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空间解析几何 第四章一般二次曲线与二次曲面
第四章一般二次曲线与二次曲面
这一章讨论用一般方程给出的二次曲线,在适当选取的坐标系中可以把它们的一般方程化成标准方程,从而达到判断一般方程所表示的曲线的类型与位置的目的。其次用不变量对二次曲线与二次曲面进行分类。
§4.1直角坐标变换
平面上的一般坐标变换可以看成是平移与旋转两种变换连续进行的结果。因此下面先分别介绍这两种变换,再研究一般的坐标变换。
4.1.1平面直角坐标平移
设和是同一个平面上的两个直角坐标系,它们的轴的方向和度量单位相同,只是原点位置不同(图4-1-1),那么平面上任意一点在坐标系中的坐标和在坐标系中的坐标有什么联系呢?
设在中的坐标为,从点向各坐标轴作平行线,从图4-1-1中容易看出:
(4.1.1)
这就是将原点平移到的坐标变换,其中和分别是平面上同一点在旧坐标系和新坐标系中的坐标。这种坐标变换叫做平移。如果用旧坐标表示新坐标,那么有
(4.1.2)
(4.1.1)和(4.1.2)都是平移公式。
图4-1-1
例1 用平移化简,并画出它的图形。
解 原方程可以移项、配方成
将原点移到,即作平移:
那么,在新坐标系中,方程简化成。这是一条开口向上,焦参数为2的抛物线,如图4-1-2。
图4-1-2
4.1.2平面直角坐标旋转
设坐标原点不动,将坐标系的两条轴同时绕原点旋转一个角度得到一个新的坐标系(图4-1-3),那么平面上任意一点的新、旧坐标之间的关系又如何呢?
如图1.3所示,有
利用两角和的三角展开式,我们有
但,以此代入上面两个展开式中,即得
(4.1.3)
这就是转角为的坐标旋转公式,其中和分别是平面上同一点在旧坐标系和新坐标系中的坐标。如果用旧坐标表示新坐标,那么从(4.1.3)中解出,则得到
(4.1.4)
(4.1.3)和(4.1.4)都是旋转公式。
例2 把坐标系旋转45°,求曲线在新坐标系中的方程。
解 因为,这时旋转公式(4.1.3)为
代入所给的方程即得,化简后就是,这是一条等轴双曲线。
4.1.3平面上的一般直角坐标变换
我们现在来讨论一般坐标变换。
设平面上有坐标系,以平面另外一点为原点建立一个新的坐标系,这个坐标系坐标轴的方向与旧坐标系的方向成角。那么这两个坐标系可以通过两步变换得到,先将坐标系的原点平移到得到一个坐标系,再将这个坐标系旋转角得到坐标系。假设在旧坐标系中的坐标为,平面上任意一点依次在、、中的坐标为、、,那么有
从上面两组公式中消去,则得到
(4.1.5)
如果要用旧坐标表示新坐标,从(4.1.5)中解出,则得到
(4.1.6)
例3 将坐标系平移到点,再旋转45°,写出新旧坐标之间的变换公式。
解 由(4.1.5)式,有
即
由(4.1.6)有
4.1.4空间直角坐标变换
1.空间直角坐标平移
将空间中的一点为原点建立坐标系,那么空间中任意一点在新旧坐标系中的坐标和之间的关系为:
(4.1.7)
或
2.空间直角坐标旋转
在坐标系的原点,重新建立一个右手系的直角坐标架,那么空间中任意一点在新旧坐标系中的坐标和之间的关系为:
(4.1.8)
其中
是正交矩阵,且。逆变换公式为:
习题4.1
1. 在坐标系平移后,旧坐标系中的点在新坐标系中的坐标为,求新坐标系的原点在旧坐标系中的坐标。
2. 将坐标系旋转30°得到新坐标系,求
(1)旧坐标系中的点在新坐标系中的坐标;
(2)新坐标系中的点在旧坐标系中的坐标。
3. 椭圆的两焦点为,长半轴为5,求这椭圆的方程。
4. 双曲线的两焦点为,一个顶点为,求它的方程。
5. 抛物线的顶点为,焦点为,求它的方程。
6. 求双曲线的渐近线方程。
§4.2二次曲线方程在坐标变换下系数的变化
在中学学习的二次曲线方程是不含交叉项的二元二次方程
含有交叉项的二次曲线方程的一般形式为
(4.2.1)
记:
,
这里,那么方程(4.2.1)可以利用矩阵运算的特征改写成
,即
本节我们讨论坐标变换对一般二元二次方程系数的变化规律。
4.2.1一般二次曲线方程在坐标平移下系数的变化
将坐标平移公式(4.1.1)代入(4.2.1)
展开整理得:
(1)
并记展开整理后对应于(4.2.1)的方程为
与(1)式比较得:
(4.2.2)
这说明坐标平移不会改变二次项的系数。所以不能通过坐标平移消去二次曲线方程的交叉项。
利用二元函数的偏微分形式,(4.2.2)还可以表示成:
显然,如果线性方程组
(4.2.3)
有唯一解,将原点移到,可以使方程不含一次项。这时,二次曲线有唯一的对称中心。利用线性方程组的知识,我们知道方程组(4.2.3)有唯一解的充要条件是系数行列式
(4.2.4)
因此(4.2.4)是判断一个二次曲线方程是否有
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