cover
series title
title
Оглавлени
Предислови
Введени
1 - Системы координат. Простейшие задачи аналитической геометри
2 - Векторная алгебр
3 - Преобразование декартовых прямоугольных координат на плоскости и в пространств
4 - Уравнение линии на плоскости. Уравнение поверхности и линии в пространств
5 - Линейные образ
6 - Линии второго порядк
7 - Поверхности второго порядк
Приложение - Проблемы оснований геометрии и обоснования метода координа
Предметный указател
Text
                    АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ГЕОМЕТРИЯ
кЬИ п, Э.Г. ПОЗНЯ К

КУРС ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Под редакцией А. Н. ТИХОНОВА, В. А. ИЛЬИНА, А. Г. СВЕШНИКОВА ВЫПУСК 5 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1968
В. А. ИЛЬИН, Э. Г. ПОЗНЯК АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,. СТЕРЕОТИПНОЕ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов физических, специальностей университетов ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 197 1
SI 7.3 И 46 УДК 516.0 Владимир Александрович Ильин, Эдуард Генрихович Позняк АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ (Серия: «Курс высшей математики и математической физики») М., 1971 г., 232 стр. с илл. Редактор С. А. Широкова Техн, редактор Л. А, Пыжова Корректор В. П. Сорокина Печать с матриц. Подписано к печати 17/III 1971 г. Бумага бОХЭО’Лв. Физ. печ. л. 14,5. Условн. печ. л. 14,5. Уч.-изд. л. 13,19. Тираж 100 000 экз. Цена книги 53 к. Заказ Не 1690. Издательство «Наука» Главная редакция физико-математической литературы Москва, В-71, Ленинский проспект, 15 Главгголиграфпром Комитета по печати при Совете Министров СССР. Отпечатано в ордена Трудового Красного Знамени Ленинградской типографии № 1 «Печатный Двор» имени А. М. Горького, г. Ленинград, Гатчинская ул., 26 с матриц ордена Трудового Красного Знамени Ленинградской типографии № 2 имени Евгении Соколовой, Измайловский проспект, 29. 2-2-3 20-71
ОГЛАВЛЕНИЕ От редакторов серии............................................... 1Q Предисловие....................................................... 11 Введение . ....................................................... 13 Глава 1. Системы координат. Простейшие задачи аналитической геометрии . ......................................... 15 § 1. Декартовы координаты на прямой . . . '................... 15 1. Направленные отрезки на оси (15). 2. Линейные операции над направленными отрезками. Основное тождество (16). 3. Декартовы координаты на прямой (17). § 2. Декартовы координаты на плоскости и в пространстве .... 18 1. Декартовы координаты на плоскости (18). 2. Декартовы координаты в пространстве (19). § 3. Простейшие задачи аналитической геометрии................ 20 1. Понятие направленного -отрезка в пространстве. Проекция направленного отрезка на ось (20). 2. Расстояние между двумя точками (21) 3. Деление отрезка в данном отношении (22). 4. Барицентрические координаты (24). § 4. Полярные, цилиндрические и сферические координаты .... 25 1. Полярные координаты (25). 2. Цилиндрические, коорди- наты (26). 3. Сферические координаты (27). Дополнение к главе 1. Определители второго и третьего поряд- ков ......................................................... 28 1. Понятие матрицы и определителя второго порядка (28). 2. Система двух линейных уравнений с двумя неизвестными (28). 3. Определители третьего порядка (31). 4. Свойства определи- телей (33). 5. Алгебраические дополнения и миноры (35). ’6. Система трех линейных уравнений с тремя неизвестными с определителем, отличным от нуля (37). 7. Однородная си- стема двух линейных уравнений с тремя неизвестными (40). 8. Однородная система трех линейных уравнений с тремя не- известными (42). 9. Неоднородная система трех линейных урав- нений с тремя неизвестными с определителем, равным нулю (43). Глава 2. Векторная алгебра.................................... 46 § 1. Понятие вектора и линейные операции над векторами .... 46 1. Понятие вектора (46). 2. Линейные операции над векто- рами (48). 3. Понятие линейной зависимости векторов (53).
6 ОГЛАВЛЕНИЕ 4. Линейные комбинации двух векторов (54). 5. Линейные ком- бинации трех векторов (55). 6. Линейная- зависимость четырех векторов (57). 7. Понятие базиса. Аффинные координаты (59). 8. Проекция вектора на ось и ее свойства (61). 9. Декартова прямоугольная система координат как частный случай аффин- ной системы координат (62). § 2. Скалярное произведение двух векторов . ................... 65 1. Определение скалярного произведения (65). 2. Геометри- ческие свойства скалярного произведения (66). 3. Алгебраи- ческие свойства скалярного произведения (67). 4. Выражение скалярного произведения в декартовых координатах (68). § 3. Векторное и смешанное произведения векторов............... 69 1. Правые и левые тройки векторов и системы координат (69). 2. Определение векторного произведения двух векторов (71). 3. Геометрические свойства векторного произведения (71). 4. Смешанное произведение трех векторов (73). 5. Алгебраи- ческие свойства векторного произведения (75). 6. Выражение векторного произведения в декартовых координатах (78). 7. Выражение смешанного произведения в декартовых коор- динатах (80). 8. Двойное векторное произведение (81). Глава 3. Преобразование декартовых прямоугольных координат на плоскости и в пространстве................................... 83 § 1. Преобразование декартовых прямоугольных координат на плоскости............................................... 83 § 2. Преобразование декартовых прямоугольных координат в про- странстве .............................................. 87 I. Общие формулы преобразования (87). 2. Выяснение геомет- рического смысла. Углы Эйлера (88). Глава 4. Уравнение линии ца плоскости. Уравнения поверхности и линии в пространстве............................... 92 § 1. Уравнение линии на плоскости......................... 92 1. Понятие об уравнении линии (92). 2. Параметрическое пред- ставление линии (93). 3. Уравнение линии в различных си- стемах координат (96). 4. Два типа задач, связанных с анали- тическим представлением линии (97). 5. Классификация пло- ских линий (98). 6. О пересечении двух линий (99). § 2. Уравнение поверхности и уравнения линии в пространстве . . . 100 1. Понятие об уравнении поверхности (100). 2. Уравнения ли- нии в пространстве (102). 3. Цилиндрические и конические по- верхности (103). 4. Параметрические уравнения линии и поверх- ности в пространстве (105). 5. Классификация поверхностей (107). 6. О пересечении поверхностей и линий в пространстве (108). 7. Заключительные замечания (108).
ОГЛАВЛЕНИЕ J Глава 5. Линейные образы...................................109 § 1. Различные виды уравнения прямой на плоскости.......109 1. Общее уравнение прямой (109). 2. Неполные уравнения пря- мой. Уравнение прямой в отрезках (111). 3. Каноническое урав- нение прямой (112). 4. Параметрические уравнения прямой (113). 5. Прямая с угловым коэффициентом (ИЗ). 6. Угол между двумя прямыми. Условия параллельности и перпендикулярности двух прямых (115). 7. Нормированное уравнение прямой. Откло- нение точки от прямой (117). 8. Уравнение пучка прямых (119). § 2. Некоторые задачи на прямую линию на плоскости.............122 1. Нахождение прямой, проходящей через данную точку •'Wi (-*ь У1) и составляющей заданный угол <р с данной прямой у = kvx -f-b{ (122). 2. Нахождение биссектрис углов, образо- ванных данными прямыми (123). 3. Условия, при которых дан- ная прямая пересекает данный отрезок АВ (123). 4. Определение местоположения данной точки М и начала координат О отно- сительно углов, образованных двумя данными прямыми (123). 5. Условие пересечения трех прямых в одной точке (124). 6. На- хождение прямой, проходящей через точку пересечения двух данных прямых и удовлетворяющей еще одному условию (125). § 3. Различные виды уравнения плоскости........................126 1. Общее уравнение плоскости (126). 2. Неполные уравнения плоскости. Уравнение плоскости в отрезках (128). 3. Угол между двумя плоскостями. Условия параллельности и перпен- дикулярности плоскостей (130). 4. Уравнение плоскости, про- ходящей через три различные точки, не лежащие на одной прямой (130). 5. Нормированное уравнение плоскости. Откло- нение точки от плоскости (131). 6. Пучки и связки плоскостей (133). § 4. Прямая линия в пространстве...............................134 1. Канонические уравнения прямой в пространстве (134). 2. Урав- нения прямой, проходящей через две различные точки А4, (х(, у1( Zj) и М2 (х2, у2, z2) (136). 3. Параметрические уравнения прямой в пространстве (136). 4. Угол между прямыми в про- странстве. Условия параллельности и перпендикулярности пря- мых (137). 5. Условие принадлежности двух прямых к одной плоскости (138). 6. Угол между прямой и плоскостью. Условия параллельности и перпендикулярности прямой и плоскости (138). _ „ х— Xi у — yi z — z, 7. Условия принадлежности прямой- —- = -—=—-—! к плоскости Ах 4~ By -|- Cz D = 0 (139). 8. Связка пря- мых (139). § 5. Некоторые задачи на прямую и плоскость в пространстве . . . 140 1. Условие пересечения трех плоскостей в одной и только в одной точке (140). 2. Нахождение биссектральных плоскостей двугранного угла, образованного двумя данными плоскостя- ми (140). 3. Условия, при которых данная'плоскость пересекает данный отрезок АВ (141). 4. Определение местоположения двух данных точек А и В относительно двугранных углов, образо- ванных данными плоскостями (141). 5. Уравнения прямой, проходящей через данную точку (xlt ylt zt) и перпендику-
8 Оглавление лярной данной плоскости Ах -]- By -f- Cz -f- D = 0 (141). 6. Урав- нение плоскости, проходящей через данную точку Л1о (х0, у0, za) и параллельной заданной плоскости А,х -}- В[у -ф- С}г -ф- = 0 (141). 7. Уравнение плоскости, проходящей через заданную точку М0(х0, уй, z$) и перпендикулярной заданной прямой -Х - Х- = ? ^У‘-= Z ^Z' (141). 8. Уравнение пло- „ X—X, у—у. скости, проходящей через данную прямую ---L ' = = —- --1- и через заданную не лежащую на этой прямой точку А40(х0, у0, г0) (142). 9. Уравнение плоскости, проходящей через х — х1 у — У1 г— гх данную прямую —-—L — ---------— —--------- и параллельной ГП\ ч. » о х— х2 у — у 2 z — z2 .ллп. другой данной прямой —- = = —-—- (142). 10. Уравнение плоскости, проходящей через заданную пря- мую Z-t и перпендикулярной заданной плоскости л (143). 11. Уравнения перпендикуляра, опущенного из заданной точки Л1о на данную прямую (143). 12. Нахождение рас- стояния от данной точки Л40 до данной прямой (143). 13. На- хождение общего перпендикуляра к двум скрещивающимся прямым Z-! и 42 (143). 14. Нахождение кратчайшего расстоя- ния между двумя данными скрещивающимися прямыми Lx и 42 (143). Глава 6. Линии второго порядка................................. 144 § 1. Канонические уравнения эллипса, гиперболы и параболы . . . 144 1. Эллипс (145). 2. Гипербола (147). 3. Парабола (148). § 2. Исследование формы эллипса, гиперболы и параболы по их каноническим уравнениям .................................... 150 1. Исследование формы эллипса (150). 2. Исследование формы гиперболы (152). 3. Исследование формы параболы (155). § 3. Директрисы эллипса, гиперболы и параболы.................156 1. Эксцентриситет эллипса и гиперболы (157). 2. Директрисы эллипса и гиперболы, (158). 3. Определение эллипса и гипер- болы, основанное на их свойстве по отношению к директри- сам (163). 4. Эллипс, гипербола и парабола как конические сечения (165). 5. Полярные уравнения эллипса, гиперболы и параболы (167). § 4. Касательные к эллипсу, гиперболе и параболе...............169 1. Уравнения касательных к эллипсу, гиперболе и пара- боле (169). 2. Оптические свойства эллипса, гиперболы и пара- болы (170). § 5. Кривые второго порядка....................................172 1. Преобразование коэффициентов уравнения линии второго порядка при переходе к новой декартовой системе коорди- нат (172). 2. Инварианты уравнения линии второго порядка. Понятие типа линии второго порядка (175). 3. Центр линии
ОГЛАВЛЕНИЕ 9 второго порядка (178). 4. Стандартное упрощение любого урав- нения линии второго порядка путем поворота осей (179). 5. Упрощение уравнения центральной линии второго порядка (/2 0). Классификация центральных линий (180). 6. Упроще- ние уравнения линии параболического типа (/2 = 0). Классифи- кация линий параболического типа (1.84). 7. Распадающиеся кривые второго порядка (187). ♦ Глава 7. Поверхности второго порядка........................ . 188 § 1. Понятие поверхности второго порядка.....................188 1. Преобразование коэффициентов уравнения поверхности вто- рого порядка при переходе к новой декартовой системе коор- динат (189). 2. Инварианты уравнения поверхности второго порядка (190). 3. Центр' поверхности второго порядка (191). 4. Стандартное упрощение любого уравнения поверхности вто- рого порядка путем поворота осей (192). § 2. Классификация поверхностей второго порядка . ...........194 1. Классификация центральных поверхностей (194). 2. Класси- фикация нецентральных поверхностей второго порядка (196). § 3. Исследование формы поверхностей второго порядка по их каноническим уравнениям ................................... 199 1. Эллипсоид (199). 2. Гиперболоиды (201). 3. Параболоиды (204). 4. Конус и цилиндры второго порядка (206). 5. Прямолинейные образующие поверхностей второго порядка (207). Приложение. Проблемы оснований геометрии и обоснования метода координат................................................210 § 1. Аксиомы элементарной геометрии ........................ 210 1. Аксиомы принадлежности (211). 2. Аксиомы порядка (212). 3. Аксиомы конгруэнтности (214). 4. Аксиомы непрерывно- сти (216). 5. Обоснование метода координат (217). 6. Аксиома параллельности (222). § 2. Схема доказательства непротиворечивости геометрии Евклида 223 § 3. Схема доказательства непротиворечивости геометрии Лоба- чевского ............................................... 226 § 4. Заключительные замечания о проблемах аксиоматики .... 229 Предметный указатель....................................... . , , 23Q
ОТ РЕДАКТОРОВ СЕРИИ Данный выпуск серии представляет собой учебник по курсу аналитической геометрии. Кроме традиционно излагаемого ма- териала, он содержит изложение некоторых вопросов, нахо- дящих применение в физике и в теоретической механике (по- нятие о барицентрических координатах, выяснение роли углов Эйлера в вопросах преобразования координат, представление произвольного преобразования в виде трансляции и одного по- ворота в пространстве, оптические свойства кривых второго по- рядка и т. п.). Представляет интерес и приложение, содержащее аксиома- тику Гильберта, обоснование метода координат и дающее пред- ставление о неевклидовой геометрии. А. Тихонов, В. Ильин, А. Свешников
ПРЕДИСЛОВИЕ Эта книга возникла на основе лекций, читавшихся авторами на физическом факультете МГУ в течение ряда лет. Отметим некоторые особенности изложения. Во-первых, от- метим, что по всей книге идет параллельное рассмотрение слу- чаев плоскости и пространства. Весьма подробно излагается векторная алгебра. При ее из- ложении сразу же вводится понятие линейной зависимости век- торов, и на его основе устанавливается возможность однознач- ного разложения вектора по аффинному базису. Отличаются от общепринятых доказательство распределительного свойства век- торного произведения и формулы для двойного векторного про- изведения. В связи с потребностями теоретической механики детально рассматривается преобразование декартовых прямоугольных ко- ординат. Выясняется роль углов Эйлера и устанавливается, что, каковы бы ни были два базиса одной ориентации, один из них может быть преобразован в другой посредством параллельного переноса и одного поворота вокруг некоторой оси в простран- стве. При описании линейных образов, наряду с изложением тра- диционного теоретического материала, рассмотрено большое число задач идейного характера. Нам кажется, что разбор этих задач принесет пользу студентам, приступающим к упражне- ниям. Не оставлены без внимания и имеющие прикладной характер вопросы теории образов второго порядка (оптические свойства, полярные уравнения и т. п.) . Дополнение к книге содержит материал, не входящий в тра- диционные курсы аналитической геометрии. Здесь дается пред- ставление об аксиоматике Гильберта. Проводится обоснование метода координат, дается представление о системе развертыва- ния основных геометрических понятий, об евклидовой и неевкли- довой геометриях и о доказательстве их непротиворечивости.
12 - ПРЕДИСЛОВИЕ По программе, действующей в настоящее время, этот мате- риал не входит ни в один математический курс. Тем не менее этот материал актуален не только с точки зрения логических принципов построения геометрии, но й для понимания ряда раз- делов современной физики. При написании этой книги мы широко пользовались советами и дружеской критикой А. Н. Тихонова и А. Г. Свешникова, ко- торым приносим свою глубокую благодарность. Нам хочется также поблагодарить Н. В. Ефимова и А. Ф. Леонтьева за прочтение рукописи и сделанные ими заме- чания. В. Ильин, Э. Позняк
ВВЕДЕНИЕ Аналитическая геометрия имеет своей задачей изучение свойств геометрических объектов при помощи аналитического метода. В основе этого метода лежит так называемый метод коор- динат, впервые систематически примененный Декартом*)-. Основные понятия геометрии (точки, прямые линии и пло- скости) относятся к числу так называемых начальных поня- тий. Эти понятия можно описать, но всякая попытка дать опре- деление каждого из этих понятий неизбежно сведется к замене определяемого понятия ему эквивалентным. С научной точк'и зрения логически безупречным методом введения указанных по- нятий является аксиоматический метод, в развитии и завершении которого величайшая заслуга принадлежит Гиль- берту**). Аксиоматический метод излагается в Приложении в конце настоящей книги, Там дается представление о всей системе аксиом геометрии и о так называемой неевклидовой гео- метрии, к которой приводит замена одной из аксиом (так на- зываемой аксиомы параллельности) утверждением, ее отрицающим. Там же выясняется вопрос о непротиворечивости как евклидовой, так и неевклидовой геометрии и устанавливается, что конкретной реализацией совокупности объектов, удовлетво- ряющих аксиомам геометрии, является введение точек как все- возможных упорядоченных троек (х, у, z) вещественных чисел, прямых — как множество троек (х, у, г), удовлетворяющих си- стеме двух линейных уравнений, и плоскостей — как множество троек (х, у, г), удовлетворяющих одному линейному уравнению. Аксиоматический метод закладывает фундамент и для ле- жащего в основе аналитической геометрии метода координат. *) Рене Декарт — великий французский математик и философ (1596— 1650). **) Давид Гильберт — великий немецкий математик (1862—1943).
14 ВВЕДЕНИЕ Ради простоты рассмотрим вопрос о введении координат на пря- мой. Возможность введения координат на прямой основывается на возможности установления взаимно однозначного соответ- ствия между множеством всех точек прямой и множеством всех, вещественных чисел. Доказательство возможности установления такого соответствия базируется на аксиомах геометрии и на аксиомах (свойствах) множества вещественных чисел *) и при- водится в Приложении к настоящей книге. Таким образом, в Приложении к настоящей книге читатель найдет обоснование как системы развертывания основных гео- метрических понятий, так и лежащего в основе аналитической геометрии метода координат. Метод координат представляет собой глубокий и мощный аппарат, позволяющий привлекать для исследования геометри- ческих объектов методы алгебры и математического анализа. *) Свойства вещественных чисел и аксиоматический метод введения мно- жества вещественных чисел излагаются в главе 2 и в Приложении к вы- пуску 1 настоящего курса.
ГЛАВА 1 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ. ПРОСТЕЙШИЕ ЗАДАЧИ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ В этой главе вводятся декартовы координаты*) на прямой, на плоскости и в пространстве. Рассматриваются простейшие задачи аналитической геометрии (расстояние между двумя точ- ками, деление отрезка в данном отношении). Дается понятие о других системах координат (полярных, цилиндрических и сфе- рических). § 1. Декартовы координаты на прямой 1. Направленные отрезки на оси. Прямую линию **) с указан- ным на ней направлением будем называть осью. Отрезок на оси называется направленным, если указано, какая из его граничных точек является началом и какая — концом. Будем обозначать направленный отрезок с началом в точке А и концом в точке В символом АВ (на рис. 1.1 изображены направленные отрезки АВ и CD). Мы будем рассматривать также и так называемые нулевые направленные отрезки, у которых начало и конец со- впадают. *) Координаты (от латинских слов со — совместно, ordinatus— упоря- доченный, определенный) — числа, заданием которых определяется положение точки на прямой, на плоскости или в пространстве (соответственно на линии или на поверхности). Заслуга введения метода координат, с помощью кото- рого задачи геометрии могут быть истолкованы на языке математического анализа и, обратно, факты анализа могут приобрести геометрическое толко- вание, принадлежит французскому ученому Р. Декарту. **) В Приложении в конце этой книги рассматривается аксиоматическое введение основных геометрических понятий (точек, прямых, плоскостей). Кро- ме того, в этом же Приложении устанавливается связь между геометриче- ским понятием прямой линии и понятием числовой оси (см. выпуск 1 «Основы математического анализа»).
16 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ 1ГЛ. 1 С каждым направленным отрезком сопоставляется его чис- ловая характеристика — так называемая величина направлен- ного отрезка. Величиной АВ направленного отрезка АВ назы- вается число, равное длине отрезка АВ, взятой со знаком плюс, если направление АВ совпадает с направлением оси, и со зна- ком минус, если направление АВ противоположно направлению оси. Величины всех нулевых на- правленных отрезков считаются с о* > равными нулю. Ось 2. Линейные операции над на- рис [ ] правленными отрезками. Основ- ное тождество. Предварительно определим равенство направлен- ных отрезков. Направленные отрезки мы будем перемещать вдоль оси, на которой они лежат, сохраняя при этом их длину и направление*). Два ненулевых направленных отрезка называются равными, если при совмещении начал этих отрезков совпадают и их концы. Любые два нулевых направленных отрезка считаются'равными. Очевидно, необходимым и достаточным условием равенства двух направленных отрезков на данной оси является равенство величин этих отрезков. Линейными операциями над направленными отрезками мы будем называть операции сложения таких отрезков и умноже- ния направленного отрезка на ве- щественное число. С D Перейдем к определению этих ж ° * операций. Для определения су м м ы на- Рис. 1.2. правленных отрезков АВ и CD со- вместим начало С отрезка CD с концом В отрезка АВ (рис. 1.2). Полученный при этом направленный отрезок AD называется суммой направленных отрезков АВ и CD и обозначается сим- волом АВ + CD. Справедлива следующая основная теорема. Теорема 1.1. Величина суммы направленных отрезков равна сумме величин слагаемых отрезков. __Доказательство. Пусть хотя бы один из отрезков АВ и CD является нулевым. Если, например, отрезок CD нулевой, то сумма AB + CD совпадает с отрезком АВ, и утверждение тео- *) Вопрос о возможности перемещения отрезков связан с аксиомами кон- груэнтности (см. Приложение е конце книги и, в частности, сноску на стр. 215),
§ 1] ДЕКАРТОВЫ КООРДИНАТЫ НА ПРЯМОЙ 17 ремы справедливо. Пусть теперь оба отрезка АВ и CD ненуле- вые. Совместим начало С отрезка CD с концом В отрезка АВ. Тогда AB + CD=AD. Нам нужно доказать справедливость ра- венства АВ + СР=АР. Рассмотрим случай, когда оба отрезка АВ и CD направлены в одну сторону (рис. 1.2). В этом случае длина отрезка AD равна сумме длин отрезков АВ и CD и, кроме того, направление отрезка AD совпадает с направлением ка- ждого из отрезков АВ и CD. Поэтому интересующее нас равен- ство AB + CD=AD справедливо. Рассмотрим, наконец, еще один D _ С возможный случай, когда отрез- 1-0 х ки АВ и CD, направлены в про- тивоположные стороны (рис. 1.3). Рис. 1.3. В этом случае величины отрез- ков АВ и CD имеют разные знаки, и поэтому длина отрезка AD равна |ЛВ + С£)|. Так как направление отрезка AD со- впадает с направлением наибольшего по длине из отрезков АВ и CD, то знак величины отрезка AD совпадает со знаком числа AB + CD, т. е. справедливо равенство AB + CD=AD. Теорема до- казана. Следствие. При любом расположении точек А, В, С на числовой оси величины направленных отрезков АВ, ВС и AG удовлетворяют соотношению АВ + ВС—АС, (1.1) которое называется основным тождеством. Операция умножения направленного отрезка на веществен- ное число а определяется следующим образом. Произведением направленного отрезка АВ на число а назы- вается направленный отрезок, обозначаемый а • АВ, длина ко- торого равна произведению числа | а | на длину отрезка АВ и направление которого совпадает с направлением отрезка АВ при а>0 и противоположно направлению АВ при а<0. Очевидно, величина направленного отрезка а • АВ равна а-АВ. 3. Декартовы координаты на прямой. Декартовы координаты на прямой вводятся следующим образом. Выберем на прямой определенное направление *) и некоторую точку О (начало *) Напомним, что прямая с указанным на ней направлением, назы- вается осью,
18 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ [ГЛ. t координат) (рис. 1.4). Кроме того, укажем единицу масштаба. Рассмотрим теперь произвольную точку Л1 на прямой. Декар- товой координатой х точки М будем называть величину напра- вленного отрезка ОМ. Тот факт, что точка М имеет координату х, символически обозначают так: М(х). Замечание. Введение декартовых координат на прямой представляет собой один из способов, с помощью которого лю- бой точке М прямой ставится в со- 1 В о 'о м ответствие вполне определенное ве- щественное число х. Вопрос о том, исчерпывается ли при этом способе все множество вещественных чисел, рис j 4 т. е. будет ли указанное соответ- ствие взаимно однозначным, поло- жительно решается в Приложении в конце книги. (См. по этому поводу также Приложение к вы- пуску I). Пусть Afi(xi) и М2(х2) —две точки на оси. В следующем утверждении устанавливается выражение величины MiM2 на- правленного отрезка A4jA12 через координаты и х2 его начала и конца. Теорема 1.2. Величина М{М2 направленного отрезка М^М2 равна х2 — xlt т. е. MiM2=x2 — (1.2) Доказательство. Рассмотрим на оси три точки О, Mi, М2. Согласно теореме 1.1 справедливо равенство OMi+MiM2 = OM2. (1.3) Так как OMi = ОМ2=х2, то из (1.3) вытекает нужное нак( со- отношение (1.2). Теорема доказана. Следствие. Расстояние p(Mlt М2) между точками МДх^ и М2(х2) может быть найдено по формуле p(Mi, М2)=|х2 — Xi|. (1.4) § 2. Декартовы координаты на плоскости и в пространстве 1. Декартовы координаты на плоскости. Две перпендикуляр- ные оси на плоскости с общим началом и одинаковой масштаб- ной единицей (рис. 1.5) образуют декартову прямоугольную си- стему координат на плоскости. Одну из указанных осей назы- вают осью Ох, или осью абсцисс, другую — осью Оу, или осью
§ 2] КООРДИНАТЫ НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ ' 19 ординат. Эти оси называют также координатными осями. Обо- значим через Мх и Му соответственно проекции произвольной точки М плоскости на оси Ох и Оу. Декартовыми прямоугольными координатами х и у точки М. будем называть соответственно величины направленных отрез- ков ОМХ и ОМу. Декартовы координаты х и у точки М называются соответ- ственно ее абсциссой и ординатой. Тот факт, что точка М имеет координаты х и у, символически обозначают так: М(х, у). Координатные оси разбивают плоскость на четыре квадран- та, нумерация которых указана на рис. 1.6. На этом же рисунке указана расстановка знаков координат точек в зависимости от их расположения в том или ином квадранте. 2. Декартовы координаты в пространстве. Декартовы коорди- наты в пространстве вводятся в полной аналогии с декартовыми координатами на плоскости. Три взаимно перпендикуляр- ные оси в пространстве (коорди- натные оси) с общим началом О и одинаковой масштабной едини- цей (рис. 1.7) образуют декар- тову прямоугольную систему ко- ординат в пространстве. Одну Рис- 17’ из указанных осей называют осью Ох, или осью абсцисс, другую — осью Оу, или осью орди- нат, третью — осью Oz, или осью аппликат. Пусть АД, Му и Мг — проекции произвольной точки М пространства на оси Ох, Оу и Oz соответственно.
20 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ (ГЛ. ! Декартовыми прямоугольными координатами х, у и z точ- ки М будем называть соответственно величины направленных отрезков ОМХ, ОМу и ОМг. Декартовы координаты х, у и z точки М называются соот- ветственно ее абсциссой, ординатой и аппликатой. Тот факт, что точка М имеет координаты х, у и z, символически обозначают так: М(х, у, г). Попарно взятые координатные оси располагаются в так на- зываемых координатных плоскостях хОу, yOz и zOx (рис. 1.7). Эти плоскости разбивают пространство на восемь октантов. Чи- татель без труда выяснит расстановку знаков координат точек в зависимости от их расположения в том или ином октанте. § 3. Простейшие задачи аналитической геометрии 1. Понятие направленного отрезка в пространстве. Проекция направленного отрезка на ось. Отрезок в пространстве называет- какая из его граничных точек ся направленным, если указано, является началом и какая — концом. Как и в п. 1 § 1 этой главы символом АВ будем обозначать направленный от- резок с началом в точке А и концом в точке В. Рассмотрим в простран- стве направленный отрезок MiM2 и ось Ох (рис. 1.8). При этом будем считать, что на оси Ох введены декартовы ко- ординаты точек.__ Проекцией прОх MiM2 направленного отрезка MjM2 на ось Ох называется величина направленного отрезка М^М^, началом Mix которого служит проекция начала отрезка MiM2, а концом М2х — проекция конца отрезка М{М2. Пусть точки Afijc и Л12ж имеют на оси Ох координаты и х2 соответственно. Из определения про» MiM2 и теоремы 1.2 выте- кает справедливость соотношения прОж M1Af2=x2 — Xi. (1-5) Установим еще одну формулу для вычисления прож AfiAf2- Для этого перенесем направленный отрезок MiM2 параллельно са- мому себе так, чтобы его начало совпало с какой-либо точкой оси Ох (на рис. 1.8 этой точкой является точка ЛДх). Обозна-
§ 3] ПРОСТЕЙШИЕ ЗАДАЧИ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ 21 чим через <р наименьший угол между направлением оси Ох и направлением отрезкаMixM*2, полученного указанным выше па- раллельным переносом отрезка AfiAf2. Отметим, что угол <р за- ключен между Ойл. При этом очевидно, что угол ср острый, если направление отрезка М1хМ2х совпадает с направлением Ох, и тупой, если направление М1хМ2х противоположно направле- нию Ох. Используя это, легко убедиться в справедливости сле- дующей нужной нам формулы: прОхЛ41Л42= |AliAf2 |cos <р, (1.6) в которой |AftAf2| обозначает длину отрезка М^М2. 2. Расстояние между двумя точками. В этом пункте мы уста- новим формулу для вычисления расстояния между двумя точ- ками по известным координатам этих точек. Эта задача уже решена для случая точек на прямой в п. 3 § 1 этой главы (см. формулу (1.4)). Ради определенности подробно остановимся на случае, когда точ- ки расположены в пространстве. Рассмотрим в пространстве де- картову систему координат Oxyz и Точки г/1, 2f) и М2(х2, у2, z2) (рис. 1.9). Очевидно, расстояние p(Afb М2) между точками и М2, равное длине направленного отрез- Рис. 1.9. ка AfiAJ2, равно также длине диагонали параллелепипеда, гра- ни которого параллельны координатным плоскостям и проходят через точки и JW2 (на рис. 1.9 этот параллелепипед изо- бражен пунктирной линией). Длина параллельного оси Ох ребра этого параллелепипеда равна, очевидно, абсолютной величине проекции отрезка AfiAf2 на ось Ох, т. е., согласно фор- муле (1.5), равна |х2—х(|. По аналогичным соображениям длины ребер, параллельных осям Оу и Oz, равны соответ- ственно |у2— У11 и |z2— zi |. Используя теорему Пифагора, получим следующую формулу для р(Л4ь М2): 9 (Mv М2) — V(х2 - xtf + (№ - У1)2 + (z2 - z,)2. (1.7) Замечание. Формула расстояния между двумя точками в случае их расположения в плоскости Оху имеет следующий вид: Р(^р At2) = /(x2- x1)2 + (t/2-{/1)2. (1.8)
22 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ [ГЛ. I 3. Деление отрезка в данном отношении. Рассмотрим в про- странстве две различные точки Mt и М2 и прямую, определяе- мую этими точками. Выберем ленный отрезок MtM2. Таким на этой прямой некоторое напра- вление (рис. 1.10). На полу- ченной оси точки Mt и М3 определяют направленный от- резок М±М2. Пусть М — любая, отлич- ная от М2 точка указанной выше оси. Число С1-9) называется отношением., в ко- тором точка М делит направ- образом, любая, отличная о*г М2 точка М делит отрезок MtM2 в некотором отношении А, где А определяется равенством (1.9). Замечание 1. При изменении направления на прямой, проходящей через точки MtM2, меняют знак величины всех на- трг У правленных отрезков. Поэтому отношение в правой части формулы (1.9) не зависит от выбора направления на прямой MtM2. Рассмотрим задачу о вычислении координат точки М, деля- щей отрезок MtM2 в отношении А, считая известными коорди- наты точек Mt и М2 и число А, где А не равно —1. Рассмотрим в пространстве декартову прямоугольную си- стему координат Oxyz, и пусть в этой системе координат точ- ки Mt, М2 и М имеют соответственно координаты (xb z/b zt), (х2, У2, z2) и (х, у, г). Спроектируем точки Mit М2 и М на коор- динатные оси (на рис. 1.10 указаны лишь проекции М1х, М2х и Мх точек Afi, М2 и М на ось Ох). Очевидно, точка Мх делит на- правленный отрезок М1хМ2х в отношении А. Поэтому (1-10) Согласно теореме 1.2, М1хМх=х— хь а МхМ2х=х2 — х. Отсюда и из соотношения (1.10) найдем, что х равняется 2 ‘ ^°‘ вершенно аналогично вычисляются координаты у и z точки М. Таким образом, .___х, -|-Ах2 __ У1 -|-А</2 __ г] -|-Аг2 14-А ’ У— — 1-ул •
§ 3] ПРОСТЕЙШИЕ ЗАДАЧИ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ 23 Формулы (1.11) называются формулами деления отрезка в дан- ном отношении %. Замечание 2. Очевидно, если Л=1, то точка М делит от- резок MiM2 пополам. Получающиеся при этом из соотношений (1.11) формулы называются формулами деления отрезка по- полам. Замечание 3. Для положительных значений А точка М лежит между точками М1 и М2 (в этом случае, как это видно из (1.9), отрезки Л4рИ и ЛШ2 одинаково направлены), а для отри- цательных значений — вне отрезка AfiAf2. Замечание 4. Соотношения (1.11) имеют смысл для лю- бых значений —1. Этим, в частности, и объяснялось указан- ное ранее ограничение для значений X. Пример. Решим задачу о вычислении координат центра тяжести системы материальных точек. Используем следующие два допущения, отвечающих извест- ным физическим предпосылкам: 1) Центр тяжести системы из двух точек Mi и М2 с массами соответственно т4 и т2 находится на отрезке MiM2 и делит этот , т2 отрезок в отношении 1 == —• 2) Центр тяжести системы точек Mi, М2,..., Mn-i, Мп с мас- сами соответственно ть т2,..., m„_t, тп совпадает с центром тяжести системы из двух точек, одна из которых является точ- кой Мп с массой тп, а другая находится в центре тяжести си- стемы точек Mi, М2, ..., Мп-1 (с массами mi, т2,..., mn-i) и имеет массу mi + m2+ ... +mn-i. Из первого допущения и формул (1.11) вытекает, что коор- динаты х, у и z центра тяжести системы из двух точек МЦхь t/i, Zi) и М2(х2, у2, г2) с массами mi и т2 равны соответ- т{У14-т2у2 -4- т2г2 „ ственно --г-т- - - т \т— и —m Т Поэтому следует 771] ГН2 •/1'2 1Н-\ -г- ТП2 J . ожидать, что координаты х, у и z центра тяжести системы из п точек Mi(Xi, yi, Zi), г = 1, 2, ..., п, с массами т4 могут быть вычислены по формулам х _ mixi + +'п„хп = т^-)-... +т„у„ «1+ ••• +т„ ’ У пц\- ... -\-тп z __ wi^i ~F • • 4~ тпгп W,+ ... +тп (Ы2) В справедливости этих формул можно убедиться по индукции, если использовать второе допущение. В самом деле, пусть эти формулы справедливы для системы точек Mt,..., Mn-i с мас- сами mi,...., mn-i. Тогда, например, для абсциссы х рассматри- ваемой системы точек Mi,..., Мп, согласно второму допущению
24 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ [ГЛ. 1 и формуле для абсциссы к системы из двух точек, получим вы- ражение ОТ1Л1+ ... +т„1х„1 (mi “)*••• + отл-1) • тпхп (Wi + ... + w„_i) -f- тп из которого сразу же вытекает первая формула (1.12). Выра- жения для у и z получаются аналогично. Замечание. Если система точек М3 с массами т, распо- ложена в плоскости Оху, то координаты х и у центра тяжести этой системы могут быть найдены по первым двум формулам (1.12). 4. Барицентрические координаты. Формулы . (1.12) используются для вве- дения так называемых барицентрических координат. Рассмотрим барицентри- ческие координаты на плоскости. В целях упрощения рассуждений будем счи- тать, что на плоскости введены и декартовы координаты Оху. Рассмотрим какие-либо три различные точки Ali(Xi, yj, М2(х2, у2), М3(х3, у3), не лежащие на одной прямой, и любую данную точку М(х;у). Выясним, существуют ли такие три числа mi, m2, m3, удовлетворяющие условию пг1+Щ2+тз“1, (1.13) что данная точка М(х,у) будет центром тяжести системы точек Af|, Л12, Мз с массами mi, m2, m3 соответственно. Ниже мы убедимся, что при сформули- рованных требованиях числа пц, т2, т3 определяются однозначно для каж- дой точки М. Они называются барицентрическими координатами точки М относительно базисных точек Afi, и М3.. Сформулированная задача о существовании чисел mi, m2, m3 при усло- вии (1.13) сводится, очевидно, к исследованию вопроса об однозначной раз- решимости следующей системы трех линейных уравнений ♦) относительно nil, m2, m3-. «i + »»i + <»a*= 1, m\xi -J- т2х2 4- т3х3 = х, miyi + m2y2-}-m3ya = у. (ЕН) Известно, что для однозначной разрешимости квадратной системы линейных уравнений (система, у которой число уравнений равно числу неизвестных) необходимо и достаточно, чтобы определитель этой системы был отличен от нуля (см. Дополнение к этой главе). Для рассматриваемой системы этот определитель имеет вид 1 1 1 JC1 х2 х3 У1 У2 Уз “ (Х2 — лО (Уз — У1) — (х3 — xj (у2 —yi). Этот определитель отличен от нуля, иначе мы получили бы пропорцию л2— х, у2 — yi , —------- = —---— и, обозначив каждое из указанных отношении через хг — xt у3—_V| — —1), ибо точки М2 и М3 различны, пришли бы с точностью до обозна- *) Последние два уравнения этой системы представляют собой следствия первых двух соотношений (1.12) и соотношения (1.13).
§ 4] ПОЛЯРНЫЕ, ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ, СФЕРИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ 25 чений к первым двум равенствам (1.11). Это означало бы, что точка Afi делит отрезок М%М3 в отношении X, т. е. означало бы, что точки Mi, М2 и Мз лежат на одной прямой. Таким образом, система (1.1.4) однозначно разрешима отно- сительно ffii, т2, тз. Следовательно, положение любой точки М на плоскости однозначно определяется относительно базисных точек Mi, М2, М3 этой пло- скости посредством барицентрических координат mj, m2 и тз. Барицентрические координаты в пространстве вводятся совершенно ала- логично. Для этого используются четыре базисные точки, не располагающиеся в одной плоскости. § 4. Полярные, цилиндрические и сферические координаты 1. Полярные координаты. Полярные координаты на плоскости вводятся следующим образом. Выберем на плоскости некото- рую точку О (полюс) и некоторый выходящий из нее луч Ох (рис. 1.11). Кроме того, укажем единицу масштаба. Поляр- ными координатами точки М называются два числа р и <р, первое из которых (полярный радиус р) равно расстоя- нию точки М от полюса О, а второе (по- лярный угол ф)— угол, на который нужно повернуть против часовой стрелки луч Ох д.о совмещения с лучом ОМ*). Точку М с полярными координатами р и ф обозначают символом М(р, ф). Для того чтобы соответствие между от- личными от полюса точками плоскости и парами полярных координат (р, ф) было взаимно однозначным, обычно считают, что р и ф изменяются в следующих гра- ницах: 0^р< + оо, 0<^ф<2л. (1.15) Замечание. В некоторых задачах, связанных с непрерыв- ным перемещением точки по плоскости, требуется непрерывное изменение полярных координат этой точки. В таких задачах удобнее отказаться от ограничений для р и ф, указанных в со- отношениях (1.15). Если, например, рассматривается вращение, точки по окружности против часовой стрелки (р = const), то естественно считать, что полярный угол этой точки может при- нимать, при большом числе оборотов, значения, большие 2л. Если же рассматривается движение точки по прямой, проходя- щей через полюс (ф=сопз1), то естественно считать, что при переходе через полюс ее полярный радиус меняет знак. *) При этом предполагается, что точка М отлична от полюса. Для по- люса О полярный радиус р равен нулю, а полярный угол неопределенный, т. е. ему можно приписать любое значение.
