220400 Алгебра и геометрия Толстиков А.В.
Лекции 16. Билинейные и квадратичные формы.
План
1. Билинейная форма и ее свойства.
2. Квадратичная форма. Матрица квадратичной формы. Преобразование координат.
3. Приведение квадратичной формы к каноническому виду. Метод Лагранжа.
4. Закон инерции квадратичных форм.
5. Приведение квадратичной формы к каноническому виду по методу собственных значений.
6. Критерий Сильверста положительной определенности квадратичной формы.
1. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 1984.
2. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. 1997.
3. Воеводин В.В. Линейная алгебра.. М.: Наука 1980.
4. Сборник задач по для втузов. Линейная алгебра и основы математического анализа. Под ред. Ефимова А.В., Демидовича Б.П.. М.: Наука, 1981.
5. Бутузов В.Ф., Крутицкая Н.Ч., Шишкин А.А. Линейная алгебра в вопросах и задачах. М.: Физматлит, 2001.
, , , ,
1. Билинейная форма и ее свойства. Пусть V - n -мерное векторное пространство над полем P.
Определение 1. Билинейной формой , определенной на V, называется такое отображение g : V 2 ® P , которое каждой упорядоченной паре (x , y ) векторов x , y из ставит в V соответствие число из поля P , обозначаемое g (x , y ), и линейное по каждой из переменных x , y , т.е. обладающее свойствами:
1) ("x , y , z ÎV ) g (x + y , z ) = g (x , z ) + g (y , z );
2) ("x , y ÎV ) ("a ÎP ) g (ax , y ) = ag (x , y );
3) ("x , y , z ÎV ) g (x , y + z ) = g (x , y ) + g (x , z );
4) ("x , y ÎV ) ("a ÎP ) g (x , ay ) = ag (x , y ).
Пример 1 . Любое скалярное произведение, определенное на векторном пространстве V является билинейной формой.
2 . Функция h (x , y ) = 2x 1 y 1 - x 2 y 2 + x 2 y 1 , где x = (x 1 , x 2), y = (y 1 , y 2)ÎR 2 , билинейная форма на R 2 .
Определение 2. Пусть v = (v 1 , v 2 ,…, v n V. Матрицей билинейной формы g (x , y ) относительно базиса v называется матрица B =(b ij ) n ´ n , элементы которой вычисляются по формуле b ij = g (v i , v j ):
Пример 3 . Матрица билинейной формы h (x , y ) (см. пример 2) относительно базиса e 1 = (1,0), e 2 = (0,1) равна .
Теорема 1 . Пусть X, Y- координатные столбцы соответственно векторов x , y в базисе v, B - матрица билинейной формы g (x , y ) относительно базиса v . Тогда билинейную форму можно записать в виде
g (x , y )=X t BY . (1)
Доказательство. По свойствам билинейной формы получаем
Пример 3 . Билинейной формы h (x , y ) (см. пример 2) можно записать в виде h (x , y )=.
Теорема 2 . Пусть v = (v 1 , v 2 ,…, v n ), u = (u 1 , u 2 ,…, u n ) - два базиса векторного пространства V, T- матрица перехода от базиса v к базису u. Пусть B = (b ij ) n ´ n и С =(с ij ) n ´ n - матрицы билинейной формы g (x , y ) соответственно относительно базисов v и u. Тогда
С = T t BT. (2)
Доказательство. По определению матрицы перехода и матрицы билинейной формы находим:
Определение 2. Билинейная форма g (x , y ) называется симметричной , если g (x , y ) = g (y , x ) для любых x , y ÎV.
Теорема 3 . Билинейная форма g (x , y )- симметричной тогда и только тогда, когда матрица билинейной формы относительно любого базиса симметричная.
Доказательство. Пусть v = (v 1 , v 2 ,…, v n ) - базис векторного пространства V, B = (b ij ) n ´ n - матрицы билинейной формы g (x , y ) относительно базиса v. Пусть билинейная форма g (x , y )- симметричная. Тогда по определению 2 для любых i, j = 1, 2,…, n имеем b ij = g (v i , v j ) = g (v j , v i ) = b ji . Тогда матрица B - симметричная.
