Определение . Уравнением линии на плоскости (относительно выбранной системы координат) называется такое уравнение с двумя переменными

x , y любой точки данной линии и не удовлетворяют координаты ни одной точки, не лежащей на этой линии.

Здесь F(x, y) x и y .

Уравнение поверхности

Определение . Уравнением поверхности (в фиксированной системе координат) называется такое уравнение с тремя переменными

которому удовлетворяют координаты x , y , z любой точки данной поверхности и только они.

Здесь F(x, y) - некоторая зависимость между x , y и z .

Уравнение линии в пространстве

Линию в пространстве можно рассматривать как пересечение двух поверхностей, поэтому она определяется двумя уравнениями. Пусть l - линия, по которой пересекаются поверхности, определяемые уравнениями F 1 (x, y, z)=0 и F 2 (x, y, z)=0 , то есть множество общих точек этих поверхностей, тогда координаты любой точки линии l одновременно удовлетворяют обоим уравнениям

Эти уравнения и являются уравнениями указанной линии.

Например, уравнения

определяют окружность радиуса R=2 , лежащую в плоскости Oxy . Полярные координаты

Зафиксируем на плоскости точку O и назовем ее полюсом (Рис. 1(a)). Луч [OP ), исходящий из полюса, назовем полярной осью . Выберем масштаб для измерения длин отрезков и условимся, что поворот вокруг точки O против часовой стрелки будем считать положительным.

Рис. 1

Рассмотрим любую точку M на заданной плоскости, обозначим через ρ ее расстояние до полюса и назовем полярным радиусом . Угол, на который нужно повернуть полярную ось [OP ), чтобы она совпадала с [OM ) обозначим через φ и назовем полярным углом .

Определение . Полярными координатами точки M называются ее полярный радиус ρ и полярный угол φ .

Обозначение : M(ρ, φ) .

Любой точке плоскости соответствует определенное значение ρ≥0 . Значение φ для точек, отличных от точки O , определено с точностью до слагаемого 2kπ , k∈Z . Для полюса ρ=0 , а φ не определено. Чтобы каждая точка плоскости получила вполне определенные значения полярных координат, достаточно считать, что 0≤φ<2π , а в полюсе φ=0 . Указанные значения φ называются главными .

Рассмотрим декартову прямоугольную систему координат: полюс совпадает с началом, а полярная ось - с положительной полуосью Ox . Декартовы координаты точки M(x, y) , полярные координаты точки M(ρ, φ) .

Связь между прямоугольными декартовыми координатами точки и ее полярными координатами:

Цилиндрические и сферические координаты

В некоторой плоскости Π фиксируем точку O и исходящий из нее луч [OP ) (Рис. 1(b)). Через точку O поведем прямую перпендикулярную плоскости Π и укажем на ней положительное направление; полученную ось обозначим Oz . Выберем масштаб для измерения длин. Пусть M N - ее проекция на плоскость Π , M z - проекция на Oz . Обозначим через ρ и φ полярные координаты точки N в плоскости Π относительно полюса O и полярной оси OP .

Определение . Цилиндрическими координатами точки M называются числа ρ , φ , z , где ρ , φ - полярные координаты точки N (ρ≥0 , 0≤φ≤2π ), а z=OM z - величина отрезка оси Oz .

Запись M(ρ, φ, z) означает, что точка M имеет цилиндрические координаты ρ , φ , z . Наименование «цилиндрические координаты» объясняется тем, что координатная поверхность ρ=const является цилиндром.

Если выбрать систему прямоугольных декартовых координат, то декартовы координаты x , y , z точки M будут связаны с ее цилиндрическими координатами ρ , phi , z формулами

Выберем масштаб для измерения длин отрезков, зафиксируем плоскость Π с точкой O и полуосью Ox , ось Oz , перпендикулярную плоскости Π (Рис. 1(c)). Пусть M - произвольная точка пространства, N - ее проекция на плоскость Π , r - расстояние точки M до начала координат, θ - угол, образуемый отрезком с осью Oz , phi - угол, на который нужно повернуть ось Ox против часовой стрелки, чтобы она совпала с лучом ON . θ называется широтой , φ - долготой .

Определение . Сферическими координатами точки M называются числа r , θ , φ , определенные выше.

