé òî÷êè è ìî-

äóëü ïîëó÷åííîé âåëè÷èíû ïðèíÿòü çà èñêîìîå ðàññòîÿíèå.4. Ïóñòü ïðÿìàÿ l çàäàíà â îáùåì âèäå

0=++ CByAx . (5.7)Äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è ìû ìîæåì ïðèâåñòè äàí-

íîå óðàâíåíèå ê íîðìàëüíîìó âèäó, óìíîæèâ åãî íà íîðìèðóþ-ùèé ìíîæèòåëü

22

1

BA +±=λ (5.60)

è ïîäñòàâèâ âìåñòî òåêóùèõ êîîðäèíàò yx, êîîðäèíàòû äàííîé

òî÷êè ( )YXM , . Âûïîëíèâ óêàçàííûå ïðåîáðàçîâàíèÿ, ïîëó÷èì

Ðèñ. 5.13.

l

Rr

N

K

h

pnr

( )YXM ,

O

y

x

Page 141: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

141

22 BA

CBYAXh

+

++= . (5.68)

Òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íàéòè ðàññòîÿíèå îò òî÷êè ( )YXM ,

äî ïðÿìîé l , çàäàííîé â îáùåì âèäå (5.7), íàäî â ýòî óðàâíåíèå ïîä-

ñòàâèòü êîîðäèíàòû äàííîé òî÷êè è ìîäóëü ïîëó÷åííîé âåëè÷èíû

ðàçäåëèòü íà ìîäóëü íîðìàëüíîãî âåêòîðà äàííîé ïðÿìîé.

Çàìå÷àíèå. Åñëè ïðè îïðåäåëåíèè ðàññòîÿíèÿ îò òî÷êè äî ïðÿ-ìîé íàñ áóäåò èíòåðåñîâàòü âîïðîñ î òîì â êàêîé ïîëóïëîñêîñòèðàñïîëîæåíà äàííàÿ òî÷êà, ïîëîæèòåëüíîé èëè îòðèöàòåëüíîé,ìû äîëæíû â ôîðìóëàõ (5.65), (5.66), (5.67) è (5.68) óáðàòü çíàêìîäóëÿ. Òîãäà ïîëîæèòåëüíîå çíà÷åíèå h áóäåò ãîâîðèòü î òîì,÷òî òî÷êà M íàõîäèòñÿ â ïîëîæèòåëüíîé ïîëóïëîñêîñòè, îò-ðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå h ãîâîðèò î òîì, ÷òî òî÷êà M íàõîäèòñÿâ îòðèöàòåëüíîé ïîëóïëîñêîñòè.

Çàäà÷à 8. Îòíîøåíèå, â êîòîðîì äàííàÿ ïðÿìàÿ äåëèò îòðåçîê,

ñîåäèíÿþùèé äâå äàííûå òî÷êè

Îãðàíè÷èìñÿ ñëó÷àåì êîãäà ïðÿìàÿ l äàíà â îáùåì âèäå

0=++ CByAx , (5.7),òàê êàê ìû ìîæåì ëþáîå óðàâíåíèå ïðÿìîé ïðèâåñòè ê îáùåìóâèäó.

Ïóñòü òî÷êè ( )111 yxM , è ( )222 yxM , - êîíöû äàííîãî îòðåçêà

21MM è ( )yxM , - òî÷êà ïåðåñå÷åíèÿ îòðåçêà 21MM ñ äàííîé ïðÿ-

ìîé (ðèñ. 5.14).

 ñîîòâåòñòâèè ñ (4.6), ïîëîæèâ k=µλ , ìû ìîæåì çàïèñàòü

kMM

MM =2

1. (5.69)

Page 142: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

142

Çàìåòèì, ÷òî 0>k , åñëè òî÷êà

M ëåæèò âíóòðè îòðåçêà 21MM è

0<k , åñëè òî÷êà M ëåæèò âíå îò-

ðåçêà 21MM .

Èç ïîäîáíûõ òðåóãîëüíèêîâ

11NMM è 22NMM ñðàçó ñëåäóåò,

÷òî

2

1

h

hk −= . (5.70)

Çíàê (-) ïåðåä äðîáüþ âçÿò ïîòîìó, ÷òî åñëè òî÷êè 1M è 2M

ëåæàò â ðàçíûõ ïîëóïëîñêîñòÿõ, âåëè÷èíû 1h è 2h áóäóò ðàçíûõ

çíàêîâ, òîãäà êàê k â ýòîì ñëó÷àå áóäåò ïîëîæèòåëüíûì. Åñëè

æå òî÷êè 1M è 2M áóäóò ëåæàòü â îäíîé ïîëóïëîñêîñòè, çíàêè ó

1h è 2h áóäóò ñîâïàäàòü, íî òîãäà k áóäåò èìåòü îòðèöàòåëüíîå

çíà÷åíèå.

Ïîäñòàâëÿÿ â (5.70) âìåñòî 1h è 2h èõ çíà÷åíèÿ âûðàæåííûå

â ñîîòâåòñòâèè ñ (5.68) ìû ìîæåì îêîí÷àòåëüíî çàïèñàòü

CByAx

CByAxk

++++−=

22

11. (5.71)

Çàäà÷à 9. Ïó÷îê ïðÿìûõ íà ïëîñêîñòè

Îïðåäåëåíèå 5.3. Ïó÷êîì ïðÿìûõ íà ïëîñêîñòè áóäåì íàçûâàòüìíîæåñòâî ïðÿìûõ, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ôèêñèðîâàííóþ òî÷êó

( )000 yxM , íàçûâàåìóþ öåíòðîì ïó÷êà.

Ïðÿìûå

0111 =++ CyBxA ,

0222 =++ CyBxA (5.72)

ïðèíàäëåæàò ïó÷êó, ò.å. èìåþò òî÷êó ïåðåñå÷åíèÿ, åñëè

Ðèñ. 5.14.

M

2h

1h

2M

1M

l

O

y

x

Page 143: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

143

022

11 ≠BA

BA. (5.73)

Ïîêàæåì, ÷òî óðàâíåíèå

( ) ( ) 0222111 =++β+++α CyBxACyBxA (5.74)

ïðè 022 ≠β+α , ïðèíàäëåæèò ïó÷êó è ìîæåò áûòü âçÿòî â êà÷å-

ñòâå óðàâíåíèÿ ïó÷êà ïðÿìûõ.Ïåðåïèøåì óðàâíåíèå (5.74) â âèäå

( ) ( ) ( ) 0212121 =β+α+β+α+β+α CCyBBxAA . (5.75)

Åñëè îäíîâðåìåííî âûïîëíåíû óñëîâèÿ:

021 =β+α AA ,

021 =β+α BB ,

òî äîëæíî áûòü âûïîëíåíî óñëîâèå

022

11 =BA

BA,

ò.å. äàííûå ïðÿìûå ïàðàëëåëüíû, à òàê êàê â ñèëó óñëîâèÿ (5.73)

01221 ≠− BABA ,

òî äîëæíî áûòü 0=β=α , ÷òî ïðîòèâîðå÷èò îïðåäåëåíèþ ïó÷êàïðÿìûõ. Òàêèì îáðàçîì, óðàâíåíèå (5.75) îïðåäåëÿåò ïðÿìóþëèíèþ.

Òàê êàê òî÷êà ( )000 yxM , ÿâëÿåòñÿ öåíòðîì ïó÷êà, å¸ êîîð-

äèíàòû óäîâëåòâîðÿþò óðàâíåíèÿì (5.72)

010101 =++ CyBxA , 020202 =++ CyBxA ,

à ïîòîìó êîîðäèíàòû òî÷êè ( )000 yxM , óäîâëåòâîðÿþò è óðàâíå-

íèþ (5.75), è ïðÿìàÿ ïðîõîäèò ÷åðåç öåíòð ïó÷êà.

Ïîêàæåì òåïåðü, ÷òî ÷åðåç ëþáóþ òî÷êó ( )yxM ′′, , îòëè÷íóþ

îò òî÷êè ( )000 yxM , ïðîõîäèò ïðÿìàÿ âèäà (5.75). Ïîäñòàâèì êî-

îðäèíàòû òî÷êè ( )yxM ′′, â óðàâíåíèÿ (5.72)

Page 144: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

144

uCyBxA =+′+′ 111 , vCyBxA =+′+′ 222 .Òàê êàê ïðÿìûå (5.72) íå ìîãóò èìåòü äâóõ òî÷åê ïåðåñå÷å-

íèÿ, ÷èñëà u è v íå ìîãóò îäíîâðåìåííî áûòü ðàâíûìè íóëþ,

ò.å. 022 ≠+ vu . Ýòî ïîçâîëÿåò íàì ïîëîæèòü v−=α , u=β . Ïðè

òàêèõ çíà÷åíèÿõ α è β êîîðäèíàòû òî÷êè ( )yxM ′′, óäîâëåòâîðÿ-þò óðàâíåíèþ ïó÷êà (5.75).

Åñëè íàì èçâåñòíû êîîðäèíàòû öåíòðà ïó÷êà ( )000 yxM , , òî

óðàâíåíèå ïó÷êà (5.75) ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî â âèäå

( ) ( ) 000 =−β+−α yyxx . (5.76)

Çàäà÷à 10. Óðàâíåíèå ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç äâå òî÷êè (óñëî-

âèå êîëëèíåàðíîñòè òð¸õ òî÷åê)

Ïóñòü íàì äàíû äâå òî÷êè

( )111 yxM , è ( )222 yxM , .  âåêòîðíîìïàðàìåòðè÷åñêîì óðàâíåíèè ïðÿìîé(5.1)

atrrrrr

=− 0 (5.1)ìû, â ñîîòâåòñòâèè ñ ðèñ. 5.15, ìî-æåì ïîëîæèòü

10 rrrr

= , 1221 rrMMarrr

−== ,

òîãäà, èñêîìàÿ ïðÿìàÿ áóäåò çàäàíà ïàðàìåòðè÷åñêèì âåêòîðíûìóðàâíåíèåì

( )trrrr 121rrrr

−=− (5.77)èëè â êîîðäèíàòíîé ôîðìå

( )txxxx 121 −=− ,

( )tyyyy 121 −=− . (5.78)Èñêëþ÷àÿ ïàðàìåòð t èç óðàâíåíèé (5.78), ïîëó÷èì óðàâíå-

íèå èñêîìîé ïðÿìîé â âèäå

12

1

12

1

yy

yy

xx

xx

−−=

−−

. (5.79)

Ðèñ. 5.15.

rr

M

2rr

1rr

2M1M

l

O

y

x

Page 145: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

145

Äëÿ ïðèäàíèÿ óðàâíåíèþ (5.79) áîëåå ñèììåòðè÷íîãî âèäàïåðåïèøåì åãî òàê:

( )( ) ( )( )121121 xxyyyyxx −−=−−èëè

01212

11 =−−−−

yyxx

yyxx. (5.80)

Ïðîñòûì âû÷èñëåíèåì ëåãêî ïðîâåðèòü, ÷òî óðàâíåíèþ(5.80) ìîæíî ïðèäàòü è åù¸ áîëåå ñèììåòðè÷íûé âèä:

0

1

1

1

22

11 =yx

yx

yx

. (5.81)

Çàäà÷à 11. Óðàâíåíèå ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç äàííóþ òî÷êó ïà-

ðàëëåëüíî äàííîé ïðÿìîé

 äàííîé çàäà÷å óäîáíî ïðèâåñòè óðàâíåíèå äàííîé ïðÿìîéê âèäó (5.9)

bkxy += . (5.9)Òîãäà óðàâíåíèå èñêîìîé ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç òî÷êó

( )000 yxM , , áóäåò ñîäåðæàòü òîò æå êîýôôèöèåíò k , â ñèëó ïàðàë-ëåëüíîñòè ïðÿìûõ. Èñïîëüçóÿ (5.11) îêîí÷àòåëüíî çàïèøåì óðàâ-íåíèå èñêîìîé ïðÿìîé â âèäå

( )00 xxkyy −=− . (5.11)

Çàäà÷à 12. Óðàâíåíèå ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç çàäàííóþ òî÷êó

ïîä çàäàííûì óãëîì ê çàäàííîé ïðÿìîé

Ïóñòü íàì çàäàíû (ðèñ. 5.16) ïðÿìàÿ bxky += 1 , òî÷êà

( )000 yxM , è óãîë ϕ , òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ (5.50) ìû ìîæåì äëÿ

óãëîâîãî êîýôôèöèåíòà 2k èñêîìîé ïðÿìîé íàïèñàòü

10 À.À. Êèðñàíîâ

Page 146: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

146

21

12

1 kk

kktgk

+−=ϕ= (5.50)

èëè

ϕ−ϕ+=

tgk

tgkk

1

12 1 . (5.82)

Óðàâíåíèå èñêîìîé ïðÿìîéçàïèøåòñÿ êàê

( )01

10 1

xxtgk

tgkyy −

ϕ−ϕ+=− . (5.83)

Çàìå÷àíèå. Åñëè èñêîìóþ ïðÿìóþ íåîáõîäèìî ïðîâåñòè ÷åðåçäàííóþ òî÷êó ïåðïåíäèêóëÿðíî ê äàííîé ïðÿìîé, òîãäà â ñîîò-âåòñòâèè ñ (5.51) ìû ìîæåì ñðàçó íàïèñàòü

( )01

01

xxk

yy −−=− . (5.84)

Çàäà÷à 13. Óñëîâèå ïåðåñå÷åíèÿ òð¸õ ïðÿìûõ â îäíîé òî÷êå

Ïóñòü íàì äàíû òðè óðàâíåíèÿ ïðÿìûõ, ïðèâåä¸ííûõ ê îá-ùåìó âèäó

0111 =++ CyBxA ,

0222 =++ CyBxA ,

0333 =++ CyBxA .

Åñëè äâå ïåðâûå ïðÿìûå ïåðåñåêàþòñÿ â íåêîòîðîé òî÷êå,òî îíè ïðèíàäëåæàò ïó÷êó (5.74)

( ) ( ) 0222111 =++β+++α CyBxACyBxA . (5.74)

Åñëè òðåòüÿ äàííàÿ ïðÿìàÿ ïðîõîäèò ÷åðåç òî÷êó ïåðåñå÷å-íèÿ ïåðâûõ äâóõ ïðÿìûõ, òî îíà òîæå ïðèíàäëåæèò ïó÷êó ïðÿ-ìûõ (5.74) è ïðè ñîîòâåòñòâóþùåì ïîäáîðå êîýôôèöèåíòîâ α è βóðàâíåíèå (5.74) ïðåäñòàâëÿåò ýòó ïðÿìóþ, ò.å.

( ) ( ) ( )333222111 CyBxAkCyBxACyBxA ++=++β+++α .

Ðèñ. 5.16.

0M

11 bxky +=ϕ

2l

1l

O

y

x

Page 147: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

147

Ïîëàãàÿ γ−=k ïåðåïèøåì ïîñëåäíåå óðàâíåíèå â âèäå

( ) ( ) ( ) 0333222111 =++γ+++β+++α CyBxACyBxACyBxA , (5.85)ãäå

0222 ≠γ+β+α . (5.86)

Ðàñêðûâ ñêîáêè è ïðèâåäÿ ïîäîáíûå, ïåðåïèøåì ïîñëåäíååóðàâíåíèå â âèäå

( ) ( ) ( ) 0321321321 =γ+β+α+γ+β+α+γ+β+α CCCyBBBxAAA .Ïîëó÷åííîå òîæäåñòâî ýêâèâàëåíòíî ðàâåíñòâàì

0321 =γ+β+α AAA ,

0321 =γ+β+α BBB , (5.87)

0321 =γ+β+α CCC . ñîîòâåòñòâèè ñ òåîðåìîé 3.2 (Êðîíåêåðà-Êàïåëëè) ñèñòå-

ìà (5.87) áóäåò èìåòü íåíóëåâîå ðåøåíèå, åñëè

0

321

321

321

=CCC

BBB

AAA

, (5.88)

êîòîðîå ìû ìîæåì ïðèíÿòü â êà÷åñòâå óñëîâèÿ ïåðåñå÷åíèÿ òð¸õäàííûõ ïðÿìûõ â îäíîé òî÷êå.

5.8. Ïðÿìàÿ è ïëîñêîñòü â ïðîñòðàíñòâå.Îñíîâíûå çàäà÷è

Çàäà÷à 14. Óðàâíåíèå ïëîñêîñòè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç òðè òî÷êè

Íàì òðåáóåòñÿ ñîñòàâèòü óðàâíåíèå ïëîñêîñòè ïðîõîäÿùåé

÷åðåç òðè äàííûå òî÷êè ( )1111 zyxM ,, , ( )2222 zyxM ,, , ( )3333 zyxM ,, íåëåæàùèå íà îäíîé ïðÿìîé.

1. Ïðè ðåøåíèè ïîñòàâëåííîé çàäà÷è ìû ìîæåì âîñïîëüçî-âàòüñÿ âåêòîðíûì ïàðàìåòðè÷åñêèì óðàâíåíèåì ïëîñêîñòè (5.4)

10*

Page 148: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

148

qtptrrrrrr

210 ++= , (5.4)ãäå â ñîîòâåòñòâèè ñ ðèñ. 5.17 èðèñ. 5.2 íàäî ïîëîæèòü:

10 rrrr

= ;

1221 rrMMprrr

−== ;

1331 rrMMqrrr

−== .

Âûïîëíèâ óêàçàííóþ ïîä-ñòàíîâêó ïîëó÷èì èñêîìîå óðàâ-íåíèå ïëîñêîñòè

( ) ( )1321211 rrtrrtrrrrrrrr

−+−+= . (5.89)

2. Ãîðàçäî ïðîùå ðåøèòü ýòó çàäà÷ó èñïîëüçóÿ ïîíÿòèå ñìå-

øàííîãî ïðîèçâåäåíèÿ òð¸õ âåêòîðîâ MM1 , 21MM è 31MM (ñì.

ï. 4.7.3). Òàê êàê âñå ýòè âåêòîðû ëåæàò â îäíîé ïëîñêîñòè, èõñìåøàííîå ïðîèçâåäåíèå ðàâíî íóëþ, ò.å.

( ) 031211 =MMMMMM ,, .

Èñïîëüçóÿ (4.58) çàïèøåì èñêîìîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè ââèäå

0

131313

121212

111

=−−−−−−−−−

zzyyxx

zzyyxx

zzyyxx

. (5.90)

Óðàâíåíèþ (5.90) ìîæíî ïðèäàòü áîëåå ñèììåòðè÷íûé âèä(ñì. çàäà÷ó 10):

0

1

1

1

1

333

222

111 =

zyx

zyx

zyx

zyx

. (5.91)

Ðèñ. 5.17.O

z

y

x

3rr

2rr

1rr

rr

3M

2M

1M M

Page 149: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

149

Çàäà÷à 15. Óðàâíåíèå ïëîñêîñòè â îòðåçêàõ

Ðàññìîòðèì îáùåå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè (5.18)

0=+++ DCzByAx . (5.18)

Ïîëàãàÿ 0≠D ïî àíàëîãèè ñ çàäà÷åé 4 âûïîëíèì î÷åâèä-íûå ïðåîáðàçîâàíèÿ äàííîãî óðàâíåíèÿ:

DCzByAx −=++ ,

A

xAx

1=

, B

yBy

1=

, C

zCz

1=

,

D

C

z

B

y

A

x −=++111 èëè

1=−−=

−+

−+

− D

D

C

D

z

B

D

y

A

D

x

.

Ïîëàãàÿ

aA

D =− , bB

D =− , cC

D =−

ïåðåïèøåì ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî â âèäå

1=++c

z

b

y

a

x. (5.92)

Ïîëó÷åííîå óðàâíåíèå íàçûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ïëîñêîñòè â

îòðåçêàõ.

Çàäà÷à 16. Âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå ïðÿìîé è ïëîñêîñòè

1. Ïóñòü ïðÿìàÿ l çàäàíà âåêòîðíûì ïàðàìåòðè÷åñêèì óðàâ-íåíèåì (5.1)

tarrrrr

+= 0 , (5.1)à ïëîñêîñòü π çàäàíà âåêòîðíûì óðàâíåíèåì ïëîñêîñòè (5.13)

( ) 00 =− nrrrrr

, èëè ( ) 00 =− qprrrrrr

,, . (5.13) ýòîì ñëó÷àå íàì èçâåñòåí íàïðàâëÿþùèé âåêòîð ïðÿìîé

( )nmla ,,r

è íîðìàëüíûé âåêòîð ïëîñêîñòè ( )CBAn ,,r

, [ ]qpnrrr

,= .Ïðÿìàÿ ïàðàëëåëüíà ïëîñêîñòè åñëè å¸ íàïðàâëÿþùèé âåê-

Page 150: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

150

òîð ar ïåðïåíäèêóëÿðåí íîðìàëüíîìó âåêòîðó ïëîñêîñòè n

r , ò.å.,åñëè

( ) 0=narr

,

èëè

0=++ CnBmAl . (5.93)

Åñëè ïðè ýòîì íà÷àëüíûé âåêòîð ïðÿìîé 0rr

áóäó÷è ïîä-ñòàâëåííûì â óðàâíåíèå ïëîñêîñòè (5.13) ïðåâðàùàåò åãî â òîæ-äåñòâî, òîãäà íà÷àëüíàÿ òî÷êà ïðÿìîé ëåæèò â äàííîé ïëîñêîñòèè ïðÿìàÿ òîæå ëåæèò â ïëîñêîñòè.

Òàêèì îáðàçîì, ïðÿìàÿ l ëåæèò â ïëîñêîñòè π åñëè îäíî-âðåìåííî âûïîëíåíû óñëîâèÿ

0=++ CnBmAl è 0000 =+++ DCzByAx . (5.94)ßñíî, ÷òî íåâûïîëíåíèå óñëîâèÿ (5.93), ò.å.

0≠++ CnBmAl , (5.95)åñòü óñëîâèå ïåðåñå÷åíèÿ ïðÿìîé è ïëîñêîñòè.

Ïðÿìàÿ l ïåðïåíäèêóëÿðíà ê ïëîñêîñòè π åñëè íàïðàâëÿþ-

ùèé âåêòîð ïðÿìîé ar ïàðàëëåëåí íîðìàëüíîìó âåêòîðó ïëîñêî-

ñòè nr , ÷òî ðàâíîñèëüíî çàïèñè

[ ] θ=narr

, , (5.96)èëè

θ=CBA

nml

kjirrr

. (5.97)

2. Åñëè ïðÿìàÿ l çàäàíà â âèäå

01111 =+++ DzCyBxA ,

02222 =+++ DzCyBxA ,

à ïëîñêîñòü π çàäàíà ñâîèì îáùèì óðàâíåíèåì

0=+++ DCzByAx ,

òîãäà íàïðàâëÿþùèé âåêòîð ïðÿìîé â ñîîòâåòñòâèè ñ (5.33) èìå-åò êîîðäèíàòû

Page 151: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

151

22

11

22

11

22

11

BA

BA

AC

AC

CB

CBa , ,r

,

íîðìàëüíûé âåêòîð ïëîñêîñòè åñòü ( )CBAn ,,r

, è óñëîâèå ïàðàë-ëåëüíîñòè ïðÿìîé è ïëîñêîñòè åñòü

( ) 0=narr

,

èëè

022

11

22

11

22

11 =++BA

BAC

AC

ACB

CB

CBA .

