О чем статья
Уравнение прямой проходящей через точку и нормальный вектор
Рассмотрим уравнение прямой проходящей через точку и нормальный вектор. Пусть в системе координат задана точка и ненулевой вектор (рис. 1).
Рис. 1
Докажем, что линейное уравнение
+
(1)
это уравнение прямой , то есть координаты каждой точки прямой удовлетворяют уравнение (1), но координаты точки, что не лежит на , уравнения (1) не удовлетворяют.
Для доказательства, обратим внимание, что скалярное произведение векторов и = в координатной форме совпадает с левой частью уравнения (1).
x = .
(2)
Дальше используем очевидное свойство прямой : векторы и перпендикулярны тогда, и только тогда, когда точка лежит на . А при условии перпендикулярности обоих векторов их скалярное произведение (2) превращается в для всех точек , что лежат на , и только для них. Значит, (1) – уравнение прямой .
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Общее уравнение прямой
Превратим уравнение (1)
+ + – = .
Обозначив = , получим
.
(3)
– общее уравнение прямой.
Таким образом, прямой линии отвечает линейное уравнение вида (3). Наоборот, за данным уравнением вида (3), где хотя бы один из коэффициентов и не равен нулю, можно построить прямую.
Действительно, пусть пара чисел удовлетворяют уравнение (3), то есть
.
Отнимая последнее от (3), получим соотношение , которое определяет прямую за вектором и точкой .
Исследование общего уравнения прямой
Полезно знать особенности размещения прямой в отдельных случаях, когда одно либо два из чисел равны нулю.
1. Общее уравнение выглядит так: . Ему удовлетворяет точка , значит, прямая проходит через начало координат. Его можно записать: = – x (см. рис. 2).
Рис. 2
Считаем, что:
–>.
Если положить , тогда , получается ещё одна точка (см. рис. 2).
2. , тогда уравнение выглядит так , где = –. Нормальный вектор лежит на оси , прямая . Таким образом, прямая перпендикулярна в точке , либо же параллельна оси (см. рис. 3). В частности, если и , тогда и уравнение – это уравнение оси ординат.
Рис. 3
3. Аналогично, при уравнение записывается , где . Вектор принадлежит оси . Прямая в точке (рис. 4) .
Рис. 4
Если же , тогда уравнение оси .
Исследование можно сформулировать в такой форме: прямая параллельна той координатной оси, смена которой в общем уравнении прямой отсутствует.
Например:
1. прямая , слагаемое с отсутствует, поэтому .
2. прямая .
Уравнение прямой в отрезках
Построим прямую по общему уравнению при условии, что – не равны нулю. Для этого достаточно найти две точки, что лежат на этой прямой. Такие точки иногда удобнее находить на координатных осях.
Положим , тогда = –.
При , тогда = –.
Обозначим – = , – = . Найдены точки и . Отложим на осях и и через них проведём прямую (см. рис. 5).
Рис. 5
От общего можно перейти к уравнению, в которое будут входить числа и :
И тогда получается:
Либо, согласно обозначению, получим уравнение,
+ =
(4)
Которое называется уравнением прямой в отрезках. Числа и с точностью к знаку равняются отрезкам, которые отсекаются прямой на координатных осях.
Уравнение прямой с угловым коэффициентом
Чтобы узнать, что такое уравнение прямой с угловым коэффициентом, рассмотрим уравнение (1):
+ = – x
Обозначив – = , получим
=
(5)
уравнение прямой, которая проходит через точку в заданном направлении. Геометрическое содержание коэффициента понятно из рис. 6.
В = = , где – наименьший угол, на который нужно повернуть положительное направление оси вокруг общей точки до совмещения её с прямой . Очевидно, что если угол – острый, тогда ; если же – тупой угол, тогда .
Раскроем скобки в (5) и упростим его:
=
(6)
где . Соотношение (6) – уравнение прямой с угловым коэффициентом. При , – отрезок, который отсекает прямую на оси (см. рис. 6).
Рис. 6
= – x + – =
где обозначено = –, = –. Если же , тогда из исследования общего уравнения уже известно, что такая прямая перпендикулярна оси .
Каноническое уравнение прямой
Рассмотрим каноническое уравнение прямой при помощи примера.
Пусть в системе координат задана точка и ненулевой вектор (рис. 7).
Рис. 7
Необходимо составить уравнение прямой, что проходит через точку параллельно вектору , который называется направляющим вектором. Произвольная точка принадлежит этой прямой тогда и только тогда, когда . Так как вектор – задан, а вектор , тогда согласно условию параллельности, координаты этих векторов пропорциональны, то есть:
= .
(7)
Обратим внимание, что к уравнению вида (7) можно перейти, например, от уравнения пучка прямых (4)
= ,
или от уравнения прямой через точку и нормальный вектор (1):
=
Выше предполагалось, что направляющий вектор – ненулевой, но может так случиться, что одна из его координат, например, . Тогда выражение (7) формально запишется:
= ,
который, вообще не имеет смысла. Однако, принимают и получают уравнение прямой перпендикулярной оси . Действительно, из уравнения видно, что прямая определена точкой и направляющим вектором , перпендикулярным оси . Если в этом уравнении освободиться от знаменателя, тогда получим:
. , либо – уравнение прямой, перпендикулярной оси . Аналогично было бы получено для вектора .
Параметрическое уравнение прямой
Чтобы понять, что такое параметрическое уравнение прямой, необходимо вернуться к уравнению (7) и приравнять каждую дробь (7) до параметра . Так как хотя бы один из знаменателей в (7) не равен нулю, а соответствующий числитель может приобретать произвольные значения, тогда область смены параметра – вся числовая ось.
Получим:
= , =
или
(8)
Примеры задач на прямую линию
Конечно же, сложно что-либо решить исключительно по определениям, ведь нужно решить самостоятельно хотя бы несколько примеров или задач, которые помогут закрепить пройденный материал. Поэтому, давайте разберём основные задачи на прямую линию, так как похожие задачи часто попадаются на экзаменах и зачётах.