26 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ 1ГЛ. ! Закон изменения величин р и <р выясняется в каждом кон- кретном случае. Установим связь между полярными координатами точки и ее декартовыми координатами. При этом будем предполагать, что начало декартовой прямоугольной системы координат на- ходится в полюсе, а ось абсцисс совпадает с полярной осью (рис. 1.11). Пусть точка М имеет декартовы координаты х и у и полярные координаты р и ф. Очевидно, x = pcos<p, y = psin<p. (1.16) 2 Рис. 1.12. натная поверхность рой имеют одну и Полярные координаты р и ф точки М определяются по- ее декар- товым координатам х и у, очевидно, следующим образом: р= У х2+у2. Для того чтобы найти величину угла ф, нужно, используя знаки х и. у, определить квадрант, в котором нахо- дится точка М (см. п. 1 § 2 этой главы и рис. 1.6), и, кроме того, воспользоваться тем, что тангенс угла ф равен —. 2. Цилиндрические координаты. Цилиндрические координаты в пространстве вводятся следующим образом. Выберем на фиксированной плоскости П некоторую точку О и выходящий из нее луч Ох (рис. 1.12). Кроме того, рассмотрим ось Oz, прохо- дящую через О перпендикулярно пло- скости П. Пусть М — любая точка пространства, N — проекция этой точ- ки на плоскость П, а М2 — проекция М на ось Oz. Цилиндрическими коор- динатами точки М называются три чи- сла р, ф и z, первые два из которых (р и ф) являются полярными коорди- _____________________натами точки N в плоскости П отно- У сительно полюса О и полярной оси Ох, а число z есть величина отрезка OMZ. Точку М с цилиндрическими коорди- натами р, ф и z обозначают М(р, ф, г). Наименование «цилиндрические коор- динаты» связано с тем, что коорди- р = const (т. е. поверхность, все точки кото- ту же координату р) является цилиндром, прямолинейные образующие которого параллельны оси Oz (на рис. 1.12 такой цилиндр изображен пунктиром). Если выбрать оси декартовой прямоугольной системы координат Oxyz так, как указано на рис. 1.12, то декартовы координаты х, у, z точ- ки М будут связаны с ее цилиндрическими координатами р, ф, z соотношениями х=рсоэф, t/ = psin ф, z=z. (1-17)
§ 4] ПОЛЯРНЫЕ, ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ, СФЕРИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ 27 Замечание. Так как первые две цилиндрические коорди- наты р и ф являются полярными координатами проекции 1V точки М на плоскость П, то к этим' двум координатам относятся замечание и выводы, сделанные в предыдущем пункте. 3. Сферические координаты. Для введения сферических коор- динат в пространстве рассмотрим три взаимно перпендикуляр- ные оси Ох, Оу и Oz с общим началом О (рис. 1.13). Пусть М — любая, отличная от О точка про- странства, N— ее проекция на пло- скость Оху, р — расстояние М от О. Пусть далее, 0 — угол, который обра- зует направленный отрезок ОМ с осью z, а ф — угол, на который нужно повернуть против часовой стрелки ось Ох *) до совмещения с лучом ON. 0 и Ф называют широтой и долготой соот- ветственно. Сферическими координатами точки М называются три числа р, ф и 0 **). Наименование «сферические коор- Рис. 1.13. динаты» связано с тем, что координат- ная поверхность р = const (т. е. поверхность, все точки которой имеют одну и ту же координату р) является сферой (на рис. 1.13 такая сфера изображена пунктиром). Для того чтобы соответствие между точками пространства и тройками сферических координат (р, ф, 0) было взаимно одно- значным, обычно считают, что р и ф изменяются в следующих границах: 0<^р< + ос, 0 ф<2л. Координата 0 по самому определению заключена между Ойл. Отметим, что в задачах, связанных с непрерывным переме- щением точки в пространстве, часто отказываются от указанных ограничений на изменение сферических координат (см. замеча- ние в п. 1 этого параграфа). Если выбрать оси декартовой прямоугольной системы коор- динат так, как указано на рис. 1.13, то декартовы координаты г, у, z точки М связаны с ее сферическими координатами р, ф, 9 соотношениями х=рз1п0со5ф, i/==p sin 0 sin ф, z=pcos 0. (1.18) *) Если при этом смотреть на вращение Ох со стороны положительного направления оси Oz. **) Если точка М совпадает с точкой Q, то р=0. Для точки О коорди- наты ф и 6 не имеют определенного значения.
28 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ I ОПРЕДЕЛИТЕЛИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКОВ 1. Понятие матрицы и определителя второго порядка. Прямо- угольную таблицу из чисел, содержащую произвольное число т строк и произвольное число п столбцов, называют матрицей. Для обозначения матрицы используют либо сдвоенные черточки, либо круглые скобки. Например, 2 5 13,1 /25 13,1 \ 7,2 1 0 или I 7,2 1 О I. —976 9 7 6 / Если число строк матрицы совпадает с числом ее столбцов, то матрица называется квадратной. Числа, входящие в состав ма- трицы, обычно называют ее элементами. Рассмотрим квадратную матрицу, состоящую из четырех эле- ментов: а, #2 (Д11) «1 а2 Определителем второго порядка, соответствую- щим матрице (Д1.1), называется число, равное а^Ь2 — и обозначаемое символом а2Ь2 Итак, по определению = агЬ2 — «Л- (Д1.2) Элементы, составляющие матрицу данного определителя, обыч- но называют элементами этого определителя. Справедливо следующее утверждение: для того чтобы определитель второго порядка был равен нулю, необходимо и достаточно, чтобы элементы его строк (или соответственно его столбцов) были пропорциональны. Для доказательства этого утверждения достаточно заметить, т_> Ь, Л, Ло что каждая из пропорции — = -у- и "Г = Ь эквивалентна равенству at&2=a2^i, а последнее равенство в силу (Д1.2) экви- валентно обращению в нуль определителя. 2. Система двух линейных уравнений с двумя неизвестными. Покажем, как применяются определители второго порядка для исследования и отыскания решения системы двух линейных
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ I 29 уравнений с двумя неизвестными —Л1, a2x-\-b2y — h2 (Д1.з) (коэффициенты alt blt а2, b2 и свободные члены /ц и h2 считаются при этом заданными). Напомним, что пара чисел х0, у0 назы- вается решением системы (Д1.3), если подстановка этих чисел на место х и у в систему (Д1.3) обращает оба уравнения (Д1.3) в тождества. Умножая первое уравнение системы (Д1.3) на Ь2, а второе — на —bi и затем складывая полученные при этом равенства, бу- дем иметь (atb2 — a2bi)x^b2hl — bih2. (Д 1.4) Аналогично путе м умножения уравнений системы (Д1.3) на —а2 и й1 соответственно получим (ctibz — a2bi) y=aih2 — a2hi. (Д1.5) Введем следующие обозначения: <21 hi bi ж di hi д= а2 Ь2 , Дх = 1 1 , Д^ 1 . «2 b2 а2 h2 (Д1.6) С помощью этих обозначений и выражения для определителя второго порядка уравнения (Д1.4) и (Д1.5) могут быть пере- писаны в виде Д-х = Ах, Д-у = Ду. (Д1.7) Определитель Д, составленный из коэффициентов при неизвест- ных системы (Д1.3), принято называть определителем этой си- стемы. Заметим, что определители Дж и Дй получаются из опре- делителя системы Д посредством замены первого, или соответ- ственно второго, столбца свободными членами. Могут представиться два случая: 1) определитель Д си- стемы отличен от нуля, 2) этот определитель равен нулю. Рассмотрим сначала случай Д¥=0. В этом случае из уравне- ний (Д1.7) мы сразу же получаем формулы для неизвестных, называемые формулами Крамера: \ Д„ у=~£- (Д1>8> Полученные нами формулы Крамера (Д1.8) дают решение системы (Д1.7) и потому доказывают единственность ре- шения исходной системы (Д1.3). В самом деле, система (Д1.7) является следствием -системы (Д1.3), и поэтому всякое решение системы (Д1.3) (в случае, если оно существует!) должно
30 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ являться решением и системы (Д1.7). Итак, пока нами дока- зано, что если у исходной системы (Д1.3) существует при Д=#0 решение, то это решение однозначно определяется формулами Крамера (Д1.8). Легко убедиться и в существовании решения, т. е.в том, что при Д=£0 два числа х и у, определяемые формулами Крамера (Д1.8), будучи подставлены на место неизвестных в уравнения (Д1.3), обращают эти уравнения в тождества. (Пре- доставляем читателю самому расписать выражения для опреде- лителей Д, Дж и Ду и убедиться в справедливости указанных то- ждеств.) Мы приходим к следующем}/ выводу: если определитель Д системы (Д1.3) отличен от нуля, то существует, и притом един- ственное, решение этой системы, определяемое формулами Кра- мера (Д1.8). Рассмотрим теперь случай, когда определитель Д системы равен нулю. Могут представиться два подслучая: а) хотя бы один из определителей Дж или Ду отличен от нуля, б) оба определителя, Дж и Дк, равны нулю*). В подслучае а) оказывается невозможным хотя бы одно из равенств (Д1.7), т. е. система (ДГ:7) не имеет решений, а по- этому не имеет решений и исходная система (Д1.3) (следствием которой является система (Д1.7)). В подслучае б) исходная система (Д1.7) имеет бесчислен- ное множество решений. В самом деле, из равенств Д = Дж=Д!/= ,, . a, b, к, = 0 и из утверждения в конце п.1 заключаем, что — — , т. е. заключаем, что второе уравнение системы (Д1.3) является следствием первого и его можно отбросить. Но одно уравнение с двумя неизвестными apc+byj=h^ (Д1.9) имеет бесчисленно много решений (хотя бы один из коэффи- циентов at или bt отличен от нуля, и стоящее при нем неизвест- ное может быть определено из уравнения (Д1.9) через произ- вольно заданное значение другого неизвестного). Мы приходим к следующему выводу: если определитель Д системы (Д1.3) равен нулю, то система (Д1.3) либо вовсе не имеет решений (в случае, если хотя бы один из определителей *) Из утверждения в конце ц. 1 вытекает, что если определитель Д и один из определителей Дх и Д„ равны нулю, то и другой из указанных определи- at b 1 телей равен нулю. В самом деле, пусть, например, Д=0 и Дх=0, т. е. —- = j— A] b, _ „ at ht и Тогда из этих пропорции получим, что-^- = -^-> т. е. Aj,=U.
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ I 31 Дж или &у отличен от нуля), либо имеет бесчисленное множе- ство решений (в случае, когда Дх=Ду=0). В последнем случае два уравнения (ДЕЗ) можно заменить одним и при решении его одно неизвестное задавать произвольно. Замечание. В случае, когда свободные члены и h2 рав- ны нулю, линейная система (Д1.3) называется однородной. От- метим, что однородная система всегда имеет так называемое тривиальное решение: х=0, у = 0 (эти два числа обра- щают оба однородных уравнения в тождества). Если определитель Д системы отличен от нуля, то однород- ная система имеет только тривиальное решение. Если же Д = 0, то однородная система имеет бесчисленное множество решений (поскольку для однородной системы возможность отсутствия решений исключена). Таким образом, однородная система имеет нетривиальное решение в том и только в том случае, когда определитель ее равен нулю. 3. Определители третьего порядка. Рассмотрим квадратную матрицу, состоящую из девяти элементов: а2 Ь2 с2 аз Ьз с3 (Д1.10) Определителем третьего порядка, соответствую- щим матрице (Д1.10), называется число, равное а1Ь2Сз+Ь1с2а3 + с1а2Ьз — Cib2a3 -- б^Сз — сцсзЬз (ДЕИ) и обозначаемое символом <2j ft, сг <22 Ь2 С2 й-з Ь3 С3 Итак, по определению с2 Сз = — с^аз — Ьха2с3 — а^Ьз- (ДЕ 12) Как и в случае определителя второго порядка, элементы ма- трицы (ДЕЮ) будем называть элементами самого определи- теля. Кроме того, договоримся называть диагональ, образован- ную элементами tzi, b2 и с3, главной, а диагональ, образованную элементами а3, Ь2 и щ, — побочной.
32 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ Для запоминания конструкции слагаемых, входящих в выра- жение для определителя (Д1.11), укажем два правила. Заметим, что первые три слагаемых, стоящих в (Д1.11) со знаком плюс, представляют собой произведение элементов опре- делителя, взятых по три так, как указано различными пункти- рами на нижеприводимой схеме: Последние же три слагаемых, стоящих в (Д1.11) со знаком ми- нус, представляют собой произведение элементов, взятых потри так, как указано различными пунктирами на следующей схеме: Правило составления шести слагаемых, входящих в выражение (Д1.11) для определителя, опирающееся на указанные две схе- мы, обычно называют правилом треугольника. Укажем идругое правило составления выражения для определителя, еще менее требующее напряжения внимания и памяти. Для этого к матрице, из которой составлен определи- тель, допишем справа еще раз первый, а затем второй столбец. В полученной при этом матрице
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 33 сплошной чертой соединены три тройки членов, получаемые па- раллельным переносом главной диагонали и отвечающие трем слагаемым, входящим в выражение (Д1.11) со знаком плюс; пунктирной же чертой соединены три другие тройки членов, по- лучаемые параллельным переносом побочной диагоналй и отве- чающие трем слагаемым, входящим в выражение (Д1.11) со знаком минус. 4. Свойства определителей. В этом пункте мы установим ряд свойств определителей. Эти свойства мы будем формулировать и устанавливать применительно к определителям третьего по- рядка, хотя, конечно, они справедливы и для определителей вто- рого порядка и, как выяснится позже (см. выпуск «Линейная алгебра»), эти же свойства справедливы и для определителей любого порядка п (там же см. понятие определителя порядкам). Свойство 1. Величина определителя не изменится, если строки и столбцы этого определителя поменять ролями, т. е. а-. Cj #1 <?2 &3 а2 ^2 с2 = ^2 ^3 (ДМ3) «з 63 с3 С1 с2 с3 Для доказательства этого свойства достаточно расписать определители, стоящие в левой и в правой частях (Д1.13), по правилу треугольника (или по другому указанному в преды- дущем пункте правилу) и убедиться в равенстве полученных при этом членов. . Свойство 1 устанавливает полную равноправность строк и столбцов. Поэтому все дальнейшие свойства определителя мож- но формулировать и для строк, и для столбцов, а доказывать или только для строк, или только для столбцов. Свойство 2. Перестановка двух строк (или двух столб- цов) определителя равносильна умножению его на число —1. Доказательство также получается из правила треугольника (мы предоставляем его читателю). Свойство 3. Если определитель имеет две одинаковые строки (или два одинаковых столбца), то он равен нулю. В самом деле, при перестановке двух одинаковых строк с одной стороны определитель Д не изменится, а с другой сто- роны, в силу свойства 2 он изменит знак на противоположный. Таким образом, Д = —А, т. е. 2Д=0, или Д = 0. Свойство 4. Умножение всех элементов некоторой строки (или некоторого столбца) определителя на число Z равносильно умножению определителя на это число К. Иными словами, общий множитель всех элементов неко- торой строки (или некоторого столбца) определителя можно
34 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ выносить за знак этого определителя. Например, Cl Й2 ^2 ^2 С2 #3 *3 сз ^3 с3 Для доказательства этого свойства достаточно заметить, что определитель выражается в виде суммы (Д1.12), каждый член которой содержит один и только один элемент из каждой стро- ки и один и только один элемент из каждого столбца. Свойство 5. Если все элементы некоторой строки (или не- которого столбца') определителя равны нулю, то и сам опреде- литель равен нулю. Это свойство вытекает из предыдущего (при Л=0). Свойство 6. Если элементы двух строк (или двух столб- цов) определителя пропорциональны, то определитель равен нулю. В самом деле, в силу свойства 4 множитель пропорциональ- ности можно вынести за знак определителя, после чего остается определитель с двумя одинаковыми строками, равный нулю со- гласно свойству 3. Свойство 7. Если каждый элемент п-й строки (или п-го столбца) определителя представляет собой сумму двух слагае- мых, то определитель может быть представлен в виде суммы двух определителей, первый из которых имеет в п-й строке (в п-м столбце) первые из упомянутых слагаемых и те же элемен- ты, что и исходный определитель, в остальных строках (столб- цах), а второй определитель имеет в п-й строке (в п-м столбце) вторые из упомянутых слагаемых и те же элементы, что и ис- ходный определитель, в остальных строках (столбцах). Например, < + < + а2 62 а3 С2 иг bl С1 ^2 ^2 ^3 ^3 &Ч ^2 #3 Для доказательства этого свойства снова достаточно заметить, что определитель выражается в виде суммы слагаемых, каждое из которых содержит один и только один элемент из каждой строки и один и только один элемент из каждого столбца. Свойство 8. Если к элементам некоторой строки (или не- которого столбца) определителя прибавить соответствующие элементы другой строки (другого столбца) , умноженные на про- извольный множитель К, то величина определителя не изменится.
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 35 В самом деле, полученный в результате указанного прибав- ления определитель можно (в силу свойства 7) разбить на сум- му двух определителей, первый из которых совпадает с исход- ным, а второй равен нулю вследствие пропорциональности эле- ментов двух строк (или столбцов) и свойства 6. Для формулировки еще одного фундаментального свойства определителя нам понадобятся новые понятия. 5. Алгебраические дополнения и миноры. Соберем в выраже- нии (Д 1.12) для определителя члены, содержащие какой-нибудь один элемент этого определителя, и вынесем указанный эле- мент за скобки; .величина, остающаяся при этом в скобках, на- зывается алгебраическим дополнением указанного элемента. Алгебраическое дополнение данного элемента мы будем обо- значать большой латинской буквой того же наименования, что и данный элемент, и снабжать тем же номером, который имеет данный элемент. Например, алгебраическое дополнение эле- мента Ь2 будем обозначать через В2, алгебраическое дополнение элемента а3 — через А3 и т. д. Непосредственно из выражения для определителя (Д1.12) и из того, что каждое слагаемое в правой части (Д1.12) содер- жит один и только один элемент из каждой строки и один и только один элемент из каждого столбца, вытекают следующие равенства: А — а^А^4-^151 + CiC], Д^агАяА'ЬгВг + сгСг, А = ПзАз-1-ЬзВз-|-сзСз, (Д1.14) Д=Ц1А14-О2'42 + пз^з, А = 61В1+Ь2В2-\- Ь3В3, А = 01С1 + г2С2 + СзСз- (Д1.15) Эти равенства выражают следующее свойство определителя: определитель равен сумме произведений элементов какой-либо строки (какого-либо столбца) на соответствующие алгебраи- ческие дополнения элементов этой строки (этого столбца). Равенства (Д1.14) принято называть разложением опреде- лителя по элементам соответственно первой, второй или третьей строки, а равенства (Д1.15)—разложением определителя по элементам соответственно первого, второго или третьего столбца. Введем теперь важное понятие минора данного элемента определителя. Минором данного элемента определителя п-го порядка*) называется определитель (п—1)-го порядка, полу- чаемый из данного определителя путем вычеркивания той строки и того столбца, на пересечении которых стоит данный элемент. *) В рассматриваемом случае л = 3.
36 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ Например, минор элемента tti равен мента аг служит определитель ^2 ^2 *3 С3 И Т. Д. минором эле- Предлагаем читателю самому убедиться в том, что алгебраи- ческие дополнения и миноры связаны между собой по следую- щему правилу: алгебраическое дополнение любого элемента определителя равняется минору этого элемента, взятому со зна- ком плюс, если сумма номеров строки и столбца, на пересече- нии которых стоит данный элемент, есть число четное, и со зна- ком минус — в противном случае. Таким образом, соответствующие алгебраическое дополнение и минор могут отличаться только знаком. Следующая таблица дает наглядное представление о том, каким знаком связаны соответствующие алгебраическое допол- нение и минор + - + - + - . + - + Установленное правило позволяет в формулах (Д1.14) и (Д1.15) разложения определителя по элементам строк и столбцов всюду вместо алгебраических дополнений писать соответствующие ми- норы (с нужным знаком). Так, например, последняя из формул (ДЕИ), дающая раз- ложение определителя по элементам третьей строки, принимает вид Д = «1 $2 о-з &2 ^3 В заключение установим следующее фундаментальное свой- ство определителя. Свойство 9. Сумма произведений элементов какого-либо столбца определителя на соответствующие алгебраические до- полнения элементов этого (другого) столбца равна величине этого определителя (равна нулю). Конечно, аналогичное свойство справедливо и применитель- но к строкам определителя. Случай, когда алгебраические до- полнения и элементы отвечают одному и тому же столбцу, уже рассмотрен выше. Остается доказать, что сумма произведений элементов какого-либо столбца на соответствующие алгебраиче- ские дополнения элементов другого столбца равна нулю.
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 37 Докажем, например, что сумма произведений элементов пер- вого или второго столбца на соответствующие алгебраические дополнения элементов третьего столбца равна нулю. Будем исходить из третьей формулы (Д1.15), дающей раз- ложение определителя по элементам третьего столбца: bi #2 А2 й3 Ь3 ?з ?= с£\ -j- с2С2 + с3С3. (Д1.17) Так как алгебраические дополнения Сь С2 и С3 элементов треть- его столбца не зависят от самих элементов Ci, с2 и Сз этого столбца, то в равенстве (Д 1.17) числа с±, с2 и сз можно заме- нить произвольными числами hi, h2 и h3, сохраняя при этом в ле- вой части (Д1.17) первые два столбца определителя, а в правой части — величины С{, С2 и С3 алгебраических дополнений. Таким образом, при любых hi, h2 и h3 справедливо равенство «1 &2 <Z3 bi Ьз Ьз hi h>2 А3 — hfii + h2C2-\- h3C3. (Д1Л8) Беря теперь в равенстве (Д1.18) в качестве Ai, h2 и h3 сначала элементы а2 и а3 первого столбца, а затем элементы bi, b2 и Ь3 второго столбца и учитывая, что определитель с двумя сов- падающими столбцами в силу свойства 3 равен нулю, мы при- дем к следующим равенствам: - aiCi+a2C2 + a3C3~0, А1С1+b2C2-{-b3C3=0. Тем самым доказано, что сумма произведений элементов пер- вого или второго столбца на соответствующие алгебраические дополнения элементов третьего столбца равна нулю. Аналогично доказываются равенства UiBi -|- а2В2 а3В3 = 0, Д] 4~ с2В2 -|- с3В3 — О, bi Ai 4- Ь2А2 -|- Ь3А3 = 0, Ci А] + с2А2 4- с3А3 — О и соответствующие равенства, относящиеся не к столбцам, а к строкам: biB3-}~ CiC3 — 0, <22Аз-4- Ь2В3-\- с2С3 = О, &iA2 biВ2 -f- CiC2 = О, U3A2 Ч- b3B2 -f- с3С2 = О, #2-^14- b2B\ -f- с2С 1 = О, a3Ai -f- b3Bi 4- c3Ci = 0. 6. Система трех линейных уравнений с тремя неизвестными с определителем, отличным от нуля. В качестве приложения изложенной выше теории рассмотрим систему трех линейных
38 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ уравнений с тремя неизвестными aiX-\-biy-\-cxz — ' U2X—|- b3y -J- c3z = h3, а3х -f- b3y + c3z = h3 (Д1.19) (коэффициенты ab a2, a3, blt b2, b3, Ci, c2, c3 и свободные члены hi, h2, h3 считаются заданными). Тройка чисел х0, Уо, ?о назы- вается решением системы (Д1.19), если подстановка этих чисел на место х, у, z в систему (Д1.19) обращает все три уравнения (Д 1.19) в тождества. Фундаментальную роль в дальнейшем будут играть следую- щие четыре определителя» аг Cj hi bi Ci д= ^2 b3 с3 , Ax = h-2 b3 c3 а3 b3 с3 h3 b3 c3 hi c^i b\ hi Ду = U-2 h.2 C2 дг = 0-2 b3 h-2 &3 h3 c3 ®з b3 h3 Определитель Д принято называть определителем системы (Д1.19) (он составлен из коэффициентов при неизвестных). Определители Дх, Ду и Д2 получаются из определителя системы А посредством замены свободными членами элементов соответ- ственно первого; второго и третьего столбцов. Для исключения из системы (Д1.19) неизвестных у и z умно- жим уравнения (Д1.19) соответственно на алгебраические до- полнения Ai, Bj и Ci элементов первого столбца определителя Д системы и после этого сложим эти уравнения. В результате получим ,'(<JiA 1 + а3А3 + и3А 3) х+ (biA 1 + Ь3А 2 + Ь3А 3) у+ + (ciAi + С2А2Ч-С3А3)z=hiAt-j-Ь3А2~{-h3A3. (Д1.20) Учитывая, что сумма произведений элементов данного столб- ца определителя на соответствующие алгебраические дополне- ния элементов этого (другого) столбца равна определителю (нулю) (см. свойство 9), получим aiAi + a2A2 + a3A3 = A, &1А1-|-&2-^2 + ^зАз = 0) CiA[-|-C2A2 + C3»43 = 0. (Д1.21)
Дополнение к главе t 39 Кроме того, посредством разложения определителя Дх по эле- ментам первого столбца получается формула Лх=Л1А1+/г2Д2+ЛзДз. (Д1.22) С помощью формул (Д1.21) и (Д1.22) равенство (Д1.20) пере- пишется в следующем (не содержащем неизвестных у и z) виде: Д-х=Дх. Совершенно аналогично выводятся из системы (Д1.19) равен- ства Д>у=Д!/ и Д*2=Дг*). Таким образом, мы установили, что система уравнений Д-х = Дх, Л.-у = \у, Д-г=Дг (Д1.23) является следствием исходной системы (Д1.19). В дальнейшем мы отдельно рассмотрим два случая: 1) случай, когда определитель Д системы отличен от нуля, 2) случай, когда этот определитель равен нулю. В этом пункте мы рассмотрим лишь первый случай (рас- смотрение второго случая отложим до п. 9). Итак, пусть Д =А 0. Тогда из системы (Д1.23) мы сразу полу- чаем формулы для неизвестных, называемые формулами Крамера: Дг д.. Д7 (Д1-24) Полученные нами формулы Крамера дают решение системы (Д1.23) и потому доказывают единственность решения исходной системы (Д1.19), ибо система (Д1.23) является след- ствием системы (Д1.19), и всякое решение системы (Д1.19) обя- зано быть решением и системы (Д1.23). Итак, мы доказали, что если у исходной системы (Д1.19) существует при Д =# 0 решение, то это решение однозначно опре- деляется формулами Крамера (Д1.24). Чтобы доказать, что решение в самом деле существует, мы должны подставить в исходную систему (Д1.19) на место х, у и z их значения, определяемые формулами Крамера (Д1.24), и убедиться в том, что все три уравнения (Д1.19) обращаются при этом в тождества. Убедимся, например, что первое уравнение (Д1.19) обра- щается в тождество при подстановке значений х, у и z, опреде- ляемых формулами Крамера (Д1.24). Учитывая, что Ax=/iiAi+', Ч-йгАг+^зАз, Ду=й1Д1+Л2В2+ЛзВз, Д2 = /11С1Ч-А2С2Ч-/1зСз, будем ♦) Для получения этих равенств следует сначала умножить, уравнения (Д1.19) соответственно на алгебраические дополнения элементов второго и третьего столбцов, а затем сложить полученные равенства.
40 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ иметь, подставив в левую часть первого из уравнений (Д1.19) значения х, у и г, определяемые формулами Крамера: д д д, Л]Х Ь^у+щг — аг — 4- Ьг -д- Ч~ £1 -д- = = 4- h2A2 4- й3Д3) 4~ bx 4- h2B2 4- b3B3) 4- + с1(й1С14-А2С24-A3C3)}. Группируя внутри фигурной скобки члены относительно hit h2 и h3, будем иметь a1x-[-b1y-\-c\z = = "д* (aiA + biBi 4~£iQ) + h2 \аАА2А-ЬхВ2 4-С]С2] 4~ + А г ЬХВ3-(- С1С3]}. В силу свойства 9 в последнем равенстве обе квадратные скоб- ки равны нулю, а круглая скобка равна определителю Д. Таким образом, мы получим aiX+6ti/-|-CiZ=A1, и обращение в тожде- ство первого уравнения системы (Д1.19) установлено. Анало- гично устанавливается обращение в тождество второго и треть- его уравнений системы (Д1.19). Мы приходим к следующему выводу: если определитель Д системы (Д1.19) отличен от нуля, то существует, и притом един- ственное, решение этой системы, определяемое формулами Кра- мера (Д1.24). 7. Однородная система двух линейных уравнений с тремя не- известными. В этом и в следующем пунктах мы разовьем аппа- рат, необходимый для рассмотрения неоднородной системы (Д1.19) с определителем, равным нулю. Сначала мы рассмотрим однородную систему двух линейных уравнений с тремя не- известными a2x + b2y + c2z = 0. щ > Если все три определителя второго порядка, которые можно со- ставить из матрицы аг bi Ci а2 b2 с2 (Д1.26) равны нулю, то в силу утверждения из п. 1 коэффициенты пер- вого из уравнений (Д1.25) пропорциональны соответствующим коэффициентам второго из этих уравнений. Стало быть, в этом случае второе уравнение (Д1.25) является следствием первого,
ДОПОЛНЕНИЕ If ГЛАВЕ 1 и его можно отбросить. Но одно уравнение с тремя неизвест- ными а1х+61// + с1г=0, ecTecTBeHHOj имеет бесчисленное множе- ство решений (двум неизвестным можно предписывать произ- вольные значения, а третье неизвестное определять из урав- нения). Рассмотрим теперь систему (Д1.25) для случая, когда хотя бы один из определителей второго порядка, составленных из матрицы (Д1.26), отличен от нуля. Не ограничивая общности, будем считать, что определитель а\ #2 ^2 =А0*). (Д1-27) Тогда мы можем переписать систему (Д1.25) в виде a-iX-\-bxy — — CiZ, а2х + b2y — — c2z и утверждать, что для каждого z существует единственное ре- шение этой системы, определяемое формулами Крамера (см. п. 2, формулы (Д1.8)) Cl Ь{ «1 С, Л1 Ь{ #2 ^2 ai Дд ^2 (Д1.28) Для дальнейшего удобно ввести в -рассмотрение алгебраиче- ские дополнения А3, В3 и С3 элементов третьей строки опреде- лителя аг bi Cj й2 (b2 c2 C3 В силу результатов п. 5 о связи алгебраических дополнений и миноров можно записать Основываясь на (Д1.29), мы можем - переписать формулы (Д1.28) в виде *) Это предположение не снижает общности, ибо порядок следования неизвестных х, у и г находится в нашем распоряжении.
42 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ Для того чтобы получить решение в виде, симметричном относи-' тельно всех неизвестных х, и и z, положим t =-р- (отметим, что в силу (Д1.27) определитель С3 отличен от нуля). Посколь- ку z может принимать любые значения, то и новая переменная t может принимать любые значения. Мы приходим к выводу, что в случае, когда определитель '(Д1.27) отличен от нуля, однородная система (Д1.25) имеет бес- численное множество решений, определяемых формулами x—A3t, y=B3t, z—C3t, (Д1.31) в которых t принимает какие угодно значения, а алгебраиче- ские дополнения А3, В3 и С3 определяются формулами (Д1.29). 8. Однородная система трех линейных уравнений с тремя неизвестными. Рассмотрим теперь однородную систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными ' Д1Х + М + ^1^ = 0, а2х Ч” Ь^У Ч- c^z = 0, (Д1.32) азх Ч~ b3y -|- c3z = 0. Очевидно, что эта система всегда имеет так называемое три- виальное решение х = 0, у = 0,, z—0. В случае, когда определитель системы А =£ 0, это тривиаль- ное решение является единственным (в силу п. 6). Докажем, что в случае, когда определитель А равен нулю, однородная система (Д1.32) имеет бесчисленное множество ре- шений. Если все определители второго порядка, которые можно со- ставить из матрицы tZj by Cj а2 ^2 с2 аз *3 сз . (ДЕЗЗ) равны нулю, то в силу утверждения из п. I соответствующие коэффициенты всех трех уравнений (Д1.32) пропорциональны. Но тогда второе и третье уравнения (Д1.32) являются след- ствиями первого и могут быть отброшены, а одно уравнение a(x-|-&iy-f-CiZ=O, как уже отмечалось в предыдущем пункте, имеет бесчисленное множество решений. Остается рассмотреть случай, когда хотя бы один минор ма- трицы (Д1.33) отличен от нуля. Так как порядок следования уравнений и неизвестных находится в нашем распоряжении, то, не ограничивая общности, мы можем считать, что отличен от
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ t - 43 нуля определитель (Д1.27). Но тогда, как установлено в пре- дыдущем пункте, система первых двух уравнений (Д1.32) имеет бесчисленное множество решений, определяемых форму- лами (Д1.31) (при любом О* Остается доказать, что х, у и г, определяемые формулами (Д1.31) (при любом /), обращают в тождество и третье уравне- ние (Д1.32). Подставляя в левую часть третьего уравнения (Д1.32) х, у и z, определяемые формулами (Д1.31), будем иметь й-х + Ь?,у+ c$z= (азД3 + &зВз + сзСз)/=Д • t. Мы воспользовались тем, что в силу свойства 9 выражение в круглых скобках равно определителю Д системы (Д1.32). Но определитель Д по условию равен нулю, и поэтому при любом t мы получим а3х+&3у-|-Сзг=0. Итак, нами окончательно доказано, что однородная система (Д1.32) с определителем равным нулю, имеет бесчисленное множество решений. Если отличен от нуля минор (Д1.27), то эти решения определяются формулами (Д1.31) при произвольно взятом t. Полученный нами результат можно сформулировать еще и так: однородная система (Д1.32) имеет нетривиальное решение в том и только в том случае, когда определитель ее равен нулю. 9. Неоднородная система трех линейных уравнений с тремя неизвестными с определителем, равным нулю. Теперь мы распо- лагаем аппаратом для рассмотрения неоднородной системы (Д1.19) с определителем Д, равным нулю. Могут представиться два случая: а) хотя бы один из определителей Дж, Ду или \z отличен от нуля, б) все три опреде- лителя, Дж, Дй и Дг, равны нулю. В случае а) оказывается невозможным хотя бы одно из ра- венств (Д1.23), т. е. система (Д1.23) не имеет решений, а по- этому не имеет решений и исходная система (Д1.19) (след- ствием которой является система (Д 1.23)). л Переходим к рассмотрению случая б), т. е. случая, когда все четыре определителя, Д, Дж, Ду и \z, равны нулю. Начнем с примера, показывающего, что в этом случае си- стема может не иметь ни одного решения. Рассмотрим систему х-]-у + г = 1< 2х 2у -j- 2г — 3, . Зх -1- Зу-[• Зг = 4. Ясно, что эта система не имеет решений. В самом деле, если бы решение х0, Уо, существовало, то из первых двух уравнений
44 ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 2-ГО И 3-ГО ПОРЯДКОВ мы получили бы xo+yo+zo=l, 2xo+2#o+2zo=3, а отсюда, умно- жая первое равенство на 2, получили бы, что 2 = 3. Далее, оче- видно, что все четыре определителя, А, Дж, Дй и Az, равны нулю. В самом деле, определитель имеет три одинаковых столбца, определители Дх, Ду и Д2 полу- чаются путем замены одного из этих столбцов свободными чле- нами и, стало быть, имеют по два одинаковых столбца. В силу свойства 3 все эти определители равны нулю. Докажем теперь, что если система (Д1.19) с определителем А, равным нулю, имеет хотя бы одно решение, то она имеет бес- численное множество различных решений. Предположим, что указанная система имеет решение Ха, Уо, z0. Тогда справедливы тождества ЯЛ Ч- &1Уо Ч- с 1го= ’ ^2-^0 “Ь ^2{/о 4“ с2г0 ~ ^2> (Д1«34) аЗХ0 Ч~ Мо Ч*. ^0 — ^3* Вычитая почленно из уравнений (Д1.19) тождества (Д1.34), мы получим систему уравнений s ' Я1(х —Xo)4-Mf/ —f/o)4-<r(z —Zo)==O, ЯгС*— xo)~\~b2(y — Уъ)~\~С2(г — zo) = O, (Д1.35) аз (х — хо) Ч~ Ь3 {у — у0) + с3 (г — z0) = 0, эквивалентную системе (Д 1.19). Но система (Д 1.35) является однородной системой трех линейных уравнений относи- тельно трех неизвестных (х — х0), (у — Уо) и (г — z0) с опреде- лителем Д, равным нулю. Согласно п. 8 последняя система (а стало быть, и система (Д1.19)) имеет бесчисленное множество решений. Например, в случае, когда отличен от нуля минор (Д1.27), мы с помощью формул (Д1.31) получим следующее бесконечное множество решений системы (Д1.19): x=x0+A3t, y=y0 + B3t, z=z0 + C3t (t принимает любые значения). Наше утверждение доказано, и мы можем сделать следую- щее заключение: если Д = Дх=Д!/=Дг=0, то неоднородная систе- ма (Д1.19) либо совсем не имеет решений, либо имеет их бес- конечное множество.
ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВЕ I 45 В качестве примеров предлагаем читателю рассмотреть сле- дующие три системы: х 2у + z = 4, Зх — 5у Зг — 1, 2х-1- 7у — г = 8, x4-z/H-z = 2, Зх -|- 2у 2z = 1, 4x + 3y-f-3z = 4, x+y+z=l, 2x + y + z = 2, 3x-4-2y~i~.2z — 3, и убедиться в том, что первая система имеет единственное решение х= 1, у=1, 1 (для нее Д = Дж=Дй =Дг=33), вторая система не имеет решений (для нее Д = 0, Ди=1), а третья система имеет бесчисленное множество решений (для нее Д = = Дж = Д1Л=Дг = 0), определяемых при произвольном t форму* лами: х=1, y — t, z=—t.
ГЛ AB A 2 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА В этой главе изучаются векторные величины (или просто век- торы) , т. е. такие величины, которые, кроме своего численного значения, характеризуются еще направленностью. Физическими примерами векторных величин могут служить смещение мате- риальной точки, двигающейся в пространстве, скорость и уско- рение этой точки, а также действующая на нее сила. В главе изучаются простейшие операции над векторами (сложение векторов, умножение векторов на число), вводится понятие линейной зависимости векторов и рассматриваются ос- новные приложения этого понятия, изучаются различные типы произведений векторов, актуальные для физических приложений (скалярное и векторное произведения двух векторов, смешанное и двойное векторное произведение трех векторов). § 1. Понятие вектора и линейные операции над векторами 1. Понятие вектора. Абстрагируясь от конкретных свойств, встречающихся в природе физических векторных величин, мы приходим к понятию геометрического векто'ра, или просто вектора. х'а Геометрическим вектором, или s' просто вектором, будем называть направлен- ный отрезок. S' Мы будем обозначать ^вектор либо как на- S правленный отрезок символом АВ, где точки Рис. 2.1. А и В обозначают соответственно начало и конец данного направленного отрезка (векто-, ра), либо одной жирной латинской буквой, на- пример а или Ь. На чертеже будем изображать вектор стрелкой, причем латинскую букву, обозначающую этот вектор, будем писать у его конца (рис. 2.1). Начало вектора называют точкой его приложения. Если точка А является началом вектора а, то мы будем говорить, что вектор а приложен в точке А. Для обозначения длины вектора
ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 47 § 1] будем пользоваться символом модуля (или абсолютной вели* чины). Так, |ДВ| и |а| обозначают длины векторов АВ и а со* ответственно. Вектор называется нулевым, если начало и конец его совпадают. Нулевюй вектор не имеет определенного направления и имеет длину, равную нулю. Это позволяет нам при записи отождествлять нулевой вектор с веще- ственным числом нуль. Sa Введем важное понятие коллинеар- ./ ности векторов. Векторы называются коллине- , & г/Ь а р ными, если они лежат либо на од- ной прямой, либо на параллельных у"' прямых. Теперь мы можем сформулировать понятие равенства двух векто- Рис. 2.2. р 6 в: два вектора называются равны- ми, если они коллинеарны, имеют одинаковую длину и одинако* вое направление. Все нулевые векторы считаются равными. На рис. 2.2 изображены слева неравные, а справа равные векторы а и Ь. Из определения равенства векторов непосредственно выте- кает следующее утверждение: каковы бы ни были вектор а и точка Р, существует, и притом единственный, вектор PQ с на- чалом в точке Р, равный вектору а*). Иными словами, точка приложения данного вектора а мо- жет быть выбрана произвольно (мы не различаем двух равных векторов, имеющих разные точки приложения и получающихся один из другого параллельным переносом). В соответствии с этим векторы, изучаемые в геометрии, называют свободными (они определены с точностью до точки приложения) **). *) В самом деле, существует лишь одна прямая, проходящая через точку Р и параллельная той прямой, на которой лежит вектор а. На указан- ной прямой существует единственная точка Q такая, что отрезок PQ имеет длину, равную длине вектора а, и направлен в ту же сторону, что и век- тор а. **) В механике и физике, кроме свободных векторов, иногда рассматри- вают скользящие и связанные векторы. Скользящими называют такие векторы, которые считаются эквивалентными, если они не только рав- ны, но и лежат на одной прямой. Примером скользящего вектора может слу- жить сила, приложенная к абсолютно твердому телу (известно, что две силы, равные и расположенные на одной прямой, оказывают на абсолютно твердое тело одинаковое механическое воздействие). Связанными называются такие векторы, которые считаются эквивалентными, если они не только рав- ны, но и имеют общее начало. Примером связанного вектора может служить сила, приложенная к некоторой точке нетвердого (например, упругого) тела.