Обозначение : M(r, θ, φ) .

Наименование «сферические координаты» связано с тем, что координатная поверхность r=const является сферой.

Для того, чтобы соответствие между точками пространства и тройками сферических координат (r, θ, φ ) было взаимно однозначным считают, что

Если выбрать оси прямоугольной декартовой системы координат как на рисунке, то декартовы координаты x , y , z точки M связаны с ее сферическими координатами r , θ , φ формулами

Преобразования прямоугольных координат на плоскости

а) Перенос начала или параллельный перенос .

Это означает, что при переходе от системы координат Oxy (старая) к системе координат O 1 x′y′ (новая) направление осей координат остается прежним, а за новое начало координат принята точка O 1 (a, b) , старые координаты которой x=a , y=b . Относительно таких систем говорят, что одна получена из другой путем параллельного переноса.

Связь между старыми и новыми координатами некоторой точки M плоскости определяется следующими формулами:

• старые через новые координаты: x=x′+a , y=y′+b
• новые через старые координаты: x′=x-a , y′=y-b

При этом новая сиuтема Ox′y′ получается путем поворота старой Oxy на угол α вокруг точки O против часовой стрелки. С каждой из этих координат свяжем полярную систему координат, тогда

Вспоминаем формулы, выражающие координаты точки в декартовой системе через координаты точки в полярной системе

Теперь выражаем старые декартовы прямоугольные координаты x , y точки M через ее новые координаты x′ , y′ :

Следовательно, старые через новые координаты выражаются следующим образом:

Для того, чтобы выразить x′ , y′ через x , y можно поступить следующим образом. Считаем систему Ox′y′ старой, тогда переход к новой системе Oxy совершается поворотом на угол (-α ), поэтому в формулах достаточно поменять местами x→x′ , y→y′ , записать (-α ) вместо α , тогда имеем формулы, выражающие новые координаты через старые.

Рассмотрим функцию, заданную формулой (уравнением)

Этой функции, а следовательно, и уравнению (11) соответствует на плоскости вполне определенная линия, которая является графиком данной функции (см. рис. 20). Из определения графика функции следует, что эта линия состоит из тех и только тех точек плоскости координаты которых удовлетворяют уравнению (11).

Пусть теперь

Линия, являющаяся графиком этой функции, состоит из тех и только тех точек плоскости координаты которых удовлетворяют уравнению (12). Это значит, что если точка лежит на указанной линии, то ее координаты удовлетворяют уравнению (12). Если же точка не лежит на этой линии, то ее координаты уравнению (12) не удовлетворяют.

Уравнение (12) разрешено относительно у. Рассмотрим уравнение, содержащее х и у и не разрешенное относительно у, например уравнение

Покажем, что и этому уравнению в плоскости соответствует линия, а именно - окружность с центром в начале координат и радиусом, равным 2. Перепишем уравнение в виде

Его левая часть представляет собой квадрат расстояния точки от начала координат (см. § 2, п. 2, формула 3). Из равенства (14) следует, что квадрат этого расстояния равен 4.

Это значит, что любая точка , координаты которой удовлетворяют уравнению (14), а значит и уравнению (13), находится от начала координат на расстоянии, равном 2.

Геометрическое место таких точек есть окружность с центром в начале координат и радиусом 2. Эта окружность и будет линией, соответствующей уравнению (13). Координаты любой ее точки, очевидно, удовлетворяют уравнению (13). Если же точка не лежит на найденной нами окружности, то квадрат ее расстояния от начала координат будет либо больше, либо меньше 4, а это значит, что координаты такой точки уравнению (13) не удовлетворяют.

Пусть теперь, в общем случае, дано уравнение

в левой части которого стоит выражение, содержащее х и у.

Определение. Линией, определяемой уравнением (15), называется геометрическое место точек плоскости координаты которых удовлетворяют этому уравнению.

Это значит, что если линия L определяется уравнением то координаты любой точки L удовлетворяют этому уравнению, а координаты всякой точки плоскости лежащей вне L, уравнению (15) не удовлетворяют.

