9.1 Definice a rovnice kuželoseček

Podobné dokumenty
1.13 Klasifikace kvadrik

KMA/G2 Geometrie 2 9. až 11. cvičení

Podrobnější výklad tématu naleznete ve studijním textu, na který je odkaz v Moodle. Tam je téma

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Deg2-Kvadriky. Světlana Tomiczková

Analytická geometrie v E 3 - kvadriky

Analytická geometrie přímky, roviny (opakování středoškolské látky) = 0. Napište obecnou rovnici. 8. Jsou dány body A [ 2,3,

Vlastní čísla a vlastní vektory

SBÍRKA PŘÍKLADŮ NA KVADRATICKÉ PLOCHY

KVADRATICKÉ PLOCHY a jejich reprezentace v programu Maple. Roman HAŠEK, Pavel PECH

Základní vlastnosti ploch

na magisterský studijní obor Učitelství matematiky pro střední školy

Klíčová slova Mongeovo promítání, kuželosečka, rotační plocha.

Michal Zamboj. December 23, 2016

Funkce dvou proměnných

Michal Zamboj. January 4, 2018

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

Elementární křivky a plochy

Definice Tečna paraboly je přímka, která má s parabolou jediný společný bod,

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Cyklografie. Cyklický průmět bodu

Popis jednotlivých kvadrik

3.4 Řešení Příkladu 1 (str.55) v programu Maple

Linearní algebra příklady

3.2 3DgrafyvMaple 106 KAPITOLA 3. UŽITÍ MAPLE PŘI ŘEŠENÍ KVADRIK

Geometrie pro FST 2. Plzeň, 28. srpna 2013, verze 6.0

17 Kuželosečky a přímky

14. přednáška. Přímka

EXTRÉMY FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

obecná rovnice kružnice a x 2 b y 2 c x d y e=0 1. Napište rovnici kružnice, která má střed v počátku soustavy souřadnic a prochází bodem A[-3;2].

Obsah a průběh zkoušky 1PG

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

5. Lokální, vázané a globální extrémy

AB = 3 CB B A = 3 (B C) C = 1 (4B A) C = 4; k ]

3.6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE PARABOLY

37. PARABOLA V ANALYTICKÉ GEOMETRII

Úvodní informace. 17. února 2018

Konstruktivní geometrie

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Klasické třídy ploch

Základy analytické geometrie. II

1 Analytická geometrie

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora. Průřezová témata Poznámky. Téma Školní výstupy Učivo (pojmy) volné rovnoběžné promítání průmětna

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK V ROVINĚ

Geometrické vidění světa KMA/GVS ak. rok 2013/2014 letní semestr

Diferenciáln. lní geometrie ploch

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

DERIVACE. ln 7. Urči, kdy funkce roste a klesá a dále kdy je konkávní a

Vektorové prostory R ( n 1,2,3)

6 Samodružné body a směry afinity

ROTAČNÍ PLOCHY. 1) Základní pojmy

ANOTACE nově vytvořených/inovovaných materiálů

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

0 x 12. x 12. strana Mongeovo promítání - polohové úlohy.

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

ROTAČNÍ KVADRIKY. Definice, základní vlastnosti, tečné roviny a řezy, průsečíky přímky s rotační kvadrikou

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta aplikovaných věd Katedra matematiky. Geometrie pro FST 2. Pomocný učební text - díl II

LINEÁRNÍ ALGEBRA A GEOMETRIE III. Doc. RNDr. Martin Čadek, CSc.

VIDEOSBÍRKA DERIVACE

Matematická analýza III.