48 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 2. Линейные операции над векторами. Линейными операциями принято называть операцию сложения векторов и операцию умножения векторов на вещественные числа. Сначала определим операцию сложения двух век- торов. Определение 1. Суммой а+b двух векторов а и b назы- вается вектор, идущий из начала вектора а в конец вектора b при условии, что вектор b приложен к концу Ъ вектора а. Правило сложения двух векторов, содер- 7л,х жащееся в этом определении, обычно. назы- \ / ’вают «п р а в и л о м треугольника». \ / Это название объясняется тем, что в соот- ветствии с указанным правилом слагаемые векторы а и Ь (в случае, если они не колли- Рис. 2.3. неарны) и их сумма а+b образуют треуголь- ник (рис. 2.3). Правило, сложения векторов обладает теми же самыми че- тырьмя свойствами, что и правило сложения вещественных (или рациональных) чисел*): Г a+b = b + a (переместительное свойство); 2° (а+b)+с = а+(Ь + с) (сочетательное свойство); 3° существует нулевой вектор 0 такой, что а+0 = а для лю- бого вектора а (особая роль нулевого век- тора); в <L п 4° для каждого вектора а существует ъ4 противоположный ему вектор &' такой, что / а + а'=0. /гх / Убедимся в справедливости этих / / свойств? Свойство 3° непосредственно выте- / кает из определения 1. Для доказательства nV т /л свойства 4° определим вектор а', п р о т и в о- а положный вектору а, как вектор, Рис 24 коллинеарный вектору а, имеющий оди- наковую с вектором а длину и противопо- ложное направление**). Очевидно, что взятая согласно опреде- лению 1 сумма вектора а с таким вектором а' дает нулевой вектор. Для доказательства свойства 1° приложим два произволь- ных вектора а и b к общему началу О (рис. 2.4). Обозначим буквами А и В концы векторов а и b соответственно и рассмо- *) См. выпуск 1, главу 2, стр. 35 и 50. **) Для получения а' достаточно поменять ролями начало и конец век- тора а.
ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 49 § 1] трим параллелограмм ОВСА. Из определения равенства векто- ров следует, что ВС=ОА = а, АС=ОВ = Ь. Из определения 1 и из рассмотрения треугольника ОАС сле- дует, что диагональ ОС указанного параллелограмма представ- ляет собой сумму векторов а+Ь, а из рассмотрения треуголь- ника ОВС следует, что та же самая диагональ ОС представ- ляет собой сумму векторов Ь + а. Тем самым свойство 1° уста- новлено. Остается доказать свойство 2°. Для этого приложим вектор а к произвольной точке О, вектор b к концу вектора а и вектор с к концу вектора Ь (рис. 2.5). Обозначим буквами А, В и С кон- цы векторов а, b и с соответственно. Тогда (а + Ь)+с= (ОА+АВ)+ДС=ОВ + ВС=ОС, а + (Ь + с) = ОА + (АВ + ВС) = ОА + АС = ОС, т. е. свойство 2° доказано. Замечание 1. При доказательстве свойства 1° нами об- основано еще одно правило сложения векторов, называемое «правилом параллелограм- м а»: если векторы а и b приложены к общему началу и на них построен параллелограмм, то сумма а + Ь (или Ь + а) этих векторов представляет со- бой диагональ указанного параллело- грамма, идущую из общего начала векторов a ub*). Доказанные нами свойства 1° — 4° позволяют нам оперировать с сум- мой векторов так же, как с суммой вещественных чисел. В частности, при сложении трех векторов а, Ь и с нет необходимости указывать, как мы (кака+(Ь+с) или как (а+Ь)+с). Свойства 1°—4° позволяют нам распространить правило сложения на сумму любого конеч- ного числа векторов. При этом нет необходимости производить сложение последовательно, фиксируя каждый промежуточный результат; сумма любого числа векторов может быть построена с помощью следующего правила; если приложить вектор а2 *) Следует особо оговорить случай, когда векторы а и b коллинеарны. В этом случае параллелограмм, построенный на векторах а и Ь, вырождается в отрезок, понятие его диагонали теряет смысл, а сумма векторов а и Ь может быть получена из определения 1.
50 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 к концу вектора ai, вектор а3 к концу вектора а2, ..., вектор ап к концу вектора an-i, то сумма ai + a2 + a3+ ... +ап будет пред- ставлять собой вектор, идущий из начала вектора а4 в конец век- тора ап. Сформулированное правило сложения, проиллюстрирован- ное на рис. 2.6, естественно назвать «правилом замыка- ния ломаной до многоугольника» а 4 (на Рис- 2'6 ломаная ОА1А2Аз... Ап замы- кается до многоугольника путем добавления X звена ОАп). гг I Наконец, свойства Г — 4° позволяют ис- . / а 1аП-г черпывающим образом решить вопрос о в ы- 2 V чита нии векторов. 7\ / Определение 2. Разностью а — Ь век- Х/х'' тора а и вектора b называется такой вектор с, который в сумме с вектором b дает вектор а. . С помощью свойств 1° — 4° элементарно Рис. 2.6. доказывается, что существует, и притом един- ственный, вектор с, представляющий собой разность а — Ь, причем этот вектор равен с=а+Ь', где Ь' — век- тор, противоположный Ь. В самом деле, если с=а+Ь', то на основании свойств 1°—4° c+b= (a+b') +b = a+ (b'+b) = а+0 = а, т. е. вектор с представляет собой разность а — Ь. Убедимся теперь в однозначности разности а — Ь. Предполо- жим, что, кроме вектора с = а+Ь', существует еще один вектор d такой, что d+b = a. Тогда, с одной стороны, (d+b) +b'==a+b'== =с, с другой стороны, (d + b)+b'=d+(Ь + +-b')=d + O = d, т. е. c = d. а-ъ Непосредственно из определения 2 и из правила треугольника сложения векторов вы- / текает следующее правило построения / разности а — Ь: разность a — b приведен- ных к общему началу векторов а и b пред- О ставляет собой вектор, идущий из конца вы- Рис 2у читаемого вектора b в конец уменьшаемого вектора а. Это правило иллюстрируется на рис. 2.7. Перейдем, наконец, к рассмотрению операции умноже- ния вектора на вещественное число. Определение 3. Произведением аа (или аа) векто- ра а на вещественное число а называется вектор Ь, кол- линеарный вектору а, имеющий длину, равную 1сф)а> и
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 51 имеющий направление, совпадающее с направлением вектора а в случае а>0 и противоположное направлению вектора а в случае а<0. Замечание. 2. В случае, когда сс = О или а = 0, произведе- ние аа представляет собой нулевой вектор, направление кото- рого неопределенно. Геометрический смысл операции умножения векто- ра на число можно выразить так: при умножении вектора а на число а вектор а «растягивается» в а «раз». Конечно, мы должны тут же оговорить условность термина «растягивается», ибо действительное растяжение происходит лишь при а>1; при 0<а<1 происходит не растяжение, а сжа- тие, а при отрицательном а, кроме растяжения (при | а | > 1) или сжатия (при |а|<1), происходит еще изменение направления вектора на противоположное. Операция умножения вектора на число обладает следую- щими тремя с в о й с т в а м и: 5° a(a + b)=aa + ab (распределительное свойство чис- лового сомножителя относительно суммы векторов); 6° (а+ р)а = аа + ра (р а с п р ед ел и те л ь н о е свойство век- торного сомножителя относительно суммы чисел); 7° а(ра) = (а0)а (сочетательное свойство числовых со- множителей) . Для доказательства свойства 5° приложим векторы а и b к общему началу О и построим на них параллелограмм, диаго- наль которого будет представлять собой сумму а + b (рис. 2.8), При «растяжении» *) сторон этого Параллелограмма в а раз в силу свойств подобия диаго- наль также «растягивается» в а раз, но это и означает, что сумма aa+ab равна а(а+Ь). Свойства 6° и 7° почти очевид- ны из наглядных геометрических соображений. С учетом оговорен- ной выше условности термина «растяжение» свойство 6° означает, что при «растяжении» век- тора а в (а+₽) раз получается такой же вектор, как при сло- жении вектора а, «растянутого» в а раз, с вектором а, «растя- нутым» в р раз. Свойство 7° в тех же терминах означает, что при «растяже- нии» вектора а сначала в р раз, а потом еще в а раз получается *) Термин «растяжение» следует понимать в указанном выше условном смысле. Рис. 2.8 отвечает случаю а > 1.
52- ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА ' [ГЛ. 2 такой же вектор, как и при «растяжении» вектора а сразу в ар раз. Итак, мы установили, что линейные операции над век- торами обладают свойствами 1°—7°. Эти свойства имеют фундаментальное значение, ибо они по- зволяют производить выкладки в векторной алгебре по тем пра- вилам, по которым производятся аналогичные выкладки в обыч- ной алгебре. В заключение докажем следующее утверждение. Теорема 2.1. Если вектор b коллинеарен ненулевому векто- ру а, то существует вещественное число к такое, что Ь = Ха. Доказательство. Приложим векторы а и b к общему началу О. Тогда эти векторы расположатся на одной прямой, на которой мы выберем начало отсчета, масштабный отрезок и по- ложительное направление. Возможны два случая: 1) векторы а и b направлены в одну сторону, 2) указанные а ь векторы направлены в противоположные сто- —I----*1 *“ роны*). На рис. 2.9 изображен первый из О АВ указанных.случаев. рис 2 9 Обозначим буквами А и В концы векторов а и b соответственно и заметим, что, посколь- ку, вектор а ненулевой, точка А отлична от О. Но тогда, исключив тривиальный случай совпадения точек А и В**), мы (в силу п. 3 § 3 главы 1) можем утверждать, что точка О делит направленный отрезок ВА в некотором отноше- нии, которое мы обозначим через —X, т. е. (2-П или, что то же самое, ОВ = Х-ОА ***). (2.2) В случае, когда векторы а и b направлены в одну сторону (как на рис. 2.9) точка О лежит вне отрезка ВА и потому отно- шение (2.1) отрицательно, а Х>0. Если же векторы а и b направлены в противоположные сто- роны, то .точка О лежит внутри отрезка В А и потому отноше- ние (2.1) положительно, а Х<0. Докажем, что в обоих случаях Ь = Ха. Достаточно доказать, что два вектора b и Ха 1) коллинеарны, 2) имеют одинаковую длину, 3) имеют одинаковое направление. ' *) Тривиальный случай, когда вектор b нулевой и направление его не- определенно, можно исключить из рассмотрения, ибо в этом случае равенство Ь = Ха реализуется при Х=0. **) В этом случае векторы а и Ь совпадают и равенство Ь==Ха реали- зуется при Х=1. ***) Здесь под ОА и ОВ следует понимать величины направленных от- резков.
§ 1] линейные операции над векторами 53 Коллинеарность векторов b и Ха вытекает из коллинеарности векторов а и b и определения произведения вектора на число. Равенство длин векторов Ь и Ха непосредственно следует из определения произведения вектора на число и соотноше- ния (2.2). Наконец, тот факт, что векторы b и Ха имеют одинаковое на- правление, следует из определения произведения вектора на число и из того, что Х>0, когда а и b одинаково направлены, и Х<0, когда а и b противоположно направлены. Теорема до- казана. 3. Понятие линейной зависимости векторов. Линейной комбинацией п векторов ai, аг,..., ап мы будем называть сумму произведений этих векторов на произвольные веществен- ные числа, т. е. выражение вида а1а1+а2а2 + ••• + алал> (2*3) где ai, а2, ..., ап — какие угодно вещественные числа. Определение 1. Векторы аъ а2,..., ап называются линей- но зависимыми, если найдутся такие вещественные числа «1, аг,..., an, из которых хотя бы одно отлично от нуля, что линейная комбинация векторов aj, а2,..., ап с указанными чис- лами обращается в нуль, т. е. имеет место равенство alal + а2а2 + • • • алал = О- Векторы ai, а2, ..., ап, не являющиеся линейно зависимыми, мы будем называть линейно независимыми. Дадим другое определение линейно независимых векторов, основанное на логическом отрицании содержания определения 1. Определение 2, Векторы аь а2,..., ап называются линей- но независимыми, если равенство нулю их линейной комби- нации (2.3) возможно лишь в случае, когда все числа ai, аг, ... ..., ап равны нулю. Имеют место следующие два утверждения. Теорема 2.2. Если хотя бы один из векторов аь а2, ..., а„ является нулевым, то эти векторы являются линейно зависи- мыми. г Доказательст-во. Пусть, ради определенности, вектор ai является нулевым *), а остальные векторы а2, ..., а„ произволь- ны. Тогда обращается в нуль линейная комбинация (2.3) ука- занных векторов с числами ai=l, аг = а3= . . . = ап = 0, одно из которых отлично от нуля. Теорема доказана. *) Мы всегда можем поменять порядок следования векторов так, чтобы нулевым оказался первый из векторов.
54 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА (гл. 4 Теорема 2.3. Если среди п векторов какие-либо (п—1) векторов линейно зависимы, то и все п векторов линейно зави- симы. Доказательство. Пусть, ради определенности, векторы аь аг, ..., an-i линейно зависимы, а вектор а„ произволен*). По определению линейной зависимости найдутся такие веще- ственные числа ai, аг, • • •, an-i, из которых хотя бы одно отлич- но от нуля, что имеет место равенство а1а1 + а2а2 + ••• “Ь ал-1ал-1 = 0- (2-4) Равенство (2.4) сохранится, если мы добавим в левую часть этого равенства равное нулю слагаемое 0>ап, т. е. справедливо равенство ' aiai + ага2 + ... an-ian+i Н- 0 • а„ = 0. (2-5) Так как среди чисел a1; a2, ..., an-i, 0 хотя бы одно отлично от нуля, то равенство (2.5) доказывает линейную зависимость век- торов аь а2, ..., ап. Теорема доказана. Замечание. Конечно, утверждение теоремы 2.3 о линей- ной зависимости п векторов останется в силе, если среди э4их векторов линейно зависимыми являются не (п — 1), а любое меньшее п число векторов. 4. Линейные комбинации двух векторов. Теорема 2.4. Необходимым и достаточным условием ли- нейной зависимости двух векторов является их коллинеарность. Доказательство. 1) Необходимость. Пусть два вектора а и Ь линейно зависимы. Докажем коллинеарность этих векторов. По определению линейной зависимости найдутся такие ве- щественные числа аир, хотя бы одно из которых отлично от нуля, что справедливо равенство aa+pb = 0. (2.6) Пусть, ради определенности, отлично от нуля число р. Тогда из равенства (2.6) (посредством деления этого равенства на р и переброски одного члена в правую часть) получим следующее равенство: , а V ь = -та. Вводя обозначение X — — -j , получим, что Ь = Ха. Таким обра- зом, вектор b равен произведению вектора а на вещественное *) Поменяв порядок следования векторов, мы всегда можем добиться того, чтобы линейно зависимыми оказались первые (га—1) векторов.
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 55 число X. По определению произведения вектора на число векто- ры а и b коллинеарны. Необходимость доказана. 2) Достаточность. Пусть векторы а и b коллинеарны. Докажем, что эти векторы линейно зависимы. Если хотя бы один из векторов а и b нулевой, то эти векторы линейно зависи- мы в силу теоремы 2.2. Таким образом, нам нужно рассмотреть лишь случай, когда векторы а и b ненулевые. Но если вектор а ненулевой, то из коллинеарности векторов а и b в силу теоремы 2.1 вытекает существование такого вещественного числа %, что Ь = %а, или, что то же самое, Ха+(—1)Ь = 0. (2.7) Так как из двух чисел А, —1 одно заведомо отлично от нуля, то равенство (2.7) доказывает линейную зависимость векторов а и Ь. Достаточность доказана. Следствие 1. Если векторы а и b не коллинеарны, то они линейно независимы. Следствие 2, Среди двух неколлинеарных векторов не мо- жет быть нулевого вектора (иначе бы эти векторы оказались линейно зависимыми). 5. Линейные комбинации трех векторов. Определение. Векторы называются компланарными, если они лежат либо в одной плоскости, либо в параллельных плоскостях. Теорема 2.5. Необходимым и достаточным условием ли- нейной зависимости трех векторов является их компланарность. Доказательство. 1) Необходимость. Пусть три вектора а, Ь и с линейно зависимы. Докажем компланарность этих векторов. По определению линейной зависимости найдутся такие ве- щественные числа а, р и у, хотя бы одно из которых отлично от нуля, что справедливо равенство аа+ pb+yc = O. (2.8) Пусть, ради определенности, отлично от нуля число у. Тогда из равенства (2.8) (посредством деления этого равенства на у и переброски двух членов в правую часть) получим следующее равенство: « Р . с =----а — — Ь. Y Y Вводя обозначения 1 =—у, ц — — у, мы перепишем послед- нее равенство в виде c = Xa+pb. (2.9)
56 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА (ГЛ. 2 Если все три вектора а, b и с приложены к общему началу О, то из равенства (2.9) следует*), что вектор с равен диагонали параллелограмма, построенного на двух векторах: на векторе а, «растянутом» в А раз, и на векторе Ь, «растянутом» **) в р, раз (рис. 2.10). Но это означает, что векторы а, b и с лежат в одной плоско- сти, т. е. компланарны. Необходимость доказана. 2) Достаточность. Пусть векторы а, Ь и с компланарны. Докажем, что эти векторы линейно зависимы. Прежде всего, исключим случай, когда какая-либо пара из указанных трех векторов коллинеарна. Тогда в силу теоре- мы 2.4 указанная пара векторов ли- В_________________с нейно зависима, а стало быть (в силу fib Г теоремы 2.3), и все три вектора а, b и I 7'с\ с линейно зависимы. Ъ т I Остается рассмотреть случай, ко- 1 I гда в тройке -векторов а, Ь, с ни одна I z' ' I пара векторов не коллинеарна (и, в г ____________. частности, отсутствуют нулевые век- fl Яд торы***)). Рис 2 ю Перенесем три компланарных век- тора а, b и с на одну плоскость и при- ведем их к общему началу О (рис. 2.10). Проведем через конец С вектора с прямые, парал- лельные векторам а и Ь. Обозначим буквой А точку пересечения прямой, параллельной вектору Ь, с прямой, на которой лежит вектор а, а буквой В точку пересечения прямой, параллельной вектору а, с прямой, на которой лежит вектор Ь. (Существование указанных точек пересечения вытекает из того, что векторы а и b не коллинеарны.) В силу правила параллелограмма сложения векторов вектор с равен сумме векторов ОА и ОВ, т. е. с = ОА 4- ОВ. (2.10) Так как вектор О А коллинеарен ненулевому вектору а (с ко- торым он лежит на одной прямой), то в силу теоремы 2.1 *) В силу правила параллелограмма сложения векторов и определения произведения вектора на число (см. п. 2). При этом мы исключаем триви- альный случай, когда векторы а и b коллинеарны. В этом случае компланар- ность векторов а, b и с вытекает из того, что эти три вектора, будучи при- ведены -к общему началу О, лежат на двух проходящих через точку О пря- мых: на одной прямой лежит вектор с, на другой — оба вектора а и Ь. **) Термин «растянутый» следует понимать в указанном в п. 2 услов- ном смысле. ***) В силу следствия 2 из теоремы 2.4 в паре неколлинеарных векторов не могут содержаться нулевые векторы.
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 57 найдется вещественное число % такое, что ОЛ = Ха. (2.11) Из аналогичных соображений вытекает существование веще- ственного числа р такого, что 05 = цЬ. (2.12) Вставляя (2.11) и (2.12). в (2.10), будем иметь с —Ха + цЬ. (2.13) Равенство (2.13) можно переписать в виде Ха + цЬ+(—1)с=0. Так как из трех чисел X, р, —1 одно заведомо отлично от нуля, то последнее равенство доказывает линейную зависимость век- торов а, Ь и с. Достаточность доказана. Следствие 1. Попутно нами доказано следующее утвер- ждение: каковы бы ни были неколлинеарные векторы а и b для любого вектора с, лежащего в одной плоскости с вектора- ми а и Ь, найдутся такие вещественные числа X и р, что спра- ведливо равенство c = Za + pb. (2.13) Следствие 2. Если векторы а, b и с не компланарны, то они линейно независимы. Следствие 3. Среди трех не компланарных векторов не мо- жет быть двух коллинеарных векторов и не может быть ни од- ного нулевого вектора*). 6. Линейная зависимость четырех векторов. Теорема 2.6. Любые четыре вектора линейно зависимы. Доказательство. Прежде всего, исключим случай, ко- гда какая-нибудь тройка из указанных четырех векторов ком- планарна. Тогда в силу теоремы 2.5 указанная тройка векторов линейно зависима, а стало быть (в силу теоремы 2.3), и все че- тыре вектора линейно зависимы. Остается рассмотреть случай, когда среди четырех векторов а, Ь, с и d никакая тройка векторов не компланарна (и, стало быть, нет ни одной пары коллинеарных векторов и ни одного нулевого вектора**)). Приведем все четыре вектора а, Ь, с и d к общему началу О и проведем через конец D вектора d плоскости, параллельные *) Иначе эти векторы оказались бы линейно зависимыми. **) Согласно следствию 3 из теоремы 2.5 в тройке некомпланарных век- торов не может содержаться ни одной пары коллинеарных векторов и ни одного нулевого вектора.
53 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 плоскостям, определяемым парами векторов Ьс, ас и ab *) (рис. 2.11). Точки пересечения указанных плоскостей с прямы- ми, на которых лежат векторы а, b и с, обозначим соответствен- но буквами А, В и С. (Существование указанных точек пересечения вытека- ет из того, что векторы а, b и с не компланарны.) ___ Убедимся в том, что вектор d = OD равен сумме трех векторов ОА, ОВ и ОС, т. е. _____ _____ ___ d = 04 + 0B + 0C. (2.14) В самом деле, из правила паралле- лограмма сложения векторов и из _________________________параллелограмма OCDE (рис. 2.11) вытекает, что d —ОС+ОЕ, а из параллелограмма ОВЕ А выте- кает, что ОЕ = ОА + ОВ. Тем самым равенство (2.14) устано- влено. _ Так как вектор О А коллинеарен ненулевому вектору а (с ко- торым он лежит на одной прямой), то в силу теоремы 2.1 най- дется вещественное число X такое, что 04 = Ха. (2.15) Из аналогичных соображений вытекает существование ве- щественных чисел [х и v таких, что OB = pb, OC = vc. (2.16) Вставляя (2.15) и (2.16) в (2.14), будем иметь d = Ха + pb + vc. (2.17) Равенство (2.Г7) можно переписать в виде Xa + pb4-vc4-(—l)d = 0. (2.18) Так как из четырех чисел X, ц, v, —1 одно заведомо отлично от нуля, то равенство (2.18) доказывает линейную зависимость векторов а, Ь, с и d. Теорема доказана. Следствие. Попутно нами доказано следующее утвер- ждение: каковы бы ни были не компланарные векторы а, Ь и с, для любого вектора d найдутся такие вещественные числа X, р и v, что справедливо равенство d = Xa + [xb + vc. (2.17) *) Векторы, входящие в каждую из указанных трех пар, не коллинеарны, а поэтому каждая из указанных трех пар определяет некоторую плоскость.
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 59 7. Понятие базиса. Аффинные координаты. Определение 1. Говорят, что три линейно независимых век- тора а, Ь и с образуют в пространстве базис, если любой век- тор d может быть представлен в виде некоторой линейной ком- бинации векторов а, Ь и с, т. е. если для любого вектора d най- дутся такие вещественные числа А., ц и v, что справедливо ра- венство (2.17). Аналогично определяется базис на некоторой плоскости л. Определение 2. Говорят, что два лежащих в плоскости л линейно независимых вектора а и b образуют на этой плоскости базис, если любой лежащий в плоскости л вектор с может быть представлен в виде некоторой линейной комбинации век- торов а и Ь, т. е. если для любого лежащего в плоскости л век- тора с найдутся такие вещественные числа X и р,, что справед- ливо равенство (2.13). Справедливы следующие фундаментальные утвер- ждения: 1) любая тройка некомпланарных векторов а, b и с образует базис в пространстве, 2) любая пара лежащих в данной плоскости неколлинеар- ных векторов а и b образует базис на этой плоскости. Для доказательства первого из этих утверждений достаточ- но заметить, что, каковы бы ни были три некомпланарных век- тора а, b и с, они линейно независимы (в силу следствия 2 из теоремы 2.5) и для любого вектора d найдутся вещественные числа А, ц и v такие, что справедливо-равенство (2.17) (в силу следствия из теоремы 2.6). Утверждение 2) доказывается аналогично (с помощью след- ствия 1 из теоремы 2.4 и следствия 1 из теоремы 2.5). В дальнейшем, ради определенности, мы будем рассматри- вать базис в пространстве. Итак, пусть а, Ь, с — произвольный базис в пространстве, т. е. произвольная тройка некомпланарных векторов. Тогда (по определению базиса) для любого вектора d най- дутся такие вещественные числа X, р и v, что будет справедливо равенство d = Xa + pb + vc. (2.17) Принято называть равенство (2.17) разложением векто- ра d по б а зису а, Ь, с, а числа X, у и v — к о о р д и н а т а м и вектора d относительно базиса а, Ь, с. Докажем, что каждый вектор d может быть единствен- ным способом разложен по базису а, Ь, с или (что то же самое), координаты каждого вектора d относительно базиса а, Ь, с определяются однозначно.
60 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Допустим, что для некоторого вектора d, наряду с разложе- нием (2.17), справедливо еще и другое разложение по тому же самому базису d=A'a+p/b+v'c. (2.19) Почленное вычитание равенств (2.17) и (2.19) приводит нас к соотношению*) (X — V) а (ц — pi') b + (v — v') с = 0. (2.20) В силу линейной независимости базисных векторов а, Ь, с соотношение (2.20) приводит к равенствам X — V = 0, ц — |i' = 0, v — v' = 0, или Z,=X', ц=ц', v=v'. Единственность разложения по базису доказана. Основное значение базиса состоит в том, что линейные опе- рации над векторами при задании базиса становятся обычными линейными операциями над числами — координатами этих век- торов. Именно справедливо следующее утверждение. Теорема 2.7. При сложении двух веторов di и d2 их коор- динаты. (относительно любого базиса а, Ь, с) складываются. При умножении вектора di на любое число а все его координаты умножаются на это число. Доказательство. Пусть d1==Zia+[i1b + vic, d2 = A,2a+ + H2b+v2c. Тогда в силу свойств . 1°—7° линейных операций (см. п. 2) di -|- d2 = (^-i 4- М а 4~ (Hi Ч- Мз) Ь4~ (vj 4- ^г) с. adi — (aXi) а 4- (aHi) b 4~ (а*1) с. В силу единственности разложения по базису теорема дока- зана. Перейдем теперь к определению так называемых а ф и н- ных**) коор д ин ат точки. Аффинные координаты в пространстве определяются заданием базиса а, Ь, с и некоторой точки О, называемой нача- лом координат. Аффинными коо р д ина т ам и любой точки М назы- ваются координаты вектора ОМ (относительно базиса а, Ь, с). Так как каждый вектор ОМ может быть, и притом единст- венным способом, разложен по базису а, Ь, с, то каждой точке *) Возможность почленного вычитания равенств (2.17) и (2.19) и произ- водимой группировки членов вытекает из свойств линейных операций над век- торами (см. п. 2). **) Термин «аффинный» происходит от латинского слова affinis, что озна- чает смежный или соседний,
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 61 л=лв на орь и ил- пространства М однозначно соответствует тройка аффинных ко- ординат X, ц, v. 4 , Разумеется, декартовы прямоугольные координаты являются частным случаем аффинных координат, соответствующим тройке взаимно ортогональных и единичных базисных векторов. Более подробно этот важный частный случай рассматривается в п. 9 настоящего параграфа. В заключение заметим, что свойства базиса и понятие аф- финных координат на плоскости вполне аналогичны случаю про- странства. 8. Проекция вектора на ось и ее свойства. Прежде всего, оп- ределим проекцию вектора а=ЛВ на произвольную ось и. Обо- значим буквами А' и В' основания перпендикуляров, опущенных на ось и из точек А и В соответственно (рис. 2.12). Проекцией вектора а==АВ на ось и называется вели- чина А'В' направленного отрезка А'В' оси и. Договоримся обозначать проекцию вектора а на ось и сим- волом при а. Построение проекции вектора люстрируется на рис. 2.12, где символом а и р обозначены две проектирующие пло- скости (т. е. плоскости, перпендикулярные оси и и проходящие через концы А и В век- тора а=ЛВ). Для дальнейшего нам понадобится по- нятие угла наклона вектора а=ЛВ к оси и. Этот угол может быть определен как угол ср между двумя выходящими из произвольной точки М лучами, один из ко- торых имеет направление, ^совпадающее с направлением вектора &=АВ, а другой — направление, совпадающее с направлением оси и (рис. 2.12). Очевидно, на величину угла наклона вектора а к оси и не влияют выбор точки М выхода указанных выше лучей и замена оси и любой другой осью v, имеющей то же направление, что и ось и. Докажем следующее утверждение. Теорема 2.8. Проекция вектора а на ось и равна длине вектора а, умноженной на косинус ф угла наклона вектора а к оси и. Доказательство. Обозначим через о ось, проходящую через начало Л вектора а и имеющую то же направление, что и ось и (рис. 2.12), и пусть С — проекция В на ось v.
62 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Тогда ABAC равен углу ф наклона вектора а=ДВ к любой из осей и или V, причем точка С заведомо лежит в указанной на рис. 2. ^проектирующей плоскости р (т. е. в плоскости, перпен- дикулярной оси и и проходящей через точку В). Далее, можно утверждать, что А'В'=АС *), ибо оси и и и параллельны и одинаково направлены и отрезки этих осей, за- ключенные между параллельными плоскостями аир, равны. Так как по определению пр„а=А/В/, то мы приходим к ра- венству приа = 4С. (2.21) Но величина АС представляет собой проекцию направленно- го отрезка АВ на ось v, которая (в силу п. 1 § 3 главы 1) равна АС = | АВ | cos ф — | а | cos ф. (2.22) Из сопоставления равенств (2.21) и (2.22) вытекает ра- венство прва — | а | cos ф. (2.23) Теорема доказана. Основные свойства проекции вектора на ось заклю- чаются в том, что линейные операции над векторами приводят к соответствующим линейным операциям над проекциями этих векторов (на произвольную ось). Именно справедливо следующее утверждение: При сло- жении двух векторов di и d2 их проекции на произвольную ось и складываются. При умножении вектора di на любое число а проекция этого вектора на произвольную ось и также умножает- ся на число а. Доказательство этого утверждения мы отложим до следую- щего пункта. Описанные свойства проекции вектора на ось есте- ственно назвать линейными свойствами. 9. Декартова прямоугольная система координат как частный случай аффинной системы координат. Как уже отмечалось выше, декартова прямоугольная система координат является частным случаем аффинной системы, отвечающим тройке взаимно орто- гональных и единичных базисных векторов. В случае декартовой прямоугольной системы базисные век- торы принято обозначать не буквами а, Ь, с, а буквами i, j, k. Итак, каждый из векторов i, j, к имеет длину, равную единице, причем эти три вектора взаимно ортогональны (обычно напра- *) Здесь под А'В' следует понимать величину направленного отрезка А'В' оси и, а под АС—величину направленного отрезка АС оси V.,
§ 1] ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ 63 вления векторов i, j, к берут совпадающими с направлениями декартовых осей Ох, Оу и Oz соответственно). В силу основных результатов п. 7 каждый вектор d может быть, и притом единственным способом, разложен по декартову прямоугольному базису i, j, к, т. е. для каждого вектора d най- дется, и притом единственная, тройка чисел X, У и Z*) такая, что справедливо равенство d=Xi + rj+Zk. (2.24) Числа X, Y, Z называются декартовыми прямоуголь- ными координатами вектора d. Если М — любая точка пространства, то определенные в главе 1 декартовы прямоуголь- ные координаты этой точки совпадают с декартовыми прямо- угольными координатами вектора ОМ. Если вектор d имеет декартовы прямоугольные координаты X, Y, Z, то мы будем использовать следующую символику: d = {X, У, Z}. Геометрический смысл декартовых прямоугольных коорди- нат вектора выясняет следующее утверждение. Теорема 2.9. Декартовы прямоугольные координаты X, У и Z вектора d равны проекциям этого вектора на оси Ох, Оу и Oz соответственно. Доказательство. В полной аналогии с рассуждениями, проведенными при доказательстве теоремы 2.6 (п. 6), приложим вектор d к началу О декартовой системы и проведем через ко- нец D этого вектора три плоскости, параллельные координатным плоскостям Oyz, Oxz и Оху (рис. 2.13). Точки пересечения указанных плоскостей с осями Ох, Оу и Oz соответственно обо- значим буквами А, В и С. Как и при доказательстве теоремы 2.6, получим, что d=; ОД+ 05 +ОС. Дальнейшие рассуждения упомянутой теоремы (с учетом изменившихся обозна- чений) приводят нас к равенствам OA^Xi, OB — Yj, ОС = Zk. (2.25) В рассматриваемом случае декартовой прямоугольной систе- мы параллелепипед, построенный на базисных векторах i, j, к и имеющий вектор d своей диагональю, является прямоугольным. *) В случае декартовой прямоугольной системы для координат вектора d вместо Л, [х, v мы будем использовать обозначения X, У, Z.
64 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Поэтому проекции вектора d на оси Ох, Оу и Oz соответственно равны величинам О А, О В и ОС. Для доказательства теоремы нам остается убедиться в том, что ОА=Х, OB — Y, OC=Z._ Убедимся, например, в равенстве ОА=Х. В силу (2.25) ОА = = Xi. Отсюда и из того, что i — единичный вектор, вытекает, что \ОА | = |Х|. Но и знаки чисел ОА и X совпадают, ибо в случае, когда векторы ОА и i направлены в одну сторону, оба числа ОА и X положительны, а в случае, когда векторы ОА и i направле- ны в противоположные стороны, оба числа ОА и X отрицатель- ны. Итак, ОА=Х. Аналогично доказываются равенства ОД=У и OC=Z. Теорема доказана. Обозначим буквами а, р и у углы наклона вектора d: к осям Ох, Оу и Oz соответственно. Три числа cos a, cos и cos у принято называть напра- вляющими косинусами вектора d. Из теорем 2.9 и 2.8 (см. формулу (2.23)) вытекают следую- щие формулы для координат X, У и Z вектора d: Z==|d|cosa, Y = | d | cos р, Z = | d | cos у. (2.26) Так как квадрат диагонали прямоугольного параллелепипе- да равен сумме квадратов его сторон, то из равенств ОА=Х, OB = Y и OC=Z мы получим следующее выражение для длины вектора d через его координаты: \dl = yX2A-Y2-h^- (2-27) Из формул (2.26) и (2.27) вытекают следующие выражения для направляющих косинусов вектора d через координаты этого вектора: X .К ^X2 + r2 + Z2 Н /Х2+Г2+£2 cos у = r 2 —~ . /Х2_|_Г2_|_72 Возвышая в квадрат и складывая равенства (2.28), получим, что cos2 a + cos2 р + cos2 у = 1, т. е. сумма квадратов направляющих косинусов любого вектора равна единице. Так как вектор d однозначно определяется заданием трех его координат, то из формул (2.26) ясно, что вектор d однозначно определяется заданием его длины и трех направляющих коси- нусов. В заключение докажем сформулированные в конце преды- дущего пункта линей н ы е свойства проекции вектора
§ 2] СКАЛЯРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ДВУХ ВЕКТОРОВ 65 на ось, т. е. докажем, что при сложении двух векторов dt и d2 их проекции на произвольную ось и складываются, а при умно- жении вектора di на любое число cl его проекция на произволь- ную ось и умножается на число а. Пусть дана произвольная ось и и любые векторы dj и d2. Введем декартовы прямоугольные координаты так, чтобы ось и совпала с осью Ох. Пусть dj = -|- FJ -|- Zjk, d2 = X2i + F2j4-Z2k. Тогда в силу теоремы 2.7 Ф + d2 = (X, + Х2) i + (К, + Г2) j + (Zf+ Z2) k, adj = (aXj) i + (аГ:) j + (aZj) k. Но в силу теоремы 2.9 и того, что ось и совпадает с осью Ох, мо- жно утверждать, что A'1 = npBd1, A'2 = npad2, A'1 + A’2 = npB(di-|-d2)) aA'1 = npa(ad1). Таким образом, пра (dj + d2) = прЛ + np„d2, npB(adr) = anpad1, и сформулированное утверждение доказано. § 2. Скалярное произведение двух векторов 1. Определение скалярного произведения. Определение 1. Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих век- торов на косинус угла между ними. Скалярное произведение векторов а и b будем обозначать символом аЬ. Если угол между векторами а и b равен ср, то по определению скалярное произведение этих двух векторов выра- жается формулой аЬ=| а | • | b |cos<p. (2.29) Сформулируем другое определение скалярного произ- ведения двух векторов, эквивалентное определению 1. Для этого воспользуемся понятием проекции вектора b на ось, определяемую вектором а. В соответствии с обозначениями п. 8 § 1 будем обозначать проекцию вектора b на ось, опреде- ляемую вектором а, символом npab. На основании теоремы 2.8 получим (2.30) npab= |Ь | cos (р.
66 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ 2 Сопоставление равенств (2.29) и (2.30) приводит нас к следую- щему выражению для скалярного произведения: ab=[a|npab. (2.31) Конечно, в проведенных рассуждениях можно было бы поменять ролями векторы а и Ь. При этом мы пришли бы к следующему выражению для скалярного произведения: аЬ=|Ь|прьа. (2.32) 1 Выражения (2.31) и (2.32) приводят нас к следующему опре- делению скалярного произведения (эквивалентному определе- нию I). Определение 2. Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длины одного из этих векторов на проекцию другого вектора на ось, определяе- мую первым из указанных векторов. Понятие скалярного произведения векторов родилось в меха- нике. Если вектор а изображает силу, точка приложения которой перемещается из начала в конец вектора Ь, то работа w указан- ной силы определяется равенством w= |а| |b|cos<р, т. е. равна скалярному произведению векторов а и Ь. 2. Геометрические .свойства скалярного произведения. Теорема 2.10.Необходимым и достаточным условием орто- гональности двух векторов является равенство нулю их скаляр- ного произведения. Доказательство. 1) Необходимость. Пусть векто- ры а и b ортогональны, q> — угол между ними. Тогда cos<p = 0 и в силу формулы (2.29) скалярное произведение ab равно нулю. 2) Достаточность. Пусть скалярное произведение ab равно нулю. Докажем, что векторы а и b ортогональны. Прежде всего исключим тривиальный случай, когда хотя бы один из век- торов а или b является нулевым (нулевой вектор имеет неопре- деленное направление и его можно считать ортогональным любо- му вектору). Если же оба вектора а и Ь ненулевые, то |а| >0 и |Ь| >0, и поэтому из равенства ab = 0 и из формулы (2.29) вытекает, что cos<p = 0, т. е. векторы а и b ортогональны. Теорема доказана. Прежде чем сформулировать следующее утверждение, уточ- ним понятие угла <р между векторами а и Ь. Приведем произвольные векторы а и Ь к общему началу О (рис. 2.14). Тогда в качестве угла ср между векторами а и b мо-
§2] СКАЛЯРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ДВУХ ВЕКТОРОВ 67 жно взять любой из двух указанных на рис. 2.14 углов q>i и <рг- В самом деле, сумма углов од и ф2 равна 2л и поэтому cos фт= = cos<p2, а в определение скалярного произведения входит только косинус угла между векторами. Из двух углов <pt и ф2 один заведомо не превосходит л (на рис. 2.14 не превосходит л угол cpi). Договоримся в дальнейшем под углом ме- жду двумя векторами подразумевать тот угол, который не превосходит л. Тогда справедливо следующее утверждение. Теорема 2.11. Два ненулевых вектора а и b составляют острый (тупой) угол тогда и только тогда, когда их скалярное произве- дение положительно (отрицательно). Доказательство. Так как векторы а и b ненулевые, то в силу формулы (2.29) знак скалярного произведения совпадает со знаком cos <р. Но если угол <р не превосходит л, то cos ф положителен тогда и только тогда, когда ф — острый угол, и отрицателен тогда и только тогда, когда ф — тупой угол. Теорема доказана. 3. Алгебраические свойства скалярного произведения. Ска- лярное произведение векторов обладает следующими четырьмя свойствами: Г ab = ba (переместительное свойство); 2° (aa)b = a(ab) (сочетательное относительно числового множителя свойство); 3° (a+b)c = ac-f-bc (распределительное относительно суммы векторов свойство); 4° аа>0, если а — ненулевой вектор, и аа=0, если а — нуле- вой вектор*). *) Отметим, что в курсе линейной алгебры вместо множества векторов рассматривают множество элементов а, Ь, ... любой природы. Если. для элементов этого множества определены операция сложения и операция умно- жения на вещественное число и для этих операций справедливы те же самые свойства 1°—7°, которые установлены нами для линейных операций над векторами (см. п. 2 § 1), то указанное множество элементов называется линейным пространством. Произвольное линейное пространство называется евклидовым про- странством, если: 1) известно правило, посредством которого любым двум элементам а и b этого пространства ставится в соответствие число, называе- мое скалярным произведением этих элементов и обозначаемое сим- волом ab, 2) указанное правило .таково, что для скалярного произведения справедливы только что сформулированные нами свойства 1°—4°. Таким образом, пространство всех геометрических векторов с определен- ными нами линейными операциями и скалярным произведением представляет собой один из примеров линейного евклидова пространства.