Обратно, пусть матрица B - симметричная. Тогда B t = B и для любых векторов x = x 1 v 1 + …+ x n v n = vX, y = y 1 v 1 + y 2 v 2 +…+ y n v n = vY ÎV , согласно формуле (1), получаем (учитываем, что число - матрица порядка 1, и при транспонировании не меняется)
g (x , y ) = g (x , y ) t = (X t BY ) t = Y t B t X = g (y , x ).
2. Квадратичная форма. Матрица квадратичной формы. Преобразование координат.
Определение 1. Квадратичной формой определенной на V, называется отображение f : V ® P , которое для любого векторов x из V определяется равенством f (x ) = g (x , x ), где g (x , y ) - симметричная билинейная форма, определенная на V .
Свойство 1. По заданной квадратичной форме f (x ) билинейная форма находится однозначно по формуле
g (x , y ) = 1/2(f (x + y ) - f (x )- f (y )). (1)
Доказательство. Для любых векторов x , y ÎV получаем по свойствам билинейной формы
f (x + y ) = g (x + y , x + y ) = g (x , x + y ) + g (y , x + y ) = g (x , x ) + g (x , y ) + g (y , x ) + g (y , y ) = f (x ) + 2g (x , y ) + f (y ).
Отсюда следует формула (1).
Определение 2. Матрицей квадратичной формы f (x ) относительно базиса v = (v 1 , v 2 ,…, v n ) называется матрица соответствующей симметричной билинейной формы g (x , y ) относительно базиса v .
Теорема 1 . Пусть X = (x 1 , x 2 ,…, x n ) t - координатный столбец вектора x в базисе v, B - матрица квадратичной формы f (x ) относительно базиса v . Тогда квадратичную форму f (x )
Дана
квадратичная форма (2) A
(x
, x
) = ,
где x
= (x
1 , x
2 , …, x
n
).
Рассмотрим квадратичную форму в
пространстве R
3 ,
то есть x
= (x
1 ,
x
2 ,
x
3),
A
(x
,
x
) =
+
+
+
+
+
+
+
+
+
=
+
+
+ 2
+ 2
+
+ 2
(использовали условие симметричности
формы, а именно а
12 = а
21 ,
а
13 = а
31 ,
а
23 = а
32).
Выпишем матрицу квадратичной формы A
в базисе {e
},
A
(e
) =
.
При изменении базиса матрица квадратичной
формы меняется по формуле A
(f
) = C
t
A
(e
)C
,
где C
– матрица перехода от базиса {e
}
к базису {f
},
а C
t
– транспонированная матрица C
.
Определение 11.12. Вид квадратичной формы с диагональной матрицей называется каноническим .
Итак,
пусть A
(f
) =
,
тогда A
"(x
,
x
) =
+
+
,
где x
" 1 ,
x
" 2 ,
x
" 3
– координаты вектора x
в новом базисе {f
}.
Определение 11.13. Пусть в n V выбран такой базис f = {f 1 , f 2 , …, f n }, в котором квадратичная форма имеет вид
A
(x
, x
) =
+
+ … +
,
(3)
где y 1 , y 2 , …, y n – координаты вектора x в базисе {f }. Выражение (3) называется каноническим видом квадратичной формы. Коэффициенты 1 , λ 2 , …, λ n называются каноническими ; базис, в котором квадратичная форма имеет канонический вид, называется каноническим базисом .
Замечание . Если квадратичная форма A (x , x ) приведена к каноническому виду, то, вообще говоря, не все коэффициенты i отличны от нуля. Ранг квадратичной формы равен рангу ее матрицы в любом базисе.
Пусть
ранг квадратичной формы A
(x
, x
)
равен r
,
где r
≤ n
.
Матрица квадратичной формы в каноническом
виде имеет диагональный вид. A
(f
) =
,
поскольку ее ранг равен r
,
то среди коэффициентов i
должно быть r
,
не равных нулю. Отсюда следует, что число
отличных от нуля канонических коэффициентов
равно рангу квадратичной формы.