Kapitola 5. Seznámíme se ze základními vlastnostmi elipsy, hyperboly a paraboly, které

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

y Obrázek 1.26: Průměrová rovina válcové plochy

8 Plochy - vytvoření, rozdělení, tečná rovina a normála. Šroubové plochy - přímkové, cyklické. Literatura:

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

Další plochy technické praxe

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3 - VÍCENÁSOBNÉ INTEGRÁLY. x 2. 3+y 2

Šroubovice... 5 Šroubové plochy Stanovte paprsek tak, aby procházel bodem A a po odrazu na rovině ρ procházel bodem

Rovnice přímky v prostoru

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Uzavřené a otevřené množiny

KMA/G1 GEOMETRIE 1 Pomocn y uˇ cebn ı text Miroslav L aviˇ cka Plzeˇ n, z aˇ r ı 2008

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora. volné rovnoběžné promítání průmětna

Geometrické vidění světa KMA/GVS ak. rok 2013/2014 letní semestr

1.6 Singulární kvadriky

Základy matematiky pro FEK

VIDEOSBÍRKA DERIVACE

1 Projekce a projektory

Nelineární optimalizace a numerické metody (MI NON)

Rovinné přetvoření. Posunutí (translace) TEORIE K M2A+ULA

Diferenciální geometrie

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Definice globální minimum (absolutní minimum) v bodě A D f, jestliže X D f

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

Základní vlastnosti eukleidovského prostoru

Matematika B101MA1, B101MA2

IB112 Základy matematiky

9 Kolmost vektorových podprostorů

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Transkript:

9. Kuželosečky a kvadriky 9.1 Definice a rovnice kuželoseček Kuželosečka - řez na kruhovém kuželi, množina bodů splňujících kvadratickou rovnici ve dvou proměnných. Elipsa parametricky: X(t) = (a cos t, b sin t), t < 0, 2π). Hyperbola parametricky: X(t) = ( a cos t, b tgt), t < 0, 2π), t π 2, 3π 2. 1

Kanonický tvar rovnice kuželosečky a 20 (x s x) 2 + a 02 (y s y) 2 + a 10 (x p x) + a 01 (y p y) = a 00, (1) kde a 00 = 1 nebo a 00 = 0 a s x, s y, p x, p y jsou koeficienty, které udávají posunutí kuželosečky. Převod rovnice kuželosečky (bez smíšeného členu) na kanonický tvar se provede pomocí tzv. doplnění kvadratických členů na úplný čtverec. Pro kanonický tvar rovnice kuželosečky navíc platí: 1. Alespoň jeden z koeficientů a 20, a 02 je nenulový. 2. Je-li a 20 0, pak a 10 = 0. 3. Je-li a 02 0, pak a 01 = 0. 4. Je-li a 10 0, pak a 00 = 0. 5. Je-li a 01 0, pak a 00 = 0. 6. Je-li a 00 = 0 a počet záporných koeficientů u kvadratických členů je větší než počet kladných koeficientů u kvadratických členů, vynásobíme rovnici číslem 1. 2

9.2 Klasifikace kuželoseček Úpravou rovnice kuželosečky na kanonický tvar minimalizujeme počet nenulových koeficientů v rovnici kuželosečky. Signaturou kuželosečky v kanonickém tvaru (1) rozumíme uspořádanou čtveřici čísel (k, z, l, j), kde k, resp. z, udává počet kvadratických členů s kladným, resp. záporným, koeficientem, l nabývá hodnoty 0 nebo 1 podle toho, zda po úpravě má rovnice kuželosečky nenulový koeficient u lineárního členu, j nabývá hodnoty 0 nebo 1 podle toho, které z těchto čísel obsahuje pravá strana upravené rovnice kuželosečky. Poznamenejme, že pro l = 1 je vždy j = 0 a pro j = 0 je k z. 3

Č. Název Signatura Rovnice 1. 2. 3. Elipsa kružnice pro a = b (2,0,0,1) a 2 + y2 b 2 = 1 Hyperbola záměna proměnných (1,1,0,1) a 2 y2 b 2 = 1 Parabola záměna proměnných (1,0,1,0) ± 2py = 0 4. 5. Různoběžné přímky záměna proměnných (1,1,0,0) a 2 y2 b 2 = 0 Rovnoběžné přímky záměna proměnných (1,0,0,1) a 2 = 1 4

6. Totožné přímky záměna proměnných (1,0,0,0) = 0 7. 8. 9. Bod záměna proměnných (2,0,0,0) a 2 + y2 b 2 = 0 Prázdná množina záměna proměnných (0,2,0,1) x2 a 2 y2 b 2 = 1 Prázdná množina záměna proměnných (0,1,0,1) x2 a 2 = 1 5

