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

Podobné dokumenty
1.13 Klasifikace kvadrik

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

9.1 Definice a rovnice kuželoseček

1.6 Singulární kvadriky

1 Řešení soustav lineárních rovnic

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

y Obrázek 1.26: Průměrová rovina válcové plochy

6 Samodružné body a směry afinity

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC

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

Geometrie v R n. z balíku student. Poznamenejme, že vlastně počítáme délku úsečky, která oba body spojuje. (b d)2 + (c a) 2

Vlastní čísla a vlastní vektory

KMA/G2 Geometrie 2 9. až 11. cvičení

Geometrie v R n. student. Poznamenejme, že vlastně počítáme délku úsečky, která oba body spojuje. (b d)2 + (c a) 2

Exponenciální rovnice. Metoda převedení na stejný základ. Cvičení 1. Příklad 1.

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Soustavy lineárních rovnic

IB112 Základy matematiky

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Analytická geometrie v E 3 - kvadriky

Michal Zamboj. January 4, 2018

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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

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

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK

Euklidovský prostor. Parametrické rovnice roviny. Obecná rovnice roviny. . p.1/25

SBÍRKA PŘÍKLADŮ NA KVADRATICKÉ PLOCHY

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

37. PARABOLA V ANALYTICKÉ GEOMETRII

MODAM Popis okna. 2 Jana Bělohlávková, Katedra matematiky a deskriptivní geometrie, VŠB - TU Ostrava

M - Příprava na 3. čtvrtletní písemnou práci

1 Soustavy lineárních rovnic

17 Kuželosečky a přímky

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

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

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

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

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

KFC/SEM, KFC/SEMA Rovnice, nerovnice

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

Gymnázium, Brno. Matice. Závěrečná maturitní práce. Jakub Juránek 4.A Školní rok 2010/11

9 Kolmost vektorových podprostorů

Soustavy lineárních a kvadratických rovnic o dvou neznámých

Úvod do lineární algebry

Skalár- veličina určená jedním číselným údajem čas, hmotnost (porovnej životní úroveň, hospodaření firmy, naše poloha podle GPS )

M - Příprava na 1. čtvrtletku pro třídy 2P a 2VK

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

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

Parametrická rovnice přímky v rovině

Extrémy funkce dvou proměnných

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

Soustavy lineárních rovnic

14. přednáška. Přímka

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

Základy matematiky kombinované studium /06

0.1 Úvod do lineární algebry

Analytická geometrie (AG)

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

4.3.3 Goniometrické nerovnice

Michal Zamboj. December 23, 2016

Lineární funkce, rovnice a nerovnice 3 Soustavy lineárních rovnic

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

f(x) = ax + b mocnin (čili čtverců, odtud název metody) odchylek proložených hodnot od naměřených hodnot byl co (ax i + b y i ) 2 2(ax i + b y i ).

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Analytická geometrie kvadratických útvarů v rovině

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

ÚlohykpřednášceNMAG101a120: Lineární algebra a geometrie 1,

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK V ROVINĚ

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

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

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].

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Linearní algebra příklady

CVIČNÝ TEST 15. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

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

EXTRÉMY FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Lineární algebra : Metrická geometrie

M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice

1 Projekce a projektory

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

M - Kvadratické rovnice

0.1 Úvod do lineární algebry

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

PŘÍMKA A JEJÍ VYJÁDŘENÍ V ANALYTICKÉ GEOMETRII

Základy matematiky pracovní listy

CVIČNÝ TEST 1. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 21 IV. Záznamový list 23

Slovo ALGEBRA pochází z arabského al-jabr, což znamená nahrazení. Toto slovo se objevilo v názvu knihy

2. Určete jádro KerL zobrazení L, tj. nalezněte alespoň jednu jeho bázi a určete jeho dimenzi.

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Funkce dvou proměnných

Soustavy lineárních algebraických rovnic

Transkript:

