- •§ 11. Уравнение прямой линии на плоскости
- •1°. Векторное, параметрическое, общее и каноническое уравнение прямой в произвольной аффинной системе координат.
- •Доказательство.
- •3°. Прямая линия на плоскости с прямоугольной системой координат. Нормальное уравнение прямой.
- •Пример. .
- •§ 16. Уравнение плоскости в пространстве
- •1°. Различные виды уравнения на плоскости.
- •2°. Взаимное расположение плоскостей в пространстве. Полупространства.
- •3°. Плоскость в пространстве с прямоугольной декартовой системой координат.
- •§ 17. Уравнение прямой в пространстве
- •1°. Уравнение прямой в произвольной аффиновой системе координат.
- •2°. Взаимное расположение двух прямых в пространстве.
§ 11. Уравнение прямой линии на плоскости
1°. Векторное, параметрическое, общее и каноническое уравнение прямой в произвольной аффинной системе координат.
Фиксируем на плоскости аффинную систему координат, определяемую началом координат и базисными векторами . Тогда точка плоскости определяется координатами .
Пусть прямая линия лежит в плоскости и проходит через точку параллельно вектору .
M
M0
O
Рис.1. Прямая , проходящая через точку
параллельно вектору .
Определение 1. Всякий ненулевой вектор , параллельный прямой l, называется направляющим вектором этой прямой.
Если точка плоскости лежит на прямой, то вектор коллинеарен . Значим, R такое, что
. |
(1) |
С другой стороны, всякая точка М, для которой выполнено уравнение (1), принадлежит прямой в силу определения произведения вектора на число.
Таким образом, условие Мвыполнению уравнения (1). Уравнение (1) называется векторным уравнением прямой.
Если обозначить радиус вектора точек через и соответственно, то и уравнение (1) принимает вид:
, |
(2) |
которое также называется векторным уравнением прямой.
Если , то (2) в координатах принимает вид
|
(3) |
– параметрическое уравнение прямой на плоскости, проходящей через точку в направлении вектора .
Исключая из уравнения (3) параметр t, получаем
|
(4) |
– каноническое уравнение прямой на плоскости.
Уравнение (4) понимается как пропорцию. Тогда, если, например, , то прямая параллельна оси Oy и проходит через точку .
Приведем уравнение (4) к общему знаменателю:
.
Если обозначить , то получим:
|
(5) |
– общее уравнение прямой на плоскости.
Так как , то хотя бы один из коэффициентов А или В отличен от нуля ⇒ уравнение (5) представляет собой уравнение первого порядка. Таком образом, показано, что любая прямая является алгебраической линией первого порядка.
Верно и обратное: любая алгебраическая линия первого порядка на плоскости является прямой.
Действительно, уравнение (5) является линейным неоднородным уравнением, и в силу теории решения СЛНУ его общее решение имеет вид
где – частное решение уравнения (5) (например, при , частного решения можно выбрать вида , ), – фундаментальное решение соответствующего однородного уравнения. Сравнивая общее решение уравнения (5) с (3), представляющим собой параметрическое уравнение прямой на плоскости, можно видеть, что множество всех решений уравнения (5) представляет собой прямую, проходящую через точку и имеющей направляющий вектор .
Таким образом доказана следующая теорема.
Теорема 1. Прямые на плоскости – алгебраические линии первого порядка.
Из доказательства теоремы 1 следует, что если – уравнение прямой, то вектор является направляющим вектором этой прямой.
Если , то из уравнения (5) получаем:
,
т.е.
, где .
Отметим, что в произвольной декартовой системе координат коэффициент не играет роль углового коэффициента (т.е. не равен тангенсу угла наклона прямой к оси ). Например, на рис. 2 прямая имеет уравнение (или в каноническом виде ) и перпендикулярна оси
L
y l
x
Рис.2. Прямая в системе координат имеет уравнение .
Из канонического уравнения (4) легко выводится уравнение прямой, проходящей через 2 точки. А именно, если прямая l проходит через две точки и , то вектор можно выбрать в качестве направляющего вектора прямой. Тогда уравнение (4) принимает вид
, |
(6) |
который называется уравнением прямой, проходящей через точки и .
Рассмотрим некоторые частные случаи общего уравнения прямой (5)..
-
Если А=0, то прямая параллельна оси .
-
Если B=0, то прямая параллельна оси .
-
Если C=0, то прямая проходит через начало координат.
-
Если A=C=0, то прямая совпадает с осью .
-
Если B=C=0 , то прямая совпадает с осью .
-
Если , то уравнение (5) после деления на можно переписать в виде
, |
|
который называется уравнением прямой в отрезках. Здесь и равны отрезкам, отсекаемым прямой на координатных осях.
2°. Взаимное расположение прямых на плоскости. Полуплоскости.
Пусть на плоскости задана аффинная система координат .
Утверждение 1. Для того чтобы прямые и , задаваемые соответственно уравнениями
, |
(7) |
и
, |
(8) |
совпадали, необходимо и достаточно, чтобы
. |
(9) |
Доказательство.
| Если прямые l1 и l2 совпадают, то это означает, что их направляющие вектора и коллинеарные, т.е. R:
. |
(10) |
Пусть т. принадлежит этим прямым. Тогда
.
Умножая первое уравнение на и прибавляя ко второму, в силу (10) имеем , что вместе с (10) эквивалентно (9).
| Пусть выполняется (9). Тогда уравнения (7) и (8) эквивалентны соответствующие прямые совпадают, ч.т.д.∎
Утверждение 2. Прямые и , задаваемые уравнениями (7) и (8) соответственно, параллельны и не совпадают
. |
(11) |
Доказательство.
| Если прямые и параллельны и не совпадают, то система несовместна, а это эквивалентно (в силу теоремы Кронекера-Конелли) условию ,
Последнее равносильно условию , что возможно лишь при выполнении (11).
| Из первого равенства (11) что прямые и параллельны, а из второго неравенства система уравнений (7), (8) несовместна прямые параллельны и не совпадают, ч.т.д.∎
Следствие (из утверждений 1 и 2). Прямые и пересекаются
. |
(12) |
Утверждение 3. Пусть прямые и , задаваемые уравнениями (7), (8), пересекаются в единственной точке . Тогда прямая l3 проходит через точку она задается уравнением
, , |
(13) |
являющимся линейной комбинацией уравнений (7), (8).