68 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Убедимся в справедливости этих свойств. Свойство 1° непо- средственно вытекает из формулы (2.29). Для доказательства свойства 2° воспользуемся определе- нием 2 скалярного произведения, т. е. формулой (2.32). Учиты- вая, что проекция вектора на ось обладает линейным свойством прь (аа)=апрба (см. конец п. 8 и конец п. 9 § 1), получим (аа)Ь = |Ь| • прй(аа) — а| b | • пр6а = а • (ab). Тем самым свойство 2° доказано. Для доказательства свойства' 3° снова воспользуемся фор- мулой (2.32) и линейным свойством проекции вектора на ось прс (а+Ь)=прса+прсЬ (см. п. 8 § 1). Получим (а + Ь) с == | с | • прс (а + Ь) = | с | • (пр.а + прсЬ) == = |с | пр£а + |,с | • прсЬ —ас-4-Ьс. Нам остается доказать свойство 4°. Для этого заметим, что непосредственно из формулы (2.29) вытекает, что аа=|а|2, т. е. скалярный квадрат вектора равен квадрату длины этого век- тора. Отсюда, в частности, вытекает, что скалярный квадрат аа положителен, когда вектор а ненулевой, и равен нулю, когда вектор а нулевой. Доказанные свойства имеют фундаментальное значение. Они позволяют при скалярном перемножении векторных многочле- нов выполнять действия почленно, не заботясь при этом о по- рядке векторных множителей и сочетая числовые множители. Указанная возможность будет существенно использована нами в следующем пункте. 4. Выражение скалярного произведения в декартовых коор- динатах. Теорема 2.12. Если два вектора а и b определены своими декартовыми прямоугольными координатами а={Х1, ZJ, Ь={Х2, У2, Z2}, то скалярное произведение этих векторов равно сумме попар- ных произведений их соответствующих координат, т. е. ab = XiZ2+ Y 2-\-Z^Z2. (2.33) Доказательство. Составим из тройки базисных векто- ров i, j и к все возможные пары и для каждой из пар подсчи- таем скалярное произведение. Учитывая, что базисные векторы являются попарно ортогональными и имеют единичную длину,
§ 3] ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 69 получим ii = l, ji = 0, ki = O, ij=0, jj = l, kj=C), (2.34) ik = 0, jk = O, kk = l. Далее, учитывая, что a=Ati + TJ+Zik, b=A2i +y2j-f-Z2k, и опи- раясь на установленную в предыдущем пункте возможность по- членного скалярного перемножения векторных многочленов, получим ab = Ч~ 2*j Ч~ A'1Z2ik -|- Y 2 A”2ji + YiY 2jj + Y jZ2jk -f- -Ь A^ki -j- ZjKgkj Z]Z2kk. Из последнего равенства и соотношений (2.34) вытекает фор- мула (2.33). Теорема доказана. Следствие 1. Необходимым и достаточным условием орто- гональности векторов а = {.¥!, У4, ZJ и Ь = {А'2, У2, Z2} является равенство X^+YiYz+ZiZ^O. (Это следствие непосредственно вытекает из теоремы 2.10 и формулы (2.34).) Следствие 2. Угол <р между векторами а={Аь Уь ZJ и Ь = ={X2, Y2, Z2] определяется по формуле cos<p= . 1 2- — (2.35) /^ + ^ + 4-^2+^ + ^ аЬ (В самом деле, cos<p= , г-. , и нам остается воспользо- | л I I D J ваться формулой (2.33) для скалярного произведения и фор- мулой (2.27) для длины вектора). § 3. Векторное и смешанное произведения векторов 1. Правые и левые тройки векторов и системы координат. Определение 1. Три вектора называются упорядочен- ной тройкой (или просто тройкой), если указано, какой из этих векторов является первым, какой — вторым и какой — третьим. При записи тройки векторов мы всегда будем располагать эти векторы в порядке их следования. Так, запись Ьас означает,
70 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 что первым элементом тройки является вектор Ь, вторым — век- тор а и третьим — вектор с. Определение 2. Тройка некомпланарных векторов abc на- зывается правой (левой), если выполнено одно из следую- щих трех условий-. 1° если, будучи приведены к общему началу, эти векторы располагаются так, как могут быть расположены соответствен- но большой, несогнутый указательный и средний пальцы правой (левой)руки; 2° если после приведения к общему началу вектор с распо- лагается по ту сторону от плоскости, определяемой векторами а и Ь, откуда кратчайший поворот от а к b кажется совершаю- щимся против часовой стрелки (по часовой стрелке); 3° если, находясь внутри телесного угла, образованного при- веденными к общему началу векторами а, Ь, с, мы видим пово- рот от а к b и от него к с совершающимся против часовой стрел- ки (по часовой стрелке). Легко проверить, что условия 1°, 2° и 3°,эквивалентны ме- жду собой. Предоставляем читателю с помощью каждого из условий 1°, 2° и 3° убедиться в том, что тройка abc, изображен- ная на- рис. 2.15, является правой, • С |с а тройка abc, изображенная на Т > 1 рис. 2.16, является левой. 1 / “ I Замечание. Понятие правой V/f | и левой тройки теряет смысл для компланарных векторов. О. ъ Если две тройки векторов либо обе являются правыми, либо обе Рис. 2.15. Рис. 2.16. являются левыми, то говорят, что эти тройки одной ориентации. В противном случае говорят, что рассматриваемые две тройки противоположной ориентации. Всего из трех векторов а, b и с можно составить следующие шесть троек: abc; bca; cab; (2.36) bac; acb; cba. (2.37) С помощью условия 3° определения 2 легко проверить, что все три тройки (2.36) той же ориентации, что и тройка abc, а все три тройки (2.37) имеют ориентацию, противоположную abc. Определение 3. Аффинная или декартова система коорди- нат называется правой (левой), если три базисных вектора образуют правую (левую) тройку. Ради определенности, мы договоримся в дальнейшем рас- сматривать только правые системы координат.
§ 3] ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 71 2. Определение векторного произведения двух векторов. Определение. Векторным произведением век- тора а на вектор b называется вектор с, обозначаемый симво- лом c=[ab] и удовлетворяющий следующим трем требованиям-. 1) длина вектора с равна произведению длин векторов а и b на синус угла <р между ними *), т. е. |сI = 1 [ab]| = |а) Iblsin<р; (2.38) 2) вектор с ортогонален к каждому из векторов а и Ь; 3) вектор с направлен так, что тройка векторов abc является правой **). Понятие векторного произведения также родилось в меха- нике. Если вектор b изображает приложенную в некоторой точ- ке М силу, а вектор а идет из некоторой точки О в точку М, то вектор c=[ab] представляет собой момент силы b относительно точки О. 3. Геометрические свойства векторного произведения. Теорема 2.13. Необходимым и достаточным условием кол- линеарности двух векторов является равенство нулю их вектор- ного произведения. Доказательство. 1) Необходимость вытекает из самого определения векторного произведения: для коллинеарных век- торов а и b векторное произведение по определению равно нулю (см. формулу (2.38) и сноску*)). 2) Достаточность. Пусть векторное произведение [ab] равно нулю. Докажем, что векторы а и b коллинеарны. Прежде всего, исключим тривиальный случай, когда хотя бы один из векторов а или b является нулевым (нулевой вектор имеет неопределенное направление и его можно считать колли- неарным любому вектору). Если же оба вектора а и b ненулевые, то |а| >0 и |Ь| >0 и поэтому из равенства [ab] = 0 и из формулы (2.38) вытекает, что sin ф=0, т. е. векторы а и b коллинеарны. Теорема доказана. Теорема 2.14. Длина (или модуль) векторного произве- дения [ab] равняется площади S параллелограмма, построенного на приведенных к общему началу векторах а и Ь. *) В соответствии с договоренностью, принятой в п. 2 § 2, в качестве угла между векторами мы берем тот угол ср, который не превосходит п. При этом всегда sin 0 и величина (2.38) неотрицательна. Из формулы (2.38) следует также, что в случае коллинеарных векторов а и Ь определяемый век- тор с—[ab] является нулевым. **) Требования 1) и 2) определяют вектор с с точностью до двух взаим- но противоположных направлений. Требование 3) отбирает одно из этих двух направлений. В случае, когда а и b коллинеарны, тройка abc является компланарной, но в этом случае уже из требования 1) вытекает, что с=0.
72 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ 2 Доказательство. Так как площадь параллелограмма равна произведению смежных сторон этого параллелограмма на синус угла между ними, то теорема непосредственно вытекает из формулы (2.38). Чтобы получить следствие из теоремы 2.14, введем поня- тие орта. Определение. Ортом произвольного ненулевого векто- ра с назовем единичный вектор, коллинеарный с и имеющий одинаковое с с направление. Следствие из теоремы 2.14. Если е — орт векторного произведения [ab], aS — площадь параллелограмма, построен- ного на приведенных к общему началу векторах а и Ь, то для векторного произведения [ab] справедлива следующая формула: [ab]=Se*). (2.39) Замечание. Из определений орта и векторного произве- дения вытекает, что тройка abe является правой (ибо тройка abfabj является правой). Следующее свойство устанавливает важную для дальней- шего формулу. Теорема 2.15. Если с — какой-нибудь вектор, л — любая содержащая его плоскость, е — единичный вектор, лежащий в плоскости л и ортогональный к с, g — единичный вектор, орто- гональный к плоскости л и направленный так, что тройка ecg является правой, то для любого В силу теоремы 2.14 |[ас]| лежащего в плоскости л векто- ра а справедлива формула [ас]=преа • |c|g. (2.40) Доказательство. Доста- точно доказать, что векторы, стоящие в левой и правой частях (2.4о), 1) имеют одинаковую длину, 2) коллинеарны, 3) имеют одинаковое направление. = S, где S — площадь построенно- го на приведенных к общему началу векторах а и с параллело- грамма. Длина вектора, стоящего в правой части (2.40), равна |с|-|пр<?а], т. е. тоже равна 5,-ибо если за основание указанно- го параллелограмма принять вектор с, то высота его h будет равна |преа| (рис. 2.17). *) Если векторы а и b коллинеарны (и, в частности, если хотя бы один из векторов а и Ь нулевой), формула (2.39) остается справедливой, ибо в этом случае равны нулю как векторное произведение [ab], так и площадь S по- строенного на векторах а и b параллелограмма.
§ 31 ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 73 Коллинеарность векторов, стоящих в левой и правой частях (2.40), вытекает из того, что оба эти вектора ортогональны к плоскости л (вектор Jac] в силу определения векторного произ- ведения, а вектор пре a - |c]g в силу того, что вектор g по усло- вию ортогонален к плоскости л). Остается проверить, что векторы, стоящие в левой и правой частях (2.40), одинаково направлены. Для этого достаточно заметить, что векторы [ас] и g одина- ково направлены (противоположно направлены), когда тройка acg является правой (левой), т. е. когда векторы а и е лежат по одну сторону от с (по разные стороны от с*)) и проекция преа является положительной (отрицательной), но это и озна- чает, что векторы [ас] и пре а - | с| g всегда одинаково направлены. Теорема доказана. 4. Смешанное произведение трех векторов. Пусть даны три произвольных вектора а, b и с. Если вектор а векторно умно- жается на вектор Ь, а затем получившийся при этом вектор [ab] скалярно умножается на вектор с, то в результате получается число [ab]c, называемое смешанным произведением векторов а, b и с. Геометрический смысл смешанного произведения вскрывает следующая теорема. Теорема 2.16. Смешанное произведение [ab]c равно объе- му параллелепипеда, построенного на приведенных к общему началу векторах а, b и с, взятому со знаком плюс, если тройка abc правая, и со знаком минус, если -тройка abc левая. Если же векторы а, b и с компланарны, то [ab]c равно нулю. Доказательство. Прежде всего, исключим тривиальный случай, когда векторы а и b коллинеарны. В этом случае век- торы а, b и с компланарны**), и нам требуется доказать, что смешанное произведение [ab]c равно нулю. Но последнее очевидно, ибо векторное произведение [ab] двух коллинеарных векторов а и b равно нулю. Остается рассмотреть случай, когда векторы а и b не кол- линеарны. Обозначим через 5 площадь параллелограмма, по- строенного на приведенных к общему началу векторах а и Ь, а через е — орт векторного произведения [аЬ]. Тогда, как доказано в предыдущем пункте, справедлива формула (2.39). С помощью этой формулы и формулы (2.31) *) При этом мы исключаем тривиальный случай, когда вектор а кол- линеарен вектору с. В этом тривиальном случае [ас]=0 и пре а=0, так что равенство (2.40) очевидно. **) Ибо среди трех иекомпланарных векторов не может быть двух кол- линеарных векторов (см. следствие 3 из теоремы 2.5),
74 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ 2 для скалярного произведения получим [ab]c= (Se)c=S (ес) =S [е|пре с = 5 • пре с. (2.41) Рис. 2.18. Сначала предположим, что векторы а, b и с не компланарны. Тогда прес, с точностью до знака, равна высоте h параллелепи- педа, построенного на приведенных к общему началу векторах а, b и с, при условии, что основанием служит параллелограмм, построенный на векторах а и b (рис. 2.18). Таким образом, с точностью до знака, правая часть (2.40) равна объему V, построенного на векторах а, b и с параллелепи- педа. Остается уточнить знак. Очевидно, что прес= + h, если векторы е и с лежат по одну сторону от плоскости, определяе- мой векторами а и Ь, и пр₽с= = — h, если векторы е и с лежат по разные стороны от указанной плоскости. Но это означает, что прес= +/г, если тройки abc и abe одной ориентации, и прес = —h, если указанные тройки противоположной ориентации. Так как по определению вектор- ного произведения тройка abe является правой (см. конец пре- дыдущего пункта), то прес = — й, если abc — правая тройка, если abc — левая тройка. Для завершения доказательства теоремы достаточно вставить это значение прес в правую часть (2.41). В случае, когда векторы а, b и с компланарны, вектор с ле- жит в плоскости, определяемой векторами а и Ь, откуда сле- дует, что прес=0, и по формуле (2.41) [ab]c=0. Теорема пол- ностью доказана. Следствие 1. Справедливо равенство [ab]c = a[bc], В самом деле, из переместительного свойства скалярного произведения вытекает, что a[bc]=[bc]a, и нам достаточно дока- зать, что [ab]c=[bc]a. С точностью до знака, последнее равен- ство очевидно, ибо как правая, так и левая его часть, с точ- ностью до знака, равны объему параллелепипеда, построенного на векторах а, b и с. Но и знаки правой и левой частей послед- него равенства совпадают, ибо обе тройки abc и Ьса относятся к группе троек (2.36) и имеют одинаковую ориентацию (см. п. 1). Доказанное равенство [ab]c = a[bc] позволяет нам записывать смешанное произведение трех векторов а, b и с просто в виде
§ 3] ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 75 abc, не указывая при этом, какие именно два вектора (первые два или последние два) перемножаются векторно. Следствие 2. Необходимым и достаточным условием ком- планарности трех векторов является равенство нулю их сме- шанного произведения. В самом деле, компланарность векторов в силу теоремы 2.16 влечет равенство нулю их смешанного произведения. Обратное вытекает из того, что для некомпланарных векторов смешанное произведение (в силу той же теоремы) равно отличному от нуля объему параллелепипеда. Следствие 3. Смешанное произведение трех векторов, два из которых совпадают, равно нулю. В самом деле, такие три вектора заведомо компланарны. 5. Алгебраические свойства векторного произведения. Вектор- ное произведение векторов обладает следующими четырьмя свойствами: 1° [ab]=—[Ьа] (свойство а н т и п ер е ст а н о в оч н о ст и со- множителей); 2° [(aa)b] = a[ab] (сочетательное относительно числово- го множителя свойство); 3° [(a + b)c] = [ac]+[bc] (распределительное относи- тельно суммы векторов свойство); 4° [аа]=0 для любого вектора а. Убедимся в справедливости этих свойств. Для доказательства свойства_ 1° положим c=[ab], d = = [Ьа]. Если векторы а и b коллинеарны, то в силу теоремы 2.13 c = d = 0, и свойство 1° доказано. Если же а и b не коллинеарны, то векторы cud, во-первых, имеют одинаковую длину (в силу формулы (2.38) для длины векторного произведения) и, во-вто- рых, коллинеарны (в силу того, что оба вектора end ортого- нальны к плоскости, определяемой векторами а и Ь). Но тогда либо c = d, либо с =—d. Если бы имела место первая возмож- ность, то по определению векторного произведения обе тройки abc и Ьас оказались бы правыми, но это невозможно, ибо в силу п. 1 эти тройки противоположной ориентации*). Итак, с=—d, и свойство 1° полностью доказано. Для доказательства свойства 2° положим c=[(aa)b], d = = a[ab] и, прежде всего, исключим тривиальные случаи, когда вектор а коллинеарен b или когда а = 0. В этих случаях (в силу теоремы 2.13 и определения произведения вектора на число) мы получим, что c = d = 0, и свойство 2° доказано. ) Одна из этих троек входит в группу (2.36), а другая — в группу (2.37).
76 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Пусть теперь векторы а и Ь не коллинеарны и а¥=0. Дока- жем, что и в этом случае векторы end равны. Обозначим буквой <р угол между векторами а и Ь, а буквой ф угол между векторами аа и Ь. По определению длины векторного произве- дения и произведения вектора на число можно утверждать, что | с | = | а 11 а 11 b | sin ip, | d | = |а |[ а || b | sing). (2.42) Учтем теперь, что могут представиться два случая: 1) ip = cp (когда а>0 и векторы а и аа направлены в одну сторону; рис. 2.19), 2) ф=л— <р (когда а<0 и векто- /Ь ры а и аа направлены в противоположные •/ стороны; рис. 2-20). В обоих случаях sin ip — У\а>=& = sin ф и в силу формул (2.42) |c| = |d|, т. е. / \ векторы cud имеют одинаковую длину. ° а аа Далее, очевидно, что векторы cud колли- (а>0) неарны, ибо ортогональность к плоскости, оп- ределяемой векторами аа и Ь, означает орто- Рис. 2.19. тональность и к плоскости, определяемой век- торами а и Ь. Для доказательства равенства векторов cad остается про- верить, что эти векторы имеют одинаковое направление. Пусть а>0 (а<0); тогда векторы а и аа одинаково направлены (про- тивоположно направлены), и, стало быть, векторы [ab] и [(аа)Ь] также одинаково направлены (противопо- ложно направлены), а это означает, что векторы d = a[ab] и с=[(аа)Ь] всегда одина- / ково направлены. Свойство 2° доказано. / Переходим к доказательству свой- / ст в а 3°. Рассмотрим отдельно два с л у- чая: 1) случай, когда векторы а, b и с—_________/г / i г компланарны, 2) случай, когда эти векторы аа О а не компланарны. < В первом случае векторы а, b и с, бу- дучи приведены к общему началу, распола- Рис. 2.20. гаются в одной плоскости, которую мы обозначим буквой л. Пусть е — единичный вектор, принадлежа- щий плоскости л и ортогональный к вектору с, a g — единичный вектор, ортогональный к плоскости л и такой, что тройка ecg является правой. Согласно теореме 2.15 [ас] = преа-| с |g, [be] = пр>| с |g, [(a + b)c] = npe(a + b)-| с |g. Свойство 3° непосредственно вытекает из последних трех формул и из линейного свойства проекции преа+преЬ = = пре (а+Ь) (п. 8 § 1).
§ 3) ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 77 Пусть теперь векторы а, b иене компланарны. Так как три вектора [(а + Ь)с], [ас] и [Ьс] ортогональны к вектору с, то эти три вектора компланарны, а стало быть (в силу теоремы 2.5), линейно зависимы. Но это означает, что найдутся такие числа Л, р и v, хотя бы одно из которых не нуль, что справедливо равенство X[(a+b)c]=jx[ac]+v[bc]. (2.43) Остается доказать, что и X=v *). Докажем, например, что Х=ц. Для этого, пользуясь уже доказанным (в п. 3 § 2) рас- пределительным свойством 3° скалярного произведения, умно- жим равенство (2.43) скалярно на вектор b и учтем, что сме- шанное произведение [bc]b равно нулю (в силу следствия 3 из теоремы 2.16). В результате получим Z[(a+b)c]b = p[ac]b. Поскольку векторы а, b и с не компланарны, смешанное произ- ведение [ас]Ь не равно нулю, и для доказательства равенства Л = ц нам достаточно доказать равенство смешанных произведе- ний [(a + b)c]b и [ас]Ь. Равенство аб- солютных величин указанных сме- шанных произведений вытекает из того, что (в силу теоремы 2.16) эти абсолютные величины равны объе- мам двух параллелепипедов с рав- новеликими основаниями ** ***)) (на рис. 2.21 эти равновеликие основа- ния заштрихованы штрихами раз- ных наклонов) и с общей высотой h, опущенной из конца вектора с (рис. 2.21). Равенство знаков указанных сме- шанных произведений вытекает из определения правой (левой) тройки с помощью условия 3° (см. п. 1) очевидно, что тройки acb и (a+b)cb одной ориентации. Равен- ство Z = [x доказано. *) Так как по условию хотя бы одно из указанных чисел отлично от нуля, то, доказав, что A=p,=v, мы можем поделить равенство (2.43) на число A=n=v, в результате чего получим свойство 3°. **) Основанием одного параллелепипеда служит параллелограмм, постро- енный на векторах а и Ь, а другого — параллелограмм, построенный на век- торах а + b и Ь. Равновеликость указанных параллелограммов вытекает из того, что они имеют общее основание, совпадающее с вектором Ь, и общую высоту, опущенную из конца вектора а+b на вектор Ь. ***) А также из того, что вектор а+b лежит в одной плоскости с векто- рами а и Ь, причем «между ними».
78 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА ГГЛ 2 Аналогично (посредством умножения (2.43) скалярно на вектор а) доказывается равенство k—v. Свойство 3° полностью доказано. Остается доказать свойство 4°, утверждающее, что век- торный квадрат любого вектора равен нулю, но это свойство непосредственно вытекает из теоремы 2.13 и из того, что любой вектор а коллинеарен сам с собой. Замечание. Оба свойства 2° и 3° формулируются приме- нительно к первому сомножителю векторного произведения. (Свойство 2° утверждает возможность сочетания числового мно- жителя а с первым множителем векторного произведения, а свойство 3° утверждает возможность распределения относи- тельно суммы векторов первого сомножителя векторного произведения). Естественно возникает вопрос, справедливы ли аналогичные свойства применительно ко второму сомножителю векторно- го произведения, т. е. можно ли утверждать, что [a(ab)] = a[ab] и [a(b + c)]=[ab]+[ac]. (2.44) Оказывается, свойства (2.44) уже являются следствиями свойств 2° и 3° и свойства антиперестановочности 1°. В самом деле, из свойств 1°, 2° и 3° вытекает, что [а (ab) ] — —[ (аЬ) а] = —a[ba] = a[ab] и аналогично [а (Ь + с) ] = —[ (Ь + с) а] = —{[b а] + [са]} = [ab]+[ас]. В заключение отметим, что доказанные свойства имеют фун- даментальное значение. Она позволяют при векторном перемно- жении 'векторных многочленов выполнять действия почленно и производить сочетание числовых множителей (но при этом не- обходимо либо сохранять порядок векторных множителей, либо при изменении этого порядка менять знак на противополож- ный',) . В следующем пункте мы будем существенно использовать эти свойства. 6. Выражение векторного произведения в декартовых коорди- натах. Теорема 2.17. Если два вектора а и Ъ определены своими декартовыми прямоугольными координатами a = {Xx, КР Z,}, b = {X2,Y2,Z2], то векторное произведение этих векторов имеет вид [ab] = [К^2- r2Zp ZxX2-Z2XA, XxY2- Х2Гх]. (2.45)
§ 3] ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 79 Для запоминания формулы (2.45) удобно использовать сим- вол определителя *) и переписать эту формулу в виде i J к [ab] = Ху Уу Zy (2.45' х2 У2 z2 Раскрывая определитель, стоящий в правой части (2.45'), по элементам первой строки, мы получим разложение вектора [ab] по базису i, j, к, эквивалентное (2.45). Доказательство теоремы 2.17. Составим из тройки базисных векторов i, j и к все возможные пары и для каждой из пар подсчитаем векторное произведение. Учитывая, что базис- ные векторы взаимно ортогональны, образуют правую тройку и имеют единичную длину, получим *) **) [ii]=0, = - k, [ki] = j, [Ul = k, [jj]=O, [kj] = —i, (2.46) l[ik] = —j, [Jk] = i, [kk]=O. Далее, принимая во внимание, что a=Xji + yj+Zfk, b = = X2i + Y2j+Z2k, и опираясь на установленную в предыдущем пункте возможность почленного векторного перемножения век- торных многочленов, получим [ab] = ХуХ2 [ii] + ХуУ2 [ij] +ВД [ik] + УуХ2 [ji] + УуУ2 [jj] + + y.Z2 [jk]+ZyX^ [ki]+Z,y2 [k j ]+ZyZ2 [kk]. Из последнего равенства и соотношений (2.46) вытекает раз- ложение [ab]=(y1Z2- y2Z1)i+(Z1X2-Z2X1)j+(X1y2-X2y1)k, эквивалентное равенству (2.45). Теорема доказана. Следствие. Если два вектора a={Xi, Уь ZJ и Ь = {Х2, У2, Z2} коллинеарны, то координаты их пропорциональны, т. е. _ Г, _ Z, Х2 ~~ У2 Z2 • ' Заметим, что в знаменателях последних равенств могут стоять нули. Чтобы обойти эту трудность, мы раз и навсегда догово- *) Теория определителей второго и третьего порядков изложена в До- полнении к главе 1. **) При этом мы учитываем также, что векторный квадрат вектора равен нулю (свойство 4° из п. 5), и принимаем во внимание, что, поскольку трой- ка ijk является правой, обе тройки jki и kij являются правыми, а все три тройки jik, ikj и kji — левыми (см. п. 1, формулы (2.36) и (2.37)),
80 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА , [ГЛ. 2 ас " римся всякую пропорцию -y = -j- понимать в смысле равен- ства ad=bc. Для доказательства следствия достаточно заметить, что из равенства нулю векторного произведения и из формулы (2.45) вытекают равенства y1Z2=r2Z1, Z1X2 = Z2X1, XtY2=X2Yh которые в силу сделанного выше замечания эквивалентны до- казываемым пропорциям. 7. Выражение смешанного произведения в декартовых коор- динатах. Теорема 2.18. Если три вектора а, b и с определены своими декартовыми прямоугольными координатами а={Х1; Уь ZJ, Ь={Х2, У2, Z2), с={Х3, У3, Z3), то смешанное произведение abc равняется определителю, строки которого соответственно равны координатам перемножаемых векторов, т. е. У г abc = х2 Г2 Z2 (2.47) х3 r3 z3 Доказательство. Так как смешанное произведение abc равно скалярному произведению векторов [ab] и с и поскольку координаты вектора [ab] определяются формулой (2.45), а коор- динаты с равны {Хз, Уз, Z3}, то в силу выражения (2.33) для скалярного произведения векторов в координатах мы получим аЬс=Л3(У1Д2 — Y2Zi) + У3 (X2Zj — XiZ2) +Z3 (А) У2 — Х2У\). Если воспользоваться выражением для определителя вто- рого порядка и символом такого определителя, то последнее выражение можно переписать в виде abc = Х3 У1 (2.48) Формулы (2.47) и (2.48) эквивалентны, ибо при разложении определителя, стоящего в правой части (2.47), по третьей строке получается выражение, стоящее в правой части (2.48)*). Тео- рема доказана. Следствие. Необходимым и достаточным условием компла- нарности трех векторов а={Х1, Уь Zi}, Ь=(Х2, У2, Z2} и *) См. формулу (Д 1.16) из п. 5 Дополнения к главе 1,
ВЕКТОРНОЕ И СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ВЕКТОРОВ 81 § 3] с = Из, И, 23} является равенство нулю определителя, строками которого служат координаты этих векторов, т. е. равенство И А Х2 У2 Z2 = 0. У3 В самом деле, достаточно привлечь следствие 2 из теоре- мы 2.16 и воспользоваться формулой (2.47). 8. Двойное векторное произведение. Пусть даны три произ- вольных вектора а, b и с. Если вектор b векторно умножается на вектор с, а вектор а также векторно умножается на вектор- ное произведение [Ьс], то получающийся при этом вектор [а[Ьс]] называется двойным векторным произведением. Теорема 2.19. Для любых векторов а, Ь и с справедлива формула *) [а[Ьс] ]=Ь(ас)—c(ab). (2.49) Доказательство. Рассмотрим отдельно два случая: 1) случай, когда векторы b и с коллинеарны, 2) случай, когда эти векторы не коллинеарны. В первом случае обозначим через с0 орт вектора с и учтем, что с= |с|-с0, Ь=± |Ь|-с0, где знак плюс берется для случая, когда векторы b и с одинаково направлены, а знак минус — для случая, когда b и с противоположно направлены. С помощью этих формул для с и Ь получим, что Ь(ас) —c(ab)=0**), т. е. правая часть (2.49) равна нулю. Но и левая часть (2.49) равна нулю, ибо векторное произведение [Ьс] двух коллинеарных век- торов равно нулю. Для первого случая теорема доказана. Переходим к доказательству теоремы для случая, когда век- торы Ь и с не коллинеарны. Так как вектор [а[Ьс] ] ортогонален вектору [Ьс], а последний ортогонален плоскости, определяемой векторами Ь и с, то векторы [a[bc]], Ь и с компланарны, а по- этому (в силу следствия 1 из теоремы 2.5) вектор [а[Ьс] ] можно разложить по двум неколлинеарным векторам Ь и с как по ба- зису, т. е. найдутся вещественные числа аир такие, что [a[bc]] = ab + pc. (2.50) *) Для запоминания этой формулы удобно следующее правило: двойное векторное произведение равно среднему вектору, умноженному на скалярное произведение двух остальных, минус другой вектор внутреннего произведения, умноженный на скалярное произведение двух остальных. Это правило годится и для случая, когда внутреннее векторное произведение от- носится к первым двум векторам: с его помощью получается следующая фор- мула [ [ab]c]=b(ac) —а(Ьс), являющаяся следствием (2.49). **) В самом деле, элементарный подсчет показывает, что как Ь(ас), так и с(аЬ) равно ±|Ь| -| с| • (ас0) - ср.
82 ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА [ГЛ. 2 Остается доказать, что а = ас, 0 = —ab. Докажем, например, что а = ас. Воспользуемся теоремой 2.15. Для этого обозначим бук- вой л плоскость, определяемую векторами b и с, буквой е — единичный вектор, лежащий в л и. ортогональный к с, бук- вой g :— единичный вектор, ортогональный плоскости л и такой, что тройка ecg является правой. По теореме 2.15 [bc] = npeb-|c|-g. (2.51) Если Со — орт вектора с, то правая тройка ecog образует декар- тов прямоугольный базис. Разложим вектор а по этому базису, учитывая, что координаты равны проекциям вектора а на ба- зисные векторы: а = е • преа + с0 • прс a + g > прг а. (2.52) Умножая векторно (2.52) на (2.51) и учитывая, что [eg] = — с0, [cog] = e, [gg] = 0 (сравните с формулами (2.46)), получим [а [Ьс] ] = — с0 преа • пр„Ь • | с Ц- е • прс а • пре b • | с |. (2.53) -Сравнивая формулы (2.50) и (2.53), будем иметь ab + рс — с0 • преа • преЬ | с | + е • прса • прД) • | с |. (2.54) Остается умножить обе части (2.54) скалярно на е и учесть, что Ье = преЬ, сое = О, ее=1. Окончательно получим а • fipeb = прса • преЬ | с | или а —| с | • прса = ас. Для доказательства равенства 0=—ab следует в проведен- ных рассуждениях поменять ролями векторы с и b и учесть, что [a[cb] = —[а[Ьс] ]. Теорема доказана. Замечание. Дадим другое доказательство теоремы 2.19, основанное на специальном выборе декартовой прямоугольной системы и на непосредствен- ном просчете в координатах всех выражений, участвующих в формуле (2.49). Направим ось Oz вдоль вектора с, а ось Оу возьмем в плоскости векторов b и с. Тогда векторы а, Ь и с будут иметь следующие координаты: а={Х, Y, Z}, b={0, F, Z'}, с={0,0, Z"}. Применяя формулу для векторного произведения (2.45), будем иметь [Ьс]= ={У' Z", 0,0}, а отсюда по той же формуле (2.45) [a[bc]]={0, ZY'Z", — YY'Z"}. (2.55) Далее, очевидно, что (ac)=ZZ", (ab)=YY'+ZZ', а поэтому b (ас) = {0, Y'ZZ", Z'ZZ"}, (2.56) с (ab) ={0, 0, YY'Z"+ZZ'Z"}. (2.57) Из сопоставления равенств (2.55), (2.56) и (2.57) вытекает формула (2.49).
ГЛАВА 3 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕКАРТОВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ НА ПЛОСКОСТИ И В ПРОСТРАНСТВЕ В этой главе устанавливаются формулы, по которым преоб- разуются координаты произвольной точки плоскости (или соот- ветственно пространства) при переходе от одной декартовой прямоугольной системы к произвольной другой декартовой прямоугольной системе. Мы доказываем, что координаты произвольной точки отно- сительно первой системы являются линейными функциями коор- динат той же точки М относительно второй системы. Попутно мы устанавливаем, что если две декартовы прямо- угольные системы на плоскости л (в пространстве) образованы парами (тройками) одной ориентации, то одна из этих систем может быть совмещена с другой посредством параллельного переноса и последующего поворота на некоторый угол <р в пло- скости л (вокруг некоторой оси в пространстве). § 1. Преобразование декартовых прямоугольных координат на плоскости Пусть на плоскости л заданы две произвольные декартовы прямоугольные системы координат: первая, определяемая началом О и базисными векторами i и j, и вторая, опреде- ляемая началом О' и базисными векторами Г и j' (рис. 3.1). Поставим перед собой цель — выразить координаты х и у произвольной точки М плоскости л относительно первой си- стемы координат через координаты х' и у' этой же точки М от- носительно второй системы координат. Заметим, что координаты х и у совпадают с координатами вектора ОМ в разложении его по базису ij, а координаты х' и у' совпадают с координатами вектора О'М в разложении его по
84 преобразование декартовых прямоугольных КООРДИНАТ [ГЛ. 3 базису i'j', т. е. OM^xi-^yj, (3.1) + (3.2) Если обозначить через а и b координаты начала О' второй си- стемы относительно первой системы, то OO' = ai-\-bj. (3.3) Так как любой вектор на плоскости л можно разложить по базису ij, то найдутся числа ац, агг, «21 и «22 такие, что f = a11i + a12j, (3.4) j' = a21i -J- a22j. В силу правила треугольника сложения векторов (см. рис. 3.1) бМ = ба-\-аМ. (3.5) Вставляя в правую часть (3.2) значения Г- и j', определяемые формулами (3.4), и после этого подставляя в (3.5) значения ОМ, О'М и 00', определяемые формулами (3.1), (3.2) и (3.3), и группируя слагаемые относительно i и j, получим *) + У\ — {fl + anx' «21Z/9»+ (^ + "Ь а22У') j- (3-6) В силу единственности разложения вектора по базису из ра- венства (3,6) получим 'искомые формулы преобразов а- ния координат: x = a4~anx' + a2ii/, , У = b -|- а12х' -|- а221//. Мы приходим к следующему замеча- тельному выводу: каковы бы ни были две произвольные декартовы системы на плоскости л, координаты любой точки плоскости л относительно первой систе- мы являются линейными функция- м и координат той же точки относитель- Рис. 3.1. но второй системы. Установив этот фундаментальный алгебраический факт, пе- рейдем к геометрической интерпретации полученных формул. Для этого договоримся обозначать символом cos (ab) косинус угла между векторами а и Ь. Помножая каждое из равенств *) Возможность сгруппировать слагаемые относительно i и j вытекает из свойств линейных операций над векторами (см. п. 2 § 1 главы 2),
§ 1] НРЕОБРАЗОВАНИЁ КООРДИНАТ НА ПЛОСКОСТИ 85 (3.4) скалярно сначала на i, а затем на j и учитывая, что ii = 1, jj = 1» <j=0, получим *) ап = cos (i'i), а21 = cos (j'i), а12 = cos (i'j), a22 = cos (j'j). (3-8) Будем существенно различать следующие два случая: 1) слу- чай, когда базисные векторы направлены так, что оба кратчай- ших поворота от i к j и от Г к j' совершаются в одном направле- нии (либо оба по часовой стрелке, либо оба против часовой стрелки), 2) случай, когда базисные векторы направлены так, что кратчайшие повороты от 1 к j и от Г к j' совершаются в про- тивоположных направлениях. В обоих случаях мы обозначим через ф угол между базис- ными векторами i и Г, отсчитываемый в направлении, отвечаю- щем кратчайшему повороту от i к j. Тогда an = cos<p. В первом случае угол между базисными векторами j и j' также равен <р и поэтому первая система координат может быть совмещена со второй посредством параллельного переноса вдоль вектора 00' и последующего поворота в плоскости л вокруг на- чала на угол ф (этот случай изображен на рис. 3.1). Во втором случае угол между ба- зисными векторами j и j' равен л — <р и первую систему координат невозможно совместить со второй посредством парал- лельного переноса и поворота, не выво- дящего из плоскости л (нужно еще из- менить направление оси ординат на про- тивоположное или, что то же самое, взять изображение плоскости л в пло- ском зеркале. Второй случай изображен на рис. 3.2). Пользуясь формулами (3.8), подсчитаем для обоих случаев коэффициенты ан, ai2, «21 и a22 **)• В первом случае получим: an = cos<p, a22=cos<p, a12 — cos (у — <p) = sin ф, a21 = cos (-у + ф) — — sin ф. Во втором случае получим: ап — соэф, а22 = cos (л—ф) ~ = —соэф, a12 = cosf-^—== sin <р, а21 —cosf-^—ф^ = вшф. *) Мы учитываем также, что скалярное произведение двух единичных векторов равно косинусу угла между ними. **) Все углы отсчитываются в направлении, отвечающем кратчайшему по- вороту от i к ].
86 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕКАРТОВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ [ГЛ. 3 Таким образом, в первом случае формулы преобразова- ния координат (3.7) принимают вид ( х = а + х' cos ф — у' sin ф, 1 (3.9) ( y = b-\-x' sinqi + i/' costp. ‘ 7 Во втором случае соответствующие формулы преобразо- вания принимают вид х — а 4- х' cos <р -4- у’ sin ф, ,7 , . , (3.10) у — О 4-Х sin ф—у COS ф. Если мы. примем договоренность рассматривать только такие системы координат, у которых кратчайший поворот от первого базисного вектора ко второму происходит против часовой стрел- ки (будем называть такие системы правыми), то второй слу-' чай будет исключен и любое преобразование координат будет определяться формулами (3.9). Мы приходим к выводу, что, каковы бы ни были две правые системы координат Оху и О'х'у', первая из них может быть со- вмещена со второй посредством параллельного переноса вдоль вектора 00' и последующего поворота вокруг начала на неко- торый угол ф. Разрешая уравнения (3.9) относительно х' и у', мы получим обратные формулы, выражающие координаты х' и у' любой точки М относительно второй системы через координаты ее от- носительно первой системы*): . х' = (х — a) cos q>~i~(y — b) sin ф, у' — — (х — a) sin ф 4- (у — b) cos ф. (З.И) Общее преобразование координат (3.9) распадается на сум- му двух преобразований, одно из которых отвечает только па- раллельному переносу системы, а другое — только повороту системы вокруг начала на угол ф. В самом деле, полагая в формулах (3.9) угол поворота ф равным нулю, мы получим формулы преобразования координат при параллельном переносе системы вдоль вектора ОО' = {а, Ь}: х — а-\-х', у = Ь-\-у'. (3.12) Полагая в тех же формулах (3.9) координаты а и Ь век- тора 00' равными нулю, мы получим формулы преобра- *) Так как .определитель системы (3.9), равен единице, то эту систему можно разрешить относительно х' и у'.
$ 2] ПРЕОБРАЗОВАНИЕ КООРДИНАТ В ПРОСТРАНСТВЕ 87 зования координат при повороте системы во- круг начала на угол <р (в направлении против часовой стрелки) ( х — х' cos®— /sin®, , . . , (3.13) ( у = Х Sin<p + / costp. 4 ' § 2. Преобразование декартовых прямоугольных координат в пространстве 1. Общие формулы преобразования. Пусть в пространстве заданы две произвольные декартовы прямоугольные системы координат: первая, определяемая началом О и базисными векторами ijk, и вторая, определяемая началом О' и базис- ными векторами i'j'k'. Поставим Перед собой цель — выразить координаты х, у и z произвольной точки Л4 относительно первой системы через коор- динаты х', у' и г' этой же точки М относительно второй системы. Заметим, что координаты х, у, z совпадают с координатами вектора ОМ в разложении его по базису ijk, и координаты х', у', г' совпадают с координатами вектора О'М в разложении его по базису i'j'k', т. е. ___ ОМ=xi+yj + zk, (3.14) О'М = xzi'+/j'+z'k/. (3.15) Если обозначить через а, b и с координаты начала О' второй си- стемы относительно первой системы, то. • OO' = ai-t-bj + ck. (3.16) Так как любой вектор можно разложить по базису ijk, то най- дутся девять чисел aim (1=1, 2, 3; т=1, 2, 3) такие, что i' == ani + «i2j + a13k, jZ — a21*+ a22j + a23k, (3-17) kz = a31i-4-a32j-|-a33k. В силу правила треугольника сложения векторов ОМ = ОО' + О7М. (3.18) Вставляя в правую часть (3.15) значения 1', j' и к', определяе- мые формулами (3.17), и после этого подставляя в (3.18) значе- ния ОМ, О'М и 00', определяемые формулами (3.14), (3.15) и (3.16), и группируя слагаемые относительно i, j и к, получим xi + у] + zk = (а + апх' + а21/ + a3lzz) i + -j- (b -|- aI2xz -|- Офу' -J- a32zz) j (c ct^x’ -)- -|- tt33z') k. (3.19)
88 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕКАРТОВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ [ГЛ. 3 В силу единственности разложения вектора по базису из равенства (3.19) получим искомые формулы преобраз о- ваниякоординат: X = CL -j— (XjjX —(Х21У —Ct3j2: ’ у = Ь a22f// —|- и322:/, (3.20) z — с Щ3х' 0-2зУ' Ч" «зз2'- Итак, нами доказано следующее фундаментальное утвержде- ние: каковы бы ни были две произвольные декартовы прямо- угольные системы координат, координаты х, у и z любой точки пространства относительно первой системы являются линейны- ми функциями координат х', у' и z' той же точки относительно второй системы. Умножая каждое из равенств (3.17) скалярно сначала на), а затем на j и на к, мы получим следующие выражения для чисел aim: an = cos (i'i), а12 = cos (i'j), aI3 = cos(i'k), «2! —cos(j'i), a22 == cos (j'j), a23 = cos (j'k), - a31 = cos (k'i), a32 = cos(k'j), a33 = cos(k'k). 2. Выяснение геометрического смысла. Углы Эйлера. Уясним геометрический смысл формул преобразования (3.20). Для вы- числения чисел aim и их геометрического значения предполо- жим, что первая и вторая системы имеют общее начало (т. е. а — Ь = с — 0). Ради определенности будем считать, что обе системы Oxyz и Ох'у'г' являются пра- выми. У’ Введем в рассмотрение три угла, пол- ностью характеризующих расположение осей второй системы относительно пер- вой. Обозначим через и ось, совпадающую с линией пересечения координатной плоско- сти Оху первой системы с координатной плоскостью Ох'у' второй системы и напра- вленную так, что три направления Oz, Oz' и и образуют правую тройку (рис. 3,3). Пусть теперь ф— угол между осями Ох и и, отсчитываемый ь плоскости Оху от оси Ох в направлении кратчайшего пово- рота от Ох к Оу, 0 — не превосходящий л угол между осями Oz и Oz' и, наконец, <р—угол между осями и и Ох', отсчитывав-.
