Кривые второго порядка

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

Введение

 

Курс геометрии содержит разнообразный материал, однако одним из ее центральных разделов является теория кривых второго порядка. Решение задач, связанных с кривыми второго порядка, иногда вызывают большие затруднения.

Некоторые понятия кривых второго порядка встречаются в физике. Например, по гиперболе движутся альфа-частицы в опыте Резерфорда при рассеивании их ядром атома; по эллипсам движутся планеты вокруг Солнца, по параболе - тело в однородном поле силы тяжести, брошенное под углом к горизонту.

Все вышесказанное подчеркивает актуальность выбранной темы курсовой работы.

Данная курсовая работа предлагается в виде рабочей тетради, где акцентируется внимание на практические задания.

Целью является изучение теории кривых второго порядка.

Объектом исследования явились кривые второго порядка, а также задачи, связанные с ними.

Предметом исследования является изучение теории кривых второго порядка.

Цель исследования обусловила выбор следующих частных задач:

1.отобрать теоретический материал по теме курсовой работы;

2.обобщить и систематизировать материал;

.рассмотреть основные типы задач и их решение.

Структура курсовой работы следующая. В начале каждой темы рассматривается основной теоретический материал по теории общего уравнения линии второго порядка. Здесь рассматривается приведение общего уравнения линии второго порядка к простейшему виду, исследование общего уравнения линии второго порядка, а также классификация линий второго порядка.

После каждой темы предлагаются вопросы для самопроверки, а затем упражнения по данной изложенной теме.

После всех изложенных тем предлагается тест с вариантами ответов и ключ к ответам.

Заканчивается данная рабочая тетрадь контрольной работой в два варианта, состоящая из 5 вопросов.

При работе над курсовой работой использовались в качестве основных источников учебники Шипачева В.С., Ильина В. А., Позняка Г.

1. Общее уравнение линии второго порядка

 

Важной задачей аналитической геометрии является исследование общего уравнения линии второго порядка и приведение его к простейшим (каноническим) формам.

Определение: Кривой второго порядка называется множество точек М (х; у) на плоскости ХОУ, координаты которых удовлетворяют следующему общему уравнению кривой второго порядка:

 

Ах2 + 2Вху + Су2 + 2Dx + 2Ey + F = 0, (1)

 

где коэффициенты А, 2В, С, 2D, 2E и F - любые числа и, кроме того, числа А, В и С не равны нулю одновременно, т.е. А2 + В2 + С2 0.

 

1.1Приведение общего уравнения линии второго порядка к простейшему виду

 

Лемма 1: Пусть в прямоугольной системе координат Оху задано уравнение (1) и пусть АС - В2 0. Тогда с помощью параллельного сдвига и последующего поворота осей координат уравнение (1) приводится к виду:

 

А'х''2 + С' у ''2 + F ' = 0, (2)

 

где А', С ', F ' - некоторые числа; (х''; у '') - координаты точки (х; у) в новой системе координат.

1.2Инвариантность выражения АС - В2. Классификация линий второго порядка

 

Коэффициенты А, В и С при старших членах уравнения (1) при параллельном переносе осей координат, как следует из доказательства леммы, не меняются, но они меняются при повороте осей координат. Однако выражение АС - В2 остается неизменным как при переносе, так и при повороте осей, т.е. не зависит от преобразования координат. Действительно, при параллельном переносе этот факт очевиден.

В зависимости от знака величины АС - В2 линии второго порядка разделяются на следующие 3 типа:

) эллиптический, если АС - В2>0;

) гиперболический, если АС - В2 < 0;

) параболический, если АС - В2 =0.

Теорема 1. Пусть в прямоугольной системе координат задано общее уравнение кривой второго порядка

 

Ах2 + 2Вху + Су2 + 2Dx + 2Ey + F = 0.

 

Тогда существует такая прямоугольная система координат, в которой это уравнение принимает один из следующих девяти канонических видов:

 

1) (Эллипс);

) (Мнимый эллипс);

) а2х2 + с2у2 = 0 (Пара мнимых пересекающихся прямых);

) (Гипербола);

) а2х2 - с2у2 = 0 (Пара пересекающихся прямых);

) y2= 2px (Парабола);

) у2 - а2 = 0 (Пара параллельных прямых);

) у2 + а2 = 0 (Пара мнимых параллельных прямых):

) у2 = 0 (Пара совпавших прямых).

 

2. Эллипс

 

Определение: Эллипсом (рис.1) называется геометрическое место точек, для которых сумма расстояний от двух фиксированных точек плоскости, называемых фокусами, есть постоянная величина; требуется, чтобы эта постоянная была больше расстояния между фокусами. Фокусы эллипса принято обозначать через F1 и F2.

 

Рис.1.

 

- это уравнение называется каноническим уравнением эллипса, где а и b - длины большой и малой полуосей эллипса. При a = b фокусы F1 и F2 совпадают, и указанное уравнение определяет окружность, которая рассматривается как частный случай эллипса.

Уравнение , определяющее эллипс в некоторой системе декартовых прямоугольных координат, есть уравнение второй степени; таким образом, эллипс есть линия второго порядка.

Оси симметрии эллипса называются его осями, а центр симметрии (точка пересечения осей) - центром эллипса. Точки, в которых эллипс пересекает оси, называются его вершинами. Так как на основании равенства а b, то 2а- длина большой оси симметрии эллипса, 2b - малой оси. Следовательно, числа а и b являются длинами соответственно большой и малой полуосей эллипса.

Определение: Эксцентриситетом эллипса называется отношени?/p>