3.4. ŘEŠENÝ PŘÍKLAD 115 1 1 1 1 3 1 Obrázek 3.8: Část výsledné kuželové plochy 3.4 Řešení Příkladu 1 (str.55) v programu Maple Zadání: Vyšetřete kvadriku [], [5] 7x +6y +5z 4xy 4yz x +4y +z +3=. (3.1) Kompletní kód řešení v Maple: Poznámka: Výstupy některých příkazů kódu nejsou v textu uvedeny. Většinou se jedná o případy, kdy výstup pouze kopíruje zadaný příkaz. > restart; > with(linearalgebra): with(linalg): with(plots): Obecnou rovnici kvadriky můžeme zapsat a vytvořit užitím matice kvadriky K: > X:=Vector[row]([x,y,z,1]); > K:=Matrix(a,1..4,1..4,shape=symmetric); a(1, 1) a(1, ) a(1, 3) a(1, 4) K := a(1, ) a(, ) a(, 3) a(, 4) a(1, 3) a(, 3) a(3, 3) a(3, 4) a(1, 4) a(, 4) a(3, 4) a(4, 4) > Kvadrika:=sort(expand(X.K.Transpose(X)),[x,y,z])=; Kvadrika := a(1, 1) x +a(1, ) xy+a(1, 3) xz+a(, ) y +a(, 3) yz +a(3, 3) z +a(1, 4) x +a(, 4) y +a(3, 4) z +a(4, 4) = Rovnice kvadriky dle zadání: > RovKv:=7*x^+6*y^+5*z^-4*x*y-4*y*z-*x+4*y+*z+3=;

116 KAPITOLA 3. UŽITÍ MAPLE PŘI ŘEŠENÍ KVADRIK Hodnoty koeficientů rovnice dané kvadriky, potřebné pro vytvoření její matice, získáme porovnáním obecného tvaru rovnice kvadriky Kvadrika s danou konkrétní rovnicí RovKv. To vede na soustavu jednoduchých rovnic SoustRovKoef, z nichž každá má jako neznámou jeden z koeficientů a(1,1),..., a(4,4) (viz následující řádky kódu). Poznámka: Mohli jsme také určit každý koeficient zvlášť opakovaným použitím funkce coeff na levou stranu rovnice RovKv. > SoustRovKoef:={coeffs(lhs(collect(RovKv-Kvadrika, [x,y,z],distributed)))}; > KoefRovKv:=solve(SoustRovKoef,{a(1,1),a(1,),a(1,3), a(1,4),a(,),a(3,3),a(,3),a(,4),a(3,4),a(4,4)}); Rovnosti a(i,j)=číslo převedeme na přiřazovací příkazy užitím funkce assign. > assign(koefrovkv); Tím se do obecného tvaru matice kvadriky K dosadí konkrétní hodnoty. Matice K dané kvadriky má pak tvar: > K; 7 11 6 1 5 1 11 1 1 3 Diskriminant kvadriky > Delta:=det(K); := 97 Diskriminant je různý od nuly. Kvadrika je tedy regulární. Hlavní minor kvadriky A 44 > SubK:=submatrix(K,1..3,1..3); 7 SubK := 6 5 > A44:=det(SubK); A44 := 16 Hlavní minor kvadriky A 44 je různý od nuly. Kvadrika je tedy středová. Charakteristická rovnice kvadriky Nejprve vytvoříme jednotkovou matici E:

3.4. ŘEŠENÝ PŘÍKLAD 117 > E:=evalm(array(1..3,1..3,identity)); 1 E := 1 1 Potom definujeme matici ChM příslušné homogenní soustavy, která vede k charakteristické rovnici ChR: > ChM:=evalm(SubK-lambda*E); 7 λ ChM := 6 λ 5 λ > ChR:=det(ChM)=; ChR := 16 99 λ +18λ λ 3 = Kořeny charakteristické rovnice jsou vlastní čísla kvadriky: > ResChR:=solve(ChR,lambda); ResChR := 3, 6, 9 Pro snazší manipulaci můžeme vlastní čísla zapsat jako složky vektoru (uspořádané trojice) λ : > lambda:=[reschr]; λ := [3, 6, 9] Potom ke konkrétnímu vlastnímu číslu přistoupíme prostřednictvím odpovídajícího indexu (pořadového čísla v uspořádané trojici): > lambda[1]; lambda[]; lambda[3]; 3 6 9 Kanonický tvar rovnice kvadriky Absolutní člen rovnice A 44 : > Delta/A44; 6 > kr:=lambda[1]*x^+lambda[]*y^+9*z^=-delta/a44; kr := 3 x +6y +9z =6 Konečná podoba kanonického tvaru rovnice dané kvadriky: > KanRovKv:=kr/(abs(Delta/A44)); KanRovKv := x + y + 3 z =1

118 KAPITOLA 3. UŽITÍ MAPLE PŘI ŘEŠENÍ KVADRIK Danou kvadrikou je trojosý elipsoid. Délky poloos elipsoidu: > a=sqrt(1/coeff(lhs(kanrovkv),x,)); > b=sqrt(1/coeff(lhs(kanrovkv),y,)); > c=sqrt(1/coeff(lhs(kanrovkv),z,)); a = b =1 6 c = 3 Zobrazení elipsoidu v transformované soustavš souřadnic provedeme pomocí funkce implicitplot > implicitplot3d(kanrovkv,x=-..,y=-..,z=-..,grid=[3,3,3], style=patchcontour,orientation=[4,55],axes=frame,tickmarks=[3,3,3], color=color(rgb,5/55,5/55,5/55),light=[9,-5,1,1,1]); z y x Vyšetření polohy kvadriky v původní soustavě souřadnic Souřadnice středu kvadriky. Uvažujme vzájemnou polohu přímky Primka a dané kvadriky RovKv: > Primka:=[x=m+t*u,y=n+t*v,z=p+t*w]; > RovKv; 7 x +6y +5z 4 xy 4 yz x +4y +z +3= Dosazení parametrických rovnic přímky za x, y, a z do rovnice kvadriky vede k následující rovnici s proměnnou t :

3.4. ŘEŠENÝ PŘÍKLAD 119 > RovKvPr:=simplify(eval(RovKv,Primka)); RovKvPr := 7 m +14mtu+7t u +6n +1ntv+6t v +5p +1ptw +5 t w 4 mn 4 mtv 4 tun 4 t uv 4 np 4 ntw 4 tvp 4 t vw m tu+4n +4tv+p +tw+3= Rovnici můžeme zapsat ve tvaru At + Bt+ C =, kde koeficienty A, B, C mají následující tvar: > A:=coeff(lhs(RovKvPr),t^); A := 7 u +6v +5w 4 uv 4 vw > B:=1/*coeff(lhs(RovKvPr),t); B := 7 mu+6nv+5pw mv un nw vp 11 u +1v + w > C:=coeff(lhs(RovKvPr),t,); C := 7 m +6n +5p 4 mn 4 np m +4n +p +3 Středem kvadriky je bod S =[m, n, p], pro jehož souřadnice je koeficient B roven nule, tj. B =, bez ohledu na souřadnice [u, v, w] směrového vektoru přímky. > B1:=collect(B,[u,v,w]); B1 := (7 m 11 n) u +(6n m +1 p) v +( n +5p +1)w Souřadnice středu kvadriky tak určíme řešením následující homogenní soustavy rovnic s neznámými m, n, p : > RStr:=coeffs(B1,[u,v,w]); RStr := 6 n m +1 p, n +5p +1, 7 m 11 n > RStr_res:=solve({RStr},{m,n,p}); Střed kvadriky: RStr res := {m =1,p= 1, n= } > S:=eval([m,n,p],RStr_res); Hlavní směry kvadriky S := [1,, 1] Řešíme příslušné homogenní soustavy rovnic, postupně pro všechny tři vlastní čísla. 1) λ 1 =3 > MatHlSm1:=evalm(SubK-lambda[1]*E);

1 KAPITOLA 3. UŽITÍ MAPLE PŘI ŘEŠENÍ KVADRIK MatHlSm1 := 4 3 > RovHlSm1:=geneqns(MatHlSm1,[u,v,w]); RovHlSm1 := { u +3v w =, v +w =, 4 u v =} > HlSm1:=solve(RovHlSm1,{u,v,w}); > u1:=eval([u,v,w],hlsm1); HlSm1 := {v =u, w =u, u = u} u1 := [u, u, u] Hlavní směr u 1 : > u1:=eval(u1,u=1); u1 := [1,, ] ) λ =6 > MatHlSm:=evalm(SubK-lambda[]*E); 1 MatHlSm := 1 > RovHlSm:=geneqns(MatHlSm,[u,v,w]); RovHlSm := {u v =, v w =, u w =} > HlSm:=solve(RovHlSm,{u,v,w}); > u:=eval([u,v,w],hlsm); HlSm := {u =v, w = v, v = v} u := [ v, v, v] Hlavní směr u : > u:=eval(u,v=1); u := [, 1, ] 3) λ 3 =9 > MatHlSm3:=evalm(SubK-lambda[3]*E); MatHlSm3 := 3 4