Уравнение (15) называется уравнением линии

Замечание. Не следует думать, что любое уравнение определяет какую-нибудь линию. Например, уравнение не определяет никакой линии. В самом деле, при любых действительных значениях и у левая часть данного уравнения положительна, а правая равна нулю, и следовательно, этому уравнению не могут удовлетворять координаты никакой точки плоскости

Линия может определяться на плоскости не только уравнением, содержащим декартовы координаты, но и уравнением в полярных координатах. Линией, определяемой уравнением в полярных координатах, называется геометрическое место точек плоскости, полярные координаты которых удовлетворяют этому уравнению.

Пример 1. Построить спираль Архимеда при .

Решение. Составим таблицу для некоторых значений полярного угла и соответствующих им значений полярного радиуса .

Строим в полярной системе координат точку , которая, очевидно, совпадает с полюсом; затем, проведя ось под углом к полярной оси, строим на этой оси точку с положительной координатой после этого аналогично строим точки с положительными значениями полярного угла и полярного радиуса (оси для этих точек на рис. 30 не указаны).

В прошлом материале мы рассмотрели основные моменты, касающиеся темы прямой на плоскости. Теперь же перейдем к изучению уравнения прямой: рассмотрим, какое уравнение может называться уравнением прямой, а также то, какой вид имеет уравнение прямой на плоскости.

Yandex.RTB R-A-339285-1

Определение уравнения прямой на плоскости

Допустим, что есть прямая линия, которая задана в прямоугольной декартовой системе координат O х у.

Определение 1

Прямая линия – это геометрическая фигура, которая состоит из точек. Каждая точка имеет свои координаты по осям абсцисс и ординат. Уравнение, которое описывает зависимость координат каждой точки прямой в декартовой системе O x y , называется уравнением прямой на плоскости.

Фактически, уравнение прямой на плоскости – это уравнение с двумя переменными, которые обозначаются как x и y . Уравнение обращается в тождество при подстановке в него значений любой из точек прямой линии.

Давайте посмотрим, какой вид будет иметь уравнение прямой на плоскости. Этому будет посвящен весь следующий раздел нашей статьи. Отметим, что существует несколько вариантов записи уравнения прямой. Объясняется это наличием нескольких способов задания прямой линии на плоскости, и также различной спецификой задач.

Познакомимся с теоремой, которая задает вид уравнения прямой линии на плоскости в декартовой системе координат O x y .

Теорема 1

Уравнение вида A x + B y + C = 0 , где x и y – переменные, а А, В и C – это некоторые действительные числа, из которых A и B не равны нулю, задает прямую линию в декартовой системе координат O x y . В свою очередь, любая прямая линия на плоскости может быть задана уравнением вида A x + B y + C = 0 .

Таким образом, общее уравнение прямой на плоскости имеет вид A x + B y + C = 0 .

Поясним некоторые важные аспекты темы.

Пример 1

Посмотрите на рисунок.

Линия на чертеже определяется уравнением вида 2 x + 3 y - 2 = 0 , так как координаты любой точки, составляющей эту прямую, удовлетворяют приведенному уравнению. В то же время, определенное количество точек плоскости, определяемых уравнением 2 x + 3 y - 2 = 0 , дают нам прямую линию, которую мы видим на рисунке.

Общее уравнение прямой может быть полным и неполным. В полном уравнении все числа А, В и C отличны от нуля. Во всех остальных случаях уравнение считается неполным. Уравнение вида A x + B y = 0 определяет прямую линию, которая проходит через начало координат. Если A равно нулю, то уравнение A x + B y + C = 0 задает прямую, расположенную параллельно оси абсцисс O x . Если B равно нулю, то линия параллельна оси ординат O y .

Вывод: при некотором наборе значений чисел А, В и C с помощью общего уравнения прямой можно записать любую прямую линию на плоскости в прямоугольной системе координат O х у.

Прямая, заданная уравнением вида A x + B y + C = 0 , имеет нормальный вектор прямой с координатами A , B .

Все приведенные уравнения прямых, которые мы рассмотрим ниже, могут быть получены из общего уравнения прямой. Также возможен и обратный процесс, когда любое из рассматриваемых уравнений может быть приведено к общему уравнению прямой.

Разобраться во всех нюансах темы можно в статье «Общее уравнение прямой». В материале мы приводим доказательство теоремы с графическими иллюстрациями и подробным разбором примеров. Особое внимание в статье уделяется переходам от общего уравнения прямой к уравнениям других видов и обратно.

