Построить график функции Точки разрыва функции Построение графика методом дифференциального исчисления Упростить выражение
Примеры решений Дискриминант Интегралы онлайн Пределы онлайн
Производная онлайн Ряд Тейлора Решение уравнений
Метод матриц Обратная матрица Умножение матриц

Приведение кривой второго порядка к каноническому виду

Уравнение второго порядка вида

определяет на плоскости кривую. Группа членов называется квадратичной формой, – линейной формой. Если в квадратичной форме содержатся только квадраты переменных, то такой ее вид называется каноническим, а векторы ортонормированного базиса, в котором квадратичная форма имеет канонический вид, называются главными осями квадратичной формы.
Матрица называется матрицей квадратичной формы. Здесь a12=a21. Чтобы матрицу B привести к диагональному виду, необходимо за базис взять собственные векторы этой матрицы, тогда , где λ1 и λ2 – собственные числа матрицы B.
В базисе из собственных векторов матрицы B квадратичная форма будет иметь канонический вид: λ1x212y21.
Эта операция соответствует повороту осей координат. Затем производится сдвиг начала координат, избавляясь тем самым от линейной формы.
Канонический вид кривой второго порядка: λ1x222y22=a, причем:
а) если λ1>0; λ2>0 – эллипс, в частности, при λ12 это окружность;
б) если λ1>0, λ2<0 (λ1<0, λ2>0) имеем гиперболу;
в) если λ1=0 либо λ2=0, то кривая является параболой и после поворота осей координат имеет вид λ1x21=ax1+by1+c (здесь λ2=0). Дополняя до полного квадрата, будем иметь: λ1x22=b1y2.

Пример. Дано уравнение кривой 3x2+10xy+3y2-2x-14y-13=0 в системе координат (0,i,j), где i=(1,0) и j=(0,1).
1. Определить тип кривой.
2. Привести уравнение к каноническому виду и построить кривую в исходной системе координат.
3. Найти соответствующие преобразования координат.

Решение. Приводим квадратичную форму B=3x2+10xy+3y2 к главным осям, то есть к каноническому виду. Матрица этой квадратичной формы . Находим собственные числа и собственные векторы этой матрицы:

Характеристическое уравнение:
; λ1=-2, λ2=8. Вид квадратичной формы: .
Исходное уравнение определяет гиперболу.
Заметим, что вид квадратичной формы неоднозначен. Можно записать 8x12-2y12, однако тип кривой остался тот же – гипербола.
Находим главные оси квадратичной формы, то есть собственные векторы матрицы B. .
Собственный вектор, отвечающий числу λ=-2 при x1=1: x1=(1,-1).
В качестве единичного собственного вектора принимаем вектор , где – длина вектора x1.
Координаты второго собственного вектора, соответствующего второму собственному числу λ=8, находим из системы
.
x2=(1,1); .
Итак, имеем новый ортонормированный базис (i1,j1).
По формулам (5) пункта 4.3.3. переходим к новому базису:
или

; . (*)

Вносим выражения x и y в исходное уравнение и, после преобразований, получаем: .
Выделяем полные квадраты: .
Проводим параллельный перенос осей координат в новое начало: , .
Если внести эти соотношения в (*) и разрешить эти равенства относительно x2 и y2, то получим: , . В системе координат (0*, i1, j1) данное уравнение имеет вид: .
Для построения кривой строим в старой системе координат новую: ось x2=0 задается в старой системе координат уравнением x-y-3=0, а ось y2=0 уравнением x+y-1=0. Начало новой системы координат 0*(2,-1) является точкой пересечения этих прямых.
Для упрощения восприятия разобьем процесс построения графика на 2 этапа:
1. Переход к системе координат с осями x2=0, y2=0, заданными в старой системе координат уравнениями x-y-3=0 и x+y-1=0 соответственно.

2. Построение в полученной системе координат графика функции.

Окончательный вариант графика выглядит следующим образом (см. как построить график):

Word

Задание. Привести к каноническому виду уравнение линии 17x2 + 12xy + 8y2 - 20 = 0.
Решение.Пример 2

Задание. Привести к каноническому виду уравнение линии второго порядка, используя теорию квадратичных форм и определить её вид. Уравнение кривой второго порядка путем выделения полного квадрата привести к каноническому виду. Решение

Пример 2

Задание. Привести уравнение к каноническому виду: 16x2 - 9y2 -64x - 8y +199 = 0.
Решение.Скачать решение

Задание. Установить, что каждое из следующих уравнений определяет гиперболу, и найти координаты ее центра С, полуоси, эксцентриситет, уравнения асимптот и уравнения директрис. Изобразить гиперболу на чертеже, указав фокусы, асимптоты и директрисы.
Решение:Скачать решение

Задание. Установить, что каждое из следующих уравнений определяет эллипс, и найти координаты его центра С, полуоси, эксцентриситет, уравнения директрис. Изобразить эллипс на чертеже, указав оси симметрии, фокусы и директрисы.
Решение:Скачать решение