§ 2] ПРЕОБРАЗОВАНИЕ КООРДИНАТ В ПРОСТРАНСТВЕ 89 мый в плоскости Ох'у' от оси и в направлении кратчайшего поворота от Ох' к Оу'. Три угла <р, ф и 0 называются углами Эйлера*). Оче- видно, по трем углам Эйлера и по направлениям осей Ох, Оу и Oz однозначно определяются направления осей Ох', Оу' и Oz'. Если заданы три угла Эйлера, то преобразование первой системы Oxyz во вторую систему Ox'y'z' можно представить в виде последовательного проведения следующих трех поворотов: 1) поворота системы Oxyz на угол тр вокруг оси Oz, переводящего эту систе- му в систему Ох\у{г\ (рис. 3.4); 2) поворота системы Ox^Zi на угол 0 вокруг оси Ох\, переводящего эту си- стему в систему Ox2y2z2 (рис. 3.5); 3) поворота системы Ox2y2z2 на угол ф вокруг оси Oz2 = Oz', переводящего эту систему в систему Ox'y'z' (рис. 3.6). Каждый из указанных трех поворотов производится в одной из координатных плоскостей соответствующей системы. Поэтому для соответ- ствующих координат при каждом таком повороте будут спра- ведливы формулы вида (3.13) (см. § 1). Это позволяет нам на- писать следующие формулы: 1) для'первого поворота х = cos ф — yi sin ф, у — Xi sin ф + cos ф, (3.21) *) Леонард Эйлер (1707—1783) — великий математик, член Петербург- ской Академии наук, большую часть жизни провел в России, по происхожде- нию швейцарец.
90 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕКАРТОВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ [ГЛ. 3 2) для второго поворота ' Хх=Х2, z/i = у2 cos 9 — z2 sin 9, . (3.22) Zi = У2 sin 9 + z2 cos 9, 3) для третьего поворота ' x2 — x' cos <p — y' sin <p, y2 — x' sin<p-J—t/' coscp, (3.23) . z2 = z'. Внося (3.23) в (3.22), а затем (3.22) в (3.21), мы получим 1х = (х' cos ф — у' sin ф) cos ф — — [(л/ sin ф + У' cos ф) cos 9 — z' sin 9] sin ф, у = (л/со8ф — у' sin ф) sin ф + (3.24) } + [(а/ sin ф 4- у' cos ф) cos 9 — z' sin 9] cos ф, I z — (x' sin ф + /cos ф) sin 9 + z' cos 9. Сравнивая формулы (3.24) с формулами (3'20) (при a = b = = с = 0), окончательно получим выражения для чисел aim через углы Эйлера ап = со8фсозф—sin ф cos 9 sin ф, а12 = sin ф cos ф -|- cos ф cos 9 sin ф, а13 = sin 9 sin ф, а21 = — cos ф sin ф — sin ф cos 9 cos ф, а22 =— sin ф sin ф—cos ф cos 9 cos ф, (3.25) а23 — sin 9 cos ф, а31 = sin ф sin 9, а32 — — cos ф sin 9, «зз — cos 9. Для вывода формул (3.25) мы использовали допущение, что обе системы имеют общее начало. Разумеется, отказ от этого допущения не изменит вида формул (3.25), ибо ни направление осей координат, ни величина углов Эйлера не зависит от того, где выбрано начало первой и второй систем. Самое общее преобразование координат представляет собой суперпозицию (последовательное проведение) параллельного переноса и трех производимых в соответствующих координат- ных плоскостях поворотов и определяется формулами (3.20),
§ 2] ПРЕОБРАЗОВАНИЕ КООРДИНАТ В ПРОСТРАНСТВЕ 91 в которых (при условии, что обе системы являются правыми) числа aim выражаются через углы Эйлера по формулам (3.25). Формулы, аналогичные (3.25), могут быть получены и для случая, когда системы Oxyz и O'x'y'z' либо обе являются ле- выми, либо имеют разную ориентацию. Замечание. Если Oxyz и O'x'y'z' — две произвольные правые декартовы прямоугольные системы в пространстве, то первая из них может быть совмещена со второй посредством параллельного переноса, совмещающего их начала, и одного поворота вокруг некоторой оси в пространстве. Для нахождения указанной оси, во-первых, учтем, что она проходит через общее начало О' совмещенных посредством па- раллельного переноса систем (ибо это начало остается непо- движным при повороте), и, во вторых, заметим, что если О'М'— произвольный вектор, лежащий на искомой оси вращения, то координаты точки М' не изменяются при повороте. Отсюда вытекает, что для нахождения координат х', у' и г' точки М' в системе O'x'y'z' следует в системе (3.20) (взятой при а = Ь = с = 0) положить х = х', у=у', z = z'. Это приведет нас к следующей однородной системе трех уравнений с тремя неиз- вестными: («и — 1) х' + а21у' 4- а314 = 0, а12Х' 4“ (а22—1) у' 4"а322;/ = 0, (3.26) а1з-х-/ 4- а2з{/ 4" (азз —1)4=0. С помощью формул (3.25) можно показать, что определитель этой системы равен нулю. Стало быть, в силу п. 8 Дополнения к главе 1 система (3.26) имеет нетривиальные решения, которые определяют совокупность коллинеарных векторов О'М', лежа- щих на оси вращения. _____ Одним из таких векторов будет вектор О'М'0={х', у', 1), координаты х' и у' которого определяются из первых двух уравнений (3.26) приг'=1.
ГЛАВА 4 УРАВНЕНИЕ ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ. УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ В этой главе рассматривается один из важнейших вопросов аналитической геометрии — вопрос об аналитическом предста- влении линии на плоскости и поверхности и линии в простран- стве при помощи уравнений, связывающих их координаты *). Обсуждаются простейшие задачи, связанные с таким аналити- ческим представлением, и приводится классификация плоских линий и поверхностей. Доказывается, что порядок алгебраиче- ской линии (и соответственно поверхности) не зависит от вы- бора декартовой прямоугольной системы. § 1. Уравнение линии на плоскости 1. Понятие об уравнении линии. Предположим, что на пло- скости л нам заданы: 1) декартова прямоугольная система ко- ординат Оху и 2) некоторая линия L. Рассмотрим некоторое уравнение, связывающее две. переменные величины х и у ** *•*)) Ф(х, у)=0. (4.1) Определение. Уравнение (4.1) называется уравнением линии L (относительно заданной системы координат), если этому уравнению удовлетворяют координаты х и у любой точ- ки, лежащей на линии L, и не удовлетворяют координаты х и у ни одной точки, не лежащей на линии L. *) По поводу самого понятия линии (или соответственно поверхности) отсылаем читателя к главе 11 выпуска 1 настоящего курса, *•*) Равенство Ф(х,г/)=0, где Ф(х, у) —заданная функция двух перемен- ных х и у, называется уравнением, если это равенство справедливо не для всех пар вещественных чисел х, у. Равенство Ф(х,y)—Q, справедливое для всех пар вещественных чисел х, у, называется тождеством,
$ 1] УРАВНЕНИЕ ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ 93 С точки зрения этого определения сама линия L предста- вляет собой (в заданной системе координат) геометрическое место точек, координаты которых удовлетворяют уравнению (4.1). Если (в заданной системе координат) рассматриваемое урав- нение вида (4.1) является уравнением линии L, то мы будем говорить, что это уравнение определяет линию L. Замечание. Нетрудно указать такое уравнение вида (4.1), которое либо определяет геометрический образ, отличный от того, что мы привыкли понимать под термином «линия», либо вообще не определяет никакого геометрического образа. Так, уравнение х2 + г/2 = 0 определяет на плоскости Оху лишь одну точку (0,0), а уравнение х2 + у2+1=0 вообще не определяет никакого геометрического образа. Для того чтобы уравнение вида (4.1) определяло геометрический образ, отвечающий на- шему привычному представлению о линии, следует, вообще го- воря, подчинить функцию Ф(х, у) некоторым ограничениям (на- пример, требованию однозначной разрешимости функциональ- ного уравнения (4.1) относительно одной из переменных). Эти ограничения выясняются в курсе математического анализа (см. выпуск 1, главу 15, § 2, п. 3). Пример. Убедимся в том, что уравнение (х — а)2+(у — Ь)2=г2. (4.2) является уравнением окружности радиуса г>0 с цен- тром в точке М0(а, Ь). В самом деле, точка М(х, у) лежит на указанной окружности тогда и только тогда, когда расстояние между точками М(х, у) и М0(а, Ь) равно г, т. е. тогда и только тогда, когда квадрат расстояния между указанными точками (х— а)2+(У — Ь)2 равен г2. Таким образом, координаты любой точки М(х, у), лежащей на указанной окружности, удовлетво- ряют уравнению (4.2), а координаты любой точки, не лежащей на указанной окружности, не удовлетворяют, уравнению (4.2). Уравнение окружности радиуса г>0 с центром в начале ко- ординат имеет более простой вид, а именно х2+у2=г2. (4.3) 2. Параметрическое представление линии. Для аналитиче- ского представления линии L часто бывает удобно выражать переменные координаты х и у точек этой линии при помощи третьей вспомогательной переменной (или параметра) /: x = q>(/), у=ф(/), (4.4) где функции ср(О и ф(/) предполагаются непрерывными по па- раметру t (в некоторой области {/} изменения этого параметра).
94 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ (ГЛ. 4 Исключение из двух уравнений (4.4) параметра t приводит к рассмотренному выше уравнению вида (4.1) *). Параметрическое представление линии на плоскости есте- ственно возникает, если эту линию рассматривать как путь, пройденный материальной точкой, непре- рывно движущейся по определенному за- кону. В самом деле, если переменная t представляет собой время, отсчитывае- мое от некоторого начального момента, то задание закона движения и предста- х вляет собой задание координат х и у движущейся точки как некоторых непре- рывных функций x=<p(f) и </ = ф(0 вре- мени t. Примеры. 1) Установим параме- У Рис. 4.1. трические уравнения окружности радиу- са г>0 с центром в начале координат. Пусть М(х,у)— любая точка этой окружности, a t — угол ме- жду радиусом-вектором ОМ и осью Ох, отсчитываемый против часовой стрелки (рис. 4.1). Очевидно, что x=rcos/, z/ = rsin/. (4-5) Уравнения (4.5) и представляют собой параметрические урав- нения рассматриваемой окружности. Параметр t может прини- мать любые значения, но для того, чтобы точка М (х, у) один раз обошла окружность, следует ограничить область изменения параметра полусегментом 0<^<2л. Заметим, что для исклю- чения параметра t из уравнений (4.5) достаточно возвести в квадрат и сложить эти уравнения; мы получим при этом урав- нение (4.3) предыдущего пункта. 2) Установим параметрические уравнения так называемой циклоиды, которая определяется как путь, описываемый од- ной из точек М окружности, катящейся без скольжения по не- подвижной прямой. Примем за ось Ох декартовой прямоуголь- ной системы ту прямую, по которой катится окружность, за начало координат — одну из точек, в которых точка М катя- щейся окружности выходит на указанную прямую, и направим ось Оу так, чтобы ее положительная полуось лежала по ту же сторону от Ох, что и катящаяся окружность (рис. 4.2). Фиксируем произвольное положение катящейся окружности и обозначим для этого положения буквой С — центр< а бук- ♦) Такое исключение заведомо возможно, если хотя бы одна из функ- ций х=ф(0 или г/=ф(О имеет обратную (достаточные условия для этого см. в п. 4 § 2 главы 15 выпуска 1),
§ 1] УРАВНЕНИЕ ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ 95 вой. А—точку касания с осью Ох. Примем за параметр t угол, на который повернулась катящаяся окружность при пе- ремещении .из положения с точкой касания в начале коорди- нат О в положение с данной точкой касания А. Так как качение происходит без скольжения, то OA — Rt, где R — радиус окруж- ности. В силу того, что декартовы прямоугольные координаты х и у точки М равны проекциям вектора ОМ на оси координат (см. п. 9 § 1 гл. 2), и в силу линейного свойства проекции вектора на ось (см. п. 8 и 9 § 1 главы 2) получим х = пр^. ОМ — прх О А + прж АС + прх СМ, у = пру ОМ = np^OA-i-np^ АС+ пру СМ. Учитывая, что угол АСМ, отсчитываемый от вектора СА в на- правлении по часовой стрелке (рис. 4.2), может отличаться от угла t лишь на величину, кратную 2л, будем иметь npxOA = Rt, прх АС = 0, прх СМ = — R sin I, nptfOA = 0, npyAC = R, пру CM —— Rcost. Вставляя эти значения в формулы (4.6), окончательно по- лучим параметрические уравнения циклоиды x=R(t— sin t), y — R(\—cost). (4.7) Параметр t в уравнениях (4.7) может принимать какие угодно значения. Замечание. Часто линию L определяют не уравнением (4.1), а разрешенным (например, относительно у) уравнением R=f(x). (4.8)
96 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ (ГЛ 4 Подчеркнем, что определение линии разрешенным уравнением (4.8) представляет собой частный случай параметрического оп- ределения этой линии (при x—t, y — f (/)). 3. Уравнение линии в различных системах координат. Вид уравнения линии L зависит не только от вида самой линии L, но и от выбора системы координат. Уравнение линии меняется как при переходе от одной декартовой системы координат к другой, так и при переходе от декартовых к каким-нибудь другим координатам. Если (4.1) представляет собой уравнение линии L относи- тельно декартовой прямоугольной системы координат Оху, то, чтобы получить уравнение той же линии L относительно любой другой системы координат, достаточно подставить в (4.1) на место х и у их выражения через новые координаты. Так, например, линия L, определяемая в декартовой системе Оху уравнением (4.1), в полярной системе*) будет опреде- ляться уравнением Ф1 (р, ф) =0, где введено обозначение Ф1(р, ф) =Ф(рсозф; р sin qp) (см. фор- мулы перехода от декартовых координат к полярным; глава 1,§4). Использование для определения некоторых линий недекар- товых систем координат объясняется тем, что уравнение линии имеет при этом более простой вид. Пример. Предположим, что ось и вращается (против часо- вой стрелки) вокруг неподвижной точки О и по этой вращающей- ся оси движется точка М так, что длина р вектора ОМ пропор- циональна углу <р поворота оси и, отсчиты- . ваемому от некоторой неподвижной оси Ох Х/''' (рис. 4.3). X Линия, описываемая точкой М, назы- А вается спиралью Архимеда. р Если ввести полярную систему коорди- 4 1 <» нат, поместив полюс в точку О и направив полярную ось вдоль оси Ох, то по самому определению спирали Архимеда ее уравне- ние имеет вид р = йф, (4.9) где р — полярный радиус, ф —полярный угол, а — коэффициент пропорциональности, который мы будем считать отличным от нуля. *) Конечно, при этом предполагается, что полюс совмещен с началом де- картовых координат, а полярная ось — с осью Ох.
§ 1] УРАВНЕНИЕ ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ 97 На рис. 4.3 сплошной линией изображена часть спирали Архимеда для случая а>0, а пунктирной линией — часть спи- рали Архимеда для случая а<0 *). Уравнение (4.9) спирали Архимеда в полярной системе координат отли- чается чрезвычайной простотой. Для того чтобы читатель убедился, насколько сложно выглядит уравнение той же спирали Архимеда в декартовой пря- моугольной системе, приведем это уравнение для случая а>0. Имея в виду, что р — У'X2 -\-у2, ф = arctg 2лп arctg ~ +11 + 2лп -^-sgny+2лп при х>0, при х<0, при х = О, где п=0, ±1, ±2, ..., мы получим, что для случая а>0 спираль Архимеда определяется следующей бесконечной системой уравнений (номер п прини- мает значения 0, ±1, ±2, У х2 ~|~у2 = a (arctg + 2лп^ при х > О, Ух2 — a (arctg-j—|-л -|-2лл) при х < О, |у | = a(-^-sgnj'-|-2^n^ при х = 0. 4. Два типа задач, связанных с аналитическим представле- нием линии. В связи с аналитическим представлением линии воз- никают задачи двух типов. Задачи первого типа заключают- ся в изучении свойств линии при помощи заранее данного уравнения этой линии. Такое изучение проводится средствами математического анализа и выходит за рамки аналитической гео- метрии. В самом деле,'уравнение линии устанавливает функ- циональную зависимость между координатами точек этой линии и задача первого типа, по существу, представляет собой геометрическое исследование графика функции (см. гла^ ву 9 выпуска 1). Задачи второго типа заключаются в выводе уравнения ли- нии, заранее заданной геометрически (например, линии, задан- ной как геометрическое место точек, удовлетворяющих некоторым условиям). Примерами задач второго типа могут служить все рассмо- тренные в п.п. 1—3 задачи (вывод уравнения окружности, циклоиды и спирали Архимеда). *) Конечно, при неограниченном изменении угла q> (в случае а>0 в по- ложительную, а в случае в<0 в отрицательную сторону) как сплошная, так и пунктирная спирали будут иметь бесчисленно много завитков, не изобра- женных на рйс. 4.3.
98 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ [ГЛ. 4 5. Классификация плоских линий. Исходя из аналитического представления линий относительно декартовых прямоугольных систем координат, устанавливают следующую классификацию плоских линий. _ Определение 1. Линия называется алгебраической, если в некоторой декартовой прямоугольной системе координат она определяется уравнением Ф(х,у)=0, (4.1) в котором функция Ф(х, у) представляет собой алгебраический полином *). Определение 2. Всякая неалгебраическая линия называет- ся трансцендентной. Определение 3. Алгебраическая линия называется лини- ей порядка п, если в некоторой декартовой прямоугольной системе координат эта линия определяется уравнением (4.1), в котором функция Ф(х, у) представляет собой алгебраический п&лином п-й степени. ' Иными словами, линией п-го порядка называется линия, определяемая в некоторой декартовой прямоугольной системе алгебраическим уравнением степени п с двумя неизвестными. Для установления корректности определений 1, 2 и 3 необхо- димо доказать следующее утверждение. Теорема 4.1. Если линия в некоторой декартовой прямо- угольной системе координат определяется алгебраическим урав- нением степени п, то эта линия и в любой другой декартовой прямоугольной системе координат определяется алгебраическим уравнением той же степени п. Доказательство. Предположим, что линия L в некото- рой декартовой прямоугольной системе координат определяется уравнением Ф(х,г/)=0, (4.1) левая часть которого представляет собой алгебраический поли- ном степени п, т. е. сумму слагаемых вида аыхку1, где k и I — целые неотрицательные числа, причем наибольшее значение суммы k + l равно п, аи — некоторые постоянные, при- чем хотя бы для одной пары k и I, составляющих в сумме п, по- стоянная аы отлична от нуля. Возьмем на той же плоскости любую новую декартову пря- моугольную систему координат О'х'у'. Тогда, как доказано в *) То есть сумму конечного числа слагаемых вида ahlxkyl, где k и I — целые неотрицательные числа, ам — некоторые постоянные.
УРАВНЕНИЕ ЛИНИИ НА ПЛОСКОСТИ 99 § 1] § 1 главы 3, для координат любой точки в старой и новой си- стемах справедливы формулы преобразования (3.7). Чтобы по- лучить уравнение линии L в новой системе О'х'у', достаточно подставить в левую часть (4.1) на место х и у их значения, определяемые формулами (3.7). Мы получим при этом сумму слагаемых вида ам (а Ч- a2i/)* (Р 4~ + а22У'У- Отсюда ясно, что уравнение линии L в новой системе О'х'у' бу- дет представлять собой алгебраическое уравнение степени не выше, чем п. Если в проведенных рассуждениях поменять ролями систе- мы Оху и О'х'у', то мы убедимся в том, что указанное алгебраи- ческое уравнение (в системе О'х'у') имеет степень не ниже, чем п (иначе переход от О'х'у' к Оху повысил бы степень уравне- ния). Таким образом, линия L определяется в новой системе О'х'у' алгебраическим уравнением степени, равной п. Теорема 4.1 доказана. Примером алгебраической линии второго порядка мо- жет служить окружность (уравнение (4.3) которой в некоторой декартовой прямоугольной системе является алгебраическим уравнением'второй степени). Примером трансцендентной линии может служить спираль Архимеда, уравнение которой в декартовой прямоугольной системе не является алгебраическим (см. п. 3). Замечание. Будем называть алгебраическую линию L распадаю- щейся, если алгебраический полином Ф(х,у) степени п^-2, стоящий в ле- вой части уравнения этой линии, распадается на произведение Ф:(х,у)Х ХФ2(х, у) двух алгебраических полиномов Ф|(х, у) и Ф2(х, у) степеней k > и п — k 1 соответственно. Из равенства Ф(х,у) = Ф1(х, у)- Ф2(х, у) очевидно, что координаты х и у точки М удовлетворяют уравнению Ф(х, у)=0 тогда и только тогда, когда эти координаты удовлетворяют хотя бы одному из уравнений Ф] (*,</)= О или Ф2(х, у)=0. Это означает, что линия L, определяемая уравнением Ф(х, у)=0, распадается на две линии: линию L\, определяемую уравнением Ф1(х, у)=0, и линию Li, определяемую уравнением Ф2(х, у)=0. Так, линия четвертого порядка, определяемая уравнением х4+у4+2х2у2—5х2—5у2 + 4= (х2+у2—1) (х2+у2—4) =0, распадается на две окружности, определяемые уравнениями х2+у2—1=0 и х2+у2—4=0. Линия четвертого порядка, определяемая уравнением х4+у4+2х2у2 — 2х2 — 2у2 +1 = (х2+у2 — 1)2=0, распадается на две «слившиеся» окружности, определяемые уравнением вто- рого порядка х2+у2—1=0. В отношении этой последней линии следует до- говориться, какое из чисел 2 или 4 мы будем понимать под ее порядком. 6. О пересечении двух линий. Важную роль в аналитической геометрии играет задача о нахождении точек пересечения двух
100 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ [ГЛ. 4 произвольных линий Ц и L2, определяемых уравнениями Ф1(х, у) =0 и Ф2(х, у) =0 соответственно. Так как искомые точки пере- сечения в случае, если они существуют, должны одновременно лежать как на линии Lit так и на линии L2, то координаты этих точек должны удовлетворять каждому из уравнений Ф1(х, у) =0 и Ф2(х, у) =0. Таким образом, для нахождения координат всех точек пересечения сле- дует решить систему уравнений Рис. 4.4. Ф^х, у)=о, Ф2(х, у) = 0. (4.Ю) Каждое решение системы (4.10) определяет точку пересечения линий и L2. Если система (4.10) не имеет ре- шений, то линии Li и L2 не пересе- каются. Так, для нахождения точек пересечения двух окружностей, определяемых уравнениями x2 + t/2=l и (х—1)2 + г/2 = 2, решаем систему уравнений л2 + у2—1=0, (х — 1)2 + у2 — 2 = 0. Вычитая из первого уравнения (4.11) второе, получим 2х=0, откуда х=0. Вставляя это значение х в первое уравнение, най- дем, что у=±\. Получаем две точки пересечения ЛК (0,1) и Л42(0, —1) (рис. 4.4). - Можно доказать, что если, Li и Lj — Две нераспадающиеся алгебраиче- ские линии порядков тип соответственно и если одна из этих линий не содержится целиком в другой, то эти линии имеют не более чем т п точек пересечения (см. любой курс высшей алгебры). \ § 2. Уравнение поверхности и уравнения линии в пространстве 1. Понятие об уравнении поверхности. Предположим, что нам заданы: 1) декартова прямоугольная система координат Oxyz в пространстве и 2) некоторая поверхность 5. Рассмотрим не- которое уравнение, связывающее три переменные величины х, у и z, Ф(х,у,г)=0. (4.12) Определение. Уравнение (4.12) называется уравне- нием. поверхности S (относительно заданной системы ко- ординат), если этому уравнению удовлетворяют координаты х, у и z любой точки, лежащей на поверхности S, и не удовлетво-
§ 2] УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ В. ПРОСТРАНСТВЕ 101 ряют координаты к, у и z ни одной точки, не лежащей на по- верхности S. С точки зрения этого определения сама поверхность S пред- ставляет собой (в заданной системе координат) геометрическое место точек, координаты которых' удовлетворяют уравнению (4.12). Если (в заданной системе координат) рассматриваемое урав- нение (4.12) является уравнением поверхности S, то мы будем говорить, что это уравнение определяет поверхность S. Конечно, не всякое уравнение с тремя переменными вида (4.12) определяет геометрический образ, отвечающий нашему привычному представлению о поверхности (и вообще опреде- ляет реальный геометрический образ: рассмотрите уравнение x2 + «/2 + z2+l?=0). Чтобы уравнение вида (4.12) определяло гео- метрический образ, отвечающий нашему представлению о по- верхности, следует, вообще говоря, подчинить функцию Ф(х, у, г) некоторым ограничениям (например, требованию однозначной разрешимости функционального уравнения (4.12) относительно одной из переменных). Эти ограничения выясняются в курсе математического анализа (см. выпуск 1, главу 15, § 2). Аналогично определяется уравнение поверхности S в любой другой (не обязательно декартовой прямоугольной) системе ко- ординат. Если (4.12) представляет собой уравнение поверхности S в декартовой прямоугольной системе координат Oxyz, то, что- бы получить уравнение той же поверхности S относительно лю- бой другой системы координат, достаточно подставить в (4.12) на место х, у и z их выражение через новые координаты. Использование для определения некоторых поверхностей не- декартовых систем координат объясняется тем, что уравнение поверхности имеет При этом более простой вид. Легко убедиться в том, что в декартовой прямоугольной си- стеме Oxyz уравнение сферы радиуса /?>0 с центром в точке М0(а,Ь,с) имеет вид*) (х —a)2+(z/ —6)2+(z—с)2 = 7?2. (4.13) В самом деле, точка М{х, у, z) лежит на указанной сфере тогда и только тогда, когда квадрат расстояния между точками М(х, у, z) и Мо(а, Ь, с) (х — а)2+(у— b)2+(z — с)2 равен R2. В случае, когда центром Л40 сферы служит начало ко- ординат (т. е. а = 0, Ь = 0, с = 0), уравнение (4.13) принимает *) Эта сфера определяется как геометрическое место точек М(х, у, г), расстояние каждой из которых от точки Му(а,Ь,с) равно /?,
102 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ [ГЛ. 4 более простой вид: x2+y2+z2=R2. (4.14) Если ввести сферические координаты г, 0, ср, связанные с де- картовыми координатами так, как указано в п. 3 § 4 главы 1, то уравнение сферы радиуса R с центром в начале координат принимает вид r=R. Это последнее уравнение, сразу вытекающее из геометри- ческого определения сферы, может быть получено и посредством подстановки в (4.14) на место х, у и z их выражений через сфе- рические координаты. 2. Уравнения линии в пространстве. Линию в пространстве естественно рассматривать как пересечение двух поверхностей, т. е. как геометрическое место точек, находящихся одновремен- но на двух поверхностях. Если Ф1(х, у, z)=0 и Ф2 (х, у, z) =0 суть уравнения двух по- верхностей, пересечением которых является данная линия L, то 1) координаты любой точки, лежащей на линии L, удовле- творяют обоим указанным уравнениям, 2) обоим указанным уравнениям не удовлетворяют координаты ни одной точки, не лежащей на линии L. Таким образом, два уравнения (Ф.(х, у, z) = 0, { Ф2(х, у, z) = 0 (4>15) совместно определяют линию L, т. е. являются уравнениями этой линии. Разумеется, данную линию L можно представить двумя урав- нениями бесчисленным множеством способов: вместо., данных двух поверхностей можно взять любую пару поверхностей, пере- секающихся по той же линии L. Аналитически это означает, что вместо системы (4.15) можно взять любую эквивалентную си- стему. Например, уравнения двух сфер Г x2 + y2+z2=l, ( x2+^2+(z— 3)2= 10 совместно определяют лежащую в плоскости Оху окружность радиуса единица с центром в начале координат. Ту же.самую окружность можно определить и двумя уравне- ниями х2-|-г/2-|-г2= 1,
§ 21 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ 103 во втором из которых в качестве R можно взять любое вещест- венное число, превосходящее единицу. 3. Цилиндрические и конические поверхности. Предположим, что в пространстве задана декартова прямоугольная система ко- ординат Oxyz. Определение 1. Поверхность S называется цилиндри- ческой поверхностью с образующей, параллельной оси Oz, если она обладает следующим свойством: какова бы ни бы- ла лежащая на этой поверхности точка М0(х0, уо, z0), прямая линия, проходящая^ через эту точку и параллельная оси Oz, це- ликом лежит на поверхности S. Любую целиком лежащую на цилиндрической поверхности S прямую называют образующей этой поверхности. Совершенно аналогично определяются- цилиндрические по- верхности с образующими, параллельными осям Ох или Оу. Определение 2. Поверхность S называется конической с вершиной в начале координат О, если она обладает следующим свойством: какова бы ни была лежащая на этой поверхности и отличная от начала координат точка MQ(x0, у0, z0), прямая ли- ния, проходящая через точку Мо и через начало координат О, целиком лежит на поверхности S. Постараемся выяснить, какими уравнениями определяются цилиндрические и конические поверхности. Ради определенности будем рассматривать цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной оси Oz. Докажем, что всякое уравнение вида F(x,y)=0, (4.16) связывающее две переменные х и у и не содержащее z, опре- деляет цилиндрическую поверхность с образующей, параллель- ной оси Oz. Пусть М0(ха, у0, z0) —любая точка, лежащая на поверхности S, определяемой уравнением (4.16). Тогда координаты этой точ- ки должны удовлетворять уравнению (4.16), т. е. справедливо равенство F(xwyo)~O. (4.17) Достаточно доказать, что любая точка М прямой, проходя- щей через Мо и параллельной оси Oz, также лежит на поверх- ности S, т. е. имеет координаты, удовлетворяющие уравнению (4.16). Какова бы ни была точка М прямой, проходящей через Мо(хо, у0, z0) и параллельной оси Oz, ее абсцисса и ордината те же, что и у точки Л40, т. е. равны соответственно х0 и t/0, а ап- пликата z имеет какое угодно значение. Но в уравнение (4.16)
104 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ [ГЛ. 4 входят только абсцисса и ордината, а они в силу равенства (4.17) удовлетворяют этому уравнению. \ Тем самым доказано, что S — цилиндрическая поверхность с образующей, параллельной оси Oz. Заметим, что на координатной плоскости Оху уравнение (4.16) определяет плоскую линию, которую обычно называют направляющей рассматриваемой цилиндрической поверхности. В пространстве эта линия определяется двумя уравнениями: 1 F(x, у) = 0, 1 г — 0, первое из которых определяет рассматриваемую цилиндриче- скую поверхность, а второе — координатную плоскость Оху*). В качестве примера приведем уравнение х2 + у2 = г2, опреде- ляющее круглый цилиндр с образующей, параллельной оси Oz, и с направляющей^ представляющей собой лежащую в плоско- сти Оху окружность единичного радиуса с центром в начале ко- ординат. Перейдем к выяснению вида уравнения конической поверх- ности. Напомним, что определенная для любых значений аргумен- тов функция F(x,y,z) называется однородной функцией (сте- пени п), если, каково бы ни было вещественное число k, спра- ведливо равенство F(kx, ky, kz) = knF(x, у, z). ' (4.18) Докажем, что уравнение F(x, у, z)=0, (4.19) в котором F(x,y,z) является однородной функцией любой сте- пени п, определяет коническую поверхность. Пусть Л4о(х0, Уо, 20)—любая отличная от начала координат точка, лежащая на поверхности S, определяемой уравнением (4.19). Тогда справедливо равенство F(x0, Уо, ZO) =0. (4.20) Достаточно доказать, что, какова бы ни была точка М(х, у, г), лежащая на прямой, проходящей через точку Л4о(хо, */о, Zq) и через начало координат О, координаты х, у и z этой точки удо- влетворяют уравнению (4.19). Так как векторы ОМ и ОМй коллинеарны (как лежащие на одной прямой) и вектор ОМа является ненулевым, найдется (в *) Ибо уравнению г=0 удовлетворяют координаты любой точки, лежа- щей на плоскости Оху, и не удовлетворяют координаты ни одной точки, не лежащей на этой плоскости.
§ 2] УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ 105 силу теоремы 2.1) вещественное число k такое, что OM—k-OM0. На основании линейных свойств координат вектора (см. п. 8 § 1 главы 2) можно утверждать, что координаты вектора ОМ равны соответствующим координатам вектора ОМ0, умножен- ным на число k, т. е. x — kx0, y—ky0, z=kz0. Из последних равенств и из того, что F(x,y,z) (как однородная функция некоторой степени и) удовлетворяет соотношению (4.18), получим F(x, у, z) =F(kx0, ky0, kz0) =knF(x0, y0, z0), а отсюда в силу равенства (4.20) окончательно будем иметь F(x,y,z)=0. Доказательство того, что поверхность S, определяемая уравне- нием (4.19) с однородной функцией F(x,y,z), является кониче- ской, завершено. Заметим, что прямые, целиком лежащие на конической по- верхности, называются ее образующими и что все образующие (как это видно из проведенного доказательства) проходят через начало координат О. Простейшим примером конической поверхности может слу- жить круглый конус, определяемый уравнением х2 + у2— z2 = Q. Эта поверхность исследуется в п. 4 § 3 главы 7. Функция F(х, у, z) = х2 + у2 — z2, задающая ее уравнение^ является одно- родной функцией второго порядка. 4. Параметрические уравнения линии и поверхности в про- странстве. В п. 2 мы рассматривали линию в пространстве как пересечение двух поверхностей. Возможен и очень естествен с кинематической точки зрения и другой подход к понятию ли- нии в пространстве, основанный на рассмотрении этой линии как пути, пройденного материальной точкой, непрерывно движу- щейся по определенному закону. Как и для случая плоской линии (см. п. 2 § 1), этот подход приводит к параметрическому представлению линии в пространстве, заключающемуся в том, что координаты х, у и z любой точки данной линии задаются как непрерывные функции некоторого параметра t (представляющего собой, время). Итак, при таком подходе координаты х, у, z любой точки линии L за- даются как три функции х=ф(0. z=x(0, (4.21) определенные и непрерывные в некотором промежутке измене- ния параметра t.
106 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ [ГЛ 4 Конечно, этот способ определения линии в пространстве эк- вивалентен определению ее в виде пересечения двух поверхно- стей. Чтобы убедиться в этом, предположим, что хотя бы одна (например, третья) из функций (4.21) допускает обратную. В таком случае из третьего равенства (4.21) получим, что t= =Х-1(2), и> подставляя это значение t в первые два равенства {4.21), получим уравнения двух поверхностей х=ф[%"1(г)], г/=ф[%-1(г)], пересечением которых служит данная линия. В качестве примера приведем параметрические уравнения окружности радиуса г>0, лежащей в координатной плоскости Оху и имеющей центр в начале координат. В декартовой прямо- угольной системе на плоскости Оху такая окружность опреде- ляется одним уравнением х2 + г/2=г2 (см. п. 1 § 1), в простран- стве же эта окружность определяется двумя уравнениями: | x2 + i/2 = r2, I 2 = 0, первое из которых определяет цилиндрическую поверхность, на- правляющей которой служит рассматриваемая окружность и образующая которой параллельна оси Oz, а второе уравнение определяет координатную плоскость Оху. Из п. 2 § 1 мы уже знаем, что на плоскости Оху параметри- ческие уравнения окружности х2+у2 = г2 имеют вид x=rcost, £/=r sin t, где 0 ^<2л. Очевидно, та же окружность в пространстве задается тремя уравнениями: x = rcost, y = rsmt, z=0, причем параметр t пробегает полусегмент 0-^Д<2л. Для параметрического задания поверхности координаты лю- бой точки этой поверхности должны быть заданы как функции не одного, а двух параметров р и q. Убедимся в том, что три уравнения х=<р(рл), г/=ф(р,?), с=х(рл) (4.22) определяют в пространстве некоторую поверхность. Для этого предположим, что хотя бы одна пара из трех ура- внений (4.22) может быть разрешена относительно параметров р и q. Допустим, например, что из первых двух уравнений (4.22) р и q могут быть выражены как функции х и у. р=Ф1(х,у), q = 4>2(x, у).
§ 2] УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ 107 Вставляя эти значения р и q в третье уравнение (4.22), мы получим уравнение с тремя переменными z —х[Ф1(х,у), Ф2(х,У)] = О, определяющее, как нам известно, некоторую поверхность*). В качестве примера приведем параметрические уравнения сферы радиуса г>0 с центром в начале координат: х = г cos 0 sin ф, у = г sin 9 sin ф, z=r cos ф. Здесь параметры 9 и ф представляют собой угловые сфериче- ские координаты (долготу и широту) точек поверхности сферы (см. § 4 главы 1). Для того чтобы все точки сферы обходились один раз, следует ограничить область изменения параметров промежутками 0 0<2л, 0 ф л. 5. Классификация поверхностей. В полной аналогии с клас- сификацией плоских кривых устанавливают следующую классик фикацию поверхностей. Определение 1. Поверхность называется алгебраиче- ской, если в некоторой декартовой прямоугольной системе ко- ординат она определяется алгебраическим уравнением с тремя переменными. Определение 2. Всякая не алгебраическая поверхность на- зывается трансцендентной. Определение 3. Алгебраическая поверхность называется поверхностью порядка п, если в некоторой декартовой Прямоугольной системе координат она определяется алгебраи- ческим уравнением степени п с тремя переменными. Для установления корректности этих определений необхо- димо доказать следующее утверждение. Теорема 4.2. Если поверхность в некоторой декартовой прямоугольной системе координат определяется алгебраическим уравнением степени п, то эта поверхность и в любой другой де- картовой прямоугольной системе координат определяется алге- браическим уравнением той же степени п. Доказательство теоремы 4.2 вполне аналогично доказатель- ству теоремы 4.1 и опирается на доказанное в § 2 главы 3 ут- верждение: каковы бы ни были две произвольные декартовы прямоугольные системы координат, координаты х, у и z любой точки пространства относительно первой системы являются ли- нейными функциями координат х', у' и г' той же точки отно- сительно второй системы. С помощью этого утверждения и рассуждений, полностью аналогичных тем, которые проводятся при доказательстве теоремы 4.1, мы получим, что если поверх- *) Конечно, при этом требуются некоторые ограничения.
108 УРАВНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЛИНИИ (ГЛ. 4 ность S в некоторой декартовой прямоугольной системе Oxyz определяется алгебраическим уравнением степени п, то эта по- верхность в любой другой декартовой прямоугольной системе O'x'y'z' определяется алгебраическим уравнением степени не выше п. Поменяв ролями системы Oxyz и O'x'y'z', мы завер- шим доказательство теоремы 4.2. Замечание 1. Так же как и в случае плоской линии, вво- дится понятие распадающейся алгебраической поверхности. Замечание 2. Пространственная линия называется ал- гебраической, если она может быть определена как пересечение двух алгебраических поверхностей. Всякая не алгебраическая линия называется трансцендентной. 6. О пересечении поверхностей и линий в пространстве. Для отыскания точек пересечения поверхностей или линий (или по- верхностей и линий) следует рассмотреть совместно уравнения, определяющие указанные геометрические объекты. Решение по- лученной при этом системы и определит нам координаты всех точек пересечения. Если полученная система не имеет решений, то точек пересечения нет. Так, например, если заданы две линии, первая из которых определяется уравнениями Ф1(х,у,г)=0 и Ф2(x,y,z) =0, а вто- рая— уравнениями Ф3(х, у, г)—0 и ФДх, у, г) =0, то коорди- наты точек пересечения этих двух линий (в случае, если точки пересечения существуют) обязаны быть решением системы че- тырех уравнений с тремя неизвестными: | Ф1 (х, у, z) = 0, Ф2 (х, у, z) 0, I Ф3 (х, у, z) = 0, Ф4 (х, у, z) = 0. Так как число неизвестных меньше числа уравнений, то послед- няя система, вообще говоря, не имеет решений, т. е. две линии в пространстве, вообще говоря, не пересекаются. 7. Заключительные замечания.'Линии и поверхности выше второго порядка не входят, в учебные курсы аналитической гео- метрии (им посвящены специальные сочинения). В нашем курсе мы ограничимся изучением плоских линий и поверхностей пер- вого и второго порядков. В главе 5 будут рассмотрены линии и поверхности первого, порядка (их называют также линейными образами*)). В главе 6 изучаются плоские линии второго порядка, в главе?— поверхности второго порядка; *) Термин «линейный» объясняется тем, что в левой части уравнения первого порядка стоит линейная функция.
ГЛАВА 5 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ Эта глава посвящена всестороннему изучению прямых линий на плоскости и плоскостей и прямых линий в пространстве. Убедившись в том, что этими объектами исчерпываются все линейные образы (т. е. геометрические объекты, определяемые линейными уравнениями), мы вводим в рассмотрение различные виды уравнений прямой и плоскости и останавливаемся на их использовании для решения важнейших задач. § 1. Различные виды уравнения прямой на плоскости 1. Общее уравнение прямой. Докажем сначала, что если на плоскости л задана произвольная прямая линия L и фиксиро- вана произвольная декартова прямоугольная система Оху, то прямая L определяется в этой системе уравнением первой сте- пени. Достаточно доказать, что прямая L определяется уравнением первой степени при каком-то одном специальном выборе декар- товой прямоугольной системы на плоскости л, ибо тогда она бу- дет определяться уравнением первой степени и при любом вы- боре декартовой прямоугольной системы на плоскости л (в силу теоремы 4.1). Направим ось Ох вдоль прямой L, а ось Оу пер- пендикулярно к ней. Тогда уравнением прямой будет уравнение первой степени у = 0. В самом деле, этому уравнению будут удо- влетворять координаты любой точки, лежащей на прямой L, и не будут удовлетворять координаты ни одной точки, не лежа- щей на прямой L. Утверждение доказано. Докажем теперь, что если на плоскости л фиксирована про- извольная декартова прямоугольная система Оху, то всякое уравнение первой степени с двумя переменными х и у опреде- ляет относительно этой системы прямую линию.