Уравнение прямой в отрезках имеет вид x a + y b = 1 , где a и b – это некоторые действительные числа, которые не равны нулю. Абсолютные величины чисел a и b равны длине отрезков, которые отсекаются прямой линией на осях координат. Длина отрезков отсчитывается от начала координат.

Благодаря уравнению можно легко построить прямую линию на чертеже. Для этого необходимо отметить в прямоугольной системе координат точки a , 0 и 0 , b , а затем соединить их прямой линией.

Пример 2

Построим прямую, которая задана формулой x 3 + y - 5 2 = 1 . Отмечаем на графике две точки 3 , 0 , 0 , - 5 2 , соединяем их между собой.

Эти уравнения, имеющие вид y = k · x + b должны быть нам хорошо известны из курса алгебры. Здесь x и y – это переменные, k и b – это некоторые действительные числа, из которых k представляет собой угловой коэффициент. В этих уравнениях переменная у является функцией аргумента x .

Дадим определение углового коэффициента через определение угла наклона прямой к положительному направлению оси O x .

Определение 2

Для обозначения угла наклона прямой к положительному направлению оси O x в декартовой системе координат введем величину угла α . Угол отсчитывается от положительного направления оси абсцисс до прямой линии против хода часовой стрелки. Угол α считается равным нулю в том случае, если линия параллельна оси O x или совпадает с ней.

Угловой коэффициент прямой – это тангенс угла наклона этой прямой. Записывается это следующим образом k = t g α . Для прямой, которая располагается параллельно оси O y или совпадает с ней, записать уравнение прямой с угловым коэффициентом не представляется возможным, так как угловой коэффициент в этом случае превращается в бесконечность (не существует).

Прямая, которая задана уравнением y = k · x + b , проходит через точку 0 , b на оси ординат. Это значит, что уравнение прямой с угловым коэффициентом y = k · x + b , задает на плоскости прямую линию, которая проходит через точку 0 , b и образует угол α с положительным направлением оси O x , причем k = t g α .

Пример 3

Изобразим прямую линию, которая определяется уравнением вида y = 3 · x - 1 .

Эта линия должна пройти через точку (0 , - 1) . Угол наклона α = a r c t g 3 = π 3 равен 60 градусов к положительному направлению оси O x . Угловой коэффициент равен 3

Обращаем ваше внимание, что с помощью уравнения прямой с угловым коэффициентом очень удобно искать уравнение касательной к графику функции в точке.

Больше материала по теме можно найти в статье «Уравнение прямой с угловым коэффициентом». Помимо теории там размещено большое количество графических примеров и подробный разбор задач.

Данный вид уравнения имеет вид x - x 1 a x = y - y 1 a y , где x 1 , y 1 , a x , a y - это некоторые действительные числа, из которых a x и a y не равны нулю.

Прямая линия, заданная каноническим уравнением прямой, проходит через точку M 1 (x 1 , y 1) . Числа a x и a y в знаменателях дробей представляют собой координаты направляющего вектора прямой линии. Это значит, что каноническое уравнение прямой линии x - x 1 a x = y - y 1 a y в декартовой системе координат O x y соответствует линии, проходящей через точку M 1 (x 1 , y 1) и имеющей направляющий вектор a → = (a x , a y) .

Пример 4

Изобразим в системе координат O x y прямую линию, которая задается уравнением x - 2 3 = y - 3 1 . Точка M 1 (2 , 3) принадлежит прямой, вектор a → (3 , 1) является направляющим вектором этой прямой линии.

Каноническое уравнение прямой линии вида x - x 1 a x = y - y 1 a y может быть использовано в случаях, когда a x или a y равно нулю. Наличие ноля в знаменателе делает запись x - x 1 a x = y - y 1 a y условной. Уравнение можно записать следующим образом a y (x - x 1) = a x (y - y 1) .

В том случае, когда a x = 0 , каноническое уравнение прямой принимает вид x - x 1 0 = y - y 1 a y и задает прямую линию, которая расположена параллельно оси ординат или совпадает с этой осью.

Каноническое уравнение прямой при условии, что a y = 0 , принимает вид x - x 1 a x = y - y 1 0 . Такое уравнение задает прямую линию, расположенную параллельно оси абсцисс или совпадающую с ней.

Больше материала на тему канонического уравнения прямой смотрите здесь. В статье мы приводим целый ряд решений задач, а также многочисленные примеры, которые позволяют лучше овладеть темой.

Параметрические уравнения прямой на плоскости

Данные уравнения имеют вид x = x 1 + a x · λ y = y 1 + a y · λ , где x 1 , y 1 , a x , a y - это некоторые действительные числа, из которых a x и a y не могут быть одновременно равны нулю. В формулу вводится дополнительный параметр λ , который может принимать любые действительные значения.

Назначение параметрического уравнения в том, чтобы установить неявную зависимости между координатами точек прямой линии. Для этого и вводится параметр λ .

Числа x , y представляют собой координаты некоторой точки прямой. Они вычисляются по параметрическим уравнениям прямой при некотором действительном значении параметра λ .

Пример 5

Предположим, что λ = 0 .

Тогда x = x 1 + a x · 0 y = y 1 + a y · 0 ⇔ x = x 1 y = y 1 , т. е. точка с координатами (x 1 , y 1) принадлежит прямой.

Обращаем ваше внимание на то, что коэффициенты a x и a y при параметре λ в данном виде уравнений представляют собой координаты направляющего вектора прямой линии.

Пример 6

Рассмотрим параметрические уравнения прямой линии вида x = 2 + 3 · λ y = 3 + λ . Прямая, заданная уравнениями, в декартовой системе координат проходит через точку (x 1 , y 1) и имеет направляющий вектор a → = (3 , 1) .

Больше информации ищите в статье «Параметрические уравнения прямой на плоскости».

Нормальное уравнение прямой имеет вид, A x + B y + C = 0 , где числа А, В, и C таковы, что длина вектора n → = (A , B) равна единице, а C ≤ 0 .

Нормальным вектором линии, заданной нормальным уравнением прямой в прямоугольной системе координат O х у, является вектор n → = (A ,   B) . Эта прямая проходит на расстоянии C от начала координат в направлении вектора n → = (A , B) .

Еще одним вариантом записи нормального уравнения прямой линии является cos α · x + cos β · y - p = 0 , где cos α и cos β - это два действительных числа, которые представляют собой направляющие косинусы нормального вектора прямой единичной длины. Это значит, что n → = (cos α , cos β) , справедливо равенство n → = cos 2 α + cos 2 β = 1 , величина p ≥ 0 и равна расстоянию от начала координат до прямой.

Пример 7

Рассмотрим общее уравнение прямой - 1 2 · x + 3 2 · y - 3 = 0 . Это общее уравнение прямой является нормальным уравнением прямой, так как n → = A 2 + B 2 = - 1 2 2 + 3 2 = 1 и C = - 3 ≤ 0 .

Уравнение задает в декартовой системе координат 0ху прямую линию, нормальный вектор которой имеет координаты - 1 2 , 3 2 . Линия удалена от начала координат на 3 единицы в направлении нормального вектора n → = - 1 2 , 3 2 .

Обращаем ваше внимание на то, что нормальное уравнение прямой на плоскости позволяет находить расстояние от точки до прямой на плоскости.

Если в общем уравнении прямой A x + B y + C = 0 числа А, В и С таковы, что уравнение A x + B y + C = 0 не является нормальным уравнением прямой, то его можно привести к нормальному виду. Подробнее об этом читайте в статье «Нормальное уравнение прямой».

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Уравнение линии как геометрического места точек. Различные виды уравнений прямой. Исследование общего уравнения прямой. Построение прямой по ее уравнению

Уравнением линии называется уравнение с переменными x и y , которому удовлетворяют координаты любой точки этой линии и только они.

Входящие в уравнение линии переменные x и y называются текущими координатами, а буквенные постоянные - параметрами.

Чтобы составить уравнение линии как геометрического места точек, обладающих одинаковым свойством, нужно:

1) взять произвольную (текущую) точку M (x , y ) линии;
2) записать равенством общее свойство всех точек M линии;
3) входящие в это равенство отрезки (и углы) выразить через текущие координаты точки M (x , y ) и через данные в задаче.