Замечание . Линейным преобразованием координат называется переход от переменных x 1 , x 2 , …, x n к переменным y 1 , y 2 , …, y n , при котором старые переменные выражаются через новые переменные с некоторыми числовыми коэффициентами.
x 1 = α 11 y 1 + α 12 y 2 + … + α 1 n y n ,
x 2 = α 2 1 y 1 + α 2 2 y 2 + … + α 2 n y n ,
………………………………
x 1 = α n 1 y 1 + α n 2 y 2 + … + α nn y n .
Так как каждому преобразованию базиса отвечает невырожденное линейное преобразование координат, то вопрос о приведении квадратичной формы к каноническому виду можно решать путем выбора соответствующего невырожденного преобразования координат.
Теорема 11.2 (основная теорема о квадратичных формах). Всякая квадратичная форма A (x , x ), заданная в n -мерном векторном пространстве V , с помощью невырожденного линейного преобразования координат может быть приведена к каноническому виду.
Доказательство . (Метод Лагранжа) Идея этого метода состоит в последовательном дополнении квадратного трехчлена по каждой переменной до полного квадрата. Будем считать, что A (x , x ) ≠ 0 и в базисе e = {e 1 , e 2 , …, e n } имеет вид (2):
A
(x
,
x
) =
.
Если A (x , x ) = 0, то (a ij ) = 0, то есть форма уже каноническая. Формулу A (x , x ) можно преобразовать так, чтобы коэффициент a 11 ≠ 0. Если a 11 = 0, то коэффициент при квадрате другой переменной отличен от нуля, тогда при помощи перенумерации переменных можно добиться, чтобы a 11 ≠ 0. Перенумерация переменных является невырожденным линейным преобразованием. Если же все коэффициенты при квадратах переменных равны нулю, то нужные преобразования получаются следующим образом. Пусть, например, a 12 ≠ 0 (A (x , x ) ≠ 0, поэтому хотя бы один коэффициент a ij ≠ 0). Рассмотрим преобразование
x 1 = y 1 – y 2 ,
x 2 = y 1 + y 2 ,
x i = y i , при i = 3, 4, …, n .
Это
преобразование невырожденное, так как
определитель его матрицы отличен от
нуля
= = 2 ≠ 0.
Тогда
2a
12 x
1 x
2 = 2
a
12 (y
1 – y
2)(y
1 + y
2) = 2
– 2
,
то есть в форме A
(x
,
x
)
появятся квадраты сразу двух переменных.
A
(x
,
x
) =
+ 2
+ 2
+
. (4)
Преобразуем выделенную сумму к виду:
A
(x
,
x
) = a
11
, (5)
при этом коэффициенты a ij меняются на . Рассмотрим невырожденное преобразование
y 1 = x 1 + + … + ,
y 2 = x 2 ,
y n = x n .
Тогда получим
A
(x
,
x
) =
.
(6).
Если
квадратичная форма
= 0,
то вопрос о приведении A
(x
, x
)
к каноническому виду решен.
Если эта форма не равна нулю, то повторяем рассуждения, рассматривая преобразования координат y 2 , …, y n и не меняя при этом координату y 1 . Очевидно, что эти преобразования будут невырожденными. За конечное число шагов квадратичная форма A (x , x ) будет приведена к каноническому виду (3).
Замечание 1. Нужное преобразование исходных координат x 1 , x 2 , …, x n можно получить путем перемножения найденных в процессе рассуждений невырожденных преобразований: [x ] = A [y ], [y ] = B [z ], [z ] = C [t ], тогда [x ] = A B [z ] = A B C [t ], то есть [x ] = M [t ], где M = A B C .
Замечание
2.
Пусть
A
(x
,
x
) = A
(x
, x
) =
+
+ …+
,
где i
≠ 0,
i
= 1,
2, …, r
,
причем 1 > 0,
λ 2 > 0,
…, λ q
> 0,
λ q
+1 < 0,
…, λ r
< 0.
Рассмотрим невырожденное преобразование
y
1 = z
1 ,
y
2 = z
2 ,
…, y
q
= z
q
,
y
q
+1 =
z
q
+1 ,
…, y
r
= z
r
,
y
r
+1 = z
r
+1 ,
…, y
n
= z
n
.
В
результате A
(x
,
x
)
примет вид:
A
(x
, x
) = + + … + – – … – ,
который называется нормальным
видом квадратичной формы
.
Пример 11.1. Привести к каноническому виду квадратичную форму A (x , x ) = 2x 1 x 2 – 6x 2 x 3 + 2x 3 x 1 .
Решение . Поскольку a 11 = 0, используем преобразование
x 1 = y 1 – y 2 ,
x 2 = y 1 + y 2 ,
x 3 = y 3 .
Это
преобразование имеет матрицу A
=
,
то есть [x
] = A
[y
]
получим A
(x
,
x
) = 2(y
1 – y
2)(y
1 + y
2) – 6(y
1 + y
2)y
3 + 2y
3 (y
1 – y
2) =
2– 2– 6y 1 y 3 – 6y 2 y 3 + 2y 3 y 1 – 2y 3 y 2 = 2– 2– 4y 1 y 3 – 8y 3 y 2 .
Поскольку коэффициент при не равен нулю, можно выделить квадрат одного неизвестного, пусть это будет y 1 . Выделим все члены, содержащие y 1 .
A (x , x ) = 2(– 2 y 1 y 3) – 2– 8y 3 y 2 = 2(– 2 y 1 y 3 + ) – 2– 2– 8y 3 y 2 = 2(y 1 – y 3) 2 – 2– 2– 8y 3 y 2 .
Выполним преобразование, матрица которого равна B .
z 1 = y 1 – y 3 , y 1 = z 1 + z 3 ,
z 2 = y 2 , y 2 = z 2 ,
z 3 = y 3 ; y 3 = z 3 .
B
=
,
[y
] = B
[z
].
Получим A (x , x ) = 2– 2–– 8z 2 z 3 . Выделим члены, содержащие z 2 . Имеем A (x , x ) = 2– 2(+ 4z 2 z 3) – 2= 2– 2(+ 4z 2 z 3 + 4) + + 8 – 2 = 2– 2(z 2 + 2z 3) 2 + 6.
Выполняем преобразование с матрицей C :
t 1 = z 1 , z 1 = t 1 ,
t 2 = z 2 + 2z 3 , z 2 = t 2 – 2t 3 ,
t 3 = z 3 ; z 3 = t 3 .
C
=
,
[z
] = C
[t
].
Получили: A (x , x ) = 2– 2+ 6 канонический вид квадратичной формы, при этом [x ] = A [y ], [y ] = B [z ], [z ] = C [t ], отсюда [x ] = ABC [t ];
A
B
C
=
=
.
Формулы преобразований следующие
x 1 = t 1 – t 2 + t 3 ,
x 2 = t 1 + t 2 – t 3 ,
Данный метод состоит в последовательном выделении в квадратичной форме полных квадратов.
Пусть дана квадратичная форма
Напомним, что, ввиду симметричности матрицы
,
Возможны два случая:
1. Хотя бы один из коэффициентовпри квадратах отличен от нуля. Не нарушая общности, будем считать(этого всегда можно добиться соответствующей перенумерацией переменных);
2. Все коэффициенты,
но есть коэффициент , отличный от нуля (для определённости пусть будет).
В первом случае преобразуем квадратичную форму следующим образом:
,
а через обозначены все остальные слагаемые.
представляет собой квадратичную форму от (n-1) переменных .
С ней поступают аналогичным образом и так далее.
Заметим, что
Второй случай заменой переменных
сводится к первому.
Пример 1:Квадратичную форму привести к каноническому виду посредством невырожденного линейного преобразования.
Решение. Соберём все слагаемые, содержащие неизвестное , и дополним их до полного квадрата
.
(Так как .)
или
(3)
или
(4)
и
от неизвестных
формапримет вид.
Далее полагаем
или
и
от неизвестных
формапримет уже канонический вид
Разрешим
равенства (3) относительно
:
или
Последовательное
выполнение линейных преобразований
и
,
где
,
имеет матрицей
Линейное
преобразование неизвестных
приводит
квадратичную форму
к каноническому виду (4). Переменные
связаны с новыми переменными
соотношениями
С LU - разложением мы познакомились в практикуме 2_1
Вспомним утверждения из практикума 2_1
Утверждения (см.Л.5, стр. 176)
Данный скрипт призван понять роль LU в методе Лагранжа, с ним нужно работать в блокноте EDITOR с помощью кнопки F9.
А в прилагаемых ниже заданиях лучше создать свои М-функции, помогающие вычислению и осознанию задач линейной алгебры (в рамках данной работы)
Ax=X."*A*X % получаем квадратичную форму
Ax=simple(Ax) % упрощаем ее
4*x1^2 - 4*x1*x2 + 4*x1*x3 + x2^2 - 3*x2*x3 + x3^2
% найдем LU разложение без перестановки строк матрицы A
% При преобразовании матрицы к ступенчатому виду
%без перестановок строк, мы получим матрицу M1 и U3
% U получается из A U3=M1*A,
% вот такой матрицей элементарных преобразований
0.5000 1.0000 0
0.5000 0 1.0000
%мы получим U3=M1*A, где
4.0000 -2.0000 2.0000
% из M1 легко получить L1, поменяв знаки
% в первом столбце во всех строках кроме первой.
0.5000 1.0000 0
0.5000 0 1.0000
% L1 такое, что
A_=L1*U % вот это и есть нужное нам LU разложение
% Элементы, стоящие на главной диагонали U -
% это коэффициенты при квадратах y i ^2
% в преобразованной квадратичной форме
% в нашем случае, есть один только коэффициент
% значит, в новых координатах будет только 4y 1 2 в квадрате,
% при остальных 0y 2 2 и 0y 3 2 коэффициенты равны нулю
% столбцы матрицы L1 - это разложение Y по X
% по первому столбцу видим y1=x1-0.5x2+0.5x3
% по второму видим y2=x2; по третьему y3=x3.
% если транспонировать L1,
% то есть T=L1."
% T - матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX
0.5000 1.0000 0
1.0000 -0.5000 0.5000
% A2 – матрица преобразованной квадратичной формы
% Заметим U=A2*L1." и A=L1* A2*L1."
4.0000 -2.0000 2.0000
1.0000 -0.5000 0.5000 |
% Итак, мы получили разложение A_=L1* A2*L1." или A_=T."* A2*T
% показывающее замену переменных
% y1=x1-0.5x2+0.5x3
% и представление квадратичной формы в новых координатах
A_=T."*A2*T % T=L1." матрица перехода от {X} к {Y}: Y=TX
isequal(A,A_) % должно совпасть с исходной A
4.0000 -2.0000 2.0000
2.0000 1.0000 -1.5000
2.0000 -1.5000 1.0000
Q1=inv(T) % находим матрицу перехода от {Y} к {X}
% Найдем преобразование,
% приводящее квадратичную форму Ax=X."*A*X
% к новому виду Ay=(Q1Y)."*A*Q1Y=Y." (Q1."*A*Q1)*Y=Y." (U)*Y
Ay =4*y1^2 - y2*y3
x1 - x2/2 + x3/2
% матрица второго преобразования,
% которая составляется значительно проще.
4*z1^2 - z2^2 + z3^2
% R=Q1*Q2, X=R*Z
R=Q1*Q2 % невырожденное линейное преобразование
% приводящее матрицу оператора к каноническому виду.