110 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ (ГЛ. 5 В самом деле, пусть фиксирована произвольная декартова прямоугольная система Оху и задано уравнение первой степени Лх+Ву+С=0, (5.1) в котором И, В и С — какие угодно постоянные, причем из по- стоянных А и В хотя бы одна отлична от нуля. Уравнение (5.1) заведомо имеет хотя бы одно решение х0, уо*), т. е. существует хотя бы одна точка М0(ха,у0), координаты которой удовлетво- ряют уравнению (5.1): Дхо+В t/o4" С=0. (5.2) Вычитая из уравнения (5.1) тождество (5.2), мы получим ура- внение А(х — х0) +В(у — у0) =0, (5.3) эквивалентное уравнению (5.1). Достаточно доказать, что ура- внение (5.3) определяет относительно системы Оху некоторую прямую. Мы докажем, что уравнение (5.3) (а стало быть, и (5.1)) определяет прямую L, проходящую через точку М0(х0,уй) и перпендикулярную вектору п = {Д,В} (так как Л и В одновре- менно не равны нулю, то вектор п ненулевой). В самом деле, если точка М(х, у) лежит на указанной пря- мой L, то ее координаты удовлетворяют уравнению (5.3), ибо в этом случае векторы п = {Л,В} и Л40Л4 = {х— х0, у — уа] ортого- нальны и их скалярное произведение А(х—х0)+В(у — у0) (5.4) равно нулю. Если же точка М(х, у) не лежит на указанной пря- мой L, то ее координаты не удовлетворяют уравнению (5.3), ибо в этом случае векторы п и М0М не ортогональны и поэтому их скалярное произведение (5.4) не равно нулю. Утверждение до- казано. Уравнение (5.1) с произвольными коэффициентами А, В и С такими, что А и В не равны нулю одновременно, называется общим уравнением прямой. Мы доказали, что прямая, опреде- ляемая общим уравнением (5.1), ортогональна к вектору п = — {А, В}. Этот последний вектор, мы будем называть нормаль- ным вектором прямой (5.1). Замечание. Если два общих уравнения Ax+By+C=Q и Д1х + В1у+С1 = 0 определяют одну и ту же прямую, то найдется *) В самом деле, А и В одновременно не равны нулю. Пусть, например, В =# 0. Тогда, взяв произвольное х0, мы получим из уравнения (5.1) уа = _ _ л с В Х° ~В'
S1] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ Ц] такое число t, что справедливы равенства Ai=At, B^Bt, C^Ct, (5.5) т. е. коэффициенты At, Bit С4 второго уравнения равны соответ- ствующим коэффициентам А, В и С первого уравнения, умно- женным на некоторое число t. В самом деле, по условию прямые, определяемые уравне- ниями Ax+By + C=Q и Агх +Вщ+С^®, сливаются. Стало быть, нормальные векторы п = {А,В} и ni={Ai, коллинеарны. Так как, кроме того, вектор п ненулевой, найдется (в силу теоремы 2.1) число t такое, что nt = n^, а отсюда и из линейного свойства координат вектора вытекают первые два из равенств (5.5). До- кажем справедливость и последнего равенства (5.5). Слившиеся прямые имеют общую точку А4о(хо, Уо), так что Axo+By^ + C—Q и AiXq + B^o+C^O. Умножая первое из этих равенств на t и вычитая из него второе равенство, будем иметь (At — Ai)xo + + (Bt— Bt)y6+(Ct— 0^=0. Отсюда в силу первых двух ра- венств (5,5) Ct’—Ct = O, т. е. Ci = Ct. 2. Неполные уравнения прямой. Уравнение прямой в отрезках. Общее уравнение прямой (5.1) называется полным, если все его коэффициенты А, В и С отличны от нуля. Если хотя бы один из указанных коэффициентов равен нулю, уравнение называется неполным. Рассмотрим все возможные виды неполных уравнений. 1) С=0, уравнение Ax+By = t) определяет прямую, проходя- щую через начало координат (поскольку координаты начала удовлетворяют этому уравнению). 2) В = 0, уравнение Ах+С=0 определяет прямую, парал- лельную оси Оу (поскольку нормальный вектор этой прямой п={А, 0} ортогонален оси Оу). 3) А =0, уравнение Bi/+0=0 определяет прямую, парал- лельную оси Ох (поскольку нормальный вектор этой прямой п = {0, В} ортогонален оси Ох). 4) В = 0 и С = 0, уравнение Ах = 0 определяет ось Оу (в са- мом деле, эта прямая параллельна оси Оу и проходит через на- чало координат). 5) А=0, 0=0, уравнение Ву = § определяет ось Ох (ибо эта прямая параллельна оси Ох и проходит через начало коор- динат). Рассмотрим теперь полное уравнение прямой (5.1) и по- кажем, что оно может быть приведено к следующему виду: J+'b1’ М называемому уравнением прямой «в отрезках»,
112 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 В самом деле, так как все коэффициенты А, В и С отличны от нуля, мы можем переписать уравнение (5.1) в виде А В С . С и затем положить а — — -j, о =— Заметим, что в уравнении «в отрезках» (5.6) числа а и b имеют простой геометрический смысл: они равны величинам отрезков, которые отсекает прямая на осях Ох и Оу соответственно (отрезки отсчиты- ваются от начала координат, см. рис. 5.1). Чтобы убедиться в этом, достаточно найти точки пересечения прямой, определяемой уравнением (5.6), с осями координат. На- пример, точка пересечения с осью Ох оп- ределяется из совместного рассмотрения уравнения прямой (5.6) с уравнением у —О оси Ох. Мы получим координаты точки пе- ресечения х = а, у = 0. Аналогично уста- навливается, что координаты точки пересечения прямой (5.6) с осью Оу имеют вид х = 0, у = Ь. Уравнение прямой в форме «в отрезках» удобно использо- вать для построения этой прямой на чертеже. 3. Каноническое*) уравнение прямой. Любой ненулевой век- тор, параллельный данной прямой, будем называть направ- ляющим вектором этой прямой. Поставим перед собой задачу: найти уравнение прямой, про- ходящей через данную точку Mi(xi, yt) и имеющей заданный направляющий вектор q = {/, пг}. Очевидно, точка М(х,у) лежит на указанной прямой тогда и только .тогда, когда векторы MtM = {x — xit у — yt} и q = {/, m} коллинеарны, т. е. тогда и только тогда, когда координаты этих векторов пропорциональны (см. следствие из теоремы 2.17): = (5.7) 1m \ / Уравнение (5.7) и есть искомое уравнение прямой. Это уравне- ние называют обычно каноническим уравнением прямой. Заметим, что в каноническом уравнении (5.7) один из зна- менателей I или пг может оказаться равным нулю (оба числа *) Термин «канонический» (от греческого xocvov— правило, предписание, образец) понимается здесь как «типовой», «традиционный».
§ 1] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ ЦЗ I и т равняться нулю не могут, ибо вектор q — {l,tn} ненулевой), ~ ас Так как всякую пропорцию мы договорились понимать как равенство ad=bc, обращение в нуль одного из знаменате- лей в (5.7) означает обращение в нуль и соответствующего чис- лителя. В самом деле, если, например,/.= 0, то, поскольку /п=#0, из равенства 1(у — у^—т(х— xt) заключаем, что х— Х! = 0. В заключение запишем уравнение прямой, прохо-- дящей через две данные точки Afi(xi,i/i) н. М2{х2,у2) (конечно, эти точки считаются отличными друг от друга). Так как за направляющий вектор такой прямой можно взять век- тор q = M1M2 = {-’(:2 — *i, Уг— У1} и прямая проходит через точку All (Xi, i/i), то из канонического уравнения (5.6) получим уравне- ние искомой прямой в виде х —- Х\ _ у — У\ (5 8) •^2 — ^1 У2 — У1 * ' 4. Параметрические уравнения прямой. Параметрические уравнения прямой элементарно получаются из канонического уравнения этой прямой. Примем за параметр t величину, стоя- щую в левой и в правой частях (5.7). Так как один из знамена- телей (5.7) отличен от нуля, а соответствующий числитель мо- жет принимать какие угодно значения, то областью, изменения параметра t является вся вещественная ось: — 00 < t < 00. Мы получим х — Xi = lt, у — yi = mt или окончательно J X==Xy~\~lt, \y.=yx + mt. Уравнения (5.9) и есть искомые параметрические урав- нения прямой. Уравнения (5.9) допускают наглядную ме- ханическую интерпретацию. Если считать, что параметр t — это время, отсчитывав- у к мое от некоторого начального момента, то / параметрические уравнения (5.9) опреде- / ляют закон движения материальной точки по прямой линии с постоянной скоростью / V— Y 12 + т2 (такое движение происходит по инерции). ----°— 5. Прямая с угловым коэффициентом. / М х Рассмотрим любую прямую, не параллель- ную оси Ох. Введем понятие угла на- Рис' клона этой прямой к оси Ох. Пред- положим, что рассматриваемая прямая пересекает ось Ох в точ- ке А (рис. 5.2). Возьмем на оси Ох произвольную точку М, ле- жащую по ту сторону от точки А, куда направлена ось Ох, (5-9)
ш ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 а на рассматриваемой прямой, произвольную точку N, лежащую по ту сторону от точки А, куда направлена ось Оу. Угол <х = = Z..NAM назовем углом наклона данной прямой к оси Ох. Если прямая параллельна оси Ох или совпадает с ней, то угол наклона этой прямой к оси Ох мы будем считать равным нулю. Тангенс угла наклона прямой к оси Ох назовем угловым ко- эффициентом этой прямой. Если обозначить буквой k угловой коэффициент данной прямой, а буквой а угол наклона этой пря- мой к оси Ох, то по определению можно записать A = tga. Заметим, что для прямой, параллельной оси Ох, угловой коэффициент равен нулю, а для прямой, перпендикулярной оси Ох, угловой коэффициент не существует (в последнем случае иногда формально говорят, что угловой коэффициент «обраща- ется в бесконечность»). Выведем уравнение прямой, проходящей через данную точ- ку у^ и имеющей данный угловой коэффициент k. Для этого докажем сначала следующее утверждение: если прямая не параллельна оси Оу и имеет направляющий век- тор q = {l, пг}, то угловой коэффи- циент этой прямой k равен Пусть а — угол наклона прямой к оси Ох, а 0 — угол наклона направляющего вектора q={Z, m} к оси Ох. Так как прямая мо- жет быть наклонена к оси Ох под острым или под тупым углом и ее направляющий вектор q может иметь два противоположных направления, то возможны четыре случая, изображенных на рис. 5.3. В случаях 1) и 3) 0 = сс и для проекций на оси вектора q справедливы формулы Z = |q|cos9, m = \ q | cos — е) = | q [ sin 0. В случаях 2) и 4) 0 = л— а и для проекций вектора q справед- ливы формулы Z=|q|cos0, m— — |q|sin0. Таким образом, в случаях 1) и 3) tg0 = tga и -^- = tg0, а в случаях 2) и 4) tg 0 = — tga и -— — tg 0.
§ 1] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ Ц5 Стало быть, во всех четырех случаях tga = —, и наше ут- верждение доказано. Для того чтобы вывести уравнение прямой, прохо- дящей через заданную точку M1(xi, yt) и имеющей заданный угловой коэффициент k, умножим обе ча- сти канонического уравнения (5.7) на т и учтем, что -р — k. Мы получим искомое уравнение в виде У — yi = k(x — Xi). (5.10) Если мы теперь обозначим через b постоянную Ъ = у± — kxL, то уравнение (5.10) примет вид y = kx-\-b. (5.11) Уравнение (5.11) называется уравнением прямой с уг- ловым коэффициентом. В этом уравнении k обозначает угловой коэффициент данной прямой, а b представляет собой величину отрезка, отсекаемого данной прямой на оси Оу, начи- ная от начала координат. Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть совместно уравнение (5.11) и урав- нение х = 0 оси Оу и найти координаты точки пе- ресечения оси Оу и прямой (5.11): х = 0, у — Ь (рис. 5.4). 6. Угол между двумя прямыми. Условия па- раллельности и перпендикулярности двух прямых, а) Пусть сначала две прямые Ц и Ь2 заданы общими уравнениями А\Х-ТВ1У-|“ Ci = 0 и И2ХЛ- 52у4“ С2 — 0. Так как нормальным вектором прямой Ll является вектор П1 = {Л1, Д1}, а нормальным Вектором прямой Ь2 является вектор П2={Л2, В2}, то задача об определении угла между прямыми L\ и Z-2 сводится к определению угла <р между векторами п± и п2 *). Из определения скалярного произведения П1П2=[П1| |n2|cos <р и из выражения в координатах длин векторов щ и п2 и их ска- лярного произведения получим AjA2 -|-5;В2 COS ф = —- . -- ...'. VaI+b\.VaI + bI (5.12) Итак, угол ф между прямыми Ei и L2 определяется с по- мощью формулы (5.12). *) Любые две пересекающиеся прямые образуют два угла, в сумме рав- ных л. Нам достаточно определить один из них.
116 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 Условие параллельности прямых Lt и L2, эквива- лентное условию, коллинеарности векторов гц и п2, заключается в пропорциональности координат этих векторов, т. е. имеет вид*) Условие перпендикулярности прямых Lt и L2 мо- жет быть извлечено из формулы (5.12) (при cos<p = 0) или вы- . . ряжено равенством нулю скалярного 1 ’ произведения щ • п2. Оно имеет вид Л1Л2 + ВдВ2 = 0. (5.14) ~J б) Пусть теперь две прямые Li и L2 О /4ч\а заданы каноническими уравнениями — // * х — Xi У — У\ Х — Х2 У — Уг ' li mi l>2 m2 Рис- 5-5- Так как направляющими векторами пря- мых Lt и L2 служат векторы qt = {/t, mJ и q2={/2, m2}, то в полной аналогии со случаем а) мы по- лучим: 1) формулу для угла <р между прямыми Lt и L2: __________LL ~|~ лг । Mg_______ У /? + «?• V ll + m2 (5.12') 2) условие параллельности прямых Lt и L2: 3) условие перпендикулярности прямых Lt и L>: 1ф2+mtm2 = 0. (5.14') в) Пусть, наконец, две прямые Lt и L2 заданы уравнениями с угловым коэффициентом y=klx+bl и y = k2x + b2. Если at и а2 — углы наклона прямых Lt и L2 к оси Ох, а <р — один из углов между этими прямыми, то из элементарных соображений (рис. 5.5) вытекает, что <р = а2 — at. *). При этом, как и выше, мы понимаем пропорцию у = в смысле равенства ad=bc.
§ 1] . РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ Ц7 Таким образом, tgg2 — tgg, *2 —fe, 2 " 1 + tgg, tgg2 1-|~Л,*2' Мы получаем следующую формулу для определения угла ф: . <5Л2") Если в этой формуле поменять ролями k\ и k2 (от чего факти- чески лишь изменится знак на противоположный), то эта фор- мула определит нам другой угол между прямыми, смежный по отношению к прежнему углу (эти два угла в сумме соста- вляют л и тангенсы их отличаются лишь знаком). Прямые параллельны, когда тангенс угла между ними , ра- вен нулю, т. е. условие параллельности имеет вид k^k2 (5.13") (при этом числитель в (5.12") равен нулю, а знаменатель строго положителен). Условие перпендикулярности прямых Lt и L2 также можно получить из (5.12"). Оно отвечает случаю, когда тангенс угла ф не существует, т. е. случаю обраще- ния знаменателя формулы (5.12") в нуль: kjt2+1=0. Итак, условие перпендику- лярности прямых Li и Ь2 имеет вид k2 = -^. (5.14") 7. Нормированное уравнение пря- мой. Отклонение точки от прямой^ Рас- смотрим какую угодно прямую L. Проведем через начало коор- динат О прямую п, перпендикулярную L, и обозначим буквой Р точку пересечения указанных прямых (рис. 5.6). На прямой п возьмем единичный вектор п, направление которого совпадает с направлением отрезка ОР (в случае совпадения точек О и Р направление,п выберем произвольно). Поставим перед собой цель — выразить уравнение прямой L через два параметра: 1) длину р отрезка ОР, 2) угол 0 между вектором п и осью Ох. Так как п — единичный вектор, то его координаты, соответ- ственно равные его проекциям на оси координат, имеют вид *) n = {cos0, sin 0}. (5.15) *) В силу того, что проекция вектора на любую ось равна модулю этого вектора, умноженному на косинус угла наклона к оси (см. п. 8 § 1 главы 2),
118 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ (ГЛ. 5 Очевидно, точка М(х, у) лежит на рассматриваемой пря- мой L тогда и только тогда, когда- проекция вектора ОМ на ось, определяемую вектором п, равна р, т. е. при условии ирпОМ—р. (5.16) Так как п — единичный вектор, то в силу определения 2 ска- лярного произведения (см. п. 1 § 2 главы 2) прп(Ш=п -ОМ. (5.17) Имея в виду, что ОМ={х, у}, а вектор п определяется равен- ством (5.15), мы получим следующее выражение для скаляр- ного произведения этих векторов: п • ОМ = х cos 0 + у sin 0. (5.18) Из сопоставления (5.16), (5.17) и (5.18) вытекает, что точка М(х, у) лежит на прямой L тогда и только тогда, когда коор- динаты этой точки удовлетворяют уравнению х cos 0 + у sin 0— р = 0; (5.19) (5.19) и есть искомое уравнение прямой L (выраженное через два параметра: 0 и р). Это уравнение называется нормиро- ванным уравнением прямой. Введем теперь фундаментальное понятие отклонения произвольной точки М от данной прямой L. Пусть число d обозначает расстояние от точки М до прямой L. Назо- вем отклонением б точки М от прямой L число +d в случае, когда точка М и начало координат О лежат по разные стороны от прямой L, и число —d в случае, когда М и О лежат по одну сторону от L. Если же напало координат О лежит на прямой L, мы поло- жим отклонение равным +d в случае, когда М лежит по ту сторону от L, куда направлен вектор п, и равным —d в против- ном случае. Выясним геометрический смысл левой части уравнения (5.19) при любых х и у. Теорема 5.1. Левая часть нормированного уравнения пря- мой (5.19) равна отклонению точки М с координатами х, у от прямой L, определяемой уравнением (5.19). Доказательство. Спроектируем точку М на ось, опре- деляемую вектором п. Пусть Q — проекция точки М. Отклонение б точки М от прямой L равно PQ, где PQ обозначает величину направленного отрезка PQ оси, определяемой вектором п. Далее, из основного тождества (см. главу 1) очевидно (рис. 5.7), что ft=PQ = QQ — OP = OQ — р. (5.20)
§ 1] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ Ц9 Но OQ = np„OAf, а последняя проекция в силу формул (5.17) и (5.18) равна х cos 0 + «/ sin 0. Итак, OQ=x cos 0 + г/ sin 0. (5.20') Сопоставляя, формулы (5.20') и (5.20), получим 6 = х cos 0 + г/sin 0 — р. (5.21) Теорема доказана. Теорема 5.1 приводит нас к следующему правилу: для на- хождения отклонения 6 точки М (х0, у0) от прямой L следует в левую часть нормированного уравнения прямой L подставить на место х и у ко- ординаты х0 и у0 точки М. Разумеется, это правило позволяет отыскивать и расстояние от точки М. до прямой L, ибо расстояние равно мо- дулю отклонения. В заключение укажем алгоритм при- ведения общего уравнения прямой Ах+Ву+С=® к нормированному виду (5.19). Так как указанное общее уравнение и уравнение (5.19) должны определять одну и ту же прямую, то (в силу замечания в конце п. 1) най- дется число t такое, что M = cos0, /B = sin0, tC=— р. (5.22) Возвышая в квадрат первые два равенства и затем складывая их, получим ^2(Л2+В2) = 1, откуда VАг + В2 Остается уточнить, какой из знаков ± следует взятье в фор- муле (5.23). Так как по смыслу расстояние р всегда неотрица- тельно, то из третьего равенства (5.22) заключаем, что знак t противоположен знаку С. Итак, для приведения общего уравнения прямой Ах+Ву + '+С=0 к нормированному виду (5.19) следует умножить его на нормирующий множитель (5.23), знак которого противоположен знаку С. 8. Уравнение пучка прямых. Совокупность лежащих на дан- ной плоскости л прямых, проходящих через некоторую точ- ку S этой плоскости, принято называть пучком прямых с цент- ром в S. Центр S пучка прямых полностью определяется заданием двух различных прямых этого пучка. Зная центр пучка S(xb у^,
120 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 легко написать уравнение любой прямой этого пучка: для этого можно, например, использовать уравнение (5.10) прямой, про- ходящей через точку S(xlt yi) и имеющей заданный угловой ко-, эффициент k. Однако при решении задач представляется удоб- ным уметь писать уравнение любой прямой, проходящей через точку пересечения двух данных прямых, не вычисляя координат этой точки пересечения. В этом пункте и решается задача о нахождении уравнения пучка прямых, центром которого служит точка пересечения двух данных прямых, определяемых уравнениями А^х + В\у + С[ — 0 и А2х+В2у + С2 — 0. Докажем следующую основную теорему. Теорема 5.2. Если Atx + В^ + Ci — O и А2х+В2у + С2 = 0 суть уравнения двух различных прямых, пересекающихся в некото- рой точке S, а а и р -— какие угодно не равные одновременно нулю числа, то а (Л1Х + В{у+Ci) + р (Л2Х + В2У+Oz) =0 (5-2) есть уравнение прямой, проходящей через точку S. Более того, какова бы ни была наперед заданная проходящая через точ- ку S прямая, она определяется уравнением (5.24) при некото- рых а и р. Доказательство. Прежде всего, установим, что при лю- бых а и р, не равных одновременно нулю, равенство (5.24) представляет собой уравнение первого порядка (т. е. в этом ра- венстве хотя бы один из коэффициентов при х или при у не ра- вен нулю). Собирая в равенстве (5.24) коэффициенты при х и у, перепишем это равенство-в виде (oo4i +рЛг)яЧ" (аВ1 + рВг)у+ (aCj + pCz) =0. (5.24х) Если бы имели место равенства аЛ1 + рЛ2=0 и aBi + pB2 = 0, то из этих равенств, предполагая, например, что а¥=0*), мы полу- чили бы * £_ = _£ т. е А = А2 а ’ В2 а ' ' ' А2 В2 ‘ Последнее равенство (см. п. 6) есть условие параллель- ности прямых, определяемых уравнениями X1x + B1i/ + C1 = 0 и A2x-\-B2y + C2 = Q, и противоречит предположению о том, что эти прямые пересекаются и не совпадают. Итак, (5.24) при любых а и р, не равных одновременно нулю, представляет собой уравнение первой'степени, определяю- щее (в силу результатов п. 1) некоторую прямую. *) По условию одно из чисел а и р отлично от нуля.
§ И РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ 121 Эта прямая заведомо проходит через точку S(x0, Уо) пере- сечения двух прямых, определяемых уравнениями А iX 4- Biy + Ci=0 и А%х + В2У С2“ 0. В самом деле, так как S(x0, t/o) принадлежит каждой из двух указанных прямых, то справедливы равенства Л1Х0+BiyQ+Сх = 0 и A2XQ + В2Уо + С2=0, из которых вытекает, что при любых аир а(Д1Хо-|-В11/о-|- С,) + (А2х0+В2уо + С2) =0, т. е. координаты Хо и у0 точки, S удовлетворяют уравнению (5.24). Остается доказать, что, какова бы ни была наперед за- данная проходящая через точку S прямая, она определяется уравнением (5.24) при некоторых аир. Наперед заданная про- ходящая через точку S(x0, у0) прямая однозначно определяется заданием еще одной отличной от S точки М*(х*, у*), ей при- надлежащей. Таким образом, достаточно доказать, что не рав- ные одновременно нулю аир можно выбрать так, что коорди- наты х*, у* наперед заданной точки М* будут удовлетворять уравнению (5.24) при этих аир. Подставляя в (5.24) на место х и у координаты х* и у* точки М*, получим равенство а (А{Х* + Biy* + Ci) + р (АгХ* -УВ2У* + С2) — 0. (5.25) Прежде всего, заметим, что (5,25) представляет собой уравне- ние относительно а и р. В самом деле, обе круглые скобки, яв- ляющиеся коэффициентами при а й р, обратиться в нуль не мо- гут, ибо это означало бы, что две прямые, определяемые урав- нениями Xix + BiZ/-|-Ci = O и Л2х + В2у + С2=0, проходят через точку М*. (Последнее невозможно в силу того, что эти прямые не совпадают и проходят через точку S, отличную от М*.) Итак, хотя бы одна из круглых скобок в (5.25) отлична от нуля. Пусть, например, Л1х* + В1(/* + С1=#0. Тогда, задав произвольно Р=#0, мы определим из уравнения (5.25) коэффициент а п А2Х* 4~ В2у* С2 а При указанных аир пр5Тмая, определяемая уравнением (5.24), проходит через точку Л1*(х*, у*). Случай, когда отлична от нуля вторая из круглых скобок в (5.25), рассматривается аналогично. Теорема доказана. Замечание. Так как в уравнении пучка (5.24) хотя бы одно из чисел аир отлично от нуля, то мы можем записывать
122 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ !ГЛ. 5 уравнение пучка не с двумя коэффициентами а и ‘₽, а с од- ним коэффициентом X, равным их отношению. Так, если отлич- но от нуля а, то, поделив (5.24) на а и положив X = мы полу- чим уравнение пучка в виде (XiX-TSiZ/ + Ct) +%(Л2х+B2y-V С2) —0. (5.26) Следует, однако, отметить, что уравнение (5.26) содержит все прямые, проходящие через точку пересечения прямых, опреде- ляемых уравнениямц Л;х + Вщ + С1 = 0 и А2х+В2у + С2 = 0, за исключением одной прямой — прямой, определяемой уравнением АгХ+В2у + С2 = 0 (она не получится из (5.26) ни при каком X). § 2. Некоторые задачи на прямую линию на плоскости Выше уже был рассмотрен ряд задач на прямую линию на плоскости (нахождение угла между двумя прямыми, установле- ние условий параллельности и перпендикулярности двух пря- мых, вычисление отклонения и расстояния точки от прямой, на- хождение уравнения прямой, проходящей через точку пересече- ния двух данных прямых). В этом параграфе мы рассмотрим ряд задач, развивающих и углубляющих материал предыдущего параграфа. 1. Нахождение прямой, проходящей через данную точку Jfi(Xi, уь) и составляющей заданный угол <р с данной прямой y—ktXA-bv Будем искать уравнение прямой, проходящей через точку ЛМ*!, у^) и составляющей заданный угол ср с определяемой уравнением y*=ktx+bt, в форме (5.10) У — yt = k(x — Xi). Прямая (5.10) проходит через точку Mi(xlr yi), и нам выбрать ее угловой коэффициент k так, чтобы она составляла угол <р с прямой y — kpc+bt. Заметим, что, взяв уравнение иско- мой прямой в виде (5.10), мы исключаем из рассмотрения пря- мую x=xit проходящую через точку A4i(xi, уг) и перпендику- лярную оси Ох. Так как искомая прямая y=kx +,(У1 — kxt) и прямая y = ktx+bt составляют угол ф, то в силу формулы (5.12") прямой, (5.10) остается ±tg<₽ = TTpv Из последнего уравнения определяем угловой коэффициент k искомой прямой: k — ^i= ±tg ф±АМё ф, и, стало быть, при (1 ± kt tg ф) =£0 получим A. fel±tg<p (5.27)
§ 2f НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ НА ПРЯМУЮ ЛИНИЮ НА ПЛОСКОСТИ 123 В случае, если знаменатель в формуле (5.27) обращается в нуль, угловой коэффициент не существует и искомую прямую, очевидно, следует определить уравнением х=хь Итак, окончательно, получаем уравнения двух искомых пря- мых в виде 1) = и У-У' = Т^№{х~ при kx tg<p + ± 1. 2) y — Dx= kl ~^tg<P (х — Xi) и х = хг при kx tg<p =— 1, 3) x = Xj и у — i/j = (х_Х]) при k-, tg<p = 1. 2. Нахождение биссектрис углов, образованных данными прямыми. Запишем уравнения двух данных прямых в нормиро- ванном виде. Пусть это будут xcos0 + ysin0— р = 0 и х cos 01 + г/sin 01 — Pi = 0. Левые части этих уравнений равны отклонениям 6i и б2 точки М(х, у) соответственно от первой и от второй прямой. На одной из биссектрис (отвечающей тому углу, в котором лежит начало координат) эти отклонения равны и по модулю, и по знаку, на другой биссектрисе отклонения 61 и 62 равны по мо- дулю и противоположны по знаку. Таким образом, уравнения искомых биссектрис имеют вид (х cos 6+у sin 0 — р)— (х cos 0i + у sin 0i — pi) =0 и (х cos 0+у sin 0 — р) + (х cos Qi+y sin 0i — pi) =0. 3. Условия, при которых данная прямая пересекает данный отрезок АВ- Запишем уравнение данной прямой в нормиро- ванном виде х cos 0 + у sin 0 — р = 0 и, подставив в левую часть последнего уравнения сначала координаты точки А, а затем ко- ординаты точки В, найдем отклонения дА и бв соответственно точек Л и В от данной прямой. Для того чтобы данная прямая пересекала отрезок АВ, необходимо и достаточно, чтобы точки Л и В лежали по разные стороны от этой прямой, т. е. необходимо и достаточно, чтобы отклонения бА и Ьв имели разные знаки. 4. Определение местоположения данной точки М и начала координат О относительно углов, образованных двумя данными прямыми. Пусть заданы две пересекающиеся прямые и требует- ся определить, в одном, в смежных или в вертикальных углах,
124 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 образованных этими прямыми, лежат данная точка М и начало координат О. Запишем уравнения данных прямых в нормиро- ванном виде и, подставив в левые части указанных уравнений координаты точки М, вычислим отклонения 61 и 62 точки М от первой и второй прямой соответственно. По определению откло- нения точка М и начало координат О лежат в одном углу, если оба отклонения 61 и 62 отрицательны, в вертикальных углах, если, отклонения 61 и 62 .оба положительны, и в смеж- ных углах, если и 62 имеют разные знаки. 5. Условие пересечения трех прямых в одной точке. Найдем условие, необходимое и достаточное для того, чтобы три прямые, определяемые уравнениями Д1Х+В11/ +Cj = 0, А2Х-}-В2У С2—О и Л3Х++Сз=0, перепекались в одной и только в одной точке. Так как мы ищем условия, при которых точка пересечения только одна, то необходимо предполагать, что из трех дан- ных прямых какие-нибудь две прямые пересекаются в одной точке (ибо в противном случае у трех прямых либо вовсе не будет точек пересечения, либо будет их бесконечно много). Та- ким образом, необходимо требовать, чтобы из трех определите- лей второго порядка A В; А В. А В3 А В2 , А В3 Л3 В3 (5.28) хотя бы один был отличен от нуля. Ради определенности предположим, что первые две из указанных трех прямых пересекаются в одной точке (т. е. пред- положим, что отличен от нуля первый из определителей (5.28)). Тогда для того, чтобы три прямые пересекались в одной точке, необходимо и достаточно, чтобы третья прямая А3х+В3г/ + Сз=0 принадлежала пучку, образованному первыми двумя прямыми a(AiX + Bjt/ + Ci) + p(A2x + B2t/ + C2) =0. В силу замечания в конце п. 1 § 1 найдется некоторое число (обозначим его —у) такое, что Все коэффициенты последнего уравнения равны соответствующим коэффициентам уравне- ния Азх+В3у + С3=0, умноженным на это число, т. е. аА + РА — — Y А’ aBj + f>B? = — уВ3, или аС?! -f- ₽С2 = — уС3, аА{ рД2 Н~ YA “ 0> а А рВ2 + уВ3 — 0, • аС, -ф- рС2 -)- уС3 — 0. Последние равенства представляют, собой однородную систему трех уравнений относительно трех неизвестных а, р и у. Так как
§ 2) НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ НА ПРЯМУЮ ЛИНИЮ НА ПЛОСКОСТИ 125 образующие пучок коэффициенты а и р не равны нулю одновре- менно, то указанная система обязана иметь нетривиальное решение, для чего необходимо и достаточно (см. Дополнение к главе 1, п. 8), чтобы определитель этой системы Д] Д2 -^з 5] Д2 Cj С2 С3 Д1 Сг •А> &2 С2 Д3 ^3 (5.29) был равен нулю. Итак, для того чтобы три прямые, определяемые уравнениями Aix+Biy+C^Q, A2x-\-B2y + C2=Q и А3х+В3у+С3 = Ь, пересека- лись в одной и только в одной точке, необходимо и достаточно, чтобы обращался в нуль определитель (5.29) и был отличен от нуля хотя бы один из определителей (5.28). Мы пришли к этому утверждению, предположив, что первые две из указанных трех прямых пересекаются в одной точке. К этому же результату приводит и предположение о том, что пере- секаются в одной точке любые другие две из указанных трех прямых (впрочем, последнее ясно из соображений симметрии). 6. Нахождение прямой, проходящей через точку пересечения двух данных прямых и удовлетворяющей еще одному условию. Пусть требуется найти уравнение прямой, проходящей через точку пересечения двух неколлинеарных*) прямых, определяе- мых уравнениями Aix+Biy+Ci=0 и А2х + В2у + С2 = 0, и, кроме того, удовлетворяющей одному из следующих трех условий: а) отсекающей на осях отрезки равной длины, б) параллельной заданной прямой А3х+Д31/-|-С3 = 0, в) перпендикулярной задан- ной прямой Asx-hB3y-j-C3 = 0. Искомая прямая принадлежит пучку a (XiX-|-Bi£/-|- Cj) + р (А2х+ В2у+ С2) =0. (5.30) Для определения постоянных а и р (а точнее, их отношения) будем использовать дополнительное условие. В случае а) мы должны собрать в (5.30) коэффициенты при х и у и приравнять друг другу модули этих коэффициентов (мы приравниваем друг другу не сами коэффициенты" при х и у, а их модули, так как требуется, чтобы отсекаемые на осях от- резки имели равную длину, а не величину)'. В результате полу- чим уравнение |аД1 + рЛ2| = |pB2+ccBi| или а(Д(:г В4) — = —Р(Л2 +Вз)- Заметим, что обе круглые скобки обратиться *) Прямые называется неколлинеарными, если они не параллельны и не совпадают.
126 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 в нуль не могут (так как прямые Ax + Biy+'Ci=0 и А2х + В2у+\ + С2=0 не коллинеарны), и, стало быть, из последнего равен- ства, задавая произвольно один из коэффициентов аир, мы найдем другой из этих коэффициентов. В случае б) учтем, что у двух параллельных прямых коэф- фициенты при х и у пропорциональны (см. § 1, п. 6, условие (5.13)). Таким образом, мы получим = или а(Д1В3_В1Дз) = р(В2Лз-Л2Вз)- Заметим, что в последнем равенстве обе круглые скобки не мо- гут обратиться в нуль (иначе бы прямые Д^+В^-Ь Cj = O и А2х + В2у + С2 = 0 оказались коллинеарными), и поэтому из по- следнего равенства, задавая произвольно один из коэффициен- тов аир, мы найдем другой из этих коэффициентов. В случае в) используем для прямой (5.30) и прямой А3х+В3у + С3=0 условие перпендикулярности (5.14) (см. § 1, п. 6). В результате получим (аД + рДгМз-!- (аВ1 + рВ2)В3=0 или а(Д1Д3-I-BiB3) = — р(Д2Дз + В2В3). Заметим, что обращение в нуль обеих круглых скобок последнего равенства невозможно (иначе мы получили бы, что = Ф-и прямые Д^+В^ + С^О £>1 £>2 и А2хЦ-В2у + С2 = 0 коллинеарны). Таким образом, задавая в ука- занном равенстве произвольно один из коэффициентов аир, мы определим из него другой из этих коэффициентов. § 3. Различные виды уравнения плоскости 1. Общее уравнение плоскости. Содержание этого пункта полностью аналогично содержанию п. 1 § 1. Мы докажем два утверждения. Г ЕсЛи в пространстве задана произвольная плоскость л и фиксирована произвольная декартова прямоугольная система Oxyz, то плоскость л определяется в этой системе уравнением первой степени. 2° Если в пространстве фиксирована произвольная декар- това прямоугольная система Oxyz, то всякое уравнение первой степени с тремя переменными х, у и z определяет относительно этой системы плоскость. Для доказательства первого утверждения достаточно уста- новить, что плоскость л определяется уравнением первой сте- пени прй каком-то одном специальном выборе Декартовой пря-
§ 3] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ Плоскости 127 моугольной системы, ибо тогда она определяется уравнением первой степени и при любом другом выборе декартовой прямо- угольной системы (в силу теоремы 4.2). Расположим оси Ох и Оу в плоскости л, а ось Oz направим перпендикулярно этой пло- скости. Тогда уравнением плоскости л будет уравнение первой степени z = Q. В самом деле, этому уравнению будут удовлетво- рять координаты любой точки, лежащей на плоскости л, и не будут удовлетворять координаты ни одной точки, не лежащей на плоскости л. Утверждение Г доказано. Для доказательства утверждения 2° фиксируем произволь- ную декартову прямоугольную систему Oxyz и рассмотрим про- извольное уравнение первой степени Ах -|- ВуА~ OzA~ О = 0, (5.31) в котором А, В, С и D — какие угодно постоянные, причем из постоянных А, В и С хотя бы одна отлична от нуля. Уравнение (5.31) заведомо имеет хотя бы одно решение х0, г/о, z0*), т. е. существует хотя бы одна точка Л10(х0, у0, г0), координаты ко- торой удовлетворяют уравнению (5.31): Ах0+Вуа+ Cza+_D = 0. (5.32) Вычитая из уравнения (5.31) тождество (5.32), мы получим уравнение А (х — хв) +В (у — у0) + С (г — z0) =0, (5.33) эквивалентное уравнению (5.31). Достаточно доказать, что урав- нение (5.33) определяет относительно системы Oxyz некоторую плоскость. Мы докажем, что уравнение (5.33) (а стало быть, и уравнение (5.31)) определяет плоскость л, проходящую через точку М0(х0, у0, г0) и перпендикулярную вектору п={Д, В, С) !(так как хотя бы одна из постоянных А, В и С не равна нулю, то вектор п ненулевой). В самом деле, если точка М(х, у, z) лежит на указанной плоскости л, то ее координаты удовлетворяют уравнению (5.33), ибо в этом случае векторы п = (Д, В, С} и М0М—{х— хй, у — уй, z — z0] ортогональны и их скалярное произведение A(x — Xo)+'B(y — y0)+C(z — z0) (5.34) равно нулю. Если же точка М(х, у, z) не лежит на указанной плоскости л, то ее координаты не удовлетворяют уравнению *) В самом деле, хотя бы одна из постоянных А, В, С отлична от нуля. Пусть, например С #=0. Тогда, взяв произвольные Хо и у0, мы получим из :А В уравнения (5.31) z0 =---С Х°—у0.
128 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 (5.33), ибо в этом случае векторы п и М0М не ортогональны и поэтому их скалярное произведение (5.34) не равно нулю. Утвер- ждение 2° доказано. Уравнение (5.31) с произвольными коэффициентами А, В, С и D такими, что из коэффициентов А, В и С хотя бы один отли- чен от нуля, называется общим уравнением плоскости. Мы доказали, что плоскость, определяемая общим уравне- нием (5.31), ортогональна к вектору п = {Л, В, С}. Этот послед- ний вектор мы будем называть н ор м а л ь н ы м вектором плоскости (5.31). Замечание. Если два общих уравнения ' Ax+By+Cz+D = 0 и А{ХЦ-В^уЦ-СiZ-{-= 0 определяют одну и ту же плоскость, то найдется такое число t, что справедливы равенства A^At, B^Bt, Ci = Ct, Di^Dt, т. e. коэффициенты Ai, Bt, Ct и Di второго уравнения равны со- ответствующим коэффициентам А, В, С и D первого уравнения, умноженным на некоторое число t. Доказательство этого утверждения вполне аналогично до- казательству утверждения, содержащегося в замечании в конце п. 1 § 1. Мы предоставляем читателю провести его самому. 2. Неполные уравнения плоскости. Уравнение плоскости в от- резках. Общее уравнение плоскости (5.31) называется п о л н ы м, если все его коэффициенты А, В, С и D отличны от нуля. Если хотя бы один из указанных коэффициентов равен нулю, уравне- ние называется неполным. Рассмотрим все возможные виды неполных уравнений: 1) 0 = 0, уравнение Ax + By + Cz=Q определяет плоскость, проходящую через начало координат (поскольку координаты начала удовлетворяют этому уравнению). 2) Л=0, уравнение By+Cz+D = Q определяет плоскость, па- раллельную оси Ох (поскольку нормальный вектор этой пло- скости п={0, В, С} перпендикулярен оси Ох). 3) В = 0, уравнение Ax+Cz+D = 0 определяет плоскость, па- раллельную оси Оу (ибо этой оси перпендикулярен нормальный вектор п={Л, О, С}). 4) С=0, уравнение Ax+'By+D = 0 определяет плоскость, па- раллельную оси Oz (ибо этой оси перпендикулярен нормальный вектор п = {Л, В, 0}). 5) Л = 0, В —0, уравнение Cz+D = 0 определяет плоскость, параллельную координатной плоскости Оху (ибо эта плоскость параллельна осям Ох и Оу).