9.3 Definice a rovnice kvadrik Kvadrikou neboli plochou druhého stupně rozumíme plochu, kterou lze popsat rovnicí (indexy i, j, k u koeficientů a ijk jsou odvozeny z exponentů u x, y a z v daném členu) a 200 +a 020 y 2 +a 002 z 2 +2(a 110 xy+a 101 xz+a 011 yz)+2(a 100 x+a 010 y+a 001 z)+a 000 = 0, (2) kde alespoň jeden z koeficientů u členů druhého stupně (takových členů je šest) je nenulový. V maticovém tvaru lze psát (x, y, z, 1) a 200, a 110, a 101, a 100 a 110, a 020, a 011, a 010 a 101, a 011, a 002, a 001 a 100, a 010, a 001, a 000 x y z 1 = 0. (3) 6

Pro regulární kvadriky platí, že matice koeficientů je regulární. Regulárními kvadrikami jsou: kulová plocha, elipsoid, eliptický paraboloid, hyperbolický paraboloid, jednodílný hyperboloid dvoudílný hyperboloid. Ze singulárních kvadrik uved me (kruhovou) kuželovou plochu, eliptickou válcovou plochu, parabolickou válcovou plochu, hyperbolickou válcovou plochu. 7

8

9

10

11

12

13

14

9.4 Klasifikace kvadrik Určení kanonického tvaru kvadriky pro případ nulových koeficientů u smíšených kvadratických členů v rovnici kvadriky provádíme analogickým postupem, jako v případě kuželoseček. Definice signatury kanonického tvaru rovnice kvadriky a kuželosečky je stejná. Kanonický tvar rovnice kvadriky neobsahuje více než jeden lineární člen (rovněž tato úprava se dosáhne pomocí transformace systému souřadnic). 15

Č. Název Signatura Rovnice 1. Elipsoid kulová plocha... a = b = c rotační elipsoid pro dvě čísla stejná (3,0,0,1) a 2+y2 b 2 +z2 c 2 = 1 2. Hyperboloid jednodílný rotační pro a = b (osa rotace z, cyklická záměna pro další osy) (2,1,0,1) a 2+y2 b 2 z2 c 2 = 1 3. Hyperboloid dvoudílný rotační pro... a = b (osa rotace z, cyklická záměna pro další osy) (1,2,0,1) x2 1 a 2 y2 b 2 +z2 c 2 = 16

4. Kuželová plocha rotační pro a = b (osa rotace z, cyklická záměna pro další osy) (2,1,0,0) a 2+y2 b 2 z2 c 2 = 0 5. Eliptický paraboloid p > 0, rotační pro a = b (osa rotace z, cyklická záměna pro další osy), znaménko určuje poloprostor z 0 nebo z 0, v němž plocha leží (2,0,1,0) a 2 + y2 b 2 ± z p = 0 6. Hyperbolický paraboloid p > 0, cyklická záměna proměnných pro další osy, znaménko určuje orientaci parabol v rovinách xz a yz (1,1,1,0) a 2 y2 b 2 ± z p = 0 17

Č. Název Signatura Rovnice 7. Eliptický válec rotační pro a = b (osa rotace z, cyklická záměna pro další osy) (2,0,0,1) a 2 + y2 b 2 = 1 8. Hyperbolický válec cyklická záměna pro další osy (1,1,0,1) a 2 y2 b 2 = 1 9. Parabolický válec p > 0, cyklická záměna pro další osy, znaménko určuje poloprostor y 0 nebo y 0, v němž plocha leží (1,0,1,0) a 2 ± y p = 0 18

10. Různoběžné roviny cyklická záměna proměnných (1,1,0,0) a 2 y2 b 2 = 0 11. Rovnoběžné roviny cyklická záměna proměnných (1,0,0,1) a 2 = 1 12. Totožné roviny záměna proměnných (1,0,0,0) = 0 13. Bod počátek (3,0,0,0) a 2+y2 b 2 +z2 c 2 = 0 19