det(R) % определитель не равен нулю - преобразование невырожденное
4*z1^2 - z2^2 + z3^2 ok
4*z1^2 - z2^2 + z3^2
Сформулируем алгоритм приведения квад ратичной формы к каноническому виду ортогональным преобразованием:
Определение 10.4. Каноническим видом квадратичной формы (10.1) называется следующий вид: . (10.4)
Покажем, что в базисе из собственных векторов квадратичная форма (10.1) примет канонический вид. Пусть
- нормированные собственные векторы, соответствующие собственным числам λ 1 ,λ 2 ,λ 3 матрицы (10.3) в ортонормированном базисе . Тогда матрицей перехода от старого базиса к новому будет матрица
. В новом базисе матрица А примет диагональный вид (9.7) (по свойству собственных векторов). Таким образом, преобразовав координаты по формулам:
,
получим в новом базисе канонический вид квадратичной формы с коэффициентами, равными собственным числам λ 1 , λ 2 , λ 3 :
Замечание 1. С геометрической точки зрения рассмотренное преобразование координат представляет собой поворот координатной системы, совмещающий старые оси координат с новыми.
Замечание 2. Если какие-либо собственные числа матрицы (10.3) совпадают, к соответствующим им ортонормированным собственным векторам можно добавить единичный вектор, ортогональный каждому из них, и построить таким образом базис, в котором квадратичная форма примет канонический вид.
Приведем к каноническому виду квадратичную форму
x ² + 5y ² + z ² + 2xy + 6xz + 2yz .
Ее матрица имеет вид В примере, рассмотренном в лекции 9, найдены собственные числа и ортонормированные собственные векторы этой матрицы:
Составим матрицу перехода к базису из этих векторов:
(порядок векторов изменен, чтобы они образовали правую тройку). Преобразуем координаты по формулам:
.
Итак, квадратичная форма приведена к каноническому виду с коэффициентами, равными собственным числам матрицы квадратичной формы.
Лекция 11.
Кривые второго порядка. Эллипс, гипербола и парабола, их свойства и канонические уравнения. Приведение уравнения второго порядка к каноническому виду.
Определение 11.1. Кривыми второго порядка на плоскости называются линии пересечения кругового конуса с плоскостями, не проходящими через его вершину.
Если такая плоскость пересекает все образующие одной полости конуса, то в сечении получается эллипс , при пересечении образующих обеих полостей – гипербола , а если секущая плоскость параллельна какой-либо образующей, то сечением конуса является парабола .
Замечание. Все кривые второго порядка задаются уравнениями второй степени от двух переменных.
Эллипс.
Определение 11.2. Эллипсом называется множество точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух фиксированных точек F 1 и F фокусами , есть величина постоянная.
Замечание. При совпадении точек F 1 и F 2 эллипс превращается в окружность.
Выведем уравнение эллипса, выбрав декартову систему
у М(х,у) координат так, чтобы ось Ох совпала с прямой F 1 F 2 , начало
r 1 r 2 координат – с серединой отрезка F 1 F 2 . Пусть длина этого
отрезка равна 2с , тогда в выбранной системе координат
F 1 O F 2 x F 1 (-c , 0), F 2 (c , 0). Пусть точка М(х, у ) лежит на эллипсе, и
сумма расстояний от нее до F 1 и F 2 равна 2а .
Тогда r 1 + r 2 = 2a , но ,
поэтому Введя обозначение b ² = a ²-c ² и проведя несложные алгебраические преобразования, получимканоническое уравнение эллипса : (11.1)
Определение 11.3. Эксцентриситетом эллипса называется величина е=с/а (11.2)
Определение 11.4. Директрисой D i эллипса, отвечающей фокусу F i F i относительно оси Оу перпендикулярно оси Ох на расстоянии а/е от начала координат.
Замечание. При ином выборе системы координат эллипс может задаваться не каноническим уравнением (11.1), а уравнением второй степени другого вида.
Свойства эллипса:
1) Эллипс имеет две взаимно перпендикулярные оси симметрии (главные оси эллипса) и центр симметрии (центр эллипса). Если эллипс задан каноническим уравнением, то его главными осями являются оси координат, а центром – начало координат. Поскольку длины отрезков, образованных пересечением эллипса с главными осями, равны 2а и 2b (2a >2b ), то главная ось, проходящая через фокусы, называется большой осью эллипса, а вторая главная ось – малой осью.
2) Весь эллипс содержится внутри прямоугольника
3) Эксцентриситет эллипса e < 1.