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî åñòü íå ÷òî èíîå êàê

0

222

111 =CBA

CBA

CBA

. (5.98)

Åñëè

0

222

111 ≠=CBA

CBA

CBA

I ,

òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ òåîðåìîé Êðîíåêåðà-Êàïåëëè ñèñòåìàóðàâíåíèé

0=+++ DCzByAx ,

01111 =+++ DzCyBxA ,

02222 =+++ DzCyBxA

èìååò åäèíñòâåííîå ðåøåíèå, òàê êàê ðàíã ìàòðèöû êîýôôèöè-åíòîâ ðàâåí 3 è ÷èñëî íåèçâåñòíûõ òîæå 3 ( 3=RgI , 3=n ) è òðèïëîñêîñòè ïåðåñåêàþòñÿ â îäíîé òî÷êå.

Çàäà÷à 17. Óãîë ìåæäó ïðÿìîé è ïëîñêîñòüþ

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íàì èçâåñòåí íîðìàëüíûé âåêòîð ïëîñ-

êîñòè ( )CBAn ,,r

è íàïðàâëÿþùèé âåêòîð ïðÿìîé ( )nmla ,,r

, òîãäà,

Page 152: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

152

êàê ýòî ñëåäóåò èç ðèñ. 5.18, óãîë ìåæäó

íîðìàëüíûì âåêòîðîì ( )CBAn ,,r

è íà-

ïðàâëÿþùèì âåêòîðîì ( )nmla ,,r

ìîæåòáûòü ïîëó÷åí èç ñêàëÿðíîãî ïðîèçâåäå-íèÿ äàííûõ âåêòîðîâ:

222222 nmlCBA

CnBmAl

++⋅++

++=ψcos .

Òàê êàê

ϕ−π=ψ2

,

òîãäà, ñ ó÷¸òîì òîãî, ÷òî

ψ=ϕ cossin

áóäåò

222222 nmlCBA

CnBmAl

++⋅++

++=ϕsin . (5.99)

Çàäà÷à 18. Óãîë ìåæäó äâóìÿ ïðÿìûìè â ïðîñòðàíñòâå

Åñëè èçâåñòíû íàïðàâëÿþùèå âåêòîðû ïðÿìûõ ( )1111 nmla ,,r

è

( )2222 nmla ,,r

, òî óãîë ϕ ìåæäó ïðÿìûìè åñòü óãîë ìåæäó èõ íà-ïðàâëÿþùèìè âåêòîðàìè è ìû ìîæåì ñðàçó íàïèñàòü, ÷òî

22

22

22

21

21

21

212121

nmlnml

nnmmll

++⋅++

++=ϕcos . (5.100)

Çàäà÷à 19. Ðàçáèåíèå ïðîñòðàíñòâà íà äâà ïîëóïðîñòðàíñòâà

Ðàçáèåíèå ïðîñòðàíñòâà íà äâà ïîëóïðîñòðàíñòâà àíàëîãè÷-íî ðàçáèåíèþ ïëîñêîñòè (çàäà÷à 5) íà äâå ïîëóïëîñêîñòè.

Ïóñòü íàì äàíà ïëîñêîñòü π ñ íîðìàëüíûì âåêòîðîì nr .

Ïîëóïðîñòðàíñòâîì, îïðåäåëÿåìûì ïëîñêîñòüþ π è å¸ íîðìàëü-

Ðèñ. 5.18.

π

l

ψ ϕ

ar

nr

Page 153: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

153

íûì âåêòîðîì nr , áóäåì íàçû-

âàòü ìíîæåñòâî òî÷åê (ðèñ. 5.19)M òàêèõ, ÷òî äëÿ íåêîòîðîé

òî÷êè π∈0M âåêòîð MM0 ñî-

ñòàâëÿåò ñ âåêòîðîì nr óãîë, íå

ïðåâûøàþùèé 2

π.

Åñëè rr - ðàäèóñ-âåêòîð òî÷-

êè M , à 0rr

- ðàäèóñ-âåêòîð òî÷êè

π∈0M , òîãäà îïðåäåëåíèå ïîëó-ïðîñòðàíñòâà ýêâèâàëåíòíî íå-ðàâåíñòâó

( ) 00 ≥− nrrrrr

, (5.101)èëè

0≥+++ DCzByAx . (5.102)Îáà ýòè íåðàâåíñòâà ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü êàê óðàâíå-

íèÿ ïîëîæèòåëüíîãî ïîëóïðîñòðàíñòâà.Î÷åâèäíî, ÷òî ïëîñêîñòü è å¸ íîðìàëüíûé âåêòîð n

r

− çàäà-þò äðóãîå ïîëóïðîñòðàíñòâî ñ óðàâíåíèåì

( ) 00 ≤− nrrrrr

, èëè 0≤+++ DCzByAx . (5.103)Ýòî ïîëóïðîñòðàíñòâî ìû áóäåì íàçûâàòü îòðèöàòåëüíûì

ïîëóïðîñòðàíñòâîì, èìåÿ â âèäó óñëîâíîñòü òàêîãî ðàçáèåíèÿ.Âûáîð êîíêðåòíîãî óðàâíåíèÿ ïëîñêîñòè âûäåëÿåò îäíî ïîëî-æèòåëüíîå ïîëóïðîñòðàíñòâî. Êàê è â çàäà÷å 5 íîðìàëüíûé âåê-òîð ïëîñêîñòè n

r íàïðàâëåí â ïîëîæèòåëüíîå ïîëóïðîñòðàí-

ñòâî è ñîñòàâëÿåò ñ íàïðàâëÿþùèìè âåêòîðàìè ïëîñêîñòè pr

è qr

ïðàâóþ òðîéêó âåêòîðîâ.

Çàäà÷à 20. Íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

Íàì èçâåñòíî, ÷òî äëÿ ëþáîãî îòëè÷íîãî îò íóëåâîãî âåê-

òîðà ( )CBAn ,,r

ìíîæåñòâî âñåõ òî÷åê ( )zyxM ,, , äëÿ êîòîðûõ

Ðèñ. 5.19.( ) 00 <− nrr

rrr

,nr

( ) 00 >− nrrrrr

,nr

() 0

0

=

−n

rr

r

r

r

,

M

ϕ

π

qr

pr

0M

Page 154: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

154

( ) 00 =nMMr

, , (5.104)

ãäå ( )0000 zyxM ,, - íåêîòîðàÿ ôèêñèðîâàííàÿ òî÷êà, ÿâëÿåòñÿ óðàâ-

íåíèåì ïëîñêîñòè, êîòîðîå ìîæíî çàïèñàòü è òàê

( ) ( ) ( ) 0000 =−+−+− zzCyyBxxA . (5.105)

Î âåêòîðå ( )CBAn ,,r

áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî îí îðòîãîíàëåí äàí-íîé ïëîñêîñòè.

Åñëè âåêòîð ( )CBAn ,,r

íîðìèðîâàí, òîãäà

1222 =++ CBA

è åñëè ïðè ýòîì 0≤D , òî óðàâíåíèå (5.104) åñòü íîðìàëüíîå óðàâ-

íåíèå ïëîñêîñòè.

Åñëè 1=nr

, òî

kjinrrr

r

⋅γ+⋅β+⋅α= coscoscos , (5.106)

ãäå γβα ,, - óãëû, îáðàçîâàííûå âåêòîðîì nr ñ îñÿìè êîîðäèíàò.

Ïîäñòàâëÿÿ (5.106) â (5.105) ïîëó÷èì0=−γ+β+α pzyx coscoscos , (5.107)

ãäå Dp =− . âåêòîðíîé ôîðìå íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè èìååò

âèä

( ) 0=− prnrr

, èëè ( ) prn =rr

, . (5.108)

Åñëè ïëîñêîñòü çàäàíà óðàâíåíèåì

0=+++ DczByAx , (5.109)

òî äëÿ ïðèâåäåíèÿ åãî ê âèäó (5.107) íàäî íîðìèðîâàòü âåêòîð nr ,

ò.å. íàäî óðàâíåíèå (5.109) óìíîæèòü íà íîðìèðóþùèé ìíîæè-òåëü

222

1

CBA ++±=µ . (5.110)

Äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè áóäåì âûáèðàòü çíàê (+) åñëè 0<D èçíàê (-) åñëè 0<D .

Ïî àíàëîãèè ñ çàäà÷åé 6 ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî p â óðàâíå-

Page 155: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

155

íèè (5.108) ìîæíî îòîæäåñòâèòü ñ ðàññòîÿíèåì îò íà÷àëà êîîð-äèíàò äî ïëîñêîñòè.

Çàäà÷à 21. Ðàññòîÿíèå îò òî÷êè äî ïëîñêîñòè

Äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåí-íîé çàäà÷è âîñïîëüçóåìñÿ ðå-çóëüòàòàìè çàäà÷è 7 ï.3.

Ïóñòü ïëîñêîñòü çàäàíàíîðìàëüíûì óðàâíåíèåì(5.108).

Èç ðèñ. 5.20 ñëåäóåò, ÷òîìîäóëü ïðîåêöèè ðàäèóñ-âåê-

òîðà Rr

òî÷êè ( )ZYXM ,, íàíîðìàëüíûé íîðìèðîâàííûé

âåêòîð nr åñòü

( )hpZYXn

n

nRRn +=γ+β+α=⋅= coscoscos

,Ïð

r

r

r

r

r

r

2 ,

îòêóäà

pzYXh −γ+β+α= coscoscos èëè ( ) pRnh −=r

r

, (5.111)

Òàêèì îáðàçîì, äëÿ òîãî, ÷òîáû íàéòè ðàññòîÿíèå îò òî÷-

êè ( )ZYXM ,, äî ïëîñêîñòè íàäî â íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïëîñêîñòè

(5.108) ïîäñòàâèòü êîîðäèíàòû äàííîé òî÷êè è ìîäóëü ïîëó÷åí-

íîé âåëè÷èíû ïðèíÿòü çà èñêîìîå ðàññòîÿíèå.Åñëè ïëîñêîñòü çàäàíà â îáùåì âèäå, òîãäà

222 CBA

DCZBYAXh

++

+++= . (5.112)

Çàäà÷à 22. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ñêðåùèâàþùèìèñÿ ïðÿìûìè

Ðàññìîòðèì äâå ñêðåùèâàþùèåñÿ (íå ïàðàëëåëüíûå è íå

èìåþùèå îáùèõ òî÷åê) ïðÿìûå 1l è 2l . Èç ãåîìåòðèè èçâåñòíî,

Rr

N

K

h

p

M

nr

O

z

y

x Ðèñ. 5.20.

Page 156: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

156

÷òî â ýòîì ñëó÷àå ñóùåñòâóþò

äâå ïëîñêîñòè 1π è 2π , òàêèå,÷òî:

11 π∈l , 22 π∈l è 1π ïàðàë-

ëåëüíà 2π .

Ïóñòü óðàâíåíèÿ ïðÿìûõ 1l

è 2l åñòü:

tarr 11rrr

=− è tarr 22rrr

=− ,

òîãäà äëÿ ïëîñêîñòè 1π ïîëîæèì

(ðèñ. 5.21) íà÷àëüíóþ òî÷êó 1rr

è

íàïðàâëÿþùèå âåêòîðû 1ar

è 2ar

,

à äëÿ ïëîñêîñòè 2π â êà÷åñòâå íà÷àëüíîé òî÷êè âîçüì¸ì 2rr

è íà-

ïðàâëÿþùèå âåêòîðû 1ar

è 2ar

.Î÷åâèäíî, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ñêðåùèâàþùèìèñÿ ïðÿìû-

ìè åñòü ðàññòîÿíèå ìåæäó ïàðàëëåëüíûìè ïëîñêîñòÿìè 1π è 2π .Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 5.21 îáú¸ì ïàðàëëåëåïèïåäà ïîñòðîåí-

íîãî íà âåêòîðàõ 12 rrrr

− , 1ar

è 2ar

åñòü

( )2112 aarrVrrrr

,,−= ,

à ïëîùàäü åãî îñíîâàíèÿ åñòü

[ ]21 aaSrr

,= .

Òîãäà âûñîòà ïàðàëëåëåïèïåäà è ðàññòîÿíèå ìåæäó ñêðåùè-âàþùèìèñÿ ïðÿìûìè åñòü

( )[ ]21

2112

aa

aarr

S

Vh

rr

rrrr

,

,,−== . (5.113)

Åñëè ïðÿìûå ïåðåñåêàþòñÿ, òî îíè ëåæàò â îäíîé ïëîñêîñòèè 0=h , òîãäà

( ) 02112 =− aarrrrrr

,, è [ ] 021 ≠aarr

, .

Ðèñ. 5.21.

2l

1l

2ar

1ar

2rr

1rr

h

O

z

y

x

2M

1M

Page 157: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

157

Çàäà÷à 23. Ïó÷îê è ñâÿçêà ïëîñêîñòåé

Ïó÷êîì ïëîñêîñòåé áóäåì íàçûâàòü ìíîæåñòâî ïëîñêîñòåé,ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ôèêñèðîâàííóþ ïðÿìóþ, íàçûâàåìóþ îñüþ

ïó÷êà.Óðàâíåíèå ïó÷êà ïëîñêîñòåé èìååò âèä

( ) ( ) 022221111 =+++β++++α DzCyBxADzCyBxA , (5.114)

ãäå 022 ≠β+α .

Ñâÿçêîé ïëîñêîñòåé íàçûâàåòñÿ ìíîæåñòâî ïëîñêîñòåé, ïðîõî-äÿùèõ ÷åðåç ôèêñèðîâàííóþ òî÷êó, íàçûâàåìóþ öåíòðîì ñâÿçêè.

Óðàâíåíèå ñâÿçêè ïëîñêîñòåé èìååò âèä

( ) ( )( ) 03333

22221111

=+++γ+++++β++++α

DzCyBxA

DzCyBxADzCyBxA

, (5.115)

ãäå 0222 ≠γ+β+α .

Page 158: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

158

6. Ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

6.1. Ïàðàáîëà

Îïðåäåëåíèå 6.1. Ëèíèÿ íà åâêëèäîâîé ïëîñêîñòè íàçûâàåòñÿ ïà-ðàáîëîé, åñëè ñóùåñòâóåò ñèñòåìà ïðÿìîóãîëüíûõ êîîðäèíàò

yxO ,, , â êîòîðîé óðàâíåíèå ýòîé ëèíèè èìååò âèä

pxy 22 = , 0>p . (6.1)

Ïðåäóñìîòðåííàÿ îïðåäåëåíèåì 6.1 ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà

êîîðäèíàò yxO ,, , êîîðäèíàòû yx, è ñàìî óðàâíåíèå (6.1) íàçû-âàþòñÿ êàíîíè÷åñêèìè.

Ïðè 0<x òî÷åê, óäîâëåòâîðÿþùèõ (6.1) íå ñóùåñòâóåò. Ýòîãîâîðèò î òîì, ÷òî âñÿ ïàðàáîëà ëåæèò â ïîëóïëîñêîñòè 0≥x .

Îñü îðäèíàò Oy ( )0=x ïàðàáîëà ïåðåñåêàåò òîëüêî â îäíîé

òî÷êå ( )00,O , êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ âåðøèíîé ïàðàáîëû.

Îñü àáñöèññ Ox ( )0=y ÿâëÿåòñÿ îñüþ ñèììåòðèè ïàðàáîëû,

ò.ê. èçìåíåíèå çíàêà ó y íå ìåíÿåò óðàâíåíèÿ (6.1). Íà ýòîì îñíî-âàíèè îñü àáñöèññ Ox áóäåì íàçûâàòü îñüþ ïàðàáîëû (ôîêàëüíîéîñüþ). Ôîêàëüíàÿ îñü ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííîé îñüþ ñèììåòðèè. Çà-ìåòèì, ÷òî ïàðàáîëà íå èìååò öåíòðà ñèììåòðèè.

Èòàê, îñü è âåðøèíà ïàðàáîëû îäíîçíà÷íî õàðàêòåðèçóþòñÿ÷èñòî ãåîìåòðè÷åñêè, áåç îáðàùåíèÿ ê êàêèì-ëèáî êîîðäèíàòàì:

îñü åñòü îñü ñèììåòðèè;âåðøèíà - îáùàÿ òî÷êà îñè è ïàðàáîëû.Ýòî ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî îñè êàíîíè÷åñêîé ñèñòåìû êîîð-

äèíàò îäíîçíà÷íî õàðàêòåðèçóþòñÿ ïàðàáîëîé: îñü àáñöèññ - êàêîñü ñèììåòðèè ïàðàáîëû, à îñü îðäèíàò - êàê ïðÿìàÿ ïðîõîäÿ-ùàÿ ÷åðåç âåðøèíó ïàðàáîëû ïåðïåíäèêóëÿðíî îñè ñèììåòðèè.Ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå îñè àáñöèññ òàêæå îïðåäåëÿåòñÿïàðàáîëîé - êàê ïîëóïðîñòðàíñòâî â êîòîðîì ðàñïîëîæåíà ïà-ðàáîëà (ðèñ. 6.1).

Ìû ìîæåì ñêàçàòü: êàíîíè÷åñêèå êîîðäèíàòû îäíîçíà÷íîîïðåäåëÿþòñÿ ñàìîé ïàðàáîëîé.

Page 159: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

159

Ñëåäñòâèåì ýòîãî ôàêòà áóäåò òî, ÷òîâñå îáúåêòû, îïðåäåëÿþùèåñÿ ñ ïîìîùüþ

êàíîíè÷åñêèõ êîîðäèíàò, íî íå çàâèñÿùèå

îò îðèåíòàöèè îñè îðäèíàò áóäóò èíâàðè-àíòíî (ò.å. áåç êàêîãî-ëèáî ïðîèçâîëà) ñâÿ-

çàíû ñ ïàðàáîëîé.Ê òàêèì îáúåêòàì (ðèñ. 6.1) îòíîñÿòñÿ:1) ÷èñëî p - ôîêàëüíûé ïàðàìåòð;

2) ÷èñëî 2

p - ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå;

3) òî÷êà

02

,p

F - êîîðäèíàòû ôîêóñà;

4) ïðÿìàÿ 2

px −= - äèðåêòðèñà ïàðàáîëû;

5) òî÷êà ( )00,O - âåðøèíà ïàðàáîëû;

6) ïðÿìàÿ 0=y - ôîêàëüíàÿ îñü ïàðàáîëû.

6.1.1. Äèðåêòîðèàëüíîå ñâîéñòâî ïàðàáîëû

Ëåãêî ïîêàçàòü, ÷òî ïàðàáîëà åñòü ìíîæåñòâî âñåõ òî÷åê,

ðàâíîóäàë¸ííûõ îò ôîêóñà è äèðåêòðèñû (ðèñ. 6.2).Ïóñòü

FMNM = ,

òîãäà

( )22

022

−+

−=+ y

px

px .

Âîçâåäÿ ïîñëåäíåå ðàâåíñòâîâ êâàäðàò ïîëó÷èì

222

22y

px

px +

−=

+

Ðèñ. 6.1.

2p

F

O

y

x

2

px −=

Ðèñ. 6.2.

02

,p

F

− y

pN ,

2 ( )yxM ,

2p− O

y

x

Page 160: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

160

èëè

pxy 22 = . (6.1)

Ýòî ñâîéñòâî ïàðàáîëû íàçûâàåòñÿ äèðåêòîðèàëüíûì ñâîé-

ñòâîì ïàðàáîëû è ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ êàê îïðåäåëåíèå ïàðàáîëû.

6.1.2. Êàñàòåëüíàÿ ê ïàðàáîëå

Èç ìàòåìàòè÷åñêîãî àíàëèçà èçâåñòíî, ÷òî êàñàòåëüíàÿ ê

êðèâîé ( )xfy = â òî÷êå ( )000 yxM , èìååò óðàâíåíèå

( )( )000 xxxfyy −′=− . (6.2) Ýòî îáùåå óòâåðæäåíèå ìû ìîæåì ïðèìåíèòü ê ÷àñòè ïàðàáî-

ëû â âåðõíåé ïîëóïëîñêîñòè, ãäå 0>y , çàäàâàåìîé óðàâíåíèåì

pxy 2= .

Òàê êàê

0020 y

p

px

pyM ==′

òî, ñëåäîâàòåëüíî, êàñàòåëüíàÿ ê ïàðàáîëå (6.1) â å¸ òî÷êå

( )000 yxM , , 0>y çàäà¸òñÿ óðàâíåíèåì:

( )00

0 xxy

pyy −=− .

Ïðåîáðàçóåì ïîëó÷åííîå óðàâíåíèå:

0200 pxpxyyy −=− ,

ãäå 020 2pxy = , òîãäà

( )00 xxpyy += . (6.3)

íåòðóäíî ïîëó÷èòü (ïðåäëàãàåì ÷èòàòåëþ ïðîäåëàòü ýòî ñàìî-

ñòîÿòåëüíî) ýòî æå óðàâíåíèå (6.3) è äëÿ 0≤y . Ïðè 00 =y êàñà-

òåëüíàÿ ñîâïàäàåò ñ îñüþ îðäèíàò. Òàêèì îáðàçîì ìû ìîæåì ñêà-çàòü: (6.3) åñòü óðàâíåíèå êàñàòåëüíîé ê ïàðàáîëå (6.1) â ïðîèçâîëü-

íîé òî÷êå ( )000 yxM , ïðèíàäëåæàùåé ïàðàáîëå.

Page 161: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

161

6.1.3. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ïàðàáîëû

Çàìåòèì, ÷òî êàñàòåëüíàÿ ïåðåñåêàåò îñü àáñöèññ 0=y â òî÷-

êå ( )00,xA − . Ïîëàãàÿ â (6.3) 0=y ñðàçó ïîëó÷àåì 0xx −= .

Ïîêàæåì, ÷òî òî÷êà ( )00,xA − íàõîäèòñÿ (ñì. ðèñ. 6.3) íà òîì

æå ðàññòîÿíèè 20p

x + îò ôîêóñà

02

,p

F ïàðàáîëû, ÷òî è òî÷êà

êàñàíèÿ ( )000 yxM , , â ñèëó ÷åãî AFMFAM 00 ∠=∠ .

Èç ðèñ. 6.3 ñðàçó âèäíî, ÷òî

20p

xAF += ,

22

22 00

2

020

2

00p

xpxp

xyp

xFM +=+

−=+

−= .

Ê ýòîìó ðåçóëüòàòó ìîæíî ïðèäòè è èíà÷å. Ïåðåïèøåì óðàâ-íåíèå êàñàòåëüíîé (6.3) òàê:

p

y

y

xx =+

0

0,

ãäå ( )pya ,0r

- íàïðàâëÿþùèé âåêòîð êàñàòåëüíîé.

Ðèñ. 6.3.

( )000 yxM ,

ar

rr

ϕ

ϕ

ψ

( )0,xA −

02

,p

FO

y

x

11 À.À. Êèðñàíîâ

Page 162: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

162

Íàéä¸ì óãîë ϕ ìåæäó ( )pya ,0r

è âåêòîðîì

− 000 2

yp

xFM , .

 ñîîòâåòñòâèè ñ (4.37) èìååì

( ) =

+

−⋅+

+

=⋅

=ϕ20

2

022

0

000

0

0

2

2

yp

xpy

pyp

xy

FMa

FMar

r,

cos

220

0

022

0

00

2

2

py

y

pxpy

pxy

+=

+⋅+

+

=.

Íàéä¸ì òåïåðü óãîë ψ ìåæäó ( )pya ,0r

è âåêòîðîì

+ 0

20 ,p

xAF . Èñïîëüçóÿ ôîðìóëó (4.37) ëåãêî ïîëó÷èì, ÷òî

220

0

py

y

+=ψcos . (6.4)

Òàêèì îáðàçîì ìû âèäèì, ÷òî óãîë îáðàçóåìûé ðàäèóñ âåê-

òîðîì 0FMr =r

è êàñà-

òåëüíîé ê ïàðàáîëå ðàâåí

óãëó îáðàçóåìîìó êàñà-

òåëüíîé ñ ôîêàëüíîé îñüþ

ïàðàáîëû.Ýòî ñâîéñòâî ïàðà-

áîëû íàçûâàåòñÿ îïòè÷åñ-êèì ñâîéñòâîì ïàðàáîëû.