3.4. ŘEŠENÝ PŘÍKLAD 11 > RovHlSm3:=geneqns(MatHlSm3,[u,v,w]); RovHlSm3 := { u v =, u 3 v w =, v 4 w =} > HlSm3:=solve(RovHlSm3,{u,v,w}); HlSm3 := {u =w, v = w, w = w} > u3:=eval([u,v,w],hlsm3); Hlavní směr u 3 : > u3:=eval(u3,w=1); u3 := [ w, w, w] u3 := [,, 1] Hlavní roviny Odvodíme obecnou rovnici průměrové roviny sdružené se směrem [u, v, w] > U:=Vector[row]([u,v,w,]); U := [u, v, w, ] > PrumerR:=collect(expand(evalm(U&*K&*Transpose(X))),[x,y,z])=; PrumerR := (7 u v) x +( u +6v w) y +( v +5w) z 11 u +1v + w = Postupným dosazením hlavních směrů dostaneme obecné rovnice příslušných hlavních rovin: > HlR1:=eval(PrumerR,[u=u1[1],v=u1[],w=u1[3]]); > HlR:=eval(PrumerR,[u=u[1],v=u[],w=u[3]]); > HlR3:=eval(PrumerR,[u=u3[1],v=u3[],w=u3[3]]); HlR1 := 3 x +6y +6z +15= HlR := 1 x +6y 1 z 1 = HlR3 := 18 x 18 y +9z 45 = Zobrazení kvadriky v původní poloze spolu s jejími osami a hlavními rovinami Můžeme si definovat barvu(y) pro obarvení grafu(ů): > col1:=color(rgb,5/55,5/55,5/55): Jednotlivé grafy uložíme do proměnných: 1) Kvadrika: > Kvg:=implicitplot3d(RovKv,x=-..3,y=-4..,z=-3..,axes=frame, color=col1,style=patchnogrid,grid=[4,4,4],light=[6,,1,1,1], tickmarks=[3,3,3],orientation=[5,63],scaling=constrained):

1 KAPITOLA 3. UŽITÍ MAPLE PŘI ŘEŠENÍ KVADRIK ) Osy elipsoidu: > o1g:=plot3d(evalm(s+t*u1),t=-..,j=-1..1,thickness=3): > og:=plot3d(evalm(s+t*u),t=-..,j=-1..1,thickness=3): > o3g:=plot3d(evalm(s+t*u3),t=-..,j=-1..1,thickness=3): 3) Hlavní roviny: > HlR1g:=plot3d(solve(HlR1,z),x=-..3,y=-4..,color=grey, style=patchnogrid,contours=6): > HlRg:=plot3d(solve(HlR,z),x=-..3,y=-4..,color=red, style=patchnogrid,contours=6): > HlR3g:=plot3d(solve(HlR3,z),x=-..3,y=-4..,color=green, style=patchnogrid,contours=6): K zobrazení více grafů v jedné soustavě použijeme příkaz plots[display]: > display(kvg,o1g,og,o3g,hlr1g,hlrg,hlr3g,axes=frame, scaling=constrained,orientation=[143,75],view=[-..3,-4..,-3..]); z x 1 y 3 4

Závěr V této publikaci jsme se seznámili se základy teorie kvadrik, která navazuje na teorii kuželoseček. Po úvodní teoretické části, která se zabývá obecnými vlastnostmi kvadratických ploch, jsou ve druhé části studovány vlastnosti jednotlivých kvadrik se zřetelem k jejich použití v praxi. Svými jedinečnými vlastnostmi jsou kvadriky nedílnou součástí našeho života. 13