Действительно,
4) Директрисы эллипса расположены вне эллипса (так как расстояние от центра эллипса до директрисы равно а/е , а е <1, следовательно, а/е>a , а весь эллипс лежит в прямоугольнике )
5) Отношение расстояния r i от точки эллипса до фокуса F i к расстоянию d i от этой точки до отвечающей фокусу директрисы равно эксцентриситету эллипса.
Доказательство.
Расстояния от точки М(х, у) до фокусов эллипса можно представить так:
Составим уравнения директрис:
(D 1), (D 2). Тогда Отсюда r i / d i = e , что и требовалось доказать.
Гипербола.
Определение 11.5. Гиперболой называется множество точек плоскости, для которых модуль разности расстояний до двух фиксированных точек F 1 иF 2 этой плоскости, называемых фокусами , есть величина постоянная.
Выведем каноническое уравнение гиперболы по аналогии с выводом уравнения эллипса, пользуясь теми же обозначениями.
|r 1 - r 2 | = 2a , откуда Если обозначить b ² = c ² - a ², отсюда можно получить
- каноническое уравнение гиперболы . (11.3)
Определение 11.6. Эксцентриситетом гиперболы называется величина е = с / а.
Определение 11.7. Директрисой D i гиперболы, отвечающей фокусу F i , называется прямая, расположенная в одной полуплоскости с F i относительно оси Оу перпендикулярно оси Ох на расстоянии а / е от начала координат.
Свойства гиперболы:
1) Гипербола имеет две оси симметрии (главные оси гиперболы) и центр симметрии (центр гиперболы). При этом одна из этих осей пересекается с гиперболой в двух точках, называемых вершинами гиперболы. Она называется действительной осью гиперболы (ось Ох для канонического выбора координатной системы). Другая ось не имеет общих точек с гиперболой и называется ее мнимой осью (в канонических координатах – ось Оу ). По обе стороны от нее расположены правая и левая ветви гиперболы. Фокусы гиперболы располагаются на ее действительной оси.
2) Ветви гиперболы имеют две асимптоты, определяемые уравнениями
3) Наряду с гиперболой (11.3) можно рассмотреть так называемую сопряженную гиперболу, определяемую каноническим уравнением
для которой меняются местами действительная и мнимая ось с сохранением тех же асимптот.
4) Эксцентриситет гиперболы e > 1.
5) Отношение расстояния r i от точки гиперболы до фокуса F i к расстоянию d i от этой точки до отвечающей фокусу директрисы равно эксцентриситету гиперболы.
Доказательство можно провести так же, как и для эллипса.
Парабола.
Определение 11.8. Параболой называется множество точек плоскости, для которых расстояние до некоторой фиксированной точки F этой плоскости равно расстоянию до некоторой фиксированной прямой. Точка F называется фокусом параболы, а прямая – ее директрисой .
У Для вывода уравнения параболы выберем декартову
систему координат так, чтобы ее началом была середина
D M(x,y) перпендикуляра FD , опущенного из фокуса на директри-
r су, а координатные оси располагались параллельно и
перпендикулярно директрисе. Пусть длина отрезка FD
D O F x равна р . Тогда из равенства r = d следует, что
поскольку
Алгебраическими преобразованиями это уравнение можно привести к виду: y ² = 2px , (11.4)
называемому каноническим уравнением параболы . Величина р называется параметром параболы.
Свойства параболы:
1) Парабола имеет ось симметрии (ось параболы). Точка пересечения параболы с осью называется вершиной параболы. Если парабола задана каноническим уравнением, то ее осью является ось Ох, а вершиной – начало координат.
2) Вся парабола расположена в правой полуплоскости плоскости Оху.
Замечание. Используя свойства директрис эллипса и гиперболы и определение параболы, можно доказать следующее утверждение:
Множество точек плоскости, для которых отношение е расстояния до некоторой фиксированной точки к расстоянию до некоторой прямой есть величина постоянная, представляет собой эллипс (при e <1), гиперболу (при e >1) или параболу (при е =1).
Похожая информация.