Ôèçè÷åñêè ýòî îçíà-÷àåò, ÷òî åñëè â ôîêóñåïàðàáîëû ïîìåñòèòü òî-÷å÷íûé èñòî÷íèê ñâåòà

Ðèñ. 6.4.

ϕ

ϕ

x

y

O

Page 163: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

163

(ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí), òî îòðàæàÿñü îò ïàðàáîëû (ðèñ. 6.4) ëó÷èóéäóò ïàðàëëåëüíî ôîêàëüíîé îñè. Íà ýòîì ñâîéñòâå ïàðàáîëû îñ-íîâàíî, íàïðèìåð, äåéñòâèå ïðîæåêòîðîâ è ñïóòíèêîâûõ àíòåíí.

6.2 Ýëëèïñ

Îïðåäåëåíèå 6.2. Ëèíèÿ íà åâêëèäîâîé ïëîñêîñòè íàçûâàåòñÿ ýë-ëèïñîì, åñëè ñóùåñòâóåò ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò, âêîòîðîé óðàâíåíèå ýòîé ëèíèè èìååò âèä:

12

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba . (6.5)

Ïðåäóñìîòðåííàÿ îïðåäåëåíèåì 6.5 ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà

êîîðäèíàò yxO ,, , êîîðäèíàòû yx, è ñàìî óðàâíåíèå (6.5) íàçû-âàþòñÿ êàíîíè÷åñêèìè.

Ïðè ab = (6.5) ïðèìåò âèä222 ayx =+ , (6.6)

ÿâëÿþùèéñÿ óðàâíåíèåì îê-

ðóæíîñòè ðàäèóñà aR = ñ öåí-

òðîì â òî÷êå ( )00,O . Òàêèì îá-ðàçîì îêðóæíîñòü, åñòü ÷àñò-

íûé ñëó÷àé ýëëèïñà.Ïðè ab < ñðàâíèì (ñì.

ðèñ. 6.5) ýëëèïñ (6.5) ñ îêðóæ-íîñòüþ (6.6).

Ïîëîæèì ka

b = . Åñëè òî÷êà ( )yxM , ïðèíàäëåæèò îêðóæíî-

ñòè, òî òî÷êà ( )kyxM ,′ ïðèíàäëåæèò ýëëèïñó, òàê êàê

( )1

2

2

2

2

2

2

2

2

=+=+a

y

a

x

b

ky

a

x

è íàîáîðîò.Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ýëëèïñ (6.5) ïîëó÷àåòñÿ èç îêðóæíîñòè (6.6)

Ðèñ. 6.5.

c− c

b−

b

a− a

( )kyxM ,′

( )yxM ,

O

y

x

11*

Page 164: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

164

ïðåîáðàçîâàíèåì

( ) ( )kyxyx ,, a ,ãåîìåòðè÷åñêè ïðåäñòàâëÿþùèì ñîáîé ñæàòèå ïëîñêîñòè ê îñèàáñöèññ â îòíîøåíèè k .

Ïðè ab = ëþáàÿ ïðÿìàÿ ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç òî÷êó ( )00,O áó-äåò îñüþ ñèììåòðèè ýëëèïñà (îêðóæíîñòè). Òàê êàê â (6.6) âõîäÿòòîëüêî êâàäðàòû êîîðäèíàò, òî êîîðäèíàòíûå îñè áóäóò îñÿìè

ñèììåòðèè ýëëèïñà (îêðóæíîñòè) è ïðè ab < íèêàêèõ äðóãèõ îñåéñèììåòðèè íå áóäåò.

Èòàê, ïðè ab < îñè ñèñòåìû êàíîíè÷åñêèõ êîîðäèíàò îäíî-çíà÷íî õàðàêòåðèçóþòñÿ ýë-

ëèïñîì.Çíà÷èò, ñ òî÷íîñòüþ äî

çíàêîâ êàíîíè÷åñêèå êîîðäè-

íàòû åäèíñòâåííû è ïîòîìóâñå îáúåêòû, îïðåäåëÿåìûå ñïîìîùüþ êàíîíè÷åñêèõ êî-îðäèíàò, íî íå çàâèñÿùèå îòîðèåíòàöèè êîîðäèíàòíûõîñåé, áóäóò èíâàðèàíòíîñâÿçàíû ñ ýëëèïñîì.

Ê òàêèì îáúåêòàì (ðèñ. 6.6) ýëëèïñà îòíîñÿòñÿ:1) ÷èñëî a - áîëüøàÿ ïîëóîñü;2) ÷èñëî b - ìàëàÿ ïîëóîñü;

3) ÷èñëî 22 bac −= - ëèíåéíûé ýêñöåíòðèñèòåò;

4) ÷èñëî c2 - ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå;

5) ÷èñëî 2

2

1a

b

a

ce −== - ÷èñëîâîé ýêñöåíòðèñèòåò ( 10 <≤ e );

6) ÷èñëî a

bp

2

= - ôîêàëüíûé ïàðàìåòð;

7) ïðÿìàÿ 0=y - ôîêàëüíàÿ (áîëüøàÿ) îñü;8) ïðÿìàÿ 0=x - ìàëàÿ îñü;

Ðèñ. 6.6. e

ax =

e

ax −=

c− c

b−

b

a− aO

y

x

Page 165: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

165

9) òî÷êà ( )00,O - öåíòð ýëëèïñà;

10) òî÷êè ( )0 ,a± , ( )b± ,0 - âåðøèíû ýëëèïñà;

11) òî÷êè ( )0 ,c± - ôîêóñû ýëëèïñà;

12) ïðÿìàÿ e

ax ±= - äèðåêòðèñû ýëëèïñà, 0≠e .

 ÷àñòíîñòè äëÿ îêðóæíîñòè (6.6):

ab = , 0=c , 0=e , ap = .

6.2.1. Ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèïñà

Ïóñòü 1rr

è 2rr

- ëåâûé è ïðàâûé ôîêàëüíûå ðàäèóñû (ðèñ. 6.7)

íåêîòîðîé òî÷êè ( )yxM , ïðèíàäëåæàùåé ýëëèïñó (6.5). Òîãäà, êàêýòî ñëåäóåò èç ðèñ. 6.7

( ) ( ) =−+++=

−++=++= 2

2

2222

2

222222

1 21 xa

bbcxcx

a

xbcxycxr

==+=

−=+++

−= 222

2

2

2

2222

2

2

121 abca

c

a

bbcxcx

a

b ,

( )2222222

2

22 aexaeaxxeeacacxxa

c +=++===++= .

Òàê êàê ax ≤ , òî aex < , òîãäà

exar +=1 . (6.7)Ðàññóæäàÿ àíàëîãè÷íî,

ïîëó÷èì

exar −=2 . (6.8)Ñëîæèì ëåâûå è ïðàâûå

÷àñòè ïîñëåäíèõ äâóõ óðàâíå-íèé

arr 221 =+ . (6.9)

Ðèñ. 6.7.

c− c

2rr1r

r( )yxM ,

O

y

x

Page 166: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

166

Îáðàòíî, ïóñòü ( )yxM , - òàêàÿ òî÷êà ïëîñêîñòè, ÷òî ñóììà

å¸ ðàññòîÿíèé 21 rr + îò ôîêóñîâ ýëëèïñà ðàâíà a2 :

( ) ( ) aycxycxrr 2222221 =+−+++=+ .

Ïîñëå íåñëîæíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ïîñëåäíåãî ðàâåíñòâàïîëó÷èì óðàâíåíèå ýëëèïñà (6.5).

Òàêèì îáðàçîì ýëëèïñ åñòü ãåîìåòðè÷åñêîå ìåñòî âñåõ òî-

÷åê, ñóììà ðàññòîÿíèé êîòîðûõ îò ôîêóñîâ ðàâíà a2 .Ýòî òàê íàçûâàåìîå ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèïñà ÷àñòî èñ-

ïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå îïðåäåëåíèÿ ýëëèïñà.

6.2.2. Äèðåêòîðèàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèïñà

Ðàññòîÿíèå òî÷êè ýëëèïñà ( )yxM , äî ëåâîé (ðèñ. 6.8) äèðåê-

òðèñû e

ax −= ðàâíî

e

r

e

aex

e

ax 1=

+=+ ,

à äî ïðàâîé

e

r

e

exax

e

a 2=−

=−

è

e

xe

a

r

e

ax

r =−

=+

21

. (6.10)

òàêèì îáðàçîì ýëëèïñ (6.5) åñòü ãåîìåòðè÷åñêîå ìåñòî òî÷åê,

îòíîøåíèå ðàññòîÿíèé êîòîðûõ îò ôîêóñà äî îäíîèì¸ííîé äèðåê-

òðèñû ðàâíî e - ÷èñëîâîìó ýêñöåíòðèñèòåòó.Ðàññìîòðèì åù¸ îäèí ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ñîîòíîøåíèÿ (6.10).

Ðèñ. 6.8.

c− c

2rr1r

r

( )yxM ,

O

y

x

e

ax =

e

ax −=

2d1d

QP

Page 167: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

167

Çàïèøåì óðàâíåíèå ïðàâîé äèðåêòðèñû e

ax = â âèäå

0=+−e

ax .

Ýòî åñòü íîðìàëüíîå óðàâíåíèå ïðÿìîé, òàê êàê çäåñü 12 =A

è íîðìàëüíûé âåêòîð åñòü ( )01,−nr

. Åñëè ( )yxM , ïðîèçâîëüíàÿòî÷êà ýëëèïñà, òî å¸ ðàññòîÿíèå îò ïðàâîé äèðåêòðèñû â ñîîòâåò-ñòâèè ñ (5.68) åñòü

e

axd +−=2 ,

à òàê êàê

exar −=2 ,òî

e

e

exa

exa

xe

a

exa

d

r =−−=

−=2

2

.

Ïðèìåíÿÿ ýòè æå ðàññóæäåíèÿ ê ëåâîé äèðåêòðèñå e

ax −=

ñðàçó çàïèøåì

e

e

ax

exa

d

r =+

+=1

1

èëè

ed

r

d

r ==2

2

1

1. (6.11)

Ýòî è åñòü òàê íàçûâàåìîå äèðåêòîðèàëüíîå ñâîéñòâî ýëëèï-

ñà, âïîëíå àíàëîãè÷íîå ñîîòâåòñòâóþùåìó ñâîéñòâó ïàðàáîëû, â

êîòîðîå îíî ïðåâðàùàåòñÿ ïðè 1=e .

Page 168: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

168

6.2.3. Êàñàòåëüíàÿ ê ýëëèïñó

Âåðõíÿÿ ïîëîâèíà ýëëèïñà ( )0>y åñòü ãðàôèê ôóíêöèè

22 xaa

by −= .

Òîãäà

y

x

a

b

ya

b

xaxa

x

a

by ⋅−=⋅=

−=

−⋅−=′

2

2

2222

11.

Äëÿ 0<y

22 xaa

by −−= ,

y

x

a

b

ya

b

xaxa

x

a

by ⋅−=⋅−=

−=

−⋅=′

2

2

2222

11.

Òàêèì îáðàçîì, êàñàòåëüíàÿ ê ýëëèïñó â ëþáîé åãî òî÷êå

( )000 yxM , , (êðîìå òî÷åê ñ êîîðäèíàòàìè ( )0 ,a± ) çàäà¸òñÿ óðàâíå-

íèåì

( )00

20

2

0 xxya

xbyy −−=− . (6.12)

Óìíîæèì (6.12) íà 20

b

y, òîãäà

( ) ( )20

00

20

2

20

0b

yxx

ya

xb

b

yyy ⋅−−=−

èëè

2

200

2

200

a

xxx

b

yyy −−=−

èëè

Page 169: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

169

12

20

2

20

20

20 =+=+

b

y

a

x

b

yy

a

xx,

òàê êàê

12

20

2

20 =+

b

y

a

x.

Èòàê, óðàâíåíèå êàñàòåëüíîé ê ýëëèïñó â òî÷êå ( )000 yxM ,

åñòü

120

20 =+

b

yy

a

xx. (6.13)

Òàê êàê â âåðøèíàõ ( )0 ,a± êàñàòåëüíàÿ ÿâëÿåòñÿ ëèíèåé

ax ±= ,òî óðàâíåíèå (6.13) ãîäèòñÿ è äëÿ íèõ. Ìû ìîæåì, òàêèì îáðà-çîì, îêîí÷àòåëüíî ñêàçàòü, ÷òî óðàâíåíèå (6.13) åñòü óðàâíåíèå

êàñàòåëüíîé ê ýëëèïñó (6.5) â åãî ïðîèçâîëüíîé òî÷êå ( )000 yxM , .

6.2.4. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ýëëèïñà

Ïåðåïèøåì óðàâíåíèå (6.13) òàê

0120

20 =−+

b

yy

a

xx. (6.14)

Ýòî åñòü ïðÿìàÿ ó êîòîðîé

20

a

xA = , 2

0

b

yB = , 1−=C .

Íàéä¸ì ðàññòîÿíèÿ(ðèñ. 6.9) îò ñîîòâåòñòâóþ-

ùèõ ôîêóñîâ ( )01 ,cF − è

( )02 ,cF äî êàñàòåëüíîé(6.14).

Ðàññòîÿíèå îò òî÷êèäî ïðÿìîé îïðåäåëÿåòñÿ ñïîìîùüþ (5.68)

Ðèñ. 6.9.

ϕψ

2d

1d

c− c

2rr1r

r( )000 yxM ,

O

y

x

Page 170: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

170

22 BA

CBYAXd

+

++= . (5.68)

Ïîëîæèì NBA =+ 22 , òîãäà

( )Na

raex

Naa

cx

Nb

y

a

cx

Nd 1

020

20

20

11

11

101 =+=+=−⋅+−⋅= .

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî ea

c = .

Èòàê

Na

rd 1

1 = . (6.15)

Na

raex

Naa

cx

Nb

y

a

cx

Nd 2

020

20

20

21

11

101 =−=−=−⋅+⋅=

èëè

Na

rd 2

2 = . (6.16)

Ñðàâíèâàÿ (6.15) è (6.16) ïîëó÷èì

Nar

d

r

d 1

2

2

1

1 == ,

íî

ϕ= sin1

1

r

d, à ψ= sin

2

2

r

d

èëèψ=ϕ . (6.17)

Ñâîéñòâî (6.17) íàçûâàåòñÿ îïòè÷åñêèì ñâîéñòâîì ýëëèïñà.Îíî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ëó÷ ñâåòà, èñõîäÿùèé èç îäíîãî ôîêó-

ñà, ïîñëå îòðàæåíèÿ îò ýëëèïñà, ñîáèðàåòñÿ â äðóãîì ôîêóñå.

Page 171: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

171

6.3. Ãèïåðáîëà

Îïðåäåëåíèå 6.3. Ëèíèÿ íà åâêëèäîâîé ïëîñêîñòè íàçûâàåòñÿãèïåðáîëîé, åñëè ñóùåñòâóåò ñèñòåìà ïðÿìîóãîëüíûõ êîîðäèíàò

yxO ,, , â êîòîðîé óðàâíåíèå ýòîé ëèíèè èìååò âèä

12

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b . (6.18)

Ïðåäóñìîòðåííàÿ îïðåäåëåíèåì 6.3 ïðÿìîóãîëüíàÿ ñèñòåìà

êîîðäèíàò yxO ,, , êîîðäèíàòû yx, è ñàìî óðàâíåíèå (6.18) íàçû-âàþòñÿ êàíîíè÷åñêèìè.

Ïðè ab = ãèïåðáîëà íàçûâàåòñÿ ðàâíîáî÷íîé.

Èç óðàâíåíèÿ (6.18) âèäíî, ÷òî ax ≥ . Ýòî ãîâîðèò î òîì,

÷òî ãèïåðáîëà ðàñïîëîæåíà âíå ïîëîñû, îãðàíè÷åííîé ïðÿìû-ìè ax ±= .

Òàê êàê â óðàâíåíèå ãèïåðáîëû (6.18) âõîäÿò òîëüêî ÷¸òíûåñòåïåíè êîîðäèíàò, òî êîîðäèíàò-íûå îñè áóäóò îñÿìè ñèììåòðèè ãè-

ïåðáîëû, à òî÷êà ( )00,O áóäåò å¸öåíòðîì ñèììåòðèè. Íèêàêèõ äðó-ãèõ îñåé ñèììåòðèè ó ãèïåðáîëûíåò.

Îñè ñèñòåìû êàíîíè÷åñêèõ êî-îðäèíàò îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿþòñÿãèïåðáîëîé, ò.å. ñ òî÷íîñòüþ äî çíà-êîâ, êàíîíè÷åñêèå êîîðäèíàòûåäèíñòâåííû. Âñå îáúåêòû, îïðåäå-ëÿåìûå ñ ïîìîùüþ êàíîíè÷åñêèõêîîðäèíàò, íî íå ìåíÿþùèåñÿ ïðèèçìåíåíèè èõ çíàêîâ, èíâàðèàíòíî

ñâÿçàíû ñ ãèïåðáîëîé.Ê òàêèì îáúåêòàì (ðèñ. 6.10) ãèïåðáîëû îòíîñÿòñÿ:1) ÷èñëî a - äåéñòâèòåëüíàÿ ïîëóîñü;2) ÷èñëî b - ìíèìàÿ ïîëóîñü;

xa

by =x

a

by −=

e

ax =

e

ax −=

2F1Fcc−

b

b−

aa− O

y

Ðèñ. 6.10.

Page 172: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

172

3) ÷èñëî 22 bac += - ëèíåéíûé ýêñöåíòðèñèòåò;

4) ÷èñëî c2 - ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå;

5) ÷èñëî 2

2

1a

b

a

ce +== - ÷èñëîâîé ýêñöåíòðèñèòåò;

6) ÷èñëî a

bp

2

= - ôîêàëüíûé ïàðàìåòð;

7) ïðÿìàÿ 0=y - ôîêàëüíàÿ äåéñòâèòåëüíàÿ îñü (îñü àáñöèññ);8) ïðÿìàÿ 0=x - ìíèìàÿ îñü (îñü îðäèíàò);

9) òî÷êà ( )00,O - öåíòð ãèïåðáîëû;

10) òî÷êè ( )0 ,a± - âåðøèíû ãèïåðáîëû;

11) òî÷êè ( )0 ,c± - ôîêóñû ãèïåðáîëû;

12) ïðÿìûå e

ax ±= - äèðåêòðèñû ãèïåðáîëû;

13) ïðÿìûå xa

by ±= - àñèìïòîòû ãèïåðáîëû.

6.3.1. Ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ãèïåðáîëû

Ïóñòü 1rr

è 2rr

- ëåâûé è ïðàâûé ôîêàëüíûå ðàäèóñû (ðèñ.

6.11) íåêîòîðîé òî÷êè ( )yxM , ïðèíàäëåæàùåé ãèïåðáîëå (6.18).

Òîãäà, êàê ýòî ñëåäóåò èç ðèñ. 6.11

( ) =−++

+=−+++=++= 222

2

222

2

222222

1 212 bccxxa

bbx

a

bccxxycxr

( )2222222

2

22 aexaeaxxeacxxa

c +=++=++= .

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî

Page 173: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

173

22

22 1 x

a

by

+= , 222 acb −= , 2

2

2

ea

c = , eac = .

( ) =−+−

+=−++−=+−= 222

2

222

2

222222

2 212 bccxxa

bbx

a

bccxxycxr

( )2222222

2

22 aexaeaxxeacxxa

c −=+−=+−= .

Èòàê

aexr +=1r

è aexr −=2r

. (6.19)

1. Ðàññìîòðèì ïðàâóþ âåòâü ãèïåðáîëû. Äëÿ íå¸ ax ≥ , òîã-

äà (6.19) ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê

aexr +=1 , aexr −=2 . (6.20)Èç (6.20) ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî

arr 221 =− . (6.21)2. Ðàññìîòðèì òåïåðü ëåâóþ âåòâü ãèïåðáîëû. Äëÿ íå¸

ax −≤ , òîãäà (6.19) ñëåäóåò ïåðåïèñàòü òàê

aexr −−=1 , aexr +−=2 . (6.22)Èç (6.22) ñëåäóåò, ÷òî

arr 221 −=− . (6.23)Îáúåäèíèâ (6.21) è (6.23) çàïèøåì

Ðèñ. 6.11.

à) á)

2rr

1rr

2rr1r

r MM

cc−cc− O

y

xO

y

x

Page 174: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

174

arr 221 =− . (6.24)

Ìû ïîëó÷èëè ñîîòíîøåíèå (6.24), òàêîå æå êàê è ñîîòíîøå-íèå (6.9) äëÿ ýëëèïñà.

Ãèïåðáîëà åñòü ãåîìåòðè÷åñêîå ìåñòî âñåõ òî÷åê, àáñîëþò-

íàÿ âåëè÷èíà ðàçíîñòè ðàññòîÿíèé êîòîðûõ îò ôîêóñîâ ðàâíà a2 .Ýòî è åñòü ôîêàëüíîå ñâîéñòâî ãèïåðáîëû, ÷àñòî èñïîëüçóå-

ìîå è êàê îïðåäåëåíèå ãèïåðáîëû.Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò ïîçâîëÿåò íàì ñäåëàòü íåêîòîðîå

ïðåäïîëîæåíèå î ãëóáîêîì ðîäñòâå ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà.

6.3.2. Äèðåêòîðèàëüíûå ñâîéñòâà ãèïåðáîëû

Äëÿ ïîëó÷åíèÿ äèðåêòîðèàëüíûõ ñâîéñòâ ãèïåðáîëû âîñ-ïîëüçóåìñÿ ìåòîäîì, èçëîæåííûì â ï. 6.2.2.

Çàïèøåì äèðåêòðèñû ãèïåðáîëû e

ax ±= â âèäå íîðìàëüíûõ

óðàâíåíèé ïðÿìûõ

0=−e

ax è 0=+

e

ax .

Åñëè ( )yxM , åñòü ïðîèçâîëüíàÿ òî÷êà ãèïåðáîëû (ðèñ. 6.12),òî å¸ ðàññòîÿíèå äî ïðàâîé äèðåêòðèñû åñòü

e

axd −=2

è â ñîîòâåòñòâèè ñ (6.20)

aexr −=2 .Òîãäà

e

e

aex

aex

e

ax

aex

d

r =−−=

−=2

2

.

Ïðèìåíÿÿ ýòè æå ðàññóæäåíèÿ

ê äèðåêòðèñå 0=+e

ax è ó÷èòûâàÿ,

Ðèñ. 6.12.

2d1d

e

ax =

e

ax −=

( )yxM ,

2rr

1rr

cc− O

y

x

QP

Page 175: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

175

÷òî ðàññòîÿíèå îò òî÷êè ( )yxM , äî ëåâîé äèðåêòðèñû åñòü

e

axd +=1 è aexr +=1

ïîëó÷èì

e

e

ax

aex

d

r =+

+=1

1

.

Îêîí÷àòåëüíî ìû ìîæåì çàïèñàòü

ed

r

d

r ==2

2

1

1. (6.25)

Èòàê, ãèïåðáîëà, åñòü ãåîìåòðè÷åñêîå ìåñòî âñåõ òî÷åê îò-

íîøåíèÿ ðàññòîÿíèé êîòîðûõ îò ôîêóñîâ äî îäíîèì¸ííûõ äèðåê-

òðèñ ðàâíî ÷èñëîâîìó ýêñöåíòðèñèòåòó e .Òàêèì îáðàçîì ïàðàáîëà, ýëëèïñ è ãèïåðáîëà ìîãóò áûòü

ïîëó÷åíû èç îäíîé è òîé æå äèðåêòîðèàëüíî-ôîêàëüíîé êîíôèãó-

ðàöèè. Âñ¸ ðàçëè÷èå çàêëþ÷àåòñÿ â âåëè÷èíå ÷èñëîâîãî ýêñöåíòðè-

ñèòåòà e :0=e - îêðóæíîñòü, êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé ýëëèïñà;

10 <≤ e - ýëëèïñ;

1=e - ïàðàáîëà;

1>e - ãèïåðáîëà.

6.3.3. Óðàâíåíèå êàñàòåëüíîé ê ãèïåðáîëå

Ðàññìîòðèì ïðàâóþ ( )0>x âåòâü ãèïåðáîëû äëÿ 0>y , ãðà-ôèê ôóíêöèè êîòîðîé åñòü

22 axa

by −= .

Òîãäà (ñì. ï. 6.2.3)

y

x

a

b

ax

x

a

by ⋅=

−⋅=′

2

2

22 .

Page 176: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

176

Äëÿ 0<y èìååì

22 axa

by −−= , ya

b

ax

1122

⋅−=−

,

y

x

a

b

ax

x

a

by ⋅=

−⋅−=′

2

2

22 .

Òàêèì îáðàçîì, êàñàòåëüíàÿ ê ïðàâîé ãèïåðáîëå ( )0>x â

ëþáîé å¸ òî÷êå ( )000 yxM , çàäà¸òñÿ óðàâíåíèåì

( )00

20

2

0 xxya

xbyy −=− .

Ðàññóæäàÿ äàëåå ïî àíàëîãèè ñ ï. 6.2.3 ïîëó÷èì óðàâíåíèå

êàñàòåëüíîé ê ãèïåðáîëå â òî÷êå ( )000 yxM ,

120

20 =−

b

yy

a

xx. (6.26)

Íåòðóäíî ïîêàçàòü, ÷òî ýòî æå óðàâíåíèå êàñàòåëüíîé ïî-

ëó÷àåòñÿ è äëÿ ëåâîé âåòâè ( )0<x ãèïåðáîëû.

6.3.4. Îïòè÷åñêîå ñâîéñòâî ãèïåðáîëû

Èñïîëüçóÿ ðåçóëüòàòû ï. 6.2.4 ïåðåïèøåì óðàâíåíèå (6.26) ââèäå

0120

20 =−−

b

yy

a

xx. (6.27)

Ýòî åñòü ïðÿìàÿ ó êîòîðîé

20

a

xA = , 2

0

b

yB −= , 1−=C .

Íàéä¸ì ðàññòîÿíèÿ (ðèñ. 6.13) îò ñîîòâåòñòâóþùèõ ôîêóñîâ

( )01 ,cF − è ( )02 ,cF äî êàñàòåëüíîé (6.27).

Èñïîëüçóÿ (5.68) ïîëó÷èì

Page 177: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

177

( )Na

r

Na

aex

b

y

a

cx

Nd 1

20

20

1 101 =+=−⋅+−⋅= ,

Na

r

Na

aex

b

y

a

cx

Nd 2

20

20

2 101 =−=−⋅+⋅=

èëè

Nar

d

r

d 1

2

2

1

1 == .

Èç ðèñ. 6.13 ìû âèäèì, ÷òî

ϕ= sin1

1

r

d, à ψ= sin

2

2

r

d

èëèψ=ϕ . (6.28)

Ñâîéñòâî (6.28) ãîâîðèò îòîì, ÷òî êàñàòåëüíàÿ äåëèò óãîë

ìåæäó ðàäèóñ-âåêòîðàìè òî÷êè

( )000 yxM , ëåæàùåé íà ãèïåðáîëå

ïîïîëàì. Ýòî çíà÷èò, ÷òî åñëè â îäèí ôîêóñ ïîìåñòèòü òî÷å÷íûé

èñòî÷íèê ñâåòà, òî ëó÷ ñâåòà âûõîäÿùèé èç ñîîòâåòñòâóþùåãî

ôîêóñà îòðàçèòñÿ îò ãèïåðáîëû ïî ëèíèè ñîåäèíÿþùå¸ äðóãîé ôî-

êóñ ãèïåðáîëû è òî÷êó ( )000 yxM , . Âòîðîé ôîêóñ â ýòîì ñëó÷àå âû-

ñòóïàåò êàê ìíèìûé èñòî÷íèê ñâåòà.

6.4. Óðàâíåíèÿ ãèïåðáîë, ýëëèïñîâ è ïàðàáîëîòíåñ¸ííûå ê âåðøèíå

Ðàññìîòðèì ãèïåðáîëó (6.18)

12

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b . (6.18)

Ïåðåíåñ¸ì íà÷àëî ÏÑÊ (ðèñ. 6.14) â ïðàâóþ âåðøèíó ãè-ïåðáîëû. Ýòî ðàâíîñèëüíî ïðåîáðàçîâàíèþ

ψϕ

ϕ

2d

1d

( )000 yxM ,

2rr

1rr

cc− O

y

x

Ðèñ. 6.13.

12 À.À. Êèðñàíîâ

Page 178: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

178

axx −=′ ,

yy =′ .Íàéä¸ì óðàâíåíèå ãèïåðáîëû (6.18) â íîâûõ

êîîðäèíàòàõ:

( )1

2

2

2

2

=′

−+′b

y

a

ax

èëè

( )

112

2

2

2

2

2

2

2

2

=′

−+′+′

=′

−+′b

yx

aa

x

b

y

a

ax.

Ïðåîáðàçóÿ ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî äàëåå, ïîëó÷èì

02

2

2

2

2

=′

−′+′

b

yx

aa

x,

22

222 2 x

a

bx

a

by ′+′=′ . (6.29)

Ââåä¸ì îáîçíà÷åíèÿ

a

bp

2

= , 2

2

a

bq =

è ïîäñòàâèì èõ â (6.29), â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷èì óðàâíåíèå ãè-

ïåðáîëû â ÏÑÊ yxO ′′′

22 2 xqxpy ′+′=′ . (6.30)

Çàìåòèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå

011 22

2

2

22

2

2

>−=−=−== ea

c

a

ac

a

bq , ò.ê. 1>e .

Ðàññìîòðèì òåïåðü ýëëèïñ (6.5)

12

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba . (6.5)

Ïåðåíåñ¸ì íà÷àëî êîîðäèíàò (ðèñ. 6.15) â ëåâóþ âåðøèíóýëëèïñà, ÷òî ðàâíîñèëüíî ïðåîáðàçîâàíèþ

Ðèñ. 6.14.

aO′

y′

x′cO

y

x

Page 179: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

179

axx +=′ ,

yy =′ .Ñîñòàâèì óðàâíåíèå ýëëèïñà â íîâûõ êîîðäèíàòàõ6

( )1

2

2

2

2

=′

+−′b

y

a

ax.

Ïðåîáðàçóåì ïîëó÷åííîå óðàâíåíèå

( )11

22

2

2

2

2

2

2

2

=′

++′−′

=′

+−′b

yx

aa

x

b

y

a

ax,

22

222 2 x

a

bx

a

by ′−′=′ . (6.31)

Ââåä¸ì îáîçíà÷åíèÿ

a

bp

2

= , a

bq

2

−=

è ïîäñòàâèì èõ â (6.31), â ðå-çóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷èì óðàâíå-

íèå ýëëèïñà â ÏÑÊ yxO ′′′

22 2 xqxpy ′+′=′ . (6.32)

Çäåñü

0122

22

2

2

>−=−=−= ea

ac

a

bq , ò.ê. 1<e .

Ïðè 1=e , 0=q , òîãäà (6.32) ïðèíèìàåò âèä

pxy 22 = ,

ò.å. ìû ïîëó÷àåì óðàâíåíèå ïàðàáîëû (6.1), ïîñêîëüêó íà÷àëî

ñèñòåìû êîîðäèíàò óæå ïîìåùåíî â âåðøèíó ïàðàáîëû è Oxy

ñîâïàäàåò ñ yxO ′′′ .

Òàêèì îáðàçîì óðàâíåíèÿ ãèïåðáîë, ýëëèïñîâ è ïàðàáîë ìîæ-

íî çàäàòü îäíèì îáùèì óðàâíåíèåì âèäà

22 2 qxpxy += , (6.33)

êîòîðîå ïðè:

Ðèñ. 6.15.

c−a−O′

y′

x′cO

y

x

12*

Page 180: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

180

0>q - îïðåäåëÿåò ãèïåðáîëó;

0=q - îïðåäåëÿåò ïàðàáîëó;

01 <≤− q - îïðåäåëÿåò ýëëèïñ;

1−=q - îïðåäåëÿåò îêðóæíîñòü êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé ýëëèïñà.

6.5. Óðàâíåíèÿ ýëëèïñîâ, ïàðàáîë è ãèïåðáîëâ ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ

Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå ïàðàáîëû(ðèñ. 6.16) â ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ,î êîòîðûõ ìîæíî áîëåå ïîäðîáíîïðî÷èòàòü â ï. 4.4.4.

Ñîâìåñòèì ïîëþñ ïîëÿðíîé ñè-

ñòåìû êîîðäèíàò ñ òî÷êîé

0,2

pF

êàíîíè÷åñêîé ñèñòåìû êîîðäèíàò, ïî-ëÿðíóþ îñü íàïðàâèì ïî îñè àáñöèññè çàïèøåì êàíîíè÷åñêîå óðàâíåíèåïàðàáîëû (6.1)

pxy 22 = , 0>p (6.1)

â ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ ñ ïîìîùüþ ïðåîáðàçîâàíèÿϕ= cosrx ,

ϕ= sinry . (4.12)Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 6.16

ϕ=− cosrp

x2

, (6.34)

ãäå

2

pxr += , à

2

prx −= .

Ïîäñòàâëÿÿ çíà÷åíèå x â (6.34) ïîëó÷èì

2

px +

ϕrr

2

px −

( )yxM ,

x2

p x

2

px −=

O

y

Ðèñ. 6.16.

Page 181: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

181

ϕ=−− cosrpp

r22

èëèϕ=− cosrpr

è îêîí÷àòåëüíî

ϕ−=

cos1

pr . (6.35)

Áóäåì èìåòü â âèäó, ÷òî äëÿ ïàðàáîëû 1=e .Ïîëó÷èì òåïåðü óðàâíåíèå ýëëèïñà

12

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba (6.5)

â ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ, ñîâìå-ñòèâ ïîëþñ (ðèñ. 6.17) ñ ëåâûìôîêóñîì. Èç ðèñ. 6.17 ñëåäóåò,÷òî

ϕ=+ cos1rcx

èëè

crx −ϕ= cos1 . (6.36)Ðàíåå ìû ïîëó÷èëè âûðàæå-

íèå äëÿ 1r

exar +=1 .(6.7)

Ïîäñòàâèì â (6.7) çíà÷åíèå x èç (6.36), òîãäà

( ) ϕ+−=−ϕ+=+= coscos 111 erceacreaexar , (6.37)ãäå

02

222222

>===−=−=−===− pa

bbca

a

ca

a

ca

a

cecea .

Òîãäà

ϕ+= cos11 erpr

è îêîí÷àòåëüíî óðàâíåíèå ýëëèïñà â ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ áóäåòèìåòü âèä

Ðèñ. 6.17.

ϕ

( )yxM ,

1rr

cc− O

y

xx

Page 182: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

182

ϕ−=

cose

pr

1 , 10 <≤ e . (6.38)

Ðàññìîòðè óðàâíåíèå ãèïåðáîëû

12

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b . (6.18)

Ñîâìåñòèì ïîëþñ (ðèñ. 6.18) ñ ïðà-âûì ôîêóñîì ãèïåðáîëû, òîãäà

ϕ=− cos2rcx

îòêóäà

crx +ϕ= cos2 .Çäåñü

aexr −=2 . (6.20)Ïîäñòàâëÿÿ â (6.20) çíà÷åíèå x ,

ïîëó÷èì

( ) ϕ+−=−+ϕ= coscos 222 eraecacrer .Ó÷èòûâàÿ, ÷òî

02222

>==−=−===− pa

b

a

aca

a

c

a

ceaec ,

îêîí÷àòåëüíî çàïèøåì óðàâíåíèå äëÿ ãèïåðáîëû â ïîëÿðíûõêîîðäèíàòàõ

ϕ+= cos22 erpr

èëè

ϕ−=

cose

pr

1 , 1>e . (6.39)

Òàêèì îáðàçîì ìû âèäèì, ÷òî ïàðàáîëà, ýëëèïñ è ãèïåðáîëà â

ïîëÿðíûõ êîîðäèíàòàõ ìîãóò áûòü çàäàíû îäíèì è òåì æå óðàâ-

íåíèåì

ϕ−=

cose

pr

1 . (6.40)

Ýòî åù¸ ðàç ãîâîðèò î åäèíñòâå ýòèõ ëèíèé.

Ðèñ. 6.18.

cx −ca

ϕ

( )yxM ,2rr

O

y

xx

Page 183: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

183

7. Ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà. Îáùàÿ òåîðèÿ

7.1. Îáùåå ïîíÿòèå î ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

Îïðåäåëåíèå 7.1. Àëãåáðàè÷åñêèì óðàâíåíèåì îò ïåðåìåííûõ

nxxx ,...,, 21 áóäåì íàçûâàòü óðàâíåíèå âèäà

( ) 021 =nxxxF ,...,, , (7.1)

â êîòîðîì ëåâàÿ ÷àñòü ( )nxxxF ,...,, 21 åñòü ìíîãî÷ëåí îò ýòèõ ïåðå-

ìåííûõ. Ñòåïåíü ìíîãî÷ëåíà ( )nxxxF ,...,, 21 áóäåì íàçûâàòü ñòå-ïåíüþ óðàâíåíèÿ (7.1).

 äàííîì ðàçäåëå ìû îãðàíè÷èìñÿ ðàññìîòðåíèåì ìíîãî÷ëå-íîâ âòîðîé ñòåïåíè îò ïåðåìåííûõ x è y , ò.å. ìíîãî÷ëåíîâ âèäà

( ) 0=yxF , ,êîòîðûå ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå

0222 22 =+++++ FEyDxCyBxyAx (7.2)

èëè â áîëåå ñèììåòðè÷íîé çàïèñè

0222 3323132

22122

11 =+++++ ayaxayaxyaxa . (7.3)

Óðàâíåíèÿ (7.2) è (7.3) åñòü ïðîñòî ðàçíûå âèäû çàïèñè îä-íîãî è òîãî æå îáùåãî óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà îò ïåðå-ìåííûõ x è y . Ìû áóäåì ïðèäåðæèâàòüñÿ â äàëüíåéøåì çàïèñèîáùåãî óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà â âèäå (7.3).

Èòàê, ïóñòü íàì çàäàíî îáùåå óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãîïîðÿäêà

0222 3323132

22122

11 =+++++ ayaxayaxyaxa (7.3)

â íåêîòîðîé ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìå êîîðäèíàò.Íàøà çàäà÷à áóäåò çàêëþ÷àòüñÿ â ïîèñêå êàíîíè÷åñêîé ñèñ-

òåìû êîîðäèíàò, â êîòîðîé óðàâíåíèå (7.3) ïðèìåò ìàêñèìàëüíîïðîñòîé - êàíîíè÷åñêèé âèä.

 ðåçóëüòàòå íàøèõ ïîèñêîâ ìû ïîêàæåì, ÷òî óðàâíåíèå (7.3)áóäåò îïðåäåëÿòü îäíó èç ñëåäóþùèõ ëèíèé:

Page 184: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

184

1. 12

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba ýëëèïñ;

2. 12

2

2

2

−=+b

y

a

x, 0>≥ ba ìíèìûé ýëëèïñ;

3. 02

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba , 1

1122

=+ba

äâå ìíèìûå

ïåðåñåêàþùèåñÿ ïðÿìûå;

4. 12

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b ãèïåðáîëà;

5. 02

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b , 1

1122

=+ba

äâå ïåðåñåêàþùèåñÿ

ïðÿìûå;

6. pxy 22 = , 0>p ïàðàáîëà;

7. 22 by = , 0≠b äâå ïàðàëëåëüíûå ïðÿìûå;

8. 22 by −= , 0≠b äâå ìíèìûå ïàðàëëåëüíûå ïðÿìûå;

9. 02 =y äâå ñîâïàäàþùèå ïðÿìûå.

Óñëîâèìñÿ î ñëåäóþùåé òåðìèíîëîãèè:1) ãðóïïó ñëàãàåìûõ

22212

211 2 yaxyaxa ++ (7.4)

áóäåì íàçûâàòü ãðóïïîé ñòàðøèõ ÷ëåíîâ (êâàäðàòè÷íîé ôîðìîé)äàííîãî óðàâíåíèÿ (7.3);

2) ãðóïïó ñëàãàåìûõ

332313 22 ayaxa ++ (7.5)áóäåì íàçûâàòü ëèíåéíîé ÷àñòüþ (ëèíåéíîé ôîðìîé) äàííîãî óðàâ-íåíèÿ (7.3);

3) êîýôôèöèåíòû 11a , 12a , 22a - êîýôôèöèåíòû êâàäðàòè÷-íîé ôîðìû;

Page 185: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

185

4) êîýôôèöèåíòû 13a , 23a , 33a - êîýôôèöèåíòû ëèíåéíîéôîðìû;

5) êîýôôèöèåíò 33a - ñâîáîäíûé ÷ëåí.Äëÿ ñèììåòðèè ôîðìóëû (7.3) ïîëîæèì

2112 aa = , 3113 aa = , 3223 aa = .

7.2. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè çàìåíå ÏÑÊ

Ïîñòàâèì ïåðåä ñîáîé çàäà÷ó ïåðåõîäà îò îáùåãî óðàâíå-íèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà (7.3) ê êàêîìó-ëèáî êàíîíè÷åñêîìóâèäó, äëÿ ÷åãî ðàññìîòðèì ïîâåäåíèå êîýôôèöèåíòîâ ëèíèè âòî-ðîãî ïîðÿäêà ïðè ïðîèçâîëüíîì ïðåîáðàçîâàíèè ÏÑÊ íå âûõî-äÿ èç îäíîãî îïðåäåë¸ííîãî êëàññà ñèñòåìû êîîðäèíàò, à èìåííîïðàâîé ÏÑÊ.

7.2.1. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñå ÏÑÊ

Ðàññìîòðèì ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ëèíèè âòîðî-ãî ïîðÿäêà (7.3) âûçâàííîå ïåðåíîñîì íà÷àëà êîîðäèíàò (ñì. ï.

4.5.1) â íåêîòîðóþ òî÷êó ( )00 yxO ,′ .  ýòîì ñëó÷àå â ñîîòâåòñòâèèñ (4.17) çàïèøåì

0xxx +′= ,

0yyy +′= . (7.6)Ïîäñòàâèì (7.6) â (7.3). Òîãäà ó÷èòûâàÿ, ÷òî

200

22 2 xxxxx +′+′= ,

200

22 2 yyyyy +′+′= ,

0000 yxxyyxyxxy +′+′+′′=ïîëó÷èì

++′+′+′′++′+′ 0012012012122011011

211 22222 yxaxyayxayxaxaxxaxa

022222 3302323013132022022

222 =++′++′++′+′+ ayayaxaxayayyaya .

Page 186: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

186

Ïîëàãàÿ â ïîñëåäíåì óðàâíåíèè

1313012011 aayaxa ′=++ , (7.7)

2323022012 aayaxa ′=++ , (7.8)

333302301320220012

2011 222 aayaxayayxaxa ′=++++++ (7.9)

çàïèøåì åãî â âèäå

0222 3323132

22122

11 =′+′′+′′+′+′′+′ ayaxayayxaxa . (7.10)

Ñðàâíèâàÿ ïîëó÷åííîå óðàâíåíèå (7.10) ñ èñõîäíûì óðàâíå-íèåì (7.3) ìû ìîæåì ñäåëàòü âûâîä: ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñåÏÑÊ â ñîîòâåòñòâèè ñ (7.6) êîýôôèöèåíòû ÷ëåíîâ ñòàðøåé ãðóï-ïû íå ìåíÿþòñÿ. Êîýôôèöèåíòû ÷ëåíîâ ëèíåéíîé ãðóïïû ìåíÿþò-ñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëàìè (7.7) ÷ (7.9).

Çàìåòèì, ÷òî èñïîëüçóÿ (7.7) è (7.8) ìû ìîæåì ïåðåïèñàòü(7.9) òàê

( ) ( ) =++++++++=′ 3302301302302201201301201133 ayaxayayaxaxayaxaa

( ) ( ) 330232301313 ayaaxaa ++′++′= .Èëè

( ) ( ) 33023230131333 ayaaxaaa ++′++′=′ . (7.11)

7.2.2. Ïðåîáðàçîâàíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ

Ðàññìîòðèì ïîâîðîò ÏÑÊ Oxy âîêðóã òî÷êè O íà óãîë ϕïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè (ñì. ï. 4.5.2). Ïðè ýòîì ìû ìîæåì âîñ-ïîëüçîâàòüñÿ ôîðìóëàìè (4.25), ñâÿçûâàþùèìè ñòàðûå è íî-âûå êîîðäèíàòû

ϕ′−ϕ′= sincos yxx ,

ϕ′+ϕ′= cosyxinxy . (4.25)

Ïîäñòàâèì (4.25) â (7.3). Òîãäà

ϕ′+ϕϕ′′−ϕ′= 22222 2 sinsincoscos yyxxx ,

ϕ′+ϕϕ′′+ϕ′= 22222 2 cossincossin yyxxy ,

ϕϕ′−ϕ′′−ϕ′′+ϕϕ′= cossinsincoscossin 2222 yyxyxxxy .

Page 187: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

187

Ïðåîáðàçóåì ïîëó÷åííûå ðàâåíñòâà èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèÿ

2

212 ϕ−=ϕ cossin ,

2

212 ϕ+=ϕ coscos , ϕ=ϕϕ 22 sincossin :

( ) ( )ϕ−′+ϕ′′−ϕ+′= 212

1221

2

1 222 cossincos yyxxx ,

( ) ( )ϕ+′+ϕ′′+ϕ−= 212

1221

2

12 cossincos yyxy ,

( ) ( ) ϕ′−ϕ−′′−ϕ+′′+ϕ′= 22

121

2

121

2

12

2

1 22 sincoscossin yyxyxxxy =

ϕ′−ϕ′′+ϕ′= 22

122

2

1 22 sincossin yyxx .

Ñ ó÷¸òîì òð¸õ ïîñëåäíèõ ðàâåíñòâ è (4.25) óðàâíåíèå (7.3)ïðèìåò âèä:

+ϕ′−′+ϕ′′−ϕ′+′ 22

1

2

122

2

1

2

1 211

21111

211

211 cossincos yayayxaxaxa

+ϕ′−ϕ′′+ϕ′+ 2222 21212

212 sincossin yayxaxa

+ϕ′+′+ϕ′′+ϕ′−′+ 22

1

2

122

2

1

2

1 222

22222

222

222 cossincos yayayxaxaxa

02222 3323231313 =+ϕ′+ϕ′+ϕ′−ϕ′ ayaxayaxa cossinsincos .Ãðóïïèðóÿ ÷ëåíû ïåðåïèøåì ïîëó÷åííîå óðàâíåíèå

( ) ( ) +′

ϕ+ϕ−++ 2

1222112211 222

1

2

1xaaaaa sincos

( ) +′′

ϕ+ϕ−−+ yxaaa 22

2

12 122211 cossin

( ) ( ) +′

ϕ−ϕ−−++ 2

1222112211 222

1

2

1yaaaaa sincos

( ) ( ) =+′ϕ−ϕ+′ϕ+ϕ+ 3313232313 22 ayaaxaa sincossincos

0222 3323132

22122

11 =′+′′+′′+′′+′′′+′′= ayaxayayxaxa .

Page 188: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

188

Ïðèðàâíèâàÿ êîýôôèöèåíòû ïðè îäèíàêîâûõ ñòåïåíÿõ ïå-ðåìåííûõ ïîëó÷èì âûðàæåíèÿ äëÿ êîýôôèöèåíòîâ îáùåãî óðàâ-íåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà ïîñëå ïîâîðîòà ÏÑÊ íà óãîë ϕ

( ) ( ) ϕ+ϕ−++=′ 222

1

2

1122211221111 sincos aaaaaa , (7.12)

( ) ϕ+ϕ−−=′ 222

112221112 cossin aaaa , (7.13)

( ) ( ) ϕ−ϕ−−+=′ 222

1

2

1122211221122 sincos aaaaaa , (7.14)

ϕ+ϕ=′ sincos 231313 aaa , (7.15)

ϕ−ϕ=′ sincos 132323 aaa , (7.16)

3333 aa =′ . (7.17)Îêîí÷àòåëüíî çàïèøåì

0222 3323132

22122

11 =′+′′+′′+′′+′′′+′′ ayaxayayxaxa . (7.18)

Àíàëèçèðóÿ óðàâíåíèÿ (7.12) ÷ (7.17) ìû ìîæåì ñäåëàòü âû-âîä:

1) ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ íà óãîë ϕ êîýôôèöèåíòû 11a′ , 12a′ , 22a′ãðóïïû ñòàðøèõ ÷ëåíîâ âûðàæàþòñÿ ëèøü ÷åðåç óãîë ϕ è êîýô-

ôèöèåíòû ñòàðøèõ ÷ëåíîâ 11a , 12a è 22a ;

2) êîýôôèöèåíòû ëèíåéíîé ôîðìû 13a′ è 23a′ âûðàæàþòñÿ

ëèøü ÷åðåç óãîë ϕ è êîýôôèöèåíòû ëèíåéíîé ôîðìû 13a è 23a ;

3) ñâîáîäíûé ÷ëåí 3333 aa =′ ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ íå ìåíÿåòñÿ.

7.3. Ïîíÿòèå èíâàðèàíòà.Îñíîâíûå èíâàðèàíòû ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

Ðàññìîòðèì îäèí èç âàæíåéøèõ âîïðîñîâ ñâÿçàííûõ ñ òåî-ðèåé ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà, à èìåííî, âîïðîñ îá èíâàðèàíòàõ.

Íà÷í¸ì ñ ïîÿñíåíèÿ ýòîãî ïîíÿòèÿ íà ïðèìåðå. Ñëîæèâ óðàâ-íåíèÿ (7.12) è (7.14), ïîëó÷èì:

Page 189: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

189

22112211 aaaa +=′+′ .

Èòàê, ìû âèäèì, ÷òî ïðè ïîâîðîòå ÏÑÊ âåëè÷èíû 11a è 22a

èçìåíÿþòñÿ êàæäàÿ â îòäåëüíîñòè (îáðàùàÿñü â íîâûå âåëè÷è-

íû 11a′ è 22a′ ), íî èõ ñóììà îñòà¸òñÿ íåèçìåííîé. Íåèçìåííûìè ýòèâåëè÷èíû, êàê ìû ýòî âûÿñíèëè ðàíåå, îñòàþòñÿ è ïðè ïàðàëëåëü-íîì ïåðåíîñå ÏÑÊ.

Èòàê, ñóììà êîýôôèöèåíòîâ ïðè êâàäðàòàõ ïåðåìåííûõ â(7.3)

22111 aaI += (7.19)îñòà¸òñÿ íåèçìåííîé ïî îòíîøåíèþ ê ïàðàëëåëüíîìó ïåðåíîñó è

ïîâîðîòó ÏÑÊ. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî âûðàæàþò, ãîâîðÿ, ÷òî 1I

åñòü èíâàðèàíò óðàâíåíèÿ (7.3) ïðè óêàçàííûõ ïðåîáðàçîâàíèÿõÏÑÊ.

Âîîáùå, âñÿêàÿ ôóíêöèÿ

( )332313221211 aaaaaaf ,,,,,

îò êîýôôèöèåíòîâ óðàâíåíèÿ (7.3) íàçûâàåòñÿ èíâàðèàíòîì ïðèïðåîáðàçîâàíèè ÏÑÊ, åñëè çíà÷åíèå ýòîé ôóíêöèè îñòà¸òñÿ íå-èçìåííûì ïðè ïåðåõîäå îò îäíîé ÏÑÊ ê äðóãîé, ò.å. åñëè

( ) ( )332313221211332313221211 aaaaaafaaaaaaf ,,,,,,,,,, =′′′′′′ .Îñíîâíîå çíà÷åíèå ïîíÿòèÿ èíâàðèàíòà ñòàíåò ÿñíûì, åñëè

çàìåòèòü, ÷òî âûðàæåíèå âèäà ( )332313221211 aaaaaaf ,,,,, òîëüêî â òîìñëó÷àå ìîæåò ïðåäñòàâëÿòü ãåîìåòðè÷åñêóþ âåëè÷èíó, õàðàêòåð-íóþ äëÿ ñàìîé ðàññìàòðèâàåìîé ëèíèè, à íå çàâèñÿùóþ îò ñëó-÷àéíîãî ïîëîæåíèÿ îñåé êîîðäèíàò, åñëè òîëüêî ýòî âûðàæåíèååñòü èíâàðèàíò. Ïîýòîìó âîïðîñ îá îòûñêàíèè èíâàðèàíòîâ - åñòüîäèí èç ñàìûõ âàæíûõ êàê â òåîðèè ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà, òàê èâ ãåîìåòðèè âîîáùå.

Ïðèâåä¸ì åù¸ îäèí ïðèìåð èíâàðèàíòà ëèíèè âòîðîãî ïî-ðÿäêà. Èç óðàâíåíèé (7.12) ÷ (7.14) ñëåäóåò:

( ) ϕ+ϕ−=′−′ 222 1222112211 sincos aaaaa ,

( ) ϕ+ϕ−−=′ 2222 12221112 cossin aaaa .Âîçâîäÿ ýòè ðàâåíñòâà â êâàäðàò è ñêëàäûâàÿ, ïîëó÷èì

Page 190: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

190

( ) ( ) 212

22211

212

22211 44 aaaaaa +−=′+′−′ ,

îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî âûðàæåíèå

( ) ( ) 212

22211

212

22211 44 aaaaaa +−=′+′−′

åñòü òîæå èíâàðèàíò.

( ) 212

22211 4aaa +− (7.20)

Ýòîò èíâàðèàíò ìîæåò áûòü ïåðåïèñàí è òàê:

( ) =++−=+− 212

2222211

211

212

22211 424 aaaaaaaa

=−+++−= 22112211212

2222211

211 2242 aaaaaaaaa

( ) ( )2122211

222112211

212

2222211

211 4242 aaaaaaaaaaaa −−+=−+++=

èëè

( ) ( ) ( )2122211

22211

212

22211 44 aaaaaaaa −−+=+− . (7.21)

Çàìåòèì, ÷òî åñëè ìû èìååì íåñêîëüêî èíâàðèàíòîâ

nIII ,...,, 21 , òî ëþáàÿ èõ ôóíêöèÿ ( )nIIIF ,...,, 21 åñòü òîæå èíâàðè-

àíò. Ýòî ñëåäóåò èç òîãî, ÷òî åñëè nIII ,...,, 21 íå ìåíÿþòñÿ ïðè çà-

ìåíå ÏÑÊ, òî íå áóäåò ìåíÿòüñÿ è ( )nIIIF ,...,, 21 . Òàêèì îáðàçîìåñëè

22111 aaI +=èíâàðèàíò, òî è

( )22211

21 aaI +=

òîæå èíâàðèàíò.

Âû÷èòàÿ èç (7.21) 21I ïîëó÷èì èíâàðèàíò

( )21222114 aaa −− ,

ðàçäåëèâ êîòîðûé íà 4− îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷èì íîâûé èíâàðè-

àíò 2I :

2221

121121222112 aa

aaaaaI =−= . (7.22)

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî 2112 aa = .

Page 191: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

191

Ñ ïîìîùüþ äîâîëüíî óòîìèòåëüíûõ âû÷èñëåíèé (èëè èñ-ïîëüçóÿ òåîðèþ êâàäðàòè÷íûõ ôîðì, êîòîðóþ ìû áóäåì èçó÷àòüâî âòîðîì ñåìåñòðå) ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî

333231

232221

131211

333231

232221

131211

aaa

aaa

aaa

aaa

aaa

aaa

=′′′′′′′′′

,

ò.å.

333231

232221

131211

3

aaa

aaa

aaa

I = (7.23)

åñòü òîæå èíâàðèàíò ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà.Èòàê, ìû ïðèõîäèì ê ñëåäóþùåìó âàæíîìó âûâîäó: âûðà-

æåíèÿ

1I , 2I , 3I

åñòü îðòîãîíàëüíûå èíâàðèàíòû óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà.Çàìå÷àíèå. Ðàññìîòðèì êâàäðàòíîå óðàâíåíèå

O=λ− EI2

èëè

02221

1211 =λ−

λ−aa

aa. (7.24)

Ðàñêðîåì îïðåäåëèòåëü (7.24)

( ) ( ) 02122211

2221

1211 =−λ−⋅λ−=λ−

λ−aaa

aa

aa

èëè

( ) ( ) 021222112211

2 =−+λ+−λ aaaaa ,

èëè ñ ó÷¸òîì (7.19) è (7.22)

0212 =+λ−λ II , (7.25)

îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò èíâàðèàíòíîñòü êîðíåé 1λ è 2λ â ñèëó èí-

âàðèàíòíîñòè êîýôôèöèåíòîâ 1I è 2I .

Page 192: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

192

Èíâàðèàíòû 1I è 2I åñòü ôóíêöèè îò 1λ è 2λ â ñèëó õîðîøîèçâåñòíîé íàì èç øêîëüíîé ïðîãðàììû òåîðåìû Âèåòà, ò.å.

211 λ+λ=I à 212 λ⋅λ=I . (7.26)Ê èíâàðèàíòàì ìû ìîæåì ïðèïèñàòü è ðàíãè îïðåäåëèòå-

ëåé 2I è 3I , ò.å.

2RgI è 3RgI

åñòü òîæå èíâàðèàíòû.Ãåîìåòðè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà è èõ

ðàñïîëîæåíèå âïîëíå îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì èõ èíâàðèàíòîâ

1I , 2I , 3I .

 çàâèñèìîñòè îò çíàêà 2I îíè ðàçäåëÿþòñÿ íà ñëåäóþùèåòèïû:

02 >I - ýëëèïòè÷åñêèé òèï;

02 <I - ãèïåðáîëè÷åñêèé òèï;

02 =I - ïàðàáîëè÷åñêèé òèï.Ïðèìåð. Ðàññìîòðèì òðè êàíîíè÷åñêèõ óðàâíåíèÿ ýëëèïñà, ãè-ïåðáîëû è ïàðàáîëû:

1. Ýëëèïñ 1916

22

=+ yx èëè 0144169 22 =−+ yx .

Çäåñü 911 =a , 1622 =a , 012 =a , òîãäà

0144160

092 >==I .

2. Ãèïåðáîëà 1916

22

=− yx èëè 0144169 22 =−− yx .

Çäåñü 911 =a , 1622 −=a , 012 =a è òîãäà

0144160

092 <−=

−=I .

3. Ïàðàáîëà xy 62 = èëè 062 =− xy .

Page 193: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

193

Çäåñü 011 =a , 122 =a , 012 =a , 313 −=a è òîãäà

010

002 ==I .

7.4. Öåíòð ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà.Ïðåîáðàçîâàíèå ê öåíòðó

 ï. 7.2.1. ìû óñòàíîâèëè, ÷òî ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñåÏÑÊ èçìåíÿþòñÿ ëèøü êîýôôèöèåíòû ëèíåéíîé ãðóïïû â ñîîò-âåòñòâèè ñ ôîðìóëàìè (7.7), (7.8) è 97.9).

Çàäàäèìñÿ âîïðîñîì, êàê íàéòè òàêóþ ÏÑÊ yxO ′′′ , ïîëó÷åí-

íóþ èç ÏÑÊ Oxy ïàðàëëåëüíûì ïåðåíîñîì, ÷òîáû óðàâíåíèå(7.10) ïðèíÿëî âèä

02 332

22122

11 =′+′+′′+′ ayayxaxa . (7.27)

Ýòî çíà÷èò, ÷òî ìû äîëæíû íàéòè òàêóþ ÏÑÊ yxO ′′′ , â êî-

òîðîé

013 =′a è 023 =′a .

Åñëè 0x , 0y - êîîðäèíàòû O′ èñêîìîé ÏÑÊ, òîãäà èç óðàâ-

íåíèé (7.7) è (7.8) ìû èìååì ñèñòåìó óðàâíåíèé

013012011 =++ ayaxa ,

023022012 =++ ayaxa , (7.28)

êîòîðóþ ìû áóäåì íàçûâàòü óðàâíåíèÿìè öåíòðà ëèíèè âòîðîãî

ïîðÿäêà, à òî÷êà ( )00 yxO ,′ , ãäå 0x , 0y - ðåøåíèå ñèñòåìû (7.28) -

öåíòð ýòîé ëèíèè.Ïîÿñíèì ïîíÿòèå öåíòð ëèíèè. Ïóñòü íà÷àëî ÏÑÊ ïåðå-

íåñåíî â òî÷êó O′ . Òîãäà óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà (7.3)ïðèìåò âèä (7.27).

Ïóñòü òî÷êà ( )yxM ′′, ïðèíàäëåæèò ðàññìàòðèâàåìîé ëèíèè

l , òîãäà è òî÷êà ( )yxM ′−′− ,* ñèììåòðè÷íàÿ òî÷êå M îòíîñèòåëü-

13 À.À. Êèðñàíîâ

Page 194: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

194

íî O′ òîæå ïðèíàäëåæèò ëèíèè l . Òàêèì îáðàçîì, åñëè ñóùå-

ñòâóåò öåíòð ñèììåòðèè O′ äëÿ l , òî îòíîñèòåëüíî ýòîãî öåíòðàòî÷êè ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà l ðàñïîëàãàþòñÿ ñèììåòðè÷íîïàðàìè è öåíòð ëèíèè l åñòü öåíòð å¸ ñèììåòðèè.

Çàìå÷àíèå. Åñëè ëèíèÿ l èìååò öåíòð ñèììåòðèè, òî äëÿ íå¸

3323 aII ′⋅= . (7.29)Ýòî ñëåäóåò èç òîãî ôàêòà, ÷òî

3322221

121133

33

2221

1211

333231

232221

131211

3

00

0

0

aIaa

aaa

a

aa

aa

aaa

aaa

aaa

I ′⋅=⋅′=′

=′′′′′

= .

Èç (7.29) ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî

2

333 I

Ia =′ . (7.30)

Íàëè÷èå öåíòðà ó ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà ñâÿçàíî ñ ðàçðå-øèìîñòüþ ñèñòåìû óðàâíåíèé (7.28), ò.å. åñëè ñèñòåìà óðàâíåíèé(7.28) èìååò åäèíñòâåííîå ðåøåíèå, ëèíèÿ l áóäåò öåíòðàëüíîé.Òàê êàê îïðåäåëèòåëü ìàòðèöû êîýôôèöèåíòîâ ñèñòåìû (7.28) åñòü

22221

1211 Iaa

aa= ,

òî íåîáõîäèìûì è äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì íàëè÷èÿ öåíòðà åñòüîòëè÷èå îò íóëÿ ýòîãî îïðåäåëèòåëÿ, ò.å. åñëè

02 ≠I

ëèíèÿ âòîðîãî ïîðÿäêà l èìååò öåíòð.Èç ñêàçàííîãî âûøå ìû ìîæåì ñäåëàòü ñëåäóþùèé âûâîä:

Ëèíèè ýëëèïòè÷åñêîãî òèïà 02 >I è ãèïåðáîëè÷åñêîãî òèïà

02 <I è òîëüêî îíè ÿâëÿþòñÿ öåíòðàëüíûìè ëèíèÿìè.Èòàê, åñëè ëèíèÿ (7.3) öåíòðàëüíàÿ, òî ïàðàëëåëüíûì ïåðå-

íîñîì å¸ â òî÷êó ( )00 yxO ,′ ìû ìîæåì ïðåäñòàâèòü å¸ â âèäå (7.27)

02 332

22122

11 =′+′+′′+′ ayayxaxa . (7.27)

Page 195: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

195

7.5. Ñòàíäàðòíîå óïðîùåíèå ëþáîãî óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà ïóò¸ì ïîâîðîòà îñåé ÏÑÊ

Ïîêàæåì, ÷òî ëþáîå óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà (7.3)ïóò¸ì ïîâîðîòà ÏÑÊ ìîæåò áûòü ïðèâåäåíî ê óðàâíåíèþ, â êî-

òîðîì íå áóäåò ñîäåðæàòüñÿ ñëàãàåìîãî yxa ′′′122 , ò.å. áóäåò 012 =′a .Òàêîå óïðîùåíèå íàçûâàåòñÿ ñòàíäàðòíûì.

Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â èñõîäíîì óðàâíåíèè (7.3) 012 ≠a . Ïóñòü

óãîë ϕ - óãîë ïîâîðîòà íîâîé ÏÑÊ yxO ′′ îòíîñèòåëüíî ñòàðîé

ÏÑÊ Oxy . Îáðàùàÿñü ê óðàâíåíèþ (7.13) ïðè 012 =′a ïîëó÷èì

( ) 0222

1122211 =ϕ+ϕ−− cossin aaa , (7.31)

ãäå 012 ≠a ïî îïðåäåëåíèþ. Òîãäà

12

2211

22

a

aactg

−=ϕ (7.32)

èëè

2211

1222

aa

atg

−=ϕ . (7.33)

Èòàê, åñëè ìû ïîâåðí¸ì ÏÑÊ Oxy íà óãîë ϕ â ñîîòâåòñòâèè

ñ (7.32) èëè (7.33), òî â íîâîé ÏÑÊ yxO ′′ 12a′ ïðèìåò çíà÷åíèå

íóëü ( 012 =′a ) è óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà (7.3) ïðèìåò

âèä

022 3323132

222

11 =′+′′+′′+′′+′′ ayaxayaxa . (7.34)

Ïðèìåíèì ñòàíäàðòíîå óïðîùåíèå ê ÷àñòíîìó âèäó ëèíèèâòîðîãî ïîðÿäêà, ò.å. ê ëèíèè âèäà

02 332

22122

11 =′+′+′′+′ ayayxaxa . (7.27)

Ýòî åñòü óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà, èìåþùåé öåíòðèëè ïðÿìóþ öåíòðîâ. Òàê êàê ëèíåéíàÿ ÷àñòü îòñóòñòâóåò, òî íà-÷àëî êîîðäèíàò ÏÑÊ åñòü öåíòð ëèíèè l . Ïîëîæèì äëÿ îïðåäå-ë¸ííîñòè, ÷òî

13*

Page 196: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

196

021222112 ≠−= aaaI ,

ò.å. öåíòð îäèí.Åñëè ïîâåðíóòü ñèñòåìó îñåé òàê, ÷òîáû îäíà èõ íèõ ñîâïà-

ëà ñ îäíèì èç ãëàâíûõ äèàìåòðîâ (ñ îäíîé èç îñåé ñèììåòðèè), òîäðóãàÿ îñü ñîâïàä¸ò ñ äðóãèì ãëàâíûì äèàìåòðîì (äðóãîé îñüþñèììåòðèè) è ìû ïîëó÷èì óðàâíåíèå, ãäå áóäåò îòñóòñòâîâàòü

ñëàãàåìîå yxa ′′′122 .Ïîêàæåì, ÷òî åñëè ïîâåðíóòü îñè â ñîîòâåòñòâèè ñ (7.32) èëè

(7.33), ò.å. åñëè 012 =′a , òî

111 a′=λ è 222 a′=λ , (7.35)

ãäå 1λ è 2λ åñòü êîðíè õàðàêòåðèñòè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ (7.24).Íàì èçâåñòíî, ÷òî ïðè ïðåîáðàçîâàíèè êîîðäèíàò

221122111 aaaaI ′+′=+=è

22112

12221121222112 aaaaaaaaI ′′=′−′′=−= .

Ñ äðóãîé ñòîðîíû â ñîîòâåòñòâèè ñ (7.26) èìååì

211 λ+λ=I è 212 λ⋅λ=I

è ìû ìîæåì ïîëîæèòü

111 a′=λ è 222 a′=λè óðàâíåíèå (7.27) òîãäà ïðèìåò âèä

0332

22

1 =′+′λ+′λ ayx . (7.36)

7.6. Óïðîùåíèå óðàâíåíèÿ öåíòðàëüíîé ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

Ïóñòü ëèíèÿ (7.3) öåíòðàëüíàÿ, ò.å.

021222112 ≠−= aaaI . (7.37)

Ïåðåíîñÿ íà÷àëî êîîðäèíàò â öåíòð ( )00 yxO ,′ ëèíèè, ò.å.ïîëàãàÿ

Page 197: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

197

0xxx +′= ,

0yyy +′= ,

ãäå 00 yx , - ðåøåíèå ñèñòåìû (7.28) ïðèâåä¸ì (7.30 ê âèäó

022

322212

211 =+′+′′+′

I

Iyayxaxa . (7.38)

Âçÿâ äàëåå âìåñòî ÏÑÊ yxO ′′′ ñèñòåìó îñåé yxO ′′′′′ , êîòîðàÿ

ñîñòàâëÿåò ñ îñüþ xO ′ óãîë ϕ , îïðåäåëÿåìûé ñ ïîìîùüþ óðàâíå-íèé (7.32) èëè (7.33), (ïóñòü äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè)

2211

1222

aa

atg

−=ϕ , (7.33)

ïðèâåä¸ì óðàâíåíèå (7.38) ê âèäó

02

322

21 =+′′λ+′′λ

I

Iyx (7.39)

èëè ïîëàãàÿ

2

3

I

Ik = (7.40)

ê âèäó

022

21 =+′′λ+′′λ kyx , (7.41)

ãäå 1λ è 2λ åñòü êîðíè óðàâíåíèÿ

0212 =+λ+λ II . (7.25)

Òàê êàê ïî óñëîâèþ (7.37)

021222112 ≠−= aaaI ,

òî íè îäèí èç êîðíåé 1λ è 2λ íå ðàâåí íóëþ.Ðàññìîòðèì òåïåðü âñåâîçìîæíûå ñëó÷àè êîìáèíàöèè çíà-

êîâ êîýôôèöèåíòîâ óðàâíåíèÿ (7.41).

I. 02

3 ≠=I

Ik , ò.å. 03 ≠I .

À. Ïóñòü 1λ , 2λ è k èìåþò îäèíàêîâûå çíàêè ( 1λ± , 2λ± , k± ).

Page 198: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

198

 ýòîì ñëó÷àå ( )0≠k

022

21 =+′′λ+′′λ kyx (7.41)

ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê

012221 =+′′λ+′′λy

kx

k. (7.42)

Ïîëàãàÿ

21 1

ak=λ

è 22 1

bk=λ

(7.43)

çàïèøåì (7.42) êàê

12

2

2

2

−=′′

+′′

b

y

a

x, - ìíèìûé ýëëèïñ. (7.44)

Äëÿ òîãî, ÷òîáû ðåàëèçîâàëñÿ ìíèìûé ýëëèïñ, ò.å. ÷òîáû

1λ è 2λ áûëè îäíîãî çíàêà ñ ó÷¸òîì

0212 =+λ+λ II (7.25)

íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî ÷òîáû 02 >I , òàê êàê

212 λ⋅λ=I . ýòîì ñëó÷àå èç óñëîâèÿ

2

3

I

Ik =

ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî çíàê ó k áóäåò ñîâïàäàòü ñî çíàêîì 3I .Äàëåå, òàê êàê

2122111 λ+λ=+= aaI ,

çíàê ó 1λ è 2λ áóäåò ñîâïàäàòü ñî çíàêîì 1I .Èòàê, ìíèìûé ýëëèïñ õàðàêòåðèçóåòñÿ óñëîâèÿìè:

02 >I , 03 ≠I , 3I è 1I îäíîãî çíàêà.

B. 1λ è 2λ îäíîãî çíàêà ïðîòèâîïîëîæíîãî çíàêó k ( 1λ± , 2λ± , km ).Ïîëàãàÿ â (7.42)

Page 199: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

199

21 1

ak−=λ

è 22 1

bk−=λ

(7.45)

ïðèâåä¸ì åãî ê âèäó

012

2

2

2

=+′′

−′′

−b

y

a

x

èëè

12

2

2

2

=′′

+′′

b

y

a

x - äåéñòâèòåëüíûé ýëëèïñ. (7.46)

 ýòîì ñëó÷àå 0212 >λ⋅λ=I , òàê êàê çíàêè 1λ è 2λ ñîâïàäà-

þò, çíàê 211 λ+λ=I òîæå ñîâïàäàåò ñî çíàêîì 1λ è 2λ , çíàê ó k

ñîâïàäàåò ñî çíàêîì 3I è ïðîòèâîïîëîæåí çíàêó 1I , òîãäà èç

2

3

I

Ik =

ñëåäóåò, ÷òî çíàê ó 3I ïðîòèâîïîëîæåí çíàêó 1I .Òàêèì îáðàçîì äåéñòâèòåëüíûé ýëëèïñ ðåàëèçóåòñÿ åñëè

02 >I , 03 ≠I , 3I è 1I ðàçíûõ çíàêîâ.

C. 1λ è 2λ èìåþò ðàçíûå çíàêè ( 1λ± , 2λm ), 03 ≠I .

 ýòîì ñëó÷àå 0212 <λ⋅λ=I è ïîëàãàÿ â (7.42)

21 1

akm=λ

è 22 1

bk±=λ

, (7.47)

ïîëó÷èì

12

2

2

2

±=′′

−′′

b

y

a

x - ãèïåðáîëà. (7.48)

Ñëó÷àé ãèïåðáîëû õàðàêòåðèçóåòñÿ óñëîâèÿìè

02 <I , 03 ≠I è, êàê ýòî ñëåäóåò èç (7.25), 01 ≠I .

II. 0=k èëè â ñèëó (7.40) - 03 =I . ýòîì ñëó÷àå (7.41) ïðèìåò âèä

Page 200: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

200

022

21 =′′λ+′′λ yx . (7.49)

À. Ïóñòü 1λ è 2λ îäíîãî çíàêà - 02 >I .Ïîëàãàÿ â (7.49)

211 k±=λ è 2

22 k±=λ (7.50)

ïðèâåä¸ì åãî ê âèäó

0222

221 =′′+′′ ykxk . (7.51)

Ðàñêëàäûâàÿ (7.51) íà ìíîæèòåëè ïîëó÷èì

( ) ( ) 02121 =′′−′′⋅′′+′′ yikxkyikxk

èëè

021 =′′+′′ yikxk ,

021 =′′−′′ yikxk . (7.52)Ñèñòåìà óðàâíåíèé (7.52) åñòü ñîâîêóïíîñòü äâóõ ìíèìûõ

ñîïðÿæåííûõ ïðÿìûõ - âûðîæäåííûé ýëëèïñ.Ýòîò ñëó÷àé õàðàêòåðèçóåòñÿ óñëîâèÿìè

01 ≠I , 02 >I , 03 =I .

Â. Ïóñòü 1λ è 2λ ðàçíûõ çíàêîâ - 02 <I .Ïîëàãàÿ â (7.49)

211 k±=λ è 2

22 km=λ (7.53)

ïðèâåä¸ì åãî ê âèäó

0222

221 =′′−′′ ykxk . (7.54)

Ðàñêëàäûâàÿ (7.54) íà ìíîæèòåëè ïîëó÷èì

( ) ( ) 02121 =′′−′′⋅′′+′′ ykxkykxk

èëè

021 =′′+′′ ykxk ,

021 =′′−′′ ykxk . (7.55)Ñèñòåìà óðàâíåíèé (7.55) åñòü ñîâîêóïíîñòü äâóõ äåéñòâèòåëü-

íûõ ïåðåñåêàþùèõñÿ ïðÿìûõ, êîòîðûå îïðåäåëåíû óñëîâèÿìè

01 ≠I , 02 <I , 03 =I .

Page 201: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

201

7.7. Óïðîùåíèå óðàâíåíèÿ ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêàáåç îïðåäåë¸ííîãî öåíòðà

Íàì îñòà¸òñÿ ðàññìîòðåòü ñëó÷àé, êîãäà êîýôôèöèåíòû óðàâ-íåíèÿ (7.3)

0222 3323132

22122

11 =+++++ ayaxayaxyaxa (7.3)

óäîâëåòâîðÿþò ñîîòíîøåíèþ, õàðàêòåðèçóþùåìó ïàðàáîëè÷åñ-êèé òèï ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

021222112 =−= aaaI . (7.56)

 ýòîì ñëó÷àå ëèíèÿ, â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåøåíèåì ñèñòåìû(7.28), èëè âîâñå íå èìååò öåíòðà, èëè èìååò ïðÿìóþ öåíòðîâ.

Íà÷í¸ì ïðåîáðàçîâàíèå (7.3) ñ ïîâîðîòà îñåé, ÷òîáû ïðèâå-ñòè êâàäðàòè÷íóþ ôîðó

22212

211 2 yaxyaxa ++

ê âèäó2

22

1 yx ′λ+′λ .

Äëÿ ýòîãî, êàê ìû óæå çíàåì, íàäî ïîâåðíóòü êîîðäèíàòíûåîñè íà óãîë ϕ , îïðåäåëÿåìûé ñîîòíîøåíèåì

2211

1222

aa

atg

−=ϕ . (7.33)

Âåëè÷èíû 1λ è 2λ îïðåäåëÿòñÿ èç óðàâíåíèÿ

02221

1211 =λ−

λ−aa

aa(7.24)

èëè

0212 =+λ−λ II , (7.25)

êîòîðîå â ñèëó (7.56) 02 =I ïðèìåò âèä

012 =λ−λ I . (7.57)

Òàêèì îáðàçîì ìû ìîæåì ïðèíÿòü

01 =λ , 12 I=λ ,â ñèëó ÷åãî óðàâíåíèå (7.3) ïðèìåò âèä

Page 202: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

202

022 3323132

1 =+′′+′′+′ ayaxayI . (7.58)

Îòìåòèì åù¸ îäèí ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ óðàâíåíèÿ (7.58). Çàìå-

òèì, ÷òî åñëè 011 =a , òî âû ñèëó (7.56) è 012 =a , è óðàâíåíèå (7.3)ñðàçó èìååò âèä (7.58).

Ïóñòü 012 ≠a , òîãäà êâàäðàòè÷íóþ ôîðìó ìîæíî ïðåîáðà-çîâàòü òàê:

( )=++=++ 222111211

2211

11

22212

211 2

12 yaaxyaaxa

ayaxyaxa

( ) ( )21211

11

22121211

2211

11

12

1yaxa

ayaxyaaxa

a+=++= .

Çäåñü ìû ó÷ëè, ÷òî èç (7.56) ñëåäóåò2122211 aaa = .

Òåïåðü óðàâíåíèå (7.3) ìîæíî ïðèâåñòè ê âèäó

( ) 0221

3323132

121111

=++++ ayaxayaxaa . (7.59)

Äëÿ ïðèâåäåíèÿ (7.59) ê âèäó (7.58) äîñòàòî÷íî ïîâåðíóòüîñè êîîðäèíàò òàê, ÷òîáû íîâàÿ îñü xO ′ ñîâïàëà ñ ïðÿìîé

01211 =+ yaxa ,èáî â òàêîì ñëó÷àå ìû áóäåì èìåòü

ykyaxa ′=+ 1211 , (7.60)

ãäå k - íåêîòîðîå ÷èñëî.Ïðè ïîâîðîòå îñåé íà óãîë ϕ (ñì. 4.25) èìååì

ϕ+ϕ−=′ cossin yxy .

Ïîäñòàâëÿÿ y′ â (7.60) ïîëó÷èì

( )ϕ+ϕ−=+ cossin yxkyaxa 1211 ,îòêóäà

ykxkyaxa ⋅ϕ+⋅ϕ−=+ cossin1211 .Ïðèðàâíèâàÿ êîýôôèöèåíòû ïðè ïåðåìåííûõ, ïîëó÷èì

Page 203: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

203

11ak −=ϕsin , 12ak =ϕcos (7.61)èëè

211

22 ak =ϕsin , 212

22 ak =ϕcos .

Ñêëàäûâàÿ ëåâûå è ïðàâûå ÷àñòè ïîñëåäíèõ ðàâåíñòâ ïîëó-÷èì

( )( ) 111221111

22112112211

212

212

211

222

Iaaaa

aaaaaaaak

=+=

=+===+=ϕ+ϕ

cossin

èëè

1112 Iak = ,

ò.å.

111Iak ±= . (7.62)

Ðàâåíñòâà (7.61) ìîæíî òåïåðü çàïèñàòü òàê

111

12

Ia

a

±=ϕcos ,

111

11

Ia

a

±−=ϕsin , (7.63)

èëè

22

12

12

11

a

a

a

atg −=−=ϕ , (7.64)

òàê êàê

22

12

2212

212

2212

2211

12

11

a

a

aa

a

aa

aa

a

a === , ãäå 2122211 aaa = .

Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî (7.33) åñòü ñëåäñòâèå (7.63) è (7.64).Ïîäñòàâëÿÿ íàéäåííûå ϕcos è ϕsin â (7.59) ñ ó÷¸òîì (7.60)

ïîëó÷èì:

022 3323132

11

2

=+′′+′′+′ ayaxaya

k,

à òàê êàê

111Iak ±= , (7.62)

ìû ñðàçó ïîëó÷àåì óðàâíåíèå (7.58).

Page 204: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

204

Çàìåòèì, ÷òî èñïîëüçóÿ (7.63) ìû ìîæåì ïåðåïèñàòü ôîðìó-ëû (7.15) è (7.16) òàê:

111

11231213231313

Ia

aaaaaaa

±−=ϕ+ϕ=′ sincos , (7.65)

111

11131223132323

Ia

aaaaaaa

±+=ϕ−ϕ=′ sincos . (7.66)

Ñîñòàâèì èíâàðèàíò 3I äëÿ óðàâíåíèÿ

022 3323132

1 =+′′+′′+′ ayaxayI . (7.58)

12

13231

1313

332313

231

13

30

0

00

IaaI

aa

aaa

aI

a

I ′−=′′

′−=′′

′′

=

èëè

1

313 I

Ia −±=′ . (7.67)

Çàìåòèì, ÷òî â (7.67) 1I è 3I äîëæíû áûòü ðàçíûõ çíàêîâ.

Ðàññìîòðèì òåïåðü äâà ñëó÷àÿ.

À. 03 ≠I - ïàðàáîëà.

Åñëè 03 ≠I , òî èç (7.67) ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî è 013 ≠′a .

Ïóò¸ì ïàðàëëåëüíîãî ïåðåíîñà íà÷àëà êîîðäèíàò yxO ′′ â

òî÷êó ( )βα′′ ,O óðàâíåíèå (7.58) ïåðåéä¸ò (ñì. (7.10)) â óðàâíåíèå

022 3323132

1 =′′+′′′′+′′′′+′′ ayaxayI . (7.68)

Íàøà çàäà÷à ñîñòîèò â òàêîì ïîäáîðå êîîðäèíàò òî÷êè

( )βα′′ ,O , ÷òîáû òðåòèé ( )23a ′′ è ÷åòâ¸ðòûé ( )33a ′′ êîýôôèöèåíòû â

ëåâîé ÷àñòè óðàâíåíèÿ (7.68) èñ÷åçëè (ñòàëè íóëÿìè).Ïîëàãàÿ

Page 205: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

205

α+′′=′ xx ,

β+′′=′ yy ,ñ ó÷¸òîì òîãî, ÷òî

222 2 β+′′β+′′=′ yyy ,

çàïèøåì (7.58) òàê

022222 33232313132

112

1 =+β′+′′′+α′+′′′+β+′′β+′′ aayaaxaIyIyI .

Ãðóïïèðóÿ ÷ëåíû ïåðåïèøåì ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî òàê

( ) 02222 3323132

1231132

1 =+β′+α′+β+′′′+β+′′′+′′ aaaIyaIxayI .

Ïîëàãàÿ â ïîñëåäíåì ðàâåíñòâå

( ) 3323132313323132

1 222 aaaaIaaaI +β′+α′+β′+β=+β′+α′+βïåðåïèøåì åãî òàê

( ) ( ) 0222 332313231231132

1 =+β′+α′+β′+β+′′′+β+′′′+′′ aaaaIyaIxayI .

Ñðàâíèâàÿ ýòî óðàâíåíèå ñ (7.68) èìååì

1313 aa ′=′′ ,

23123 aIa ′+β=′′ ,

( ) 33231323133 2 aaaaIa +β′+α′+β′+β=′′ .

Îòñþäà ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî äëÿ âûïîëíåíèÿ óñëîâèé 023 =′′a è

033 =′′a , êîîðäèíàòû α è β íàäî ïîäîáðàòü òàê, ÷òîáû âûïîëíÿ-ëèñü ðàâåíñòâà

0231 =′+β aI ,

02 332313 =+β′+α′ aaa ,êîòîðûå áóäóò âûïîëíåíû, åñëè ïîëîæèòü

1

23

I

a′−=β ,

′−

′−=α

1

223

33132

1

I

aa

a . (7.69)

Óðàâíåíèå (7.58) ÷åðåç (7.68) ïåðåéä¸ò â

02 132

1 =′′′+′′ xayI , (7.70)

êîòîðîå ìû ìîæåì ïðåäñòàâèòü êàê

xPy ′′=′′ 22 , (7.71)

Page 206: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

206

ãäå

1

13

I

aP

′−= .

Ìû âèäèì, ÷òî ïàðàìåòð p ðàññìàòðèâàåìîé íàìè ïàðàáîëû

Pp =

è ïðè 0>P ìû èìååì Pp = , åñëè 0<P ìû ìîæåì âìåñòî x ′′ âçÿòü

x ′′− , ò.å. íàïðàâèòü îñü xO ′′′′ â îáðàòíóþ ñòîðîíó è òîãäà (7.71)ìîæíî çàïèñàòü êàê

xPy ′′−=′′ 22

èëè

xpy ′′=′′ 22 , (7.72)

ãäå 0>−= Pp .Çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ P ñ ó÷¸òîì (7.67)

31

3

1

1

3

1

13

I

I

I

I

I

I

aP −=

−±−=

′−= m .

Òîãäà

31

3

I

IPp −+== . (7.73)

Çàìåòèì, ÷òî 31I è 3I , ñòîÿùèå ïîä êîðíåì, èìåþò ðàçíûå

çíàêè.Ãåîìåòðè÷åñêèé ñìûñë ïðîâåä¸ííûõ ïðåîáðàçîâàíèé òàêîâ:

1) yxOOxy ′′a - îñü xO ′ áûëà íàïðàâëåíà ïàðàëëåëüíî îñè

ñèììåòðèè ïàðàáîëû ;

2) yxOyxO ′′′′′′′′ a - íà÷àëî êîîðäèíàò ïåðåíåñåíî â âåðøèíó

ïàðàáîëû ( )βα′′ ,O .

Òàêèì îáðàçîì îñü xO ′′′′ ÿâëÿåòñÿ îñüþ ñèììåòðèè ïàðàáî-

ëû, à íîâîå íà÷àëî êîîðäèíàò ( )βα′′ ,O - âåðøèíîé ïàðàáîëû.

Page 207: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

207

Â. 03 =I - ïàðà ïàðàëëåëüíûõ ïðÿìûõ.

 ýòîì ñëó÷àå 013 =′a è óðàâíåíèå (7.58) ïðèíèìàåò âèä

02 33232

1 =+′′+′ ayayI . (7.74)

Ïåðåíåñ¸ì íà÷àëî êîîðäèíàò â òî÷êó ( )βα′′ ,O , ïîëàãàÿ

α+′′=′ xx ,

β+′′=′ yy .Óðàâíåíèå (7.74) â ðåçóëüòàòå òàêîé ïîäñòàíîâêè ïðèìåò âèä

0222 3323232

112

1 =+β′+′′′+β+′′β+′′ aayaIyIyI .

Ïîñëå íåñëîæíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ïîëó÷èì

( ) ( ) 02 33232312312

1 =+β′+′+β+′′′+β+′′ aaaIyaIyI . (7.75)

Ïîëàãàÿ

0231 =′+β aI ,ïîëó÷èì

1

23

I

a′−=β , α - ïðîèçâîëüíîå ÷èñëî, íàïðèìåð 0=α . (7.76)

Ïîäñòàâëÿÿ ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå β â (7.75) ïîëó÷èì

0331

2232

133232

1 =+′

−′′=+β′+′′ aI

ayIaayI .

Ïîëàãàÿ

1

223

33 I

aak

′−= (7.77)

ïåðåïèøåì ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî òàê

021 =+′′ kyI . (7.78)

ßñíî, ÷òî (7.78) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïàðó ïàðàëëåëüíûõ ïðÿìûõ

1I

ky −±=′′ .

ïðè ýòîì, åñëè k è 1I îäíîãî çíàêà - ïðÿìûå ìíèìûå, åñëè ðàç-

íûõ äåéñòâèòåëüíûå.

Page 208: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

208

7.8. Êëàññèôèêàöèÿ ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà

Ïóñòü íàì äàíî óðàâíåíèå ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà (7.3)

0222 3323132

22122

11 =+++++ ayaxayaxyaxa . (7.3)

Õàðàêòåð ëèíèè (7.3) öåëèêîì îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèìè âå-ëè÷èíàìè, ÿâëÿþùèìèñÿ èíâàðèàíòàìè ïðè ïðåîáðàçîâàíèè ÏÑÊ:

22111 aaI += ; (7.19)

2221

12112 aa

aaI = ; (7.22)

333231

232221

131211

3

aaa

aaa

aaa

I = . (7.23)

Äîãîâîðèìñÿ, ÷òî ìû âñåãäà ìîæåì òàê çàïèñàòü óðàâíåíèå

(7.3), ÷òîáû 22111 aaI += áûëî áîëüøå íóëÿ.Òîãäà:1. Ëèíèÿ (7.3) ðàñïàäàåòñÿ íà äâå ïðÿìûå (äåéñòâèòåëüíûå

èëè ìíèìûå) åñëè 03 =I .

2. Íåðàâåíñòâî 02 >I õàðàêòåðèçóåò ýëëèïòè÷åñêèé òèï ëè-íèè (7.3).

3. Íåðàâåíñòâî 02 <I õàðàêòåðèçóåò ãèïåðáîëè÷åñêèé òèïëèíèè (7.3).

4. Ðàâåíñòâî 02 =I õàðàêòåðèçóåò ïàðàáîëè÷åñêèé òèï ëè-íèè (7.3).

Ñâåä¸ì ïåðå÷èñëåííûå âûøå èíâàðèàíòû â òàáëèöó.

Page 209: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

209

Òàáëèöà 7.1.

1I 2I 3I òèï ëèíèè

0> 0> 0> ìíèìûé ýëëèïñ

0< äåéñòâèòåëüíûé ýëëèïñ

0= âûðîæäåííûé ýëëèïñäâå ñîïðÿæåííûå ìíèìûå ïðÿìûå

0> 0< 0≠ ãèïåðáîëà

0= ïàðà ïåðåñåêàþùèõñÿ ïðÿìûõ

0> 0= 0≠ ïàðàáîëà

0= ïàðà ïàðàëëåëüíûõäåéñòâèòåëüíûõ èëè ìíèìûõ ïðÿìûõ

14 À.À. Êèðñàíîâ

Page 210: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

210

8. Ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà

Ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà ðàññìàòðèâàåìûå â ïðîñòðàí-ñòâå, ÿâëÿþòñÿ àíàëîãîì ëèíèé âòîðîãî ïîðÿäêà íà ïëîñêîñòè. Òà-êèì îáðàçîì, ïî àíàëîãèè ñ óðàâíåíèåì ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà

( ) 0=yxF , ,óðàâíåíèå ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà áóäåò çàäàíî óðàâíåíèåì

( ) 0=zyxF ,, , (8.1)

ãäå ( )zyxF ,, - íåêîòîðûé ìíîãî÷ëåí âòîðîé ñòåïåíè îò zyx ,, .Èç-çà îòñóòñòâèÿ âðåìåíè ìû îãðàíè÷èìñÿ ëèøü êðàòêèì îïè-

ñàíèåì âñåõ âîçìîæíûõ òèïîâ ïîâåðõíîñòåé âòîðîãî ïîðÿäêà.Íà÷í¸ì èçó÷åíèå ïîâåðõíîñòåé âòîðîãî ïîðÿäêà ñ íàèáîëåå

ïðîñòîãî ñëó÷àÿ, êîãäà óðàâíåíèå ïîâåðõíîñòè (8.1) íå ñîäåðæèòîäíîé èç êîîðäèíàò, ïóñòü äëÿ îïðåäåë¸ííîñòè ýòî áóäåò êîîð-äèíàòà z .

Äîãîâîðèìñÿ, î òîì, ÷òî â äàëüíåéøåì ìû áóäåì ïîëüçî-âàòüñÿ ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìîé êîîðäèíàò (ÏÑÊ).

8.1. Öèëèíäðè÷åñêèå ïîâåðõíîñòè

Èòàê, ìû ðàññìàòðèâàåì ÷àñòíûé ñëó÷àé ïîâåðõíîñòè âòî-ðîãî ïîðÿäêà

( ) 0=zyxF ,, , (8.1)

êîãäà ëåâàÿ ÷àñòü óðàâíåíèÿ (8.1) íå çàâèñèò îò z .  ýòîì ñëó÷àåóðàâíåíèå (8.1) ïðèíèìàåò âèä

( ) 0=yxF , . (8.2)

Ïóñòü íåêîòîðàÿ òî÷êà ( )0000 zyxM ,, ïðèíàäëåæèò ðàññìàò-

ðèâàåìîé íàìè ïîâåðõíîñòè (8.2). Î÷åâèäíî, ÷òî âñå òî÷êè ñ êî-

îðäèíàòàìè zyx ,, 00 ïðè ëþáûõ z òîæå ïðèíàäëåæàò ïîâåðõíîñ-

òè (8.2). Ëåãêî óâèäåòü, ÷òî âñå òî÷êè âèäà zyx ,, 00 îáðàçóþò ïðÿ-

Page 211: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

211

ìóþ, ïåðïåíäèêóëÿðíóþ ê ïëîñêîñòè Oxy . Ðàññìîòðèì äâå òî÷-

êè ïîâåðõíîñòè (8.2) - ( )0000 zyxM ,, è ( )zyxM ,, 00 , è ñîñòàâèì óðàâ-

íåíèå ïðÿìîé (5.35)

n

xz

m

yy

l

xx 00000 −=

−=

èëè

0xx = , 0yy = . (5.37)

Ìû èìååì ïðÿìóþ ïà-ðàëëåëüíóþ îñè àïïëèêàò -îñè Oz . Òàêèì îáðàçîì ìûâèäèì, ÷òî âìåñòå ñ òî÷êîé

( )0000 zyxM ,, íà ïîâåðõíîñ-

òè (8.2) ëåæèò (ðèñ. 8.1) èïðÿìàÿ (5.37), ïðîõîäÿùàÿ

÷åðåç òî÷êó ( )0000 zyxM ,,

ïàðàëëåëüíî îñè Oz .Îïðåäåëåíèå 8.1. Ïîâåðõ-

íîñòü, êîòîðàÿ ñîñòîèò èç ïðÿìûõ ëèíèé, ïàðàëëåëüíûõ çàäàí-íîìó íàïðàâëåíèþ, íàçûâàåòñÿ öèëèíäðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòüþ èëèöèëèíäðîì, à ïðÿìûå ëèíèè - å¸ îáðàçóþùèìè. Ëèíèþ, ëåæàùóþíà ïîâåðõíîñòè è ïåðåñåêàþùóþ âñå îáðàçóþùèå íàçîâ¸ì íàïðàâ-ëÿþùåé ëèíèåé.

Èòàê, ïîâåðõíîñòè íå ñîäåðæàùèå îäíîé èç êîîðäèíàò, îï-ðåäåëÿþò öèëèíäð ñ îáðàçóþùèìè, ïàðàëëåëüíûìè ñîîòâåòñòâó-þùåé îñè êîîðäèíàò.

Îïðåäåëåíèå 8.1 ãîâîðèò î òîì, ÷òî öèëèíäðè÷åñêèå ïîâåð-õíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà ýòî ïîâåðõíîñòè, íàïðàâëÿþùèå ëèíèèêîòîðûõ, åñòü ëèíèè âòîðîãî ïîðÿäêà ðàññìîòðåííûå â ï. 7.1:ýëëèïñ, ìíèìûé ýëëèïñ, äâå ìíèìûå ïåðåñåêàþùèåñÿ ïðÿìûå, ãèïåð-áîëà, äâå äåéñòâèòåëüíûå ïåðåñåêàþùèåñÿ ïðÿìûå, ïàðàáîëà, äâåäåéñòâèòåëüíûå ïàðàëëåëüíûå ïðÿìûå, äâå ìíèìûå ïàðàëëåëüíûåïðÿìûå, äâå ñîâïàäàþùèå ïðÿìûå.

Ðèñ. 8.1.

( )0000 ,, zyxM

( )zyxM ,,

z

y

x

O

14*

Page 212: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

212

Öèëèíäðè÷åñêèå ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà.

Òèï [1]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.2) ïðèíàäëå-æàò ýëëèïòè÷åñêèå öèëèíäðû - ïîâåðõíîñòèèìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

12

2

2

2

=+b

y

a

x, 0>≥ ba . (8.3)

Êîîðäèíàòíûå ïëîñêîñòè ÿâëÿþòñÿïëîñêîñòÿìè ñèììåòðèè öèëèíäðà (8.3),íà÷àëî êîîðäèíàò - åãî öåíòðîì ñèììåò-ðèè è ïðè ba ≠ äðóãèõ ïëîñêîñòåé ñèì-ìåòðèè íåò.

Òèï [2]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.3) ïðèíàäëåæàòìíèìûå ýëëèïòè÷åñêèå öèëèíäðû - ïîâåðõíîñ-òè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

12

2

2

2

−=+b

y

a

x, 0>≥ ba . (8.4)

Ýòî ïîâåðõíîñòè íå èìåþùèå âåùå-ñòâåííûõ òî÷åê.

Òèï [3]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.4) ïðèíàäëåæàòäâå ìíèìûå (êîìïëåêñíî-ñîïðÿæåííûå) ïåðå-ñåêàþùèåñÿ ïî âåùåñòâåííîé ïðÿìîéïëîñêîñòè - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå âÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

02

2

2

2

=+b

y

a

x, (8.5)

ãäå 0>a , 0>b è, êðîìå òîãî,

11122

=+ba

.

Âåùåñòâåííûå òî÷êè êàæäîé òà-êîé ïîâåðõíîñòè ñîñòàâëÿþò ïðÿìóþ.

z

y

xO

Ðèñ. 8.2.

z

y

xO

Ðèñ. 8.3.

Ðèñ. 8.4.

z

y

xO

Page 213: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

213

Òèï [4]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.5) ïðèíàä-ëåæàò ãèïåðáîëè÷åñêèå öèëèíäðû - ïî-âåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâ-íåíèå âèäà

12

2

2

2

=−b

y

a

x, 0>a , 0>b . (8.6)

Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hz = ïåðåñåêàåòöèëèíäð (8.6) ïî ãèïåðáîëå, èìåþùåé âÏÑÊ Oxy êàíîíè÷åñêèé âèä (8.6).

Òèï [5]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.6) ïðèíàä-ëåæàò äâå äåéñòâèòåëüíûå ïåðåñåêàþ-ùèåñÿ ïëîñêîñòè - ïîâåðõíîñòè èìåþ-ùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

02

2

2

2

=−b

y

a

x, (8.7)

ãäå 0>a , 0>b è, êðîìå òîãî,

11122

=+ba

.

Òèï [6]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.7) ïðèíàäëå-æàò ïàðàáîëè÷åñêèå öèëèíäðû - ïîâåðõíîñ-òè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

pxy 22 = , 0>p . (8.8)

Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hz = ïåðåñåêàåòöèëèíäð (8.8) ïî ïàðàáîëå, èìåþùåé â ÏÑÊOxy êàíîíè÷åñêèé âèä (8.8).

Òèï [7]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.8) ïðèíàäëåæàò äâå ðàçëè÷íûå äåé-ñòâèòåëüíûå ïàðàëëåëüíûå ïëîñêîñòè - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå âÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

Ðèñ. 8.6.

z

y

xO

Ðèñ. 8.5.

zy

x

O

Ðèñ. 8.7.

z

y

x

O

Page 214: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

214

22 by = , 0>b . (8.9)

Òèï [8]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.9) ïðèíàäëåæàò äâå ðàçëè÷íûå ìíè-ìûå (êîìïëåêñíî-ñîïðÿæåííûå) ïàðàëëåëüíûå ïëîñêîñòè - ïîâåð-õíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

22 by −= , 0>b . (8.10)

Òèï [9]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.10) ïðèíàäëåæàò äâå ñîâïàäàþùèåäåéñòâèòåëüíûå ïëîñêîñòè - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz

óðàâíåíèå âèäà

02 =y . (8.11)

8.2. Êîíóñû âòîðîãî ïîðÿäêà

Îïðåäåëåíèå 8.2. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî òðîéêè ÷èñåë ( )zyx ,, è

( )zyx λλλ ,, , ãäå λ - ïðîèçâîëüíîå ÷èñëî, ïðèíàäëåæàò îäíîé è òîéæå îáëàñòè îïðåäåëåíèÿ, è, êðîìå òîãî, äëÿ íåêîòîðîãî íàòóðàëü-íîãî s

( ) ( )zyxFzyxF s ,,,, λ=λλλ . (8.12)

 ýòîì ñëó÷àå ôóíêöèþ F áóäåì íàçûâàòü îäíîðîäíîé ôóíê-öèåé ñòåïåíè s .

Ðàññìîòðèì ïîâåðõíîñòü S , îïðåäåëÿåìóþ â íåêîòîðîé ÏÑÊóðàâíåíèåì âèäà

Ðèñ. 8.8.

z

y

xO

Ðèñ. 8.9.

z

y

xO

Ðèñ. 8.10.

z

y

xO

Page 215: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

215

( ) 0=zyxF ,, ,ãäå F - îäíîðîäíàÿ ôóíêöèÿ. Òîãäà

åñëè òî÷êà ( ) SzyxM ∈,, , òî ïðè ëþáîì

λ â ñèëó (8.12) òî÷êà ( ) SzyxN ∈λλλ ,, .Ðàäèóñ-âåêòîðû òî÷åê (ðèñ. 8.11) áóäóòêîëëèíåàðíû, â ñèëó ÷åãî òî÷êà N áó-äåò ëåæàòü íà ïðÿìîé OM .Îïðåäåëåíèå 8.3. Ïîâåðõíîñòü, êîòîðàÿñîñòîèò èç ïðÿìûõ ëèíèé, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ôèêñèðîâàííóþòî÷êó O , íàçûâàåòñÿ êîíè÷åñêîé ïîâåðõíîñòüþ èëè êîíóñîì. Ïðÿ-ìûå ëèíèè íàçûâàþòñÿ å¸ îáðàçóþùèìè, òî÷êà O - âåðøèíîé êî-íóñà. Ëèíèÿ, ëåæàùàÿ íà ïîâåðõíîñòè, íå ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç âåð-øèíó êîíóñà è ïåðåñåêàþùàÿ âñå îáðàçóþùèå, íàçûâàåòñÿ íàïðàâ-ëÿþùåé ëèíèåé.

Èòàê, ïîëàãàÿ â (8.12) 2=s ìû ðàññìîòðèì êîíóñû âòîðîãî

ïîðÿäêà ( ) 0=zyxF ,, .

Òèï [10]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.12) ïðèíàäëåæàò äåéñòâèòåëüíûåêîíóñû âòîðîãî ïîðÿäêà - ïîâåðõíîñòè èìå-þùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

02

2

2

2

2

2

=−+c

z

b

y

a

x, (8.13)

ãäå 0>≥ ba , 0>c , 1111222

=++cba

.

Êîîðäèíàòíûå ïëîñêîñòè ÿâëÿþòñÿïëîñêîñòÿìè ñèììåòðèè êîíóñà (8.13), à íà-÷àëî êîîðäèíàò - åãî öåíòðîì ñèììåòðèè.

Ïåðåñå÷¸ì êîíóñ (8.13) ïëîñêîñòüþ

hz = , ïàðàëëåëüíîé ïëîñêîñòè Oxy . Çäåñü h- ïðîèçâîëüíîå ÷èñëî.  ïåðåñå÷åíèè (ðèñ.8.12) ïîëó÷èòñÿ ëèíèÿ

Ðèñ. 8.11.

l N

M

z

y

xO

Ðèñ. 8.12.

z

y

x

O

Page 216: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

216

02

2

2

2

2

2

=−+c

h

b

y

a

x, hz = ,

ïðîåêöèÿ êîòîðîé íà ïëîñêîñòü Oxy äà¸òñÿ óðàâíåíèåì

02

2

2

2

2

2

=−+c

h

b

y

a

x èëè 2

2

2

2

2

2

c

h

b

y

a

x =+ .

Ðàçäåëèâ ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî íà 2

2

c

h ïîëó÷èì

1

2

22

2

2

22

2

=+

c

hb

y

c

ha

x

èëè 12

2

2

2

=′

+′ b

y

a

x,

ãäå hc

aa ⋅=′ , h

c

bb ⋅=′ - ïîëóîñè ýëëèïñà.

Òàêèì îáðàçîì, ïåðåñå÷åíèå êîíóñà (8.13) ïëîñêîñòüþ hz =åñòü ýëëèïñ ñ ïîëóîñÿìè a′ è b′ , ñ öåíòðîì íà îñè Oz . Ëþáîéòàêîé ýëëèïñ ìîæíî âçÿòü â êà÷åñòâå íàïðàâëÿþùåé êîíóñà (8.13).

 ÷àñòíîñòè, åñëè ïîëîæèòü ba = ìû ïîëó÷èì ïðÿìîé êðóãî-âîé êîíóñ

02222 =−+ zkyx , (8.14)

ãäå c

ak = .

Ïåðåñåêàÿ ïðÿìîé êðóãîâîé êîíóñ (8.14) ïëîñêîñòÿìè hz = ,

0≠h , ìû áóäåì ïîëó÷àòü îêðóæíîñòè2222 hkyx =+

ðàäèóñà hkR ⋅= ñ öåíòðàìè íà îñè OZ .

Ïëîñêîñòü 0=z ïåðåñå÷¸ò êîíóñ (8.14) ïî òî÷êå O , à ïëîñ-

êîñòè 0=x è 0=y ïåðåñåêóò êîíóñ ïî îáðàçóþùèì.

Ïëîñêîñòè hx = è hy = ïðè 0≠h ïåðåñåêóò êîíóñ (8.13) ïîãèïåðáîëàì (ðèñ. 8.13à) ñ ïîëóîñÿìè

Page 217: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

217

ha

c ⋅ , ha

b ⋅ è hb

c ⋅ , hb

a ⋅ ,

à êîíóñ (8.14) ïî ãèïåðáîëàì ñ ïîëóîñÿìè

ha

c ⋅ , h è hb

c ⋅ , h .

Ïëîñêèìè ñå÷åíèÿìè è íàïðàâëÿþùèìè êîíóñà (8.13) ÿâëÿ-þòñÿ è ïàðàáîëû (ðèñ. 8.13á). Ðàññìîòðèì ñå÷åíèå êîíóñà ïëîñ-êîñòüþ

hxa

cz += , ïðè 0≠h .

Ïîäñòàâëÿÿ çíà÷åíèå z â (8.13) ïîëó÷èì

02

2

2

2

2

2

=

+

−+c

hxa

c

b

y

a

x

èëè

Ðèñ. 8.13.à á

z

y

x

z

y

x

O O

Page 218: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

218

2

2

2

2

2c

hx

ac

h

b

y += ,

èëè

+=

c

hax

ac

hby

22 2 . (8.15)

Ìû ïîëó÷èëè óðàâíåíèå ïàðàáîëû ñ

âåðøèíîé â òî÷êå

− 0,

c

ha.

Çàìåòèì, áåç äîêàçàòåëüñòâà, ÷òî ïå-ðåñå÷åíèå êîíóñà (8.13) è (8.14) ïëîñêîñòüþñ íåáîëüøèì óãëîì íàêëîíà ê ïëîñêîñòèOxy ìû â ïåðâîì ñëó÷àå ïîëó÷èì îêðóæ-íîñòü, à âî âòîðîì (ðèñ. 8.14) ñëó÷àå - ýë-ëèïñ.

Òèï [11]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.15) ïðèíàäëåæàòìíèìûå êîíóñû âòîðîãî ïîðÿäêà - ïîâåðõíîñòèèìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

02

2

2

2

2

2

=++c

z

b

y

a

x,

(8.16)

ãäå 0>≥≥ cba , 1111222

=++cba

.

Åäèíñòâåííîé âåùåñòâåííîé òî÷êîé ìíèìî-

ãî êîíóñà ÿâëÿåòñÿ òî÷êà ( )000 ,,O .

8.3. Ýëëèïñîèäû, ãèïåðáîëîèäû è ïàðàáîëîèäû

Òèï [12]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.16) ïðèíàäëåæàò ýëëèïñîèäû - ïî-âåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

Ðèñ. 8.14.

z

y

x

O

Ðèñ. 8.15.

z

y

x

O

Page 219: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

219

12

2

2

2

2

2

=++c

z

b

y

a

x, (8.17)

ãäå 0>≥≥ cba - ïîëóîñè ýëëèïñîèäà.Çàìåòèì, ÷òî èç óðàâíåíèÿ ýëëèïñîèäà (8.17) ñðàçó ñëåäóåò,

÷òî êîîðäèíàòíûå ïëîñêîñòè ÿâëÿ-þòñÿ ïëîñêîñòÿìè ñèììåòðèè ýë-ëèïñîèäà, à íà÷àëî êîîðäèíàò - åãîöåíòðîì ñèììåòðèè.

Ïîëîæèòåëüíûå ÷èñëà a , b è cíàçûâàþòñÿ ïîëóîñÿìè ýëëèïñîèäà.

Ýëëèïñîèä ëåæèò âíóòðè ïðÿ-ìîóãîëüíîãî ïàðàëëåëåïèïåäà

axa ≤≤− , byb ≤≤− , czc ≤≤− ,ò.å. ýëëèïñîèäû ÿâëÿþòñÿ îãðàíè-÷åííûìè ïîâåðõíîñòÿìè è âñå ïëîñêèå ñå÷åíèÿ ýëëèïñîèäà ÿâëÿþòñÿîãðàíè÷åííûìè êðèâûìè âòîðîãî ïîðÿäêà - ýëëèïñàìè.

Ïóñòü 222 cba ≥≥ . Ðàññìîòðèì ïåðåñå÷åíèå ýëëèïñîèäà (8.17)

ñ ïëîñêîñòüþ hz = ïðè ch < . Ïîäñòàâëÿÿ hz = â (8.17) ïîëó÷èì

2

2

2

2

2

2

1c

h

b

y

a

x −=+

èëè

1

112

2

2

2

2

2

=

+

c

hb

y

c

ha

x

. (8.18)

Òàêèì îáðàçîì ìû âèäèì, ÷òî ïëîñêîñòü hz = ïðè ch <

ïåðåñåêàåò ýëëèïñîèä (8.17) ïî ýëëèïñó ñ ïîëóîñÿìè

2

2

1c

ha − , 2

2

1c

hb − ,

êîòîðûå äîñòèãàþò ìàêñèìóìà ïðè 0=h è ìîíîòîííî óáûâàþò

Ðèñ. 8.16.

z

yx

O

Page 220: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

220

äî íóëÿ ïðè ch → .

Ëåãêî ïîêàçàòü, ÷òî ïåðåñåêàÿ ýëëèïñîèä (8.17) ïëîñêîñòÿ-

ìè hy = è hx = ïðè bh > è ah > ìû ïîëó÷èì â ñå÷åíèÿõ ýë-

ëèïñû ñ ïîëóîñÿìè

2

2

1b

ha − , 2

2

1b

hc −

è

2

2

1a

hb − , 2

2

1a

hc − .

Åñëè â ýëëèïñîèäå (8.17) cba ≠= , òî åãî ïåðåñå÷åíèå ñ ïëîñ-êîñòüþ hz = äàñò íàì îêðóæíîñòü

2

2

2

2

2

2

1c

h

a

y

a

x −=+

ðàäèóñà

22 hcc

arh −= .

Ñàì ýëëèïñîèä â ýòîì ñëó÷àå (ðèñ. 8.17) ïîëó÷àåòñÿ âðàùå-íèåì ýëëèïñà

12

2

2

2

=+c

z

a

x, 0=y

âîêðóã îñè Oz . Òàê êàê ac < , òî âðàùåíèå ýëëèïñà ïðîèñõîäèòâîêðóã åãî ìåíüøåé îñè è ìû èìå-åì â ýòîì ñëó÷àå òàê íàçûâàåìûéñæàòûé ýëëèïñîèä.

Åñëè cba => , òî ñå÷åíèå ýë-ëèïñîèäà ïëîñêîñòüþ hx = äà¸òíàì îêðóæíîñòè

2

2

2

2

2

2

1a

h

b

z

b

y −=+

Ðèñ. 8.17.

z

y

x

Page 221: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

221

ðàäèóñà

22 haa

brh −= .

Ñàì ýëëèïñîèä â ýòîì ñëó÷àå (ðèñ. 8.18) ïîëó÷àåòñÿ âðàùå-íèåì ýëëèïñà

12

2

2

2

=+b

z

a

x, 0=y

âîêðóã îñè Ox . Ïîëó÷åííûé ýëëèïñîèä íàçîâ¸ì âûòÿíóòûì ýë-ëèïñîèäîì âðàùåíèÿ.

Åñëè cba == ýëëèïñîèä (ðèñ. 8.19) ÿâëÿåòñÿ ñôåðîé ðàäèóñà a .

Òèï [13]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.20)ïðèíàäëåæàò ìíèìûå ýëëèïñîèäû -ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz

óðàâíåíèå âèäà

12

2

2

2

2

2

−=++c

z

b

y

a

x, (8.19)

ãäå 0>≥≥ cba . Îíè âåùåñòâåííûõòî÷åê íå èìåþò.

Òèï [14]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.21) ïðèíàäëåæàò äâóïîëîñòíûå ãè-ïåðáîëîèäû - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

Ðèñ. 8.18.

zy

x

Ðèñ. 8.19.

z

yx

O

Ðèñ. 8.20.

z

y

x

O

Page 222: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

222

12

2

2

2

2

2

−=−+c

z

b

y

a

x, (8.20)

ãäå 0>≥ ba , 0>c .Âèä óðàâíåíèÿ (8.20) ñðàçó ãîâîðèò î òîì,

÷òî êîîðäèíàòíûå ïëîñêîñòè ÿâëÿþòñÿ ïëîñ-êîñòÿìè ñèììåòðèè, à íà÷àëî êîîðäèíàò ÿâ-ëÿåòñÿ öåíòðîì ñèììåòðèè äâóïîëîñòíîãî ãè-ïåðáîëîèäà.

Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 8.21 ïëîñêîñòü hz =

ïðè ch < íå ïåðåñåêàåò ãèïåðáîëîèä, ïðè

ch = èìååò ñ ãèïåðáîëîèäîì òî÷êè êàñà-

íèÿ ( )c,,00 è ( )c−,,00 . Ïðè ch > ïëîñêîñòü

hz = ïåðåñåêàåò ãèïåðáîëîèä (8.20) ïî ýëëèïñó

12

2

2

2

2

2

−=+c

h

b

y

a

x

ñ ïîëóîñÿìè

12

2

−c

ha è 1

2

2

−c

hb ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè îò íóëÿ äî +∞ êîãäà h âîçðàñòàåò

îò c äî +∞ .Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hy = ïåðåñåêàåò ðàññìàòðèâàåìûé íàìè

ãèïåðáîëîèä ïî ãèïåðáîëå

2

2

2

2

2

2

1b

h

a

x

c

z +=−

ñ ïîëóîñÿìè

2

2

1b

hc + è 2

2

1b

ha + ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè îò c è a äî +∞ ïðè âîçðàñòàíèè h

Ðèñ. 8.21.

z

y

x

O

Page 223: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

223

îò íóëÿ äî +∞ .Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hx = ïåðåñåêàåò íàø ãèïåðáîëîèä ïî ãè-

ïåðáîëå

2

2

2

2

2

2

1a

h

b

y

c

z +=−

ñ ïîëóîñÿìè

2

2

1a

hc + è 2

2

1a

hb + ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè îò c è b äî +∞ ïðè âîçðàñòàíèè h

îò íóëÿ äî +∞ .Òàêèì îáðàçîì, ôîðìà äâóïîëîñòíîãî ãèïåðáîëîèäà íàìè

ïîëíîñòüþ âûÿñíåíà è ìû âèäèì, ÷òî îí ñîñòîèò äâóõ ñèììåò-ðè÷íûõ ÷àñòåé (ïîë), ðàñïîëîæåííûõ ñîîòâåòñòâåííî â ïîëó-ïðîñòðàíñòâàõ cz ≥ è cz −≤ .

Òèï [15]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.22) ïðèíàäëåæàò îäíîïîëîñòíûåãèïåðáîëîèäû - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

12

2

2

2

2

2

=−+c

z

b

y

a

x, (8.21)

ãäå 0>≥ ba , 0>c .Âèä óðàâíåíèÿ (8.21) ñðàçó ãîâîðèò î

òîì, ÷òî êîîðäèíàòíûå ïëîñêîñòè ÿâëÿþò-ñÿ ïëîñêîñòÿìè ñèììåòðèè, à íà÷àëî êîîð-äèíàò ÿâëÿåòñÿ öåíòðîì ñèììåòðèè îäíîïî-ëîñòíîãî ãèïåðáîëîèäà.

Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hz = ïåðåñåêàåò(ðèñ. 8.22) îäíîïîëîñòíîé ãèïåðáîëîèä ïîýëëèïñó

2

2

2

2

2

2

1c

h

b

y

a

x +=+

ñ ïîëóîñÿìèÐèñ. 8.22.

z

y

x

Page 224: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

224

2

2

1c

ha + è 2

2

1c

hb + ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè îò a äî +∞ , åñëè h âîçðàñòàåò îò

íóëÿ äî +∞ .Ïðè 0=h ìû ïîëó÷àåì òàê íàçûâàåìûé ãîðëîâîé ýëëèïñ

12

2

2

2

=+b

y

a

x. (8.22)

Åñëè ba = ðàññìîòðåííûå âûøå ñå÷åíèÿ ÿâëÿþòñÿ îêðóæíî-ñòÿìè, à ãèïåðáîëîèä (8.21) íàçûâàåòñÿ îäíîïîëîñòíûì ãèïåðáî-ëîèäîì âðàùåíèÿ.

Êàæäàÿ ïëîñêîñòü hy = ïðè bh < ïåðåñåêàåò ðàññìàòðèâà-

åìûé íàìè îäíîïîëîñòíîé ãèïåðáîëîèä (8.21) ïî ãèïåðáîëå

2

2

2

2

2

2

1b

h

c

z

a

x −=− (8.23)

ñ ïîëóîñÿìè

2

2

1b

ha − è 2

2

1b

hc − ,

ìîíîòîííî óáûâàþùèìè îò a è c äî íóëÿ, êîãäà h âîçðàñòàåò

îò íóëÿ äî b .

Ïëîñêîñòü bhy == ïåðåñåêàåò (ðèñ.8.23)

ðàññìàòðèâàåìûé íàìè ãèïåðáîëîèä, êàê ýòîñëåäóåò èç (8.23), ïî ïàðå ïðÿìûõ

02

2

2

2

=−c

z

a

x,

à ïðè bh > - ïî ãèïåðáîëå ñ ïîëóîñÿìè

12

2

−b

hc è 1

2

2

−b

ha ,

Ðèñ. 8.23.

Page 225: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

225

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè îò íóëÿ äî +∞ , êîãäà h âîçðàñòàåò

îò b äî +∞ .Ìíèìûå (äåéñòâèòåëüíûå) (ðèñ. 8.24)

îñè ãèïåðáîë, ïîëó÷àþùèõñÿ ïðè bh > ,

ïàðàëëåëüíû äåéñòâèòåëüíûì (ìíèìûì)

îñÿì ãèïåðáîë, ïîëó÷àþùèõñÿ ïðè bh < .

Ñëó÷àé ïåðåñå÷åíèÿ ãèïåðáîëîèäà

(8.21) ïëîñêîñòüþ hx = àíàëîãè÷åí ðàñ-

ñìîòðåííîìó âûøå ïåðåñå÷åíèþ ãèïåðáî-

ëîèäà ñ ïëîñêîñòüþ hy = .

Îäíèì èç çàìå÷àòåëüíûõ ñâîéñòâ îä-íîïîëîñòíîãî ãèïåðáîëîèäà ÿâëÿåòñÿ íà-ëè÷èå öåëèêîì íà í¸ì ëåæàùèõ ïðÿìûõ(ñì. ðèñ. 8.23).Îïðåäåëåíèå 8.4. Ïîâåðõíîñòü â ïðî-ñòðàíñòâå íàçûâàåòñÿ l -êðàòíî ëèíåé÷à-òîé ïîâåðõíîñòüþ, åñëè ÷åðåç ëþáóþ å¸òî÷êó ïðîõîäèò l è òîëüêî l ðàçëè÷íûõ ïðÿìûõ, öåëèêîì íàíåé ëåæàùèõ. Ýòè ïðÿìûå íàçûâàþòñÿ ïðÿìîëèíåéíûìè îáðàçóþ-ùèìè ëèíåé÷àòîé ïîâåðõíîñòè.

Ñôîðìóëèðóåì (áåç äîêàçàòåëüñòâà) äëÿ îäíîïîëîñòíîãîãèïåðáîëîèäà (8.21) ñëåäóþùååÏðåäëîæåíèå 8.1. Îäíîïîëîñòíîé ãèïåðáîëîèä ÿâëÿåòñÿ äâàæäûëèíåé÷àòîé ïîâåðõíîñòüþ.

 ïîëüçó ýòîãî ïðåäëîæåíèÿ ñëóæèò òîò ôàêò, ÷òî ïðè ïåðå-

ñå÷åíèè ãèïåðáîëîèäà ïëîñêîñòÿìè bhy == è ahx == ìû ïî-

ëó÷àåì ïàðû ïåðåñåêàþùèõñÿ â òî÷êàõ ïðèíàäëåæàùèõ ãîðëîâî-ìó ýëëèïñó ïðÿìûõ. ßñíî, ÷òî ëþáàÿ ïëîñêîñòü êàñàòåëüíàÿ êîäíîïîëîñòíîìó ãèïåðáîëîèäó â òî÷êàõ ãîðëîâîãî ýëëèïñà áóäåòïåðåñåêàòü åãî ïî ïàðå ïðÿìûõ.

Òàêèì îáðàçîì (áåç äîêàçàòåëüñòâà) ìû ìîæåì ïðåäïîëî-æèòü, ÷òî êàæäàÿ ïðÿìîëèíåéíàÿ îáðàçóþùàÿ îäíîïîëîñòíîãî ãè-

Ðèñ. 8.24.

z

y

x

15 À.À. Êèðñàíîâ

Page 226: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

226

ïåðáîëîèäà ïåðåñåêàåò åãî ãîðëîâîé ýëëèïñ.Ïàðàìåòðè÷åñêèå óðàâíåíèÿ ïðÿìîëèíåéíûõ îáðàçóþùèõ,

ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó ( )000 yxM , ãîðëîâîãî ýë-ëèïñà, èìåþò âèä

tyb

auxx 00 −= ,

txa

buyy 00 += , (8.24)

ctz = ,ãäå 1±=u .

Äâå ïðÿìîëèíåéíûå îáðàçóþùèå îäíîïîëîñòíîãî ãèïåðáî-ëîèäà áóäåì íàçûâàòü îäíîèì¸ííûìè, åñëè èì ñîîòâåòñòâóåò îäíîè òî æå çíà÷åíèå u . Òàêèì îáðàçîì âñå îáðàçóþùèå ðàçáèâàþòñÿíà äâà êëàññà, êîòîðûå îáû÷íî íàçûâàþòñÿ ñåìåéñòâàìè ïðÿìî-ëèíåéíûõ îáðàçóþùèõ ãèïåðáîëîèäà (8.21).

Òèï [16]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.25) ïðèíàäëåæàò ýëëèïòè÷åñêèå ïà-ðàáîëîèäû - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

zq

y

p

x2

22

=+ , (8.25)

ãäå 0>≥ qp .Âèä óðàâíåíèÿ (8.25) ñðàçó ãîâî-

ðèò î òîì, ÷òî êîîðäèíàòíûå ïëîñêî-ñòè ÿâëÿþòñÿ ïëîñêîñòÿìè ñèììåòðèèýëëèïòè÷åñêîãî ïàðàáîëîèäà. Ïðè

qp ≠ äðóãèõ ïëîñêîñòåé ñèììåòðèèó íåãî íåò.

Ïëîñêîñòü hz = ïðè 0<h íåïåðåñåêàåò ïàðàáîëîèä, ïðè 0=hèìååò ñ ïàðàáîëîèäîì åäèíñòâåí-

íóþ îáùóþ òî÷êó ( )000 ,,O è ïðè

0>h ïåðåñåêàåò ïàðàáîëîèä ïî ýë-Ðèñ. 8.25.

z

y

xO

Page 227: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

227

ëèïñó

hq

y

p

x2

22

=+

ñ ïîëóîñÿìè

hp2 è hq2 ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè âìåñòå ñ h îò íóëÿ äî +∞ .

Ïëîñêîñòè hy = è hx = ïåðåñåêàþò íàø ïàðàáîëîèä ïî ïà-ðàáîëàì ñ ôîêàëüíûìè ïàðàìåòðàìè p è q , ñ âåðøèíàìè ñîîò-âåòñòâåííî â òî÷êàõ

q

hh

20

2

, , è

p

hh

20

2

, ,

è ñ ðîãàìè íàïðàâëåííûìè â ñòîðîíó âîçðàñòàíèÿ z .

Òèï [17]. Ê ýòîìó òèïó (ðèñ. 8.26) ïðèíàäëåæàò ãèïåðáîëè÷åñêèåïàðàáîëîèäû - ïîâåðõíîñòè èìåþùèå â ÏÑÊ Oxyz óðàâíåíèå âèäà

zq

y

p

x2

22

=− , (8.26)

ãäå 0>p , 0>q .Âèä óðàâíåíèÿ (8.26) ñðàçó ãî-

âîðèò î òîì, ÷òî êîîðäèíàòíûåïëîñêîñòè ÿâëÿþòñÿ ïëîñêîñòÿìèñèììåòðèè ýëëèïòè÷åñêîãî ïàðàáî-ëîèäà. Äðóãèõ ïëîñêîñòåé ñèììåò-ðèè ó íåãî íåò.

Èç âñåõ ïîâåðõíîñòåé âòîðîãîïîðÿäêà ýòî ñàìàÿ òðóäíàÿ äëÿïðåäñòàâëåíèÿ ïîâåðõíîñòü.

Ïëîñêîñòü hz = ïðè 0<h ïå-ðåñåêàåò ïàðàáîëîèä (8.26) ïî ãèïåðáîëå

hq

y

p

x2

22

−=−

Ðèñ. 8.26.

z

y

x

O

15*

Page 228: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

228

èëè

122

22

=−hp

x

hq

y

ñ ïîëóîñÿìè

hq2− è hp2− ,

ìîíîòîííî óáûâàþùèìè îò +∞ äî íóëÿ, êîãäà h âîçðàñòàåò îò−∞ äî íóëÿ. Äåéñòâèòåëüíàÿ îñü ýòîé ãèïåðáîëû ïàðàëëåëüíà îñè

Ox , à ìíèìàÿ - îñè Oy .Ïðè 0=h ïëîñêîñòü 0=z ïåðåñåêàåò (ðèñ. 8.27) ãèïåðáîëè-

÷åñêèé ïàðàáîëîèä ïî ïàðå ïðÿìûõ

022

=−q

y

p

x.

Ïðè 0>h ïëîñêîñòü hz = ïåðå-ñåêàåò íàø ïàðàáîëîèä ïî ãèïåðáî-ëàì

hq

y

p

x2

22

=−

ñ ïîëóîñÿìè

hp2 è hq2 ,

ìîíîòîííî âîçðàñòàþùèìè âìåñòå ñ h îò íóëÿ äî +∞ . Äåé-

ñòâèòåëüíàÿ îñü ýòîé ãèïåðáîëû ïàðàëëåëüíà îñè Oy , à ìíè-ìàÿ - îñè Ox .

Ïëîñêîñòü hy = ïðåñåêàåò ãèïåðáîëè÷åñêèé ïàðàáîëîèä ïîïàðàáîëå

q

hz

p

x 22

2 +=

èëè

Ðèñ. 8.27.

z y

xO

Page 229: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

229

+=

q

hzpx

22

22

ñ ïàðàìåòðîì p è âåðøèíàìè

q

hh

20

2

, , , íàïðàâëåííîé ðîãàìè

ââåðõ.Ïëîñêîñòü hx = ïåðåñåêàåò ãèïåðáîëè÷åñêèé ïàðàáîëîèä ïî

ïàðàáîëå

p

hz

q

y 22

2 +−=

èëè

−−=

p

hzqy

22

22

ñ ïàðàìåòðîì q , âåðøèíàìè

p

hh

20

2

, , , íàïðàâëåííîé ðîãàìè âíèç.

Ïëîñêîñòè 0=y è 0=x ïåðåñåêàþò ãèïåðáîëè÷åñêèé ïàðà-áîëîèä ïî ãëàâíûì ïàðàáîëàì:

íåïîäâèæíîé ïàðàáîëå

pzx 22 = , 0=y (8.27)

è ïîäâèæíîé ïàðàáîëå

qzy 22 −= , 0=x , (8.28)

îáðàù¸ííûå ðîãàìè â ðàçíûå ñòîðîíû.

Ïðåäëîæåíèå 8.2. Ãèïåðáîëè÷åñêèé ïàðàáîëîèä ÿâëÿåòñÿ äâàæ-äû ëèíåé÷àòîé ïîâåðõíîñòüþ.

Ðàíåå ìû ïîêàçàëè, ÷òî ïðè 0=h ïëîñêîñòü 0=z ïåðåñåêàåò(ðèñ. 8.27) ãèïåðáîëè÷åñêèé ïàðàáîëîèä ïî ïàðå ïðÿìûõ

022

=−q

y

p

x

Page 230: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

230

èëè

0=

−⋅

+

q

y

p

x

q

y

p

x. (8.29)

Ìû ìîæåì ïðåäïîëîæèòü, ÷òî âñÿêàÿ ïðÿìîëèíåéíàÿ îáðà-çóþùàÿ ãèïåðáîëè÷åñêîãî ïàðàáîëîèäà (8.26) ïåðåñåêàåò ïëîñ-êîñòü 0=z èëè ðàñïîëîæåíà â íåé.

Ïóñòü ( )0000 ,, zyxM - ïðîèçâîëüíàÿ òî÷êà ãèïåðáîëè÷åñêî-

ãî ïàðàáîëîèäà (8.26) è ïóñòü ïðÿìàÿ

tlxx += 0 ,

tmyy += 0 ,

tnzz += 0 ,

ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç òî÷êó 0M , öåëèêîì ëåæèò íà ïàðàáîëîèäå.

Êîîðäèíàòû ðàññìàòðèâàåìîé ïðÿìîé äîëæíû óäîâëåòâîðÿòüóðàâíåíèþ (8.26)

( ) ( ) ( )tnzq

tmy

p

tlx +=+−+0

20

20 2 ,

êîòîðîå ïîñëå ðàñêðûòèÿ ñêîáîê è ïðèâåäåíèÿ ïîäîáíûõ ÷ëåíîâìîæíî çàïèñàòü òàê

02 0022

2 =

−−+

− n

q

my

p

lxt

q

m

p

lt .

Ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî âîçìîæíî ïðè

022

=−q

m

p

l(8.30)

è

000 =−− nq

my

p

lx. (8.31)

Èç ïåðâîãî ðàâåíñòâà ñëåäóåò, ÷òî

Page 231: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

231

λ==qu

m

p

l, ( 1±=u )

èëè

qupml :: = .

Ïîäñòàâëÿÿ âî âòîðîå ðàâåíñòâî çíà÷åíèÿ

pl λ= è qum λ= ,

ïîëó÷èì

nq

yu

p

x =

−λ 00

,

îòêóäà ñðàçó ñëåäóåò, ÷òî ñ òî÷íîñòüþ äî ïðîïîðöèîíàëüíîñòè(8.30) è (8.31) èìåþò äâà è òîëüêî äâà ðåøåíèÿ:

−=

q

yu

p

xqupnml 00:::: .

Íåïîñðåäñòâåííîé ïðîâåðêîé ëåãêî ïîêàçàòü, ÷òî äâå ïðÿ-ìûå ñ íàïðàâëÿþùèìè âåêòîðàìè

pl = ,

qum= ,

q

yu

p

xn 00 −=

öåëèêîì ëåæàò íà ãèïåðáîëè÷åñêîì ïàðàáîëîèäå (8.26). Ïðÿìûå

ñ 1=u îáðàçóþò îäíî ñåìåé-ñòâî îáðàçóþùèõ (ðèñ. 8.28), à

ñ 1−=u - äðóãîå. çàêëþ÷åíèå ìû ìîæåì

ñêàçàòü, ÷òî êëàññèôèêàöèÿ ïî-âåðõíîñòåé âòîðîãî ïîðÿäêàïîëíîñòüþ èñ÷åðïûâàåòñÿ ïå-

Ðèñ. 8.28.

Page 232: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

232

ðå÷èñëåííûìè ñåìíàäöàòüþ òèïàìè ïîâåðõíîñòåé âòîðîãî ïîðÿä-êà â åâêëèäîâîì ïðîñòðàíñòâå. Íè äëÿ îäíîé ïîâåðõíîñòè íå ñó-ùåñòâóåò äâóõ ÏÑÊ, â êîòîðûõ îíà èìåëà áû ðàçëè÷íûå óðàâíå-íèÿ ýòèõ òèïîâ.

Òàêèì îáðàçîì âñå ïîâåðõíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà èñ÷åðïûâà-þòñÿ1) ýëëèïñîèäàìè (äåéñòâèòåëüíûìè [12] è ìíèìûìè [13]) ,2) ãèïåðáîëîèäàìè (îäíîïîëîñòíûìè [15] è äâóïîëîñòíûìè [14]),3) ïàðàáîëîèäàìè (ýëëèïòè÷åñêèìè [16] è ãèïåðáîëè÷åñêèìè [17]),4) êîíóñàìè âòîðîãî ïîðÿäêà (äåéñòâèòåëüíûìè [10] ìíèìûìè [11]),5) öèëèíäðàìè âòîðîãî ïîðÿäêà (äåéñòâèòåëüíûìè ýëëèïòè÷åñêè-ìè [1] è ìíèìûìè ýëëèïòè÷åñêèìè [2], ïàðàáîëè÷åñêèìè [6] è ãè-ïåðáîëè÷åñêèìè [4]),6) ïàðàìè ïëîñêîñòåé (äåéñòâèòåëüíûõ ïåðåñåêàþùèõñÿ [5], ìíè-ìûõ ïåðåñåêàþùèõñÿ [3] è äåéñòâèòåëüíûõ ïàðàëëåëüíûõ è ðàç-ëè÷íûõ [7], ìíèìûõ ïàðàëëåëüíûõ [8], äåéñòâèòåëüíûõ ñîâïàäà-þùèõ [9]).

Page 233: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

233

Ëèòåðàòóðà

1. Àëåêñàíäðîâ Ï.Ñ. Êóðñ àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè è ëèíåéíîéàëãåáðû. Ì.: Íàóêà, 1979.2. Áåêëåìèøåâ Ä.Â. Êóðñ àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè è ëèíåéíîéàëãåáðû. Ì.: ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2000.3. Áåêëåìèøåâà Ë.À., Ïåòðîâè÷ À.Þ., ×óáàðîâ È.À. Ñáîðíèêçàäà÷ ïî àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè è ëèíåéíîé àëãåáðå. Ì.: Íà-óêà, 1987.4. Áîðåâè÷ Ç.È. Îïðåäåëèòåëè è ìàòðèöû. Ì.: Íàóêà, 1970.5. Âåðíåð À.Ë., Êàíòîð Á.Å., Ôðàíãóëîâ Ñ.À. Ãåîìåòðèÿ, ÷.1., ÷.2.- ÑÏá.: Ñïåöèàëüíàÿ ëèòåðàòóðà, 1997.6. Äàíêî Ï.Å., Ïîïîâ À.Ã. Âûñøàÿ ìàòåìàòèêà â óïðàæíåíèÿõ èçàäà÷àõ. ×. I. Ì.: Âûñøàÿ øêîëà, 1967.7. Åôèìîâ Í.Â. Êâàäðàòè÷íûå ôîðìû è ìàòðèöû. Ì.: Íàóêà, 1967.8. Åôèìîâ Í.Â. Êðàòêèé êóðñ àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè. - Ì.:Ïðîñâåùåíèå, 1969.9. Åôèìîâ Í.Â., Ðîçåíäîðí Ý.Ð. Ëèíåéíàÿ àëãåáðà è ìíîãîìåð-íàÿ ãåîìåòðèÿ. Ì.: Íàóêà, 1970.10. Çàäà÷íèê-ïðàêòèêóì ïî àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè è âûñøåéàëãåáðå. Ë.: Èçäàòåëüñòâî ËÃÓ, 1986.11. Èëüèí Â.À., Ïîçíÿê Ý.Ã. Àíàëèòè÷åñêàÿ ãåîìåòðèÿ. Ì.: Íà-óêà, 1968.12. Êèðñàíîâ À.À. Çàäà÷íèê-ïðàêòèêóì ïî ëèíåéíîé àëãåáðå.Ìàòðèöû. Äåòåðìèíàíòû. Ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé. Ïñêîâ:ÏÃÏÈ, 2002.13. Êèðñàíîâ À.À. Êîìïëåêñíûå ÷èñëà. Ïñêîâ: ÏÃÏÈ, 2002.14. Ëàïòåâ Ã.Ô. Ýëåìåíòû âåêòîðíîãî èñ÷èñëåíèÿ. Ì.: Íàóêà,1975.15. Ìàòåìàòèêà â ñîâðåìåííîì ìèðå. Ì.: Ìèð, 1967.16. Ìèëîâàíîâ Ì.Â. è äð. Àëãåáðà è àíàëèòè÷åñêàÿ ãåîìåò-ðèÿ. × 1. Ìí.: Àìàëôåÿ, 2001.17. Ìîäåíîâ Ï.Ñ., Ïàðõîìåíêî À.Ñ. Ñáîðíèê çàäà÷ ïî àíàëèòè-÷åñêîé ãåîìåòðèè. Ì.: Íàóêà, 1976.

Page 234: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

234

18. Ìóñõåëèøâèëè Í.È. Êóðñ àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè. Ì.: Âûñ-øàÿ øêîëà, 1967.19. Ïîñòíèêîâ Ì.Ì. Ëåêöèè ïî ãåîìåòðèè. Ñåìåñòð I. Àíàëèòè-÷åñêàÿ ãåîìåòðèÿ. Ì.: Íàóêà, 1986.20. Ñáîðíèê çàäà÷ ïî ãåîìåòðèè. Ïîä ðåä. Â.Ò. Áàçûëåâà. Ì.:Ïðîñâåùåíèå, 1980.21. Øèëîâ Ã.Å. Ìàòåìàòè÷åñêèé àíàëèç. Êîíå÷íîìåðíûå ëèíåé-íûå ïðîñòðàíñòâà. Ì.: Íàóêà, 1969.

Page 235: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций
Page 236: Аналитическая геометрия и линейная алгебра. I семестр. Курс лекций

Ê 435

Àëåêñàíäð Àëåêñååâè÷Êèðñàíîâ

ÀÍÀËÈÒÈ×ÅÑÊÀß ÃÅÎÌÅÒÐÈßÈ

ËÈÍÅÉÍÀß ÀËÃÅÁÐÀ

I ñåìåñòð

(êóðñ ëåêöèé)

Èçäàòåëüñêàÿ ëèöåíçèÿ ÈÄ ¹ 06024 îò 09.10.2001 ãîäà.Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 24.07.2003 ã. Ôîðìàò 60õ90/16.

Îáúåì èçäàíèÿ: 14,75 ó.ï.ë. Òèðàæ 300 ýêç. Çàêàç ¹ .

Ïñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé ïåäàãîãè÷åñêèé èíñòèòóò èì.Ñ.Ì.Êèðîâà,180760, ã.Ïñêîâ, ïë.Ëåíèíà, 2.

Ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèé îòäåë ÏÃÏÈ èì.Ñ.Ì.Êèðîâà,180760, ã.Ïñêîâ, óë.Ñîâåòñêàÿ, 21, òåëåôîí 2-86-18.

9 7 8 5 8 7 8 5 4 2 7 3 9

ISBN 5 -87854-273 -0