§ 31 РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ 129 6) А = 0, С = 0, уравнение By+D = 0 определяет плоскость, параллельную координатной плоскости Oxz (ибо эта плоскость параллельна осям Ох и Oz). 7) В = 0, С = 0, уравнение Ах+£) = 0 -определяет плоскость, параллельную, координатной плоскости Oyz (ибо эта плоскость параллельна осям Оу и Oz). 8) /1 = 0, В = 0, D = 0, уравнение Cz = 0 определяет коорди- натную плоскость Оху (ибо плоскость параллельна Оху и про- ходит через начало координат). 9) /1=0, С = 0, £>=0, уравнение Ву=0 определяет координат- ную плоскость Oxz (ибо плоскость параллельна Oxz и проходит через начало координат). 10) В = 0, С = 0, D=0, уравнение Ах = 0 определяет коорди- натную плоскость Oyz (ибо плоскость параллельна Oyz и про- ходит через начало координат). Рассмотрим теперь полное уравнение плоскости (5.31) и покажем, что оно может быть приведено к следующему виду: 7 + 1+4-1- (5-35) называемому уравнением плоскости «в отрезках». В самом деле, так как все коэффициенты А, В, С и D от- личны от нуля, мы можем переписать урав- эаметим, что в уравнении «в отрезках» (5.35) числа а, b и с имеют простой геомет- Рис. 5.8. рический смысл: они равны величинам от- резков, которые отсекают плоскость на осях Ох, Оу и Oz соот- ветственно (отрезки отсчитываются от начала координат, см. рис. 5.8). Чтобы убедиться в этом, достаточно найти точки пе- ресечения плоскости, определяемой уравнением (5.35), с осями координат. Например, точка пересечения с осью Ох определится из совместного рассмотрения уравнения плоскости (5.35) с уравнениями у = 0 и z = 0 оси Ох. Мы получим координаты точки пересечения х=а, у=0, z=0. Аналогично устанавливается, что координаты точки пересечения плоскости (5.35) с осью Оу рав- ны х = 0, у = Ь, z = 0 и с осью Oz равны х=0, t/=0, z = c.
130 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 3. Угол между двумя плоскостями. Условия параллельности и перпендикулярности плоскостей. Пусть две плоскости jti и л2 заданы общими уравнениями Aix + Bli/-l-CiZ + D1 = 0 и А2х+ + B2y + C2z + D2 = 0. Очевидно, вопрос об -определении угла ме- жду указанными, плоскостями сводится к определению угла <р между их нормальными векторами П1={Д1, Blr CJ и п2 = = {Д2,В2,С2}*). Из определения скалярного произведения П1П2= |nj |n2|cos<p. и из выражения в координатах длин векторов щ и п2 и их ска- лярного произведения, получим ___________________ ^41^2 “Н ^1^2 “Н ^1^2 cos ф = I? 1 2 . (5.36) Итак, угол <р между плоскостями Л1 и л2 определяет- ся с помощью формулы (5.36). Условие параллельности плоскостей щ и л2, экви- валентное условию коллинеарности векторов щ и п2, заключает- ся в пропорциональности координат этих векторов, т. е. имеет вид**) Л, _ В, А В2 С2 (5.37) Условие перпендикулярности плоскостей Л1 и л2 может быть извлечено из формулы (5.36) (при cos<p = 0) или выражено равенством нулю скалярного произведения векторов ni и п2. Оно имеет вид А|Д2-|-В1В2 + CiC2 = 0. (5.38) 4. Уравнение плоскости, проходящей через три различные точки, не лежащие на одной прямой. Поставим перед собой цель —вывести уравнение плоскости, проходящей через три раз- личные точки Mr(xi, z/i, Zi), М2(х2, у2, z2) и М3 (х3, у3, z3), не ле- жащие на одной прямой. Так как указанные три точки не лежат на одной прямой, векторы М>М2={х2— xlt у2 — yt, z2 — zj и Af1/W3 = {x3 — xt, y3— yly z3— Zi} не коллинеарны, а поэтому точка M (х, у, z) лежит в одной плоскости с точками Mj, М2 и М3 то- гда и только-'тогда, когда векторы MiM2, MtM3 и = — {х— xt, у — yi, z — zj компланарны, т. е. тогда и только то- гда, когда смешанное произведение этих трех векторов равно нулю (см. главу 2, § 3, п. 4). *) Любые две пересекающиеся плоскости образуют два угла, в сумме равных л. Нам достаточно определить один из этих углов. **) При этом, как и всюду выше, мы понимаем всякую пропорцию а с — ъ смысле равенства аа = Ьс.
§ 3] РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ 131 Используя выражение смешанного произведения в координа- тах, мы получим необходимое и достаточное условие принад- лежности M(x,y,z) к указанной плоскости в виде (см. главу 2, § 3, п. 7) X — Xj х2 — хг У — У1 У2 — У1 n 1 i * = 0. Х3~Х} У3 — У1 Д3 — (5.39) Рис. 5.9. Уравнение первой степени (5.39) и является уравнением иско- мой плоскости. 5. Нормированное уравнение плоскости. Отклонение точки от плоскости. Рассмотрим какую угодно плоскость л. Проведем через начало координат О прямую п, перпендикулярную пло- скости л, и обозначим буквой Р точку пе- ресечения прямой п и плоскости л (рис. 5.9). На прямой п возьмем единичный вектор п, направление которого совпадает с направлением отрезка ОР (в случае сов- падения точек О и Р направление п выбе- рем произвольно). Поставим перед собой цель — выразить уравнение плоскости л через следующие параметры: 1) длину р отрезка ОР, 2) углы tx, 0 и у наклона вектора п к осям Ох, Оу и Oz соответственно. Так как п — единичный вектор, то его координаты, соответ- ственно равные его проекциям на оси координат, имеют вид*) n = {cos a, cos |3, cos у}. (5.40) Очевидно, точка М (х, у, z) лежит на рассматриваемой_пло- скости л тогда и только тогда, когда проекция вектора ОМ на ось, определяемую вектором п, равна р, т. е. при условии прпОМ=р. (5.41) Так как п — единичный вектор, то в силу определения 2 ска- лярного произведения (см. п. 1 § 2 главы 2) прпОМ = п-ОМ. (5.42) Имея в виду, что ОЛ4={х, у, z], а вектор п определяется равенством (5.40), мы получим следующее выражение для *) В силу того, что проекция вектора на любую ось равЧа модулю этого вектора, умноженному на косинус угла наклона к оси (см. п. 8 § 1 главы 2).
132 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 скалярного произведения этих векторов: п • ОМ—х cos а+у cos p+z cos у. (5.43) Из сопоставления (5.41), (5.42) и (5.43) вытекает, что точ- ка M(x,y,z) лежит на плоскости л тогда и только тогда, когда координаты этой точки удовлетворяют уравнению х cos а+у cos p + z cos у — р = 0. (5.44) (5.44) и есть искомое уравнение плоскости л, выраженное через параметры р, а, р и у. Это уравнение называется нормиро- ванным уравнением плоскости. Введем теперь фундаментальное понятие отклонения произвольной точки М от данной плоскости л. Пусть число d обозначает расстояние от точки М до плоско- сти л. Назовем отклонением 6 точки /И от плоскости л число +d в случае, когда точка М и начало координат О лежат по разные стороны от плоскости л, и число, ^d в случае, когда М и О лежат по одну сторону от л. Если же начало координат О лежит на плоскости л, мы по- ложим отклонение равным +d в случае, когда М лежит по ту сторону от л, куда направлен вектор п, и равным —d в против- ном случае. Имеет место следующее важное утверждение. Теорема 5.3. Левая часть нормированного уравнения пло- скости (5.44) равна отклонению точки М с координатами х, у, z от плоскости л, определяемой уравнением (5.44). Доказательство. Спроектируем точку -М на ось, опре- деляемую вектором п. Пусть Q — проекция точки М (рис. 5.9). Отклонение б точки М от плоскости л равно PQ, где PQ обо- значает величину направленного отрезка PQ оси, определяемой вектором п. Далее, из основного тождества (см. главу 1) оче- видно (см. рис. 5.9), что d — PQ = OQ — OP = OQ — р. (5.45) Но OQ = npnOA4, а последняя проекция в силу формул (5.42) и (5.43) равна х cos а+у cos p+z cos у. Итак, OQ=x cos а+у cos 0 + z cos у. (5.46) Сопоставляя формулы (5.45) и (5.46), получим 6=xcosa + + ycosp + zcosy— р. Теорема доказана. Теорема 5.3 приводит нас к следующему правилу: для на- хождения отклонения 6 точки Мй (х0, Уо, ?о) от плоскости л сле- дует в левую часть нормированного уравнения плоскости л под- ставить на'место х, у и z координаты х0, у0 и Zq точки Мо.
§ 31 РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ 133 Разумеется, это правило позволяет отыскивать и расстоя- ние от точки М до плоскости л, ибо расстояние равно модулю отклонения. В. заключение укажем алгоритм приведения общего уравне- ния плоскости (5.31) к нормированному виду (5.44). Так как указанное общее уравнение и уравнение (5.44) дол- жны определять одну и ту же'плоскость, то (в силу заме- чания в конце п. 1 этого параграфа) найдется число t такое, что M = cos.a, ZB = cos0, ZC=cosy, tD = —p. (5.47) Возвышая в квадрат первые три равенства (5.47), складывая их и учитывая, что сумма квадратов направляющих косинусов рав- на единице (см. п. 9 § 1 главы 2), получим /2(Д2+В2 + С2) = 1, откуда /Л2 -|-В2 + С2 ’ Остается уточнить, какой из знаков ± следует взять в фор- муле (5.48). Так как по смыслу расстояние р всегда неотрица- тельно, то из последнего равенства (5.47) заключаем, что знак t противоположен знаку D. Итак, для приведения общего уравнения плоскости Ах+Ву+' '+Cz+D=0 к нормированному виду (5.44) следует умножить его на нормирующий множитель (5.48^, знак которого противопо- ложен знаку D. 6. Пучки и связки плоскостей. Совокупность всех плоскостей, проходящих через одну и ту'же прямую L, называется пучком плоскостей (с центром в L). В полной аналогии с теоремой 5.2, относящейся к пучку пря- мых, доказывается следующее утверждение. Если Atx + Bit/+C[Z-f-Di — 0 и A%x-\~В%уЦ-C2Z-}-D2 = 0 суть уравнения двух различных и не параллельных плоскостей, пе- реселением которых служит некоторая прямая L, а а и £ — какие угодно не равные одновременно нулю числа, то a(AiX+B1y-f-CiZ-j-Di) + ^(АгХЦ-Вгу-^ C2ZA-D2) =0 (5.49) есть уравнение плоскости, проходящей через прямую L. Более того, какова бы ни была наперед заданная проходящая через прямую L плоскость, она определяется уравнением (5.49) при некоторых а и 0. Доказательство этого утверждения (не содержащее по срав- нению с доказательством теоремы 5.2 никаких новых идей) мы предоставляем читателю. Сформулированное утверждение позволяет нам задавать пря- мую L, являющуюся линией пересечения двух не совпадающих
134 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ 5 и не параллельных плоскостей 41x+B1^/+CiZ+Di=0 и А2х+' + B2y + C2z+D2 = 0, не только двумя уравнениями этих плоско- стей, но и любыми двумя различными уравнениями пучка (5.49) (полученными при каких угодно аир). Совокупность всех плоскостей, проходящих через данную точку A40(.r0, у0, z0) называется связкой плоскостей (с центром в Мо). Легко убедиться в том, что уравнение связки с цент- ре м в А1о (х0, Уо, £о) имеет вид А(х—х0)+В(у — y0) + C(z — zo)=O, (5.50) где А, В и С — какие угодно числа, не равные одновременно нулю. В самом деле, всякая плоскость, определяемая уравнением (5.50), проходит через точку M0(xQ,y0 Zo). С другой стороны, если л — наперед заданная плоскость, проходящая через точку Л40(х0, i/o, Zo), то эта плоскость однозначно определяется заданием, кроме точки Л4о(хо, Уо, z0), еще нормального вектора п={Д, В, С} и потому определяется уравнением (5.33) (см.'п. 1 этого параграфа), совпадающим с уравнением (5.50). § 4. Прямая линия в пространстве 1. Канонические уравнения прямой в пространстве. Выше (см. п. 6 предыдущего параграфа) уже отмечалось, что прямую линию в пространстве, являющуюся линией пересечения двух различных и не параллельных плоскостей, определяемых урав- нениями Aix+Biy+Clz+D1 = 0 и A2x+B2y + C2z+D2 = 0 *), мож- но, задавать либо двумя уравнениями этих плоскостей, либо двумя любыми различными уравнениями пучка а(Д1Х+В^у-\- Cjz+Z)i) + р (Azx+В2у + C2zA-D2) =0 (отвечающими произвольно взятым числам аир). При решении многих задач более удобным является спе- циальный вид уравнений прямой в пространстве, к установле- нию которого мы и переходим. Договоримся называть любой ненулевой вектор, параллель- ный данной прямой, направляющим вектором этой прямой. Выведем уравнения прямой, проходящей через данную точ- ку пространства М^х^у^г^) « имеющей заданный направляю- *) Из п. 3 § 3 следует, что для того, чтобы плоскости, определяемые уравнениями Aix+Biy+Ciz+Dx=V> и А2х+Вгу+Сгг+Ог=Ъ, не совпадали и не были параллельны, необходимо и достаточно, чтобы нарушалась хотя бы . А, В, С, одна из пропорции — ут-- Ay ^>2
ПРЯМАЯ ЛИНИЯ в простраНствВ 135 (5.51) §4] щий вектор q = {Z, пг, п}. Для этого заметим, что точка M(x,y,z) лежит на указанной прямой тогда и только тогда, когда век- торы MtM={x — Xi, у — yiy z — z^ и q = {Z, m, n} коллинеарны, т. e. тогда и только тогда, когда координаты этих векторов про- порциональны (см. следствие из теоремы 2.17) X — Xj = у— У) Z — Z1 I m п- Уравнения (5.51) суть искомые уравнения прямой, проходящей через точку Mi(xt, yly zt) и коллинеарной вектору q = {Z, пг, л}. Эти уравнения принято называть каноническими уравнениями прямой. Заметим, что в канонических уравнениях (5.51) одно или два из чисел I, tn и п могут оказаться равными нулю (все три числа I, ш и п равняться нулю не могут, так как вектор q = {Z, tn, п} не- нулевой). Так как всякую пропорцию у = ~ мы договорились понимать как равенство ad=bc, обращение в нуль одного из знаменателей в (5.51) означает обращение в нуль и соответ- ствующего числителя. В самом деле, пусть, например, 1=0, а п =# 0 (хотя бы одно из трех чисел Z, пг и п не равно нулю). Тогда из пропорции Х- {Х< —Z п~-> эквивалентной равенству (х— Xi)n=(z — Zi)l, заключаем, что х — %i = 0. В заключение покажем, как прямую, заданную уравнениями двух различных и не параллельных плоскостей (5.52) | А$хВ2УC2zD2— О, привести к каноническому виду (5.51). Достаточно найти: 1) хотя бы одну точку Afi(xi, у^ z^, через которую проходит пря- мая (5.52), 2) направляющий вектор q = {Z, пг, п} прямой (5.52). Начнем с нахождения координат xt, у^ z4 точки Mt, через ко- торую проходит прямая (5.52). Так как плоскости, определяе- мые уравнениями (5.52), не параллельны и не сливаются, то нарушается хотя бы одна из пропорций ~ • Это оз- начает, что хотя бы один из трех определителей второго порядка A Bi А В2 отличен от нуля (см. Допол- нение к главе 1, п. 1). Пусть, ради определенности, Тогда, взйв вместо С2 Л. А нуля определитель д & • вольное число Zi и подставив его в уравнения отличен от z и р о и з' (5.52), мы С В2 д с> А ^>2
136 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. » определим из системы (5.52) соответствующие этому Zi значе- ния Xi и Z/1I г Pi (С1г1 Рг) — В2(С1г1-{-Рд 1 — AtB2 - A2Bi . ___ А2 (C[Zi -|- Р,) — Z)2) У1 — . (5.53) AXB2 — A2Bi ' В частности, можно взять zt = 0. Тогда, воспользовавшись фор- мулами (5.53), мы получим, что прямая (5.52) проходит через .. ( В,£>2 — В2Р^ А2рх — А\Р2 точку хХ-Хя, • °)- Для нахождения кординат I, т, п направляющего вектора q прямой (5.52) заметим, что вектор q ортогонален каждому из нормальных векторов njL = {/l1, CJ и п2 = {Л2, В2, С2} плоскостей (5.52), так что можно положить вектор q = {Z, т, п} равным век- торному произведению [П1П2]. Пользуясь выражением вектор- ного произведения в координатах (см. п. 6 § 3 главы 2), мы по- лучим; / = В1(?2 — Z?2C1, fTl — CiAz — С2-А, /2 = AiB2i—А2В\. Таким образом, для случая, когда отличен от нуля опреде- А А А А литель , канонические уравнения прямой (5.52) имеют вид У _ — B2Pj _ А2Р} — А\Рг AiB2 — A2Bl у А1В2 — А2В1 г B'Cz — BtCi ~ СХА2 — C2Ai ~ АаВ2 — А2Вх ‘ Аналогично записываются канонические уравнения прямой (5.52) для случая, когда отличен от ' нуля определитель Л Ci ' , А. С 2 вх сг В2 С2 2. Уравнения прямой, проходящей через две различные точки Mi (xlt уи Zi) и М2(лг2, у2, г2).Эти уравнения имеют вид X — Xj __ У — У1 _ Z — Zj X2—Xi y2 — yt Z2—Zi ' или Для получения их достаточно заметить, что прямая проходит через точку Mi(xi, yi, Zi) и имеет направляющий вектор q = —MiM2={x2— Xi, у2— yi, z2 — Zi], и воспользоваться канониче- скими уравнениями (5.51). 3. Параметрические уравнения прямой в пространстве. Па- раметрические уравнения прямой в пространстве элементарно получаются из канонических уравнений (5.51) этой прямой. Примем за параметр, t каждое из отношений (5.51). Так как один из знаменателей (5.51) отличен от нуля, а соответствую- щий числитель Может принимать , какие угодно значения, то
§4] ПРЯМАЯ ЛИНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ 137 областью изменения параметра t является вся вещественная ось: —;оо</< + оо. Мы получим х— Xi=lt, у — yl=mt, z— Zt= =nt, или окончательно х — х^ -I- ZZ, У=У1+т1, Z = + nt. (5.54) Уравнения (5.54) и суть искомые параметрические уравнения прямой. Если принять параметр t за время, отсчитываемое от некоторого начального момента, то парамет- рические уравнения (5.54) определяют закон движения ма- териальной точки по прямой линии с постоянной скоростью v = УI24-т2п2 (такое движение происходит по инерции). 4. Угол между прямыми в пространстве. Условия параллель- ности и перпендикулярности прямых. Пусть две прямые в про- странстве и L2 заданы своими каноническими уравнениями X— X, ~~h~ У —У1 /п. =£ и = = Тогда за- tg rfl2 1*2 т2 дача определения угла между этими прямыми сводится к опре- делению угла ф между их направляющими векторами qi={/b mt, nt} и q2={/2, rn2, n2}. Пользуясь определением скалярного произведения qiq2= = |qi| 1чг|со8ф и выражением в координатах указанного ска- лярного произведения и длин векторов qi и q2, мы получим для определения угла ф следующую формулу: cnsfp^_----. (5.55) Условие параллельности прямых Lt и L2, эквивалент- ное условие коллинеарности векторов qi и q2, заключается в пропорциональности координат этих векторов, т. е. имеет вид*) Л _ wi _ п, . /2 т2 п2 (5.56) Условие перпендикуляр ности прямых Lt и L2 мо- жет быть извлечено из формулы (5.55) (при созф = 0) или вы- ражено равенством нулю скалярного произведения qtq2. Оно *)Как и всюду выше, любую пропорцию у—мы понимаем в смысле равенства ad=bc.
138 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ [ГЛ. 5 имеет вид Л^2 + + /11^2 = 0. (5.57) 5. Условие принадлежности двух прямых к одной плоскости. Две прямые в пространстве Ц и L2 могут: 1) пересекаться, 2) быть параллельными, 3) скрещиваться. В первых двух слу- чаях прямые Li и L2 лежат в одной плоскости. Установим условие принадлежности к одной пло- скости двух прямых, заданных каноническими уравнениями х — х, у — i/i z — Zi „ х — х2 _ у—у2 z — z2 ------------------------ и -----------------— —------ Zj Л1 Z2 т2 п2 Очевидно, что для принадлежности двух указанных прямых к одной плоскости необходимо и достаточно, чтобы три вектора MiM2={x2 — хь У2 — У1, z2 — Zi}, qi = {/i, mb nJ и q2 = {;2. rn2, n2} были компланарны, для чего в свою очередь необходимо и до- статочно, чтобы смешанное произведение указанных трех век- торов равнялось нулю. Записывая смешанное произведение ука- занных трех векторов в координатах (см. п.. 7 § 3 главы 2), мы приходим к следующему необходимому и достаточному усло- вию принадлежности двух прямых Li и L2 к одной плоскости Если прямые и L2 удовлетворяют условию (5.58), то они либо пересекаются, либо параллельны. Так как условие парал- лельности прямых Li и L2 имеет вид (5.56), то для пересечения прямых Li и L2 необходимо и достаточно, чтобы они удовле- творяли условию (5.58) и чтобы нарушалась хотя бы одна из /] «1 п, пропорции = 6. Угол между прямой и плоскостью. Условия параллельно- сти и перпендикулярности прямой и плоскости. Рассмотрим пло- скость л, заданную общим уравнением Ах+Ву+Cz+D — O, и прямую L, заданную каноническими уравнениями __ У—У1 _ Z — Zj in п ' Поскольку угол ср между прямой L и плоскостью л является дополнительным к углу -ф между направляющим вектором пря- мой q={/, tn, п} и нормальным вектором- плоскости п={Л, В, С} (рис. 5.10), то из определения скалярного произведения qn = = |q| |n|cos ф и из равенства cos гр = sirup мы получим для опре-
§ 4] ПРЯМАЯ ЛИНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ 139 деления угла срмежду прямой L и плоскостью л сле- дующую формулу: sin <jp = Al Ц-Вт-\-Сп Условие параллельности прямой L и плоскости л (включающее в себя принадлежность L к л) эквивалентно усло- вию перпендикулярности векторов п и q и выражается равенством нулю скаляр- ного произведения этих векторов:' А1 + Вт + Сп = 0. (5.59) Условие перпендикулярно- сти прямой L и плоскости л эквива- лентно условию параллельности векто- ров п и q и выражается пропорциональ- ностью координат этих векторов*): АВС I т п ' 7. Условия принадлежности прямой—— = ——— к плоскости Ax-iBy-^-CzA-D — Q. Эти условия выражаются дву- мя равенствами: A*i + Вух Czx + D = О и (5.60) А1 + Вт Сп — О, первое из которых означает, что точка Afi(xi, t/lt zj, через кото- рую проходит прямая, принадлежит плоскости, а второе есть условие параллельности прямой и плоскости (5.59). 8. Связка прямых. Совокупность всех прямых, проходящих через данную точку Mi(xltyi, zt), называется связкой пря- мых (с центром в точке МА. Легко убедиться в том, что урав- нения связки прямых с центром в точке Mi(xi,yi,zl) имеют вид х —X, у-yi z — Zj I m п (5.61) где I, m и п — какие угодно числа, не равные одновременно нулю. В самом деле, всякая прямая, определяемая уравнениями (5.61), проходит через точку Ml(xl, ylt Zj). С другой стороны, *) Как всегда, всякую пропорцию-^ = мы понимаем в смысле равен- ства ad=bc.
140 ЛИНЕЙНЫЕ ОБРАЗЫ (ГЛ. 5 если L — наперед заданная прямая, проходящая через точку г/i, Zi), то эта прямая однозначно определяется заданием, кроме точки уу, Zy), еще направляющего вектора q = — {/, т, п} и потому определяется каноническими уравнениями (5.51), совпадающими с уравнениями (5.61). § 5. Некоторые задачи на прямую и плоскость в пространстве 1. Условие пересечения трех плоскостей в одной и только в одной точке. Для того чтобы три плоскости, соответственно оп- ределяемые уравнениями Л ]Х By у -J- CyZ -|- Dy = 0> A2x-\-B2y-\-C2z-\-D2=^, (5.62) . Аз* &зУ Ч- C3z Ч- ^3 — О, пересекались в одной и только в одной точке, необходимо и до* статочно, чтобы был отличен от нуля определитель 41 Bi Су А2 В2 С2 . А В3 С3 (5.63) В самом деле, в этом и только в этом случае система (5.62) имеет единственное решение (см. Дополнение к главе 1). 2. Нахождение биссектральных плоскостей двугранного угла, образованного двумя данными плоскостями. Запишем уравне- ния двух данных плоскостей в нормированном виде. Пусть это будут: х cos ai+у cos Pi + z cos Yi— Pi = 0 и x cos a2+(/ cos p2+. + zcosy2 —p2=0. Левые части этих уравнений соответственно равны отклоне- ниям.61 и б2 точки Л1(х, у, г) от первой и от второй плоскостей. На одной из биссектральных плоскостей (отвечающей -тому двугранному углу, в котором лежит начало координат) эти от- клонения равны и по модулю, и по знаку, на другой биссек- тральной плоскости отклонения 61 и б2 равны по модулю и про- тивоположны по знаку. Таким образом, уравнения искомых биссектральных плоско- стей имеют вид (Arcosaj-J-z/cospi + zcos Yi — д)— — (xcosa24-z/cosp2-]-zcos у2 — р2) — 0 и (xcosaj-l-i/cosPj-j-zcosY! — р^Ч- Ч-(х cosa2 + l/cosP2-|-zcosY2—р2) = 0.
§ 5) Задачи на прямую й Плоскость в пространствВ 141 3. Условия, при которых данная плоскость пересекает дан- ный отрезок АВ. Записав уравнение данной плоскости в нор- мированном виде и подставив в левую часть последнего уравнения сначала координаты точки А, а затем координаты точки В, найдём отклонения 6а и 6в точек А и В соответственно от данной плоскрсти. Для того чтобы данная плоскость пересекала отрезок АВ, не- обходимо и достаточно, чтобы точки А и В лежали по разные стороны от плоскости, т. е. необходимо и достаточно, чтобы от- клонения 6а и 6в имели разные знаки. 4. Определение местоположения двух данных точек А и В относительно двугранных углов, образованных данными плоско- стями. Пусть заданы две пересекающиеся плоскости и требуется определить, в одном, в смежных или в вертикальных углах, образованных двумя данными плоскостями, лежат две данные точки А и В. Записав уравнения данных плоскостей в нормированном виде, вычислим отклонения 6а* и £>д точки А от первой и второй плоскостей и отклонения 6(J' и 6(д точки В от первой и второй плоскостей. По знакам этих, четырех отклонений заключаем, по одну илй по разные стороны от каждой из плоскостей лежит ка- ждая из точек А и В. Очевидно, если точки А и В лежат по одну сторону от первой плоскости и по одну сторону от второй пло- скости, то эти точки лежат в одном углу, образованном данными плоскостями. Если точки А и В лежат по одну сто- рону от одной плоскости и по разные стороны от другой пло- скости, то эти точки лежат в смежных углах. Если, нако- нец, точки А и В лежат по разные стороны и от той, и от дру- гой плоскости, то эти точки лежат в вертикальных углах. 5. Уравнения прямой, проходящей через данную точку У и Zi) и перпендикулярной данной плоскости АхА~Ву-{- С& + О =0. Эти уравнения имеют вид —j—L = • ь~ =—тгА ибо направляющим вектором искомой прямой служит нормаль- ный вектор плоскости п = {Л, В, С}. 6. Уравнение плоскости, проходящей через данную точку Мп(лп, Уо, 2b) и параллельной заданной плоскости €^ + ^1 = 0. Это уравнение имеет вид Л1(х—%о) +А(у—Уо) + -I-Ci (z — z0) = 0. В самом деле, искомая плоскость принадлежит связке плоскостей (5.50) и имеет тот же нормальный вектор п={Л1, Bi, CJ, что и данная плоскость. 7. Уравнение плоскости, проходящей через заданную точку 7U0(x0, у0, г0) и перпендикулярной заданной прямой ——
142 Линейные образы ГГЛ. 5 у — у, г — г, = ——— — —-—• Это уравнение имеет вйд I (х — х0) + т (у—уи) + +n(z— z0) =0. В самом деле, искомая плоскость принадлежит связке плоскостей (5.50) и имеет в .качестве нормального вектора направляющий вектор заданной прямой q={Z, т, п}. 8. Уравнение плоскости, проходящей через данную прямую х — хх у— у, г —г, и через заданную не лежащую на / т п этой прямой точку 4f0(x0, _у0, г0). Искомая плоскость принад- лежит связке плоскостей (5.50), т. е. определяется уравнением Л(х — х0)+В(у — y0)+C(z — zo)=O. Используя условия (5.60) принадлежности данной прямой к искомой плоскости, получим следующие равенства: ( -^(*1— хо)Ч“^(У1—yo) 4-C(Zj zo) = O, ( А1+Вт+Сп = 0. <5'64) Точка Мо(хо,Уо,^о) по условию не лежит на данной прямой. Это означает, что нарушается хотя бы одна из пропорций -' z -х° — ~ щ У<> ~ ~г‘ п г° и поэтому из системы (5.64) два из коэф- фициентов А, В, С можно определить через третий. Выбрав за- тем произвольно этот третий коэффициент (например, положив его равным единице), мы получим уравнение искомой плоскости. 9. Уравнение плоскости, проходящей через данную прямую х — х, у — у( z — zt „ —z----= ——— = —-—и параллельной другой данной прямой fl । > x — У — у.) z — 2<У —-f— =————--------------*). Пусть Ax+By + Cz+D=0 — урав- нение искомой плоскости. Используя условия (5.60) принад- лежности данной прямой к искомой плоскости, получим Д%1+ + Byl + Czi + D — Q, А1х + Втх + Сп,х — ^. Кроме того, используя ус- ловие (5-59) параллельности искомой плоскости и второй дан- ной прямой, получим А12 + Вт2 + Сп2 = 0. В результате получим систему трех уравнений AXj Вух + Czx 4- D = 0, А1Х А- Вгщ Спх — 0, /1/2 4- В™? 4- = 0, из которой три из коэффициентов А, В, С, D могут быть выра- жены через четвертый (в силу того, что две данные прямые не *) Предполагается, что две данные прямые не параллельны.
§ 5] ЗАДАЧИ НА ПРЯМУЮ И ПЛОСКОСТЬ В ПРОСТРАНСТВЕ 143 параллельны и нарушается хотя бы одна из пропорций /1 тх = = ~^' мы получим, что хотя бы один из определителей третьего порядка матрицы *1 ух zx 1 Zj тх пх О /г /7^2 7^2 О отличен от нуля и поэтому какие-то три из коэффициентов А, В, С, D можно выразить через четвертый). Положив указанный четвертый коэффициент равным единице, мы получим уравнение искомой плоскости. 10. Уравнение плоскости, проходящей через' заданную пря- мую L\ и перпендикулярной заданной плоскостй л. Эта задача сводится к предыдущей. Чтобы убедиться в этом, мы сначала через точки прямой проведем прямую £2, перпендикуляр- ную плоскости л (такая задача решена в п. 5), и затем через прямую L, проведем плоскость, параллельную прямой Ь2. 11. Уравнения перпендикуляра, опущенного из заданной точки Мо на данную прямую Л. Искомый перпендикуляр пред- ставляет собой линию пересечения двух плоскостей: 1) пло- скости, проходящей через точку Мо и прямую Ц (такая пло- скость найдена в п. 8), 2) плоскости, проходящей через точку Мо и перпендикулярной к прямой М (такая плоскость найдена в п. 7). 12. Нахождение расстояния от данной точки тИ0 до данной прямой L\. В предыдущем пункте найдены уравнения перпенди- куляра L2, опущенного из точки Мо на прямую Li. Решая сов- местно уравнения прямых Lx и L2, мы найдем точку Mt основа- ния указанного перпендикуляра, а затем и искомое расстояние, равное длине отрезка M0Mi. 13. Нахождение общего перпендикуляра к двум скрещиваю- щимся прямым £] и £2. Проведем через прямую L\ плоскость Ло, параллельную прямой L2 (эта задача решена в п. 9). После этого проведем две плоскости Л1 и л2, перпендикулярные пло- скости по и проходящие через прямые Lx и La соответственно (см. п. 10). Искомый перпендикуляр представляет собой линию пересечения плоскостей Л] и л2- 14. Нахождение кратчайшего расстояния между двумя дан- ными скрещивающимися прямыми Lx и L2. Для решения этой задачи достаточно построить плоскость ло, указанную в преды- дущем пункте, и найти расстояния от любой точки прямой L2 до плоскости л0.
ГЛАВА 6 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА В этой главе изучаются геометрические свойства эллипса, гиперболы и параболы, представляющих собой линии пересечения кругового конуса с плоскостями, не проходящими через его вершину. Эти линии часто встречаются в различных вопросах естествознания.' Например, движение материальной точки под воздействием центрального поля силы тяжести проис- ходит по одной из этих линий. В главе также исследуются кривые второго порядка, т. е, линии, определяемые в декартрвых коорди- натах, алгебраическими уравнениями второй степени. В частно- сти, выясняется, что эллипс, гипербола и парабола являются такими линиями и что этими тремя линиями и изученными в пре- дыдущей главе линейными образами исчерпываются все линии, определяемые алгебраическими уравнениями второй степени. § 1. Канонические уравнения эллипса, гиперболы и параболы В начале этой главы мы говорили о том, что эллипс, гипер- бола и парабола представляют собой линии пересечения круго- вого конуса с плоскостями, не проходящими через его вершину. Именно, если секущая плоскость пересекает все прямолинейные образующие одной полости конуса, то в сечении получится ли- ния, называемая эллипсом (рис. 6.1,а). Если секущая плоскость пересекает образующие обеих полостей конуса, то в сечении по- лучится линия, называемая гиперболой (рис. 6.1,6). И, наконец, если секущая плоскость параллельна одной из образующих ко- нуса (на 6.1, а — Это образующая АВ), то в сечении получится линия, называемая параболой. Рис. 6.1 дает читателю наглядное представление о форме рассматриваемых линий. В этом параграфе даются специальные определения эллип- са, гиперболы и параболы, основанные на их фокальных свой- ствах, и выводятся так называемые канонические уравнения этих кривых. Ниже, в п. 4 § 3, будет установлена равносиль-
S и КАНОНИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ 145 ность этих специальных определений и определений эллипса, гиперболы и параболы как конических сечений. 1,. Эллипс. Определение. Эллипсом называется геометрическое ме- сто точек плоскости, для которых сумма расстояний до двух Зллипс а) Рис. 6.1. фиксированных точек F\ и F2 этой плоскости, называемых фо- кусами, есть величина постоянная. При этом не исключается совпадение фокусов эллипса. Оче- видно, если фокусы совпадают, то эллипс представляет собой окружность. Для вывода канонического уравнения эллипса выберем на- чало О декартовой системы координат в середине отрезка F\F2, а оси Ох и Оу направим так, как указано на рис. 6.2 (если фокусы F1 ‘ и F2 совпадают, то О совпадает с /ч и F 2, а за ось Ох можно взять лю- бую ось, проходящую через О). Пусть длина отрезка FtF2 равна_ 2с. Тогда в выбранной системе ко- Fj(~c,O) О ординат точки Л и F2 соответствен- . но имеют координаты (—с, 0) и (с, 0). Обозначим через 2а постоян- ную, о которой говорится в опреде- лении эллипса. Очевидно, 2а>2с, т. е. а>с *). Пусть М — точка плоскости с координатами (х, у) (рис. 6.2). Обозначим через У М(х,у) FZ(C,Q) х Рис. 6.2. *) Если М — точка эллипса (см. рис. 6.2), то |М?М— 2а, а так как сумма , двух сторон М/ч и MF% треугольника MF1F2 больше третьей-стороны FxFi=2.c, то 2а>2с. Случай-'2а=2с естественно исключить, так как тогда точка М располагается на отрезке F\F2 и эллипс вырождается в отрезок.
146 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 6 и г2 расстояния от точки М до точек Ft и F2 соответственно. Со- гласно определению эллипса равенство ri + r2 — 2a (6.1) является необходимым и достаточным условием расположения точки М (х, у) на данном эллипсе. Используя формулу расстояния между двумя точками (см. формулу (1.8) п. 2, § 3 главы 1), получим Г1 = /(х+с)2 + у2, Г2—V(x-c)2 + //2. (6.2) Из (6.1) и (6.2) вытекает, что соотношение /(х+с)2 + z/2 + ]/(х - су + у2 = 2а (6.3) представляет собой необходимое и достаточное условие распо- ложения точки М с координатами х и у на данном эллипсе. По- этому соотношение (6.3) можно рассматривать как уравнение эллипса. Путем стандартного приема «уничтожения радикалов» это уравнение приводится к виду у2 ;j2 у + т?=1. (6.4) где Ь2 = а2~с2*\ (6.5). Так как уравнение (6.4) представляет собой алгебраическое следствие уравнения эллипса (6.3), то координаты х и у любой точки М эллипса будут удовлетворять и уравнению (6.4). По- скольку при алгебраических преобразованиях, связанных с изба- влением от радикалов, могли появиться «лишние корни», мы дол- жны убедиться в том, что любая точка М, координаты которой удовлетворяют уравнению (6.4), располагается на данном эллипсе. Для этого, очевидно, достаточно доказать, что величи- ны и г2 для каждой точки удовлетворяют соотношению (6.1). Итак, пусть координаты х и у точки М удовлетворяют уравне- нию (6.4). Подставляя значение у2 из (6.4) в правую часть вы- ражения (6.2) для после несложных преобразований найдем, что ^г-ф-^-х)2. Так как а-\--^х > 0**), то г1 = а-|~ х. *) Напомним, что а>с и поэтому а2—с2>0. £ **) Поскольку |х| а и — <1. Заметим, что неравенство |.г| С а непо- х2 средственно вытекает из уравнения (6.4), из которого ясно, что -^-^1.
$( и КАНОНИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ 147 Совершенно аналогично найдем, что'г2=а—- х. Таким обра- зом, для рассматриваемой точки М ri = a + -^x, г2 = а—с-х, (6.6) т. е. Г14-г2=2а, и поэтому точка М располагается на эллипсе. Уравнение (6.4) называется каноническим уравнением эллипса. Величины а и b называются соответственно большой и малой полуосями эллипса (наименование «большая» и «малая» объяс- няется тем, что а~>Ь). Замечание. Если полуоси эллипса а и b равны, то эллипс представляет собой окружность, радиус которой равен R=a=b, а центр совпадает с началом координат. 2. Гипербола. Определение. Гиперболой называется геометрическое место точек плоскости, для которых абсолютная величина раз- ности расстояний до двух фиксированных точек Fi и F2 этой пло- скости, называемых фокусами, есть величина постоянная*). Для вывода канонического уравнения гиперболы выберем начало координат в середине отрезка FiF2, а оси Ох и Оу на- правим так, как указано на рис. 6.2. Пусть длина отрезка FiF2 равна 2с. Тогда в выбранной системе координат точки Л и F2 соответственно имеют координаты (—с, 0) и (с, 0) Обозначим через 2а постоянную, о которой говорится в определении гипер- болы. Очевидно, 2а<2с, т. е. а<с**). Пусть М—точка плоскости с координатами (х, у) (рис. 6.2). Обозначим через ri и г2 расстояния MF^ и MF2. Согласно опре- делению гиперболы равенство \г^-г2\=2а (6.7) является необходимым и достаточным условием расположения точки М на данной гиперболе. *) Фокусы Ft и Fz гиперболы естественно считать различными, ибо если указанная в. определении гиперболы постоянная не равна нулю, то нет ни одной точки плоскости при совпадении Fi и F2, которая бы удовлетворяла требованиям определения гиперболы. Если же эта постоянная равна нулю и F[ совпадает с Е2, то любая точка плоскости удовлетворяет требованиям определения гиперболы. **) Если М — точка гиперболы, то |jWi|—IMF2[=2a, а так как разность двух сторон MFi и MF2 треугольника MF\F2 меньше третьей стороны Ё|Е2=2с, то 2а>2с. Случай 2<z=2c естественно исключить, так как тогда точка М располагается на прямой FiF2 вне отрезка F}F2 и гипербола выро- ждается в два луча.
148 линии второго порядка (гл. в Используя выражения (6.2) для Г\ и г2 и соотношение (6.7), получим следующее необходимое и достаточное условие распо- ложения точки М с координатами х и у на данной гиперболе: | V (x4-c)24-t/2-/(х-с)2+у2 I = 2а. (6.8) Используя стандартный прием «уничтожения радикалов», приве- дем уравнение (6.8) к виду где й2 = с2_а2. (б.1О) Мы должны убедиться в том, что уравнение (6.9), получен- ное путем алгебраических преобразований уравнения (6.8), не приобрело новых корней. Для этого достаточно доказать, что для Каждой точки М, координаты х и у которой удовлетворяют уравнению (6.9), величины /ч и г2 удовлетворяют соотношению (6.7). Проводя рассуждения, аналогичные тем, которые были сделаньг при выводе формул (6.6), найдем для интересующих нас величин н и г2 следующие выражения*): а-^-^-х при х>0, —а-)--~х при х>0, Г1 = ' г2 — — а—Тх ПРИ X<Q, а — — хприх<0. (6-11) Таким образом, для рассматриваемой точки М имеем |г4 — г2| = = 2а, и поэтому она располагается на гиперболе. Уравнение (5.9) называется каноническим уравнением ги- перболы. Величины а и b называются соответственно действи- тельной и мнимой полуосями гиперболы. 3. Парабола. Определение. Параболой называется геометрическое место точек плоскости, для которых расстояние до некоторой фиксированной точки F этой плоскости равно расстоянию до не- которой фиксированной прямой, также расположенной в рас- сматриваемой плоскости. Указанная в определении точка F называется фокусом параболы, а фиксированная прямая — директрисой**) па- раболы. *) При этом мы должны учесть, что |х| а и — > 1. Заметим, что неравенство непосредственно вытекает из уравнения (6.9). **) Слово директриса означает направляющая.