В прямоугольных координатах уравнение прямой на плоскости задается в одном из следующих видов:

1. Уравнение прямой с угловым коэффициентом

y = kx + b , (1)

где k - угловой коэффициент прямой, т. е. тангенс того угла, который прямая образует с положительным направлением оси Ox , причем этот угол отсчитывается от оси Ox к прямой против часовой стрелки, b - величина отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат. При b = 0 уравнение (1) имеет вид y = kx и соответствующая ему прямая проходит через начало координат.

Уравнением (1) может быть определена любая прямая на плоскости, не перпендикулярная оси Ox .

Уравнение прямой с угловым коэффициентом разрешено относительно текущей координаты y .

2. Общее уравнение прямой

Ax + By + C = 0. (2)

Частные случаи общего уравнения прямой.

Основные понятия

Линия на плоскости часто задается как множество точек , обладающих некоторым только им присущим геометрическим свойством. Например, окружность радиуса R есть множество всех точек плоскости, удаленных на расстояние R от некоторой фиксированной точки О (центра окружности).

Введение на плоскости системы координат позволяет определять положение точки плоскости заданием двух чисел - ее координат, а положение линии на плоскости определять с помощью уравнения (т. е. равенства, связывающего координаты точек линии).

Уравнением линии (или кривой) на плоскости Оху называется такое уравнение F(х; у) = 0 с двумя переменными, которому удовлетворяют координаты х и у каждой точки линии и не удовлетворяют координаты любой точки, не лежащей на этой линии.

Переменные х и у в уравнении линии называются текущими координатами точек линии .

Уравнение линии позволяет изучение геометрических свойств линии заменить исследованием его уравнения.

Так, для того чтобы установить лежит ли точка А(х о; у о) на данной линии, достаточно проверить (не прибегая к геометрическим построениям), удовлетворяют ли координаты точки А уравнению этой линии в выбранной системе координат.

Пример 10.1 . Лежат ли точки К(-2;1) и Е(1;1) на линии 2х + у +3 = О?

Решение: Подставив в уравнение вместо х и у координаты точки К, получим 2. (-2) + 1 +3 = 0. Следовательно, точка К лежит на данной линии. Точка Е не лежит на данной линии, т. к.

Задача о нахождении точек пересечения двух линий, заданных уравнениями F 1 (х;у) = 0 и F 2 (х;у)=0, сводится к отысканию точек, координаты которых удовлетворяют уравнениям обеих линий, т. е. сводится к решению системы двух уравнений с двумя неизвестными:

F 1 (х;у) = 0

Если эта система не имеет действительных решений, то линии не пересекаются.

Аналогичным образом вводится понятие уравнения линии в полярной системе координат.

Уравнение F(r,φ) = 0 называется уравнением данной линии в полярной системе координат , если координаты любой точки, лежащей на этой линии, и только они, удовлетворяют этому уравнению.

Линию на плоскости можно задать при помощи двух уравнений:

где х и у - координаты произвольной точки М(х; у), лежащей на данной линии, t - переменная, называемая параметром; параметр определяет положение точки (х; у) на плоскости.

Например, если х = + 1, у = t 2 , то значению параметра t 2 соответствует на плоскости точка (3; 4),

т.к. х = 2 + 1 = 3, у = 2 2 = 4.

Если параметр t изменяется, то точка на плоскости перемещается, описывая данную линию. Такой способ задания линии называется параметрическим, а уравнения (10.1) - параметрическими уравнениями линии.

Линию на плоскости можно задать векторным уравнением , где t - скалярный переменный параметр. Каждому значению t 0 соответствует определенный вектор плоскости. При изменении параметра t конец вектора ) опишет некоторую линию

Векторому уравнению линии в системе координат Оху соответствуют два скалярных уравнения (10.1), т. е. уравнения проекций на оси координат векторного уравнения линии есть ее параметрические уравнения.

Векторное уравнение и параметрические уравнения линии имеют механический смысл. Если точка перемещается на плоскости, то указанные уравнения называются уравнениями движения , а линия - траекторией точки, параметр t при этом есть время .

Итак, всякой линии на плоскости соответствует некоторое уравнение вида F(х;у) = 0.

Всякому уравнению вида F(х;у) = 0соответствует некоторая линия, свойства которой определяются данным уравнением (могут быть и исключения).