14. Přímka osa z cyklická záměna proměnných (2,0,0,0) a 2 + y2 b 2 = 0 15. 16. 17. Prázdná množina případně záměna proměnných (0,3,0,1) (0,2,0,1) (0,1,0,1) x2 a 2 y2 b 2 z2 c 2 = 1 x2 a 2 y2 b 2 = 1 x2 a 2 = 1 20

9.5 Příklady Příklad 34. Stanovíme typ kvadriky dané rovnicí 4 8x + y 2 4y + z 2 + 4 = 0 Příklad 35. prvky. Určete typ kvadriky 4y 2 + z 2 + x + 16y 3 = 0. Zjistěte její určující Příklad 36. Určete typ kvadriky 2 3y 2 8x + 12y + 10 = 0. 21

9.6 Kvadriky v obecné poloze Věta 19. Kuželosečka je určena pěti různými obecnými body. Důkaz: V obecné rovnici kuželosečky se vyskytuje 6 volitelných koeficientů. Vynásobení koeficientů nenulovou konstantou nemění hledanou množinu bodů (kuželosečku). Tedy jeden (nenulový) koeficient lze volit. Věta 20. Kvadrika je určena devíti různými obecnými body. Důkaz: V obecné rovnici kuželosečky se vyskytuje 10 volitelných koeficientů. Vynásobení koeficientů nenulovou konstantou nemění hledanou množinu bodů (kuželosečku). Tedy jeden (nenulový) koeficient lze volit. Věta 21. Věta 22. Signatura kvadriky (kuželosečky) je afinním invariantem. Typ kvadriky (kuželosečky) je afinním invariantem. Věta 23. Každou implicitní rovnici kvadriky (kuželosečky) lze pomocí afinní transformace převést na kanonický tvar. 22

Princip: určíme afinní transformaci souřadnicové soustavy, která eliminuje z rovnice kvadriky smíšené členy. Postup: Kvadriku (kuželosečku) popíšeme maticově tak, aby matice kuželosečky byla symetrická Z matice kvadriky uvažujeme afinní část A, která vznikne vynecháním posledního řádku a posledního sloupce matice. Pro matici A určíme její vlastní čísla λ 1, λ 2, λ 3 (pro kuželosečku jde o dvě čísla). Pokud chceme zjistit i polohu kvadriky, určíme odpovídající vlastní vektory a znormujeme je (budou tvořit ortonormální repér, v němž kvadriku vyjadřujeme). Lze navíc sestavit přímo transformační matici vlastní vektory jsou jejími řádky. Kvadrika má v nové souřadnicové soustavě vyjádření λ 1 + λ 2 ỹ 2 + λ 3 z 2 = ã 000. Pravá strana ã 000 nabývá hodnoty 0 nebo 1 a přenese se z původní rovnice kuželosečky. 23

Příklad 37. Určíme typ a základní charakteristiky kvadriky + 2xy 2xz = 1. Řešení: Maticově můžeme psát (x, y, z, 1) 1, 1, 1, 0 1, 0, 0, 0 1, 0, 0, 0 0, 0, 0, 1 x y z 1 = 0. Matice kvadriky je singulární, tedy půjde o singulární kvadriku. Určíme vlastní čísla A = 1, 1, 1 1, 0, 0 1, 0, 0. 24

Sestavíme determinant det(λi A) = λ 1, 1, 1 1, λ, 0 1, 0, λ a obdržíme rovnici tj. λ 2 (λ 1) λ λ = 0, λ(λ 2 + λ 2) = 0. Vlastní čísla matice A jsou λ 1 = 0, λ 2 = 1, λ 3 = 2. Kanonický tvar rovnice dané kvadriky po transformaci souřadnic je ỹ 2 +2 z 2 = ã 00 0. Jde o hyperbolickou válcovou plochu. Příklad 38. Matice kvadriky má vlastní čísla λ 1 = 1, λ 2 = 1, λ 3 = 2. O jakou kvadriku jde? 25