§ И КАНОНИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ 149 Для вывода канонического уравнения параболы выберем на- чало О декартовой системы координат в середине отрезка FD, представляющего собой перпендикуляр, опущенный из фокуса •г на директрису * **)),' а оси Ох и Оу направив так, как указано на рис. 6.3. Пусть длина отрезка FD рав- на р. Тогда в выбранной системе координат точка F имеет координа- ты , oj • Пусть М — точка плоско- сти с координатами (х, у). Обозна- чим через г расстояние от М до F, а через d — расстояние от Af до ди- ректрисы (рис. 6.3). Согласно опре- делению параболы равенство r=d (6.12) является необходимым и. достаточным условием расположения точки М на данной параболе. Так как r = ]/ (x-f)2 + i/2, </ = |+х"), (6.13) то, согласно (6.12), соотношение (6-14) представляет собой необходимое и достаточное условие распо- ложения точки М с координатами х и у на данной параболе. Поэтому соотношение (6.14) можно рассматривать как уравне- ние параболы. Путем стандартного приема «уничтожения ра- дикалов» это уравнение приводится к виду у2~2рх. (6.15) Убедимся в том, что уравнение (6.15), полученное путем алге- браических преобразований уравнения (6.14), не приобрело но-' вых корней. Для этого достаточно доказать, что для каждой точки М, координаты х и у которой удовлетворяют уравнению (6.15), величины г и d равны (выполнено соотношение (6.12)). *) Естественно считать, что фокус F не лежит на директрисе, ибо в противном случае точки плоскости, для которых были бы выполнены условия определения параболы, располагались на прямой, проходящей через F пер- пендикулярно директрисе, т. е. парабола выродилась бы в прямую. **) Эта формула верна лишь для точек с неотрицательными абсцисса- ми х. Для точек с отрицательными абсциссами, как легко видеть, выпол- няется соотношение г > d, и поэтому такие точки можно исключить из рас- смотрения, /
150 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 Из соотношения (6.15) вытекает, что абсциссы х рассматри- ваемых точек неотрицательны, т. е. х>0. Для точек с неотри- цательными абсциссами б/ = у+-Х. Найдем теперь выражение для расстояния г от точки М до F. Подставляя у2 из выражения (6.15) в правую часть выражения для г (6.13) и учитывая, что х<>0, найдем, что г = ^-\-х. Таким образом, для рассма- триваемых точек r=d, т. е. они располагаются на параболе. Уравнение (6.15) называется каноническим уравнением пара- болы. Величина р называется параметром параболы. § 2. Исследование формы эллипса, гиперболы и параболы по их каноническим уравнениям Мы уже имеем наглядное представление о форме эллипса, гиперболы и параболы (рис. 6.1). Исследование канонических уравнений этих линий позволяет выяснить свойства, более точно характеризующие их форму. 1. Исследование формы эллипса. Для удобства запишем еще раз каноническое уравнение эллипса (6.4): При этом будем считать а>Ь. 1°. Эллипс имеет две взаимно перпендикулярные оси сим- метрии (главные оси эллипса) и центр симметрии {центр эл- липса)*). Действительно, в уравнении (6.4) величины х и у фи- гурируют в четных степенях. Следовательно, если координаты х и у точки М удовлетворяют уравнению (6.4) (т. е. точка М располагается на эллипсе), то этому уравнению удовлетворяют координаты (—х, у) и (х, —у) симметричных ей точек относи- тельно осей координат и координаты (—х, —у) точки, сим- метричной М относительно начала координат (рис. 6.4). Таким образом, если эллипс задан своим каноническим ура- внением (6.4), то главными осями этого эллипса являются оси координат, а центром эллипса — начало координат. Точки пере- сечения эллипса с главными осями называются вершинами эл- липса. Точки А, В, С, D на рис. 6.4 — вершины эллипса. Очевид- но, эти вершины имеют соответственно координаты (—а, 0), (0,Ь), (а, 0), (0,-6). *) Если эллипс представляет собой окружность, то любая прямая, про- ходящая через центр окружности, является осью симметрии. Отметим, что центром эллипса является точка пересечения главных осей,
§ 2] ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 151 Замечание 1. Очевидно, длины отрезков, образованных пересечением эллипса с главными осями, равны 2а и 2Ь. Так как 2а > 2Ь, то главная ось, образующая в пересечении с Рис. 6.4. эллипсом отрезок 2а, называется большой осью эллипса. Другая главная ось называется малой осью эллипса. Если эллипс задан уравнением (6.4), то при а>Ь большой осью будет ось Ох, а малой — ось Оу. При Ь>а большой осью будет ось Оу, а малой — Ох. Замечание 2. Очевидно, фокусы эллипса располагаются на его большой оси. 2°. Весь эллипс содержится внутри прямоугольника |х| + а, |у| (на рис. 6.4 этот прямоугольник не заштрихован). В са- мом деле, из канонического уравнения (6.4) вытекает, что X2 - , у2 < гч и г’ти неравенства, очевидно, эквивалентны неравенствам |у| +Ь. 3°. Эллипс может быть получен посредством равномерного сжатия окружности. Рассмотрим окружность (рис. 6.5), задан- ную уравнением -4 + 4 = 1- (6-16) а2 а2 ' Произведем теперь равномерное сжатие плоскости к оси Ох, т. е. такое преобразование, при котором точка с координа- тами (х,у) перейдет в точку с координатами (х,у), причем х=х, а у — У- Очевидно, при этом преобразовании окружность (6.16) перейдет в кривую, определяемую уравнением — 1» Т. е. в эллипс,
152 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. в 2. Исследование формы гиперболы. Обратимся к канониче- скому уравнению гиперболы (6.9): х2 а2 У1 Ь2 1. (6-9) 1°. Гипербола имеет две оси симметрии (главныё оси гипер- болы) и центр симметрии (центр гиперболы). При этом одна из этих осей пересекается с гиперболой в двух точках, которые на- зываются вершинами гиперболы. Эта ось называется действи- тельной осью гиперболы. Другая ось не имеет общих точек с гиперболой и поэтому на- зывается мнимой осью гиперболы.^ Таким образом, мнимая ось гиперболы, разделяет плоскость на правую и левую полуплоскости, в которых расположены сим- метричные относительно этой оси правая и левая ветви гипер- болы. Справедливость указанного свойства симметрии гиперболы вытекает из того, что в уравнении (6.9) величины х и у фигу- рируют в четных степенях. Следовательно, если координаты хи у точки М удовлетворяют уравнению (6.9) (т. е. точка М распо- лагается на гиперболе), то этому уравнению удовлетворяют координаты (—х,у) и (х,—у) симметричных ей точек относи- тельно осей координат и координаты (— х, —у) точки симме- Рис. 6.6. Оу не имеет общих точек с чек оси Ох равны нулю, то точек пересечения этой оси тричной М относительно начала координат (рис. 6.6). Таким образом, если гипербо- ла задана своим каноническим уравнением (6.9), то главными осями этой гиперболы являются оси координат, а центром гипер- болы — начало координат. Убедимся теперь, что ось Ох является действительной осью гиперболы, точки А (—а, 0) и В (а, 0)—вершинами гиперболы и ось Оу является мнимой осью гиперболы. Для этого достаточно доказать, что ось Ох пересекает гиперболу в точках А и В, а ось гиперболой. Так как ординаты то- для выяснения величины абсцисс с гиперболой нужно в уравнении (6.9) положить «/=0. После этого мы получим уравнение X2 ^-=1, из которого находятся абсциссы точек пересечения оси
$ 2] ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 153 Ох с гиперболой. Полученное уравнение имеет решения х=—а и х=а. Следовательно, ось Ох пересекает гиперболу (т. е. яв- ляется ее действительной осью) в точках А (—а, 0) и В (а, 0) (т. е. эти точки и есть вершины гиперболы). Поскольку абсцис- сы точек оси Оу равны нулю, то для ординат точек пересечения -у2 этой оси с гиперболой получаем из (6.9) уравнение —1, которое не имеет действительных решений. Следовательно, ось Оу является мнимой осью гиперболы. Замечание. Фокусы гиперболы располагаются на ее дей- ствительной оси. 2°. Рассмотрим область G, которая получена объединением прямоугольника D, координаты х и у точек которого удовлетво- ряют неравенствам <а, \у\<Ь, и тех двух углов, образованных диагоналями этого прямоугольника, в которых располагается мнимая ось гиперболы (на рис. 6.6 эта область заштрихована). Убедимся, что в области G нет точек гиперболы. Разобьем область G на две части G4 и G2, где Gt представ- ляет собой полосу, абсциссы х точек которой удовлетворяют не- равенству |x|<a, a G2— остальная часть области G*). Оче- видно, в полосе Gi нет точек гиперболы, так как абсциссы х точек, расположенных на гиперболе, удовлетворяют неравенству |х|!>а**). Обратимся теперь к точкам области G2. Заметим, что каждая точка G2 либо лежит на диагонали прямоугольника D, либо за его диагональю*** ****)). Поскольку диагонали D опреде- b ь ляются уравнениями у —— х и у = — — х, то координаты х и у точек Ог в силу их расположения удовлетворяют неравенству ****). Из этого неравенства вытекает неравенство I х | \ у\ ' из К0Т0Р0Г0 в свою очередь следуют неравенства X2 у2 1 Л X2 .у2 . —2----а так как для точек гиперболы — -р-— 1, то в области G2 нет точек гиперболы. *) Область Gi представляет собой, очевидно, полосу, заключенную ме- жду безгранично продолженными вертикальными сторонами прямоугольни- ка D. Область G2 состоит из четырех частей, каждая из которых распола- гается в одном из координатных углов. у^ **) Из канонического уравнения гиперболы вытекает, что ~~2~ — 14" х2 , т. е.' 1- Последнее неравенство эквивалентно неравенству |х| а. ***.) Будем говорить, что точка М плоскости лежит за диагональю пря- моугольника D, если перпендикуляр, опущенный из М на ось Ох, пересекает эту диагональ. ****) Абсциссы х точек G2 не равны нулю.
154 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (гл. 8 3°. Установим важное свойство гиперболы, связанное с ее расположением относительно диагоналей прямоугольника D, о котором говорилось выше. В общих чертах это свойство заключается в том, что ветви гиперболы приближаются к диагоналям прямоугольника D. В силу симметрии гиперболы это свойство достаточно выяс- нить для части гиперболы, расположенной в первой четверти. Координаты х и у точек гиперболы, расположенных в первой четверти, удовлетворяют условиям а, г/>0*). Обращаясь к уравнению (6.9), мы видим, что при указанных условиях это уравнение эквивалентно соотношению (6.17) Иными словами, рассматриваемая часть гиперболы представ- ляет сорой график функции (6.17) **). Легко убедиться, что эта функция может быть представлена в следующей форме: у = - х--------~г . (6.18) v а x-j-Vx^-a* v 7 Обратимся теперь к диагонали прямоугольника D, располо- женной в первой четверти. Она определяется уравнением (6.19) *) В силу свойства 2° гиперболы (6.9) абсциссы ее точек удовлетворяют условию И > а. Для точек первой четверти это условие может быть записано в виде х > а. **) По поводу понятия график функции см. выпуск 1, главу 1, § 2, п. 4.
§ 2] ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 155 Сравним величины ординат У и у рассматриваемой диагонали и части гиперболы для одного и того же значения х, т. е. рас- смотрим разность У— у (рис. 6.7, а). Используя соотношения (6.18) и (6.19), получим Y — у =-----. (6.20) Из соотношения (6.20) следует, что при х-*оо разность У — у стремится к нулю. Абсолютная величина |У — у\ равна длине отрезка MN (рис. 6.7,а). Так как расстояние МР от точки М гиперболы до рассматриваемой диагонали не превышает длины отрезка MN, то при удалении точки М гиперболы в бесконеч- ность (т. е.,при х->оо) расстояние МР стремится к нулю. Сле- довательно, рассматриваемая часть ветви гиперболы прибли- жается к соответствующей диагонали прямоугольника D. В си- лу симметрии аналогичным свойством обладают и другие части гиперболы, расположенные во второй, третьей и четвертой четвертях. Диагонали прямоугольника D обычно называются асимпто- тами гиперболы. Отметим, что асимптоты гиперболы опреде- ляются уравнениями: У = ^х и у = — ^х. (6.21) 4°. Наряду с гиперболой (6.9) рассматривают так называе- мую сопряженную по отношению к ней гиперболу. Сопряжен- ная гипербола определяется каноническим уравнением $-& = -!*)• (6-22) На рис. 6.7,5 изображены гипербола (6.9) и сопряженная ей гипербола (6.22). Очевидно, что сопряженная гипербола имеет те же асимптоты, что и данная. Иными словами, асимптоты со'- пряженной гиперболы определяются уравнениями (6.21). Заме- тим, что гипербола (6.9) в свою очередь является сопряженной по отношению к гиперболе (6.22). 3. Исследование формы параболы. Обратимся к канониче- скому уравнению параболы (6.15): у2 = 2рх. (6.15) 1°. Парабола имеет ось симметрии (ось параболы). Точка пересечения параболы с осью называется вершиной параболы. Действительно, в уравнении (6.15) величина у фигурирует в *) Чтобы убедиться, что уравнение (6.22) определяет гиперболу, доста- точно положить х=у, у—х и умножить обе части этого уравнения на —1,
156 < ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 четной степени. Следовательно, если координаты х и у точки М удовлетворяют уравнению (6.15) (т. е. точка М располагается на параболе), то этому уравнению удовлетворяют координаты (х, —-у) симметричной ей точки относительно оси Ох (рис. 6.8). Таким образом, если парабола задана своим каноническим урав- нением (6.15), то осью этой параболы является ось Ох. Очевидно, вершиной параболы' является начало координат. 2°. Вся парабола расположена в пра- вой полуплоскости плоскости Оху. В са- мом деле, так как р>.0, то уравнению (6.15) удовлетворяют координаты точек лишь с неотрицательными абсциссами. Такие точки располагаются в правой полуплоскости. 3°. Из рассуждений п. 3 § 1 этой гла- вы вытекает, что директриса параболы, определяемой каноническим уравнением (6.15), имеет уравнение у=-£. (6.23) 4°. Любые две параболы подобны друг другу. Пусть у2 = 2рх и у2 = 2р*х — канонические уравнения этих парабол в декарто- вой системе Оху, y=kx — уравнение произвольной прямой, про- ходящей через О, а (х,у) и (х*,у*)—координаты точек пере- сечения этой прямой с параболами. Используя канонические 2р , 2р * 2р* , , 2с* уравнения, получим х—-^-, у=± , х У — тт ж Х Р У Р ГТ Из последних формул вытекает, что —г = —» . • Но эти р у Р равенства означают подобие рассматриваемых парабол относи- тельно точки О. 5°. Отметим, что кривая у2 = 2рх при р<0 также является параболой, которая целиком располагается в левой полуплоско- сти плоскости Оху. Чтобы убедиться в этом, достаточно заме- нить х на —х и —р на р. § 3. Директрисы эллипса, гиперболы и параболы Определение параболы, данное в п. 3 § 1 этой главы, бази- ровалось на свойстве этой кривой, которое связано с ее фоку- сом и директрисой. Это свойство можно сформулировать также и следующим образом: парабола есть геометрическое место то- чек плоскости, для которых отношение расстояния до фокуса
§ 31 ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 157 к расстоянию до директрисы есть величина постоянная, равная единице. Оказывается, отличный от окружности эллипс и гипербола обладают аналогичным свойством: для каждого фокуса*) эл- липса или гиперболы можно указать такую прямую, называе- мую директрисой, что отношение расстояния от точек этих кривых до фокуса к расстоянию до отвечающей этому фокусу директрисы есть величина постоянная. ..Данный параграф посвящен выяснению этого свойства эл- липса и гиперболы. 1. Эксцентриситет эллипса и гиперболы. Обратимся к эллип- су (гиперболе). Пусть с — половина расстояния между фоку- сами эллипса**) (гиперболы), а — большая полуось эллипса (действительная полуось гиперболы). Определение. Эксцентриситетом эллипса (гиперболы) с называется величина е, равная — , е=~-' (6.24) Замечание 1. Учитывая связь величины с с длинами а и b большой и малой полуосей эллипса (с длинами действитель- ной и мнимой полуосей гиперболы) (см. формулы (6.5) и (6.10)), легко получить следующие выражения для эксцентриситета е; для эллипса для гиперболы (6.25) (6.25') Из формул (6.25) и (6.25') вытекает, что эксцентриситет эллип- са меньше единицы, а эксцентриситет гиперболы больше еди- ницы***). Отметим, что эксцентриситет окружности равен нулю (для окружности Ь = а). Замечание 2. Два эллипса (две гиперболы), имеющих одинаковый эксцентриситет, подобны. В самом деле, из фор- мулы (6.25) для эксцентриситета эллипса (из формулы (6.25') для эксцентриситета гиперболы) вытекает, что эллипсы с оди- ’ ь наковым эксцентриситетом имеют одинаковое отношение — *) Напомним, что отличный от окружнчсти эллипс и гипербола имеют по два фокуса. **) Если эллипс представляет собой окружность, то с = 0. ***) Напомним, что величина Ь как для эллипса, так и для гиперболы не равна нулю.
158 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. в малой и большой полуосей (гиперболы с одинаковым эксцентри- и о ситетом имеют одинаковое отношение — мнимои и деиствитель- ной полуосей). Такие эллипсы (гиперболы) подобны*). Замечание 3. Эксцентриситет эллипса можно рассматри- вать как меру его «вытянутости»: чем больше эксцентриситет е (см. формулу (6.25)), тем меньше от- ношение — малой полуоси эллипса b к его большой полуоси а. На рис. 6.9 изображены эллипсы с разными экс- центриситетами, но с одинаковой боль- шой полуосью а. Замечание 4. Эксцентриситет гиперболы можно рассматривать как числовую характеристику величины раствора угла между ее асимптотами. D Ь В самом деле, отношение — а тангенсу половины угла между тотами гиперболы. равно асимп- 2. Директрисы эллипса и гиперболы. Г. Директрисы эллипса. Мы выяснили, что любой, ный от окружности, эллипс имеет отлич- оси и центр — точку пересечения этих осей (см. п. 1 § 2 этой главы). Обо- значим через с половину расстоя- ния между фокусами Л и F2 эллип- са, через а его большую полуось и через О его центр (рис. 6.10). Пусть е — эксцентриситет этого эллипса (так как эллипс отличен от окружности, то е=А0) и л — пло- скость, в которой расположен эл- большую малую и Рис. 6.10 липс. Малая ось эллипса разбивает эту плоскость на две - полуплоско- сти. Обозначим через щ (i=l, 2) ту из этих полуплоскостей, в которой лежит фокус F, (t = 1, 2). Определение. Директрисой Di (/=1, 2) эллипса, от- вечающей фокусу Fi (1 = 1,2), называется прямая, расположен- *) Чтобы убедиться в этом, достаточно расположить эти эллипсы (соотв. гиперболы) так, чтобы их центры и одноименные главные оси совпадали. Тогда из канонических уравнений легко следует подобие кривых с равными b отношениями — . а
§ 3] ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 159 нал в полуплоскости п, (i=l,2) перпендикулярно- большой оси а эллипса на расстоянии — от его центра. Замечание 1. Выберем начало декартовой прямоугольной системы координат в середине отрезка FiF2, а оси Ох и Оу на- правим так, как указано на рис. 6.10. Тогда, очевидно, уравне- ния директрис Di (t=l, 2) эллипс можно записать следующим образом: уравнение директрисы Dx: х = — у, (6-26) уравнение директрисы D2: х = —. Замечание 2. Директрисы эллипса расположены вне эллипса. Действительно, эллипс расположен в прямоуголь- нике |х| ^а, (см. п. 1 § 2 этой главы и рис. 6.4), стороны которого перпендикулярны большой и малой осям эллипса. Из определения директрис вытекает, что они параллельны двум перпендикулярным большой оси эллипса сторонам этого прямоугольника. Поскольку упомянутые стороны отстоят от центра эллипса на расстоянии а, а директрисы — на расстоянии — >а (0<е<1), то директрисы расположёны вне прямоуголь- ника, а следовательно, и вне эллипса. Замечание 3. Мы только что выяснили, что директрисы расположены вне эллипса. Отсюда вытекает, что точки эллипса и его центр расположены. по одну сторону от каждой из его директрис. Замечание 4. Обозначим через р расстояние от фокуса эллипса до соответствующей этому фокусу директрисы. По-* скольку расстояние от центра эллипса до директрисы равно . а расстояние от центра эллипса до фокуса равно с, то р равно ~ — с*). Так как с = ае, то для р получаем следующее выра« жение: /1 \ 1 <— ег (6-27) Докажем теорему, выясняющую важное свойство отличного от окружности эллипса и его директрис. *) Напомним, что центр эллипса и его фокусы расположены на боль- шой оси, которая перпендикулярна директрисам. Поэтому с учетом располо- жения центра, фокуса и отвечающей ему директрисы (рис. 6.10) р равно
166 линии второго Порядка (ГЛ. в Теорема 6.1. Отношение расстояния ц от точки М эллип- са до фокуса Fi к расстоянию di от этой точки до отвечающей этому фокусу директрисы Di равно эксцентриситету е этого эл- липса. Доказательство. Пусть Л и F2— фокусы эллипса*). Выберем декартову прямоугольную систему координат так, как это указано в замечании 1 этого пункта (рис. 6.10). В п. 1 § 1 этой главы мы выяснили, что при таком выборе системы коор- динат расстояния и и г2 от точки М(х, у) эллипса до фокусов Fi и F2 определяются формулами (6.6). Так как отношение равно эксцентриситету е этого эллипса, то для 1\ и г2 мы полу- чим выражения t\ = a + ex, г2 = а — ех. (6.28) Найдем теперь расстояния di от точки М эллипса до директрис D^ Используя уравнения директрис Di (см. формулы (6.26)), легко убедиться в том, что нормированные уравнения директрис имеют вид (см. п. 7 § 1 главы 5): нормированное уравнение директрисы D^ — х—^- = 0, нормированное уравнение директрисы D2: х — =0. (6.29) Так как точка М(х,у) эллипса и начало координат находятся по одну сторону от каждой из директрис (см. замечание 3 этого пункта), то расстояния <4 и d2 от точки М(х, у) до директрис и D2 равны соответствующим отклонениям М (х, у) от Di и D2, взятым со знаком минус, и мы получим (в силу (6.29) и теоремы 5.1): (6.30) Используя формулы (6.28) и (6.30), найдем, что -^ = е, / = 1,2. di Теорема доказана. 2°. Директрисы гиперболы. Обозначим через с половину рас- стояния между .фокусами Ft и F2 гиперболы, через а ее дей- ствительную полуось и через О ее центр (рис. 6.11). Пусть е — эксцентриситет этой гиперболы и л —плоскость, в которой рас- *) Так как эллипс отличен от окружности, то его фокусы не совпадают.
§ 31 ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА. ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 161 положена гипербола. Мнимая ось гиперболы разбивает эту пло- скость на две полуплоскости. Обозначим через (I— 1,2) ту из этих полуплоскостей, в которой лежит фокус Ft (г=1,2). Определение. Директрисой Di (г =1,2) гиперболы, отвечающей фокусу Fi (7= 1,2), называется прямая, располо- женная в полуплоскости (i=l,2) перпендикулярно действи- тельной оси гиперболы на расстоянии — от ее центра. Замечание 5. Выберем начало декартовой прямоуголь- ной системы координат в середине отрезка FiF2, а оси Ох и Оу направим так, как указано на рис. 6.11. Тогда, очевидно, ура- внения директрис Di (/=1,2) гиперболы можно записать сле- дующим образом: „ я уравнение директрисы х=—-, (6.31) уравнение директрисы £>2: х = ~^- , в 2 п. 2 § 2 этой главы в выбранной в за- Замечание 6. Директрисы гиперболы целиком располо- жены в области G, не содержащей точек гиперболы (см. 2° п. 2 § 2 этой главы и рис. 6.6). В самом деле мы убедились, что полоса определи мечании 5 системе координат Оху не- равенством |х[<а, содержится в об- ласти G. Но эта полоса содержит ди- ректрисы гиперболы, так как, соглас- но (6.31), для точек директрис |х| = = — <а, ибо для гиперболы е>\. Рас- положение директрис гиперболы ука-- зано на рис. 6.11. Замечание 7. Только что сде- ланное замечание позволяет обосно- вать расположение директрис гипер- болы, указанное на рис. 6.11. Именно, очевидно, что точки левой (правой) ветви гиперболы и ее центр О распо- ложены по разные стороны от дирек- трисы Di (D2), а точки правой (левой) ветви гиперболы и ее центр О расположены по одну сторону от директрисы Di (D-Д. Замечание 8. Обозначим через р расстояние от фокуса гиперболы до соответствующей этому фокусу директрисы. По- скольку расстояние от центра гиперболы до директрисы равно а а расстояние от центра гиперболы до фокуса равно с, то
162 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. в р = с— — >. Так как с=ае, то для р получаем формулу р = а(е — (6.32) Докажем теорему, выясняющую важное свойство гиперболы и ее директрис. Теорема 6.2. Отношение расстояния ц от точки М гипер- болы до фокуса F{ к расстоянию d’i от этой точки до отвечаю- щей этому фокусу директрисы Di равно эксцентриситету е этой гиперболы. Доказательство. Для доказательства этой теоремы ну* жно рассмотреть следующие четыре случая: 1) точка М нахо- дится на левой ветви гиперболы, исследуется фокус /ч и дирек- триса 2) точка М находится на правой ветви гиперболы, ис- следуется фокус Fi и директриса Dt; 3) точка М на левой ветви, фокус F2, директриса О2; 4) точка М на правой ветви, фокус F2, директриса D2. Так как рассуждения для каждого из случаев однотипны, то мы ограничимся лишь первым случаем. Расположим систему кбординат так, как это указано в замеча- нии 5 этого пункта. Так как абсцисса х любой точки М(х, у) левой ветви гиперболы отрицательна, то расстояние от этой точки до фокуса Л, согласно формулам (6.11), равно —а — ~х. Так как ^ — е, то для л получим выражение Г1 = — а — ех. (6.33) Директриса определяется первым из уравнений (6.31). Со- гласно п. 7 § 1 главы 5 нормированное уравнение этой дирек- трисы имеет вид -х—1=0. (6.34) Так как точка М левой ветви гиперболы и начало координат находятся по разные стороны от директрисы (см. замечание? этого пункта), то расстояние dt от точки М до директрисы £>i равно отклонению М от Dit и мы получим (в силу (6.34) и тео- ремы 5.1): . (6.35) ‘ *) Напомним, что центр гиперболы и ее фокусы расположены на действи- тельной оси, которая перпендикулярна директрисам. Поэтому с учетом рас- положения центра, фокуса и отвечающей ему директрисы (см. рис. 6.11) р а равно с——.
§ 3} ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 163 Используя формулы (6.33) и (6,35), найдем, что-^- = £- Для первого случая теорема доказана. Остальные случаи рассматри- ваются аналогично. 3. Определение эллипса и гиперболы, основанное на их свой- стве по отношению к директрисам. Теоремы 6,1 и 6.2, доказан- ные в предыдущем пункте, выясняют свойство отлйчного от окружности эл- липса и гиперболы, связанное с ди- ректрисами этих кривых. Убедимся в том, что это свойство эллипса и ги- перболы может быть принято в каче- стве их определения. Рассмотрим в плоскости л точку F и прямую D (рис. 6.12). Будем предполагать, что точка F не лежит на прямой D. Дока- жем следующее утверждение. Теорема 6.3. Геометрическое ме- сто {АД точек М плоскости л, для ко- торых отношение е расстояния г до точки F к расстоянию d до прямой D есть величина постоянная, представляет собой эллипс (при е<1) или гиперболу (при е>1). При этом точка F назы- вается фокусом, а прямая D — директрисой рассматри- ваемого геометрического места. Д о к а з а т ел ь с т в о. Убедимся, что в некоторой, специаль- но выбранной системе координат геометрическое место точек, удовлетворяющее требованиям сформулированной теоремы, оп- „, х2 . у2 , , ределяется при е<1 уравнением -r-jr — 1 (т. е. является У2 1 эллипсом), а при е>1 —уравнением —ь2=' (т. е. является гиперболой) *). Пусть R— точка пересечения прямой D и пряу мой А, проходящей через F перпендикулярно D (рис. 6.12). На прямой А выберем положительное. Направление от F к R при е<1 и от R к F при е>1 (на рис. 6.12 показан случай е<1). Так как дальнейшие рассуждения для случая е>1 и е<1 идентичны, мы проведем их подробно для е<1, т. е. для случая, определяю- щего эллипс. Обозначим через р расстояние между точками F и R. Вспоминая расположение директрисы эллипса относитель- но его центра (см. п. 2 этого параграфа), естественно вы- брать начало О координат на прямой А слева от точки R на расстоянии—. При заданных е и р величина у может быть *) Эти уравнения, как было выяснено в § 1 этой главы, являются урав- нениями эллипса и гиперболы.
164 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. в определена при помощи формулы (6.27) (см. также замечание 4 п. 2 этого параграфа). Иными словами, естественно положить Будем теперь считать прямую А с выбранным началом О и направлением от F к R осью абсцисс. Ось ординат направим так, как указано на рис. 6.12. В выбранной системе координат фокус F имеет координаты (с, 0), где = <6’37) а директриса D определяется уравнением (6.38) Перейдем теперь к выводу уравнения рассматриваемого геоме* трического места точек. Пусть М — точка плоскости с коорди- натами (х, у) (рис. 6.12). Обозначим через г расстояние от точ- ки М до фокуса F и через d расстояние от точки М до дирек- трисы D. Соотношение — е (6.39) являете- необходимым и достаточным условием расположения точки М на геометрическом месте {Л4}. Используя формулу расстояния между двумя точками М и F (см. формулу (1.8) п. 2 § 3 главы 1) и формулу для расстоя- ния от точки М до прямой D (см. п. 7 § 1 главы 5), получим (6.40) (6-41) г — V{x — с)2 4-у2, d = - —х**). е ' (6.41) вытекает, что соотношение —Р._____х 1 — е2 / -т т=г — е Г(Х-С)’+^ Из (6.39), (6.40) и (6.42) *) Формула (6.37) R0=fL=P. е 1 — е2 ** ) Формула (6.41) вытекает из формулы c — RO— RF и формул RF—p и верна лишь для точек М(х, у), расположенных слева от прямой D. Однако точки, расположенные справа от прямой D, равно как и точки прямой D, можно исключить из рассмотрения, так как для этих то- Г г чек — 1. а мы рассматриваем точки, для которых — = е < 1.
§31 ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 165 представляет собой необходимое и достаточное условие распо- ложения точки М с координатами х и у на геометрическом Ме- сте {Af}. Поэтому соотношение (6.42) является уравнением гео- метрического места {А!}. Путем стандартного приема «уничтоже- ния радикалов», а также используя формулы (6.36) и (6.37), это уравнение легко привести к виду = t (6.43) где Ь2=а2— с2. Для завершения доказательства нам нужно убедиться в том, что в процессе преобразования уравнения (6.42) в уравнение (6.43) н.е появились «лишние корни». Рассуждая как и в п. 1 § 1 этой главы, мы убедимся в том, что расстояние г от точки М, координаты х и у которой удовле- творяют уравнению (6.43), до точки F(c, 0), может быть вычис- лено по формуле г = а — -~х. Используя соотношение (6.37) и формулу а = -j j£geC-, получим для г следующее выражение: г « а — ех. (6.44) Так как точка М, координаты х и у которой удовлетворяют (6.43), расположена слева от прямой D (для таких точек х^.а, а для точек прямой D :х=* где е< 1), то для расстояния d от М до D справедлива формула (6.41). Отсюда и из формулы (6.44) вытекает, что для рассматриваемых точек М выполняется соотношение "j —т. е. уравнение (6.43) является уравнением геометрического места {АГ}. Аналогично рассматривается слу- чай е>1, Замечание. Используя доказанную теорему и определе- ние параболы, мы можем сформулировать следующее определе- ние отличного от окружности эллипса, гиперболы и параболы. Определение. Геометрическое место {А!} точек М плоскости зт, для которых отношение е расстояния г до точки F этой пло- скости к расстоянию d до прямой D, расположенной в плоско- сти л, есть величина постоянная, представляет собой либо эл- липс (при 0<е<1), либо параболу (при е=1), либо гиперболу (при е>1). Точка F называется фокусом, прямая D — дирек- трисой, а е — эксцентриситетом геометрического места {Af}. 4. Эллипс, гипербола и парабола как конические сечения. В начале этой главы указывалось, что эллипс, гипербола и парабола представляют собой
166 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 В А Рис. 6.13. линии пересечения кругового конуса с плоскостями, не проходящими через его вершину. В этом пункте мы докажем теорему, обосновывающую спра- ведливость этого утверждения. Теорема 6.4. Пусть L — кривая, являющаяся эллипсом *), гиперболой или параболой. Можно указать такой круговой конус К и такую плоскость л, что линия пересечения плоскости л с конусом К представляет собой кри- вую L. Прежде чем перейти к доказательству этой теоремы, сделаем следую- щее замечание. - . Замечание. Пусть L* — линия пересечения конуса К. с некоторой пло- скостью л*, не проходящей через вершину конуса, a L — линия, подобная L*'. Найдется плоскость л, линией пересечения которой с К. будет линия L. ~ Существование такой плоскости очевид- но, ибо параллельные плоскости пересекают конус К по подобным линиям, коэффици- ент подобия .которых равен отношению рас- стояний от вершины конуса до этих плос- костей. Доказательство теоремы 6.4. Очевидно, линия пересечения конуса К с плоскостью, перпендикулярной его оси и не проходящей через его вершину, пред- ставляет собой окружность, т. е, эллипс, эк- сцентриситет е которого равен нулю. Рассмотрим плоскость л*, не перпенди- кулярную оси АВ конуса К и не проходя- щую через его вершину О (рис. 6.13). Пусть L* — линия пересечения этой плоскости и конуса. Впишем в конус сферу S, касаю- щуюся плоскости л* в точке F. Пусть <о — плоскость окружности R, по которой сфера S касается конуса К, и D — прямая, по кото- рой пересекаются плоскости л* и о. Убе- димся, что L* — удовлетворяет требованиям определения, сформулированного в преды- дущем пункте, т. е. является либо отличным от окружности эллипсом, либо параболой, либо гиперболой. В процессе рассуждений мы выясним, что в зависимости от наклона плоскости л* и от величины угла, который составляют образующие конуса с его осью, кривая L* может иметь любой поло- га, очевидно, и будет завершено доказатель- ство теоремы, так как любые две кривые второго порядка **) с одинаковым эксцентриситетом подобны (см. пп. 3 и 4 § 2 этой главы и замечание 2 п. 1 § 3 этой главы), а согласно сделанному перед доказательством теоремы за- мечанию, любая кривая L, подобная линии L* пересечения конуса К с пло- скостью л*, также представляет собой линию пересечения этого конуса с некоторой плоскостью л. Пусть М — произвольная точка кривой £*, МР — перпендикуляр из этой точки на плоскость со, MQ — перпендикуляр из М на прямую D, MF— отре- зок, соединяющий точки М и F, MN — отрезок образующей конуса (эта образующая проходит через точку М, a N — точка пересечения с окружно- жительный эксцентриситет е. *) При. этом эллипс может представлять собой окружность. **) То есть эллипс, гипербола или парабола.
§ 3) ДИРЕКТРИСЫ ЭЛЛИПСА, ГИПЕРБОЛЫ И ПАРАБОЛЫ 167 стью R). Так как MF и MN — касательные к сфере S из одной точки М, то Обозначим через (3 угол, который составляет образующая конуса К с его осью, а через а — угол между плоскостями л* и а>. Очевидно, значения р заключены в пределах 0<р< у, а значения а — в пределах 0 < ~ . Из рассмотрения треугольников MPN и MPQ, а также из равенства lAfA^IMFI- вытекает, что cos ₽ 1 1 sin а Таким образом, для любой точки М кривой L* справедливо равенство | MF | _____________________________ sin я | MQ | cos р ‘ Поскольку для заданного конуса К и фиксированной плоскости л* отноше- sina ,, ,- ние -£0$ р- не зависит от точки хЛт, то для кривой L* выполнены условия определения предыдущего пункта, т. е. эта кривая L* является либо отлич- ным от окружности эллипсом, либо гиперболой, либо параболой. При этом эксцентриситет е кривой L* может быть вычислен по формуле Докажем, что путем выбора углов а и Р мы сможем получить для е любое положительное значение. Выберем, во-первых, р так, чтобы величина ecosp была меньше 1. Такой выбор р возможен, так как р — любое число / л\ из интервала 10, -^-1, Остается выбрать а так, чтобы выполнялось равенство sin a= е cos Р (эта формула представляет собой записанную иначе формулу (6.45)). Очевидно, достаточно положить a=arcsin(ecos Р). Теорема доказана, 5. Полярные уравнения эллипса, гиперболы и параболы. Об- ратимся сначала к окружности радиуса R. Если полюс поляр- ной системы поместить в центр окружности, а полярную ось — произвольно в плоскости окружности, то, очевидно, искомое по- лярное уравнение будет иметь вид p=R. (6.46) Рассмотрим теперь кривую L, представляющую собой отлич- ный от окружности эллипс или параболу. Пусть F—фокус кри- вой L, D—отвечающая этому фокусу директриса, р —расстоя- ние от F до D и е — эксцентрйситет L. Пусть полюс полярной системы координат совпадает с F, а полярная ось перпендику- лярна D и направлена так, как указано на рис. 6.14. Пусть М — любая точка L. Согласно определению L (см. п. 3 этого *) а=?=0, так как плоскость Л* не перпендикулярна оси конуса.
168 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА ГГЛ; 6 параграфа) |FAf 1 I л/р ’ е‘ (6-47) Так как \FM\ = р, а |Л4Р| = \PN + NM | =р + р cos <р *), то из (6.47) находим следующее выражение для р: р = -=—. (6.48) r 1 — е cos <₽ v ' Соотношение (6.48) представляет собой полярное уравнение отличного от окружности эллипса или параболы. Обратимся теперь к гиперболе. Пусть F — один из ее фоку* сов, D — отвечающая этому фокусу директриса, р — расстояние от F до D, е — эксцентриситет гиперболы. Пусть Wi~ ветвь ги- перболы, отвечающая фокусу F, a W2— другая ветвь гиперболы (на рис. 6.15 F — правый фокус гиперболы и Wi— правая ее ветвь). Рассуждая как и в случае эллипса или параболы, легко убе- диться, что полярное уравнение ветви Wi гиперболы имеет вид (6.48). Для ветви W2 полярное уравнение имеет иной вид. За- метим, во-первых, что для точек М ветви W2 справедливо соот- ношение (6.47). Выражения для и |Л4Р| имеют следую- щий вцд: |ГЛ4|=р, |Л4Р| = |ММ— Р/V | =—pcostp — р**). (6.49) Используя формулы (6.49), найдем из (6.47) следующее *) Эта формула верна и в случае, когда М находится левее FN, ибо в етом случае cos <р<0. **) Так как для ветви W2 угол <р тупой, то cos <р<0 и поэтому MN= =—р cos <р.
§ 4] КАСАТЕЛЬНЫЕ К ЭЛЛИПСУ, ГИПЕРБОЛЕ И ПАРАБОЛЕ 169 (6.50) Р = полярное уравнение ветви W2: Р=г-рг . г 1 4- в COS ф Таким образом, полярное уравнение гиперболы имеет вид т——-------------------------- для ветви W,, 1—е cos ф 1 Р& IVZ Т+Т^Зф ДЛЯ ВеТВИ Замечание. Знаменатель в правой части соотношений (6.48) и (6.50) не обращается в нуль. В случае эллипса, когда 0<е<1, это очевидно. Для параболы е=1, но ф изменяется на интервале (0, 2л), и поэтому |е cos ф]<1. В случае гиперболы легко убедиться, что для ветви Wt угол ф изменяется на интервале (arccos —, 2л — arccos — j, и поэтому произведение есозф либо заключено между нулем и единицей, либо отрицательно. Для ветви W2 угол ф изменяется на интервале (arccos (——2л — arccos (—— ^.Для этих значений ф выражение е cos ф отрицательно, но больше 1 по абсолютной величине. § 4. Касательные к эллипсу, гиперболе и параболе 1. Уравнения касательных к эллипсу, гиперболе и параболе. Убедимся, что каждая из кривых L, являющаяся эллипсом, гиперболой или параболой, представляет собой объединение графиков двух функций. Рассмотрим, на- пример, каноническое уравнение эллипса (6,4). Из этого уравнения следует, что часть эллипса, точки которой имеют неотрицательные ординаты у, есть график функции /Х^ 1—ПРИ —(6.51) а часть эллипса, фик функции точки которой имеют неположительные ординаты, есть гра- (6.52) Обращаясь к каноническому уравнению гиперболы (6.9), найдем, что ги- пербола представляет собой объединение графиков функций У и при х~^- а и х — а, (6.53) а из канонического уравнения параболы (6.15) вытекает, что эта кривая есть объединение графиков функций t/ = yr2/>x и у — — У~2рх при xJ»0. (6.54) Рассмотрим теперь вопрос о касательных к эллипсу, гиперболе и пара- боле. Естественно, что касательные к этим кривым, будут также касатель- ными к графикам функций (6.51) — (6.54). Вопрос о касательных к графикам функций подробно рассмотрен в выпуске 1 настоящего курса (см. выпуск 1, главу 5, § 1, п. 4). Найдем, например, уравнение касательной к эллипсу в его
170 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 точке М(х, у), считая при этом у =£0 (пусть, ради определенности, у>0). Пусть X, У —текущие координаты точки касательной. Так как ее угловой xb коэффициент k=y', где у' --------— -—производная функции (6,51), а2 вычисленная в точке х, то уравнение касательной имеет вид *) (X — х). Y-y (6.55) а2 а2 точка Af (х, у) лежит на эллипсе (т. е. ее координаты х и у уравнениям (6.51) и (6.4)), получим, после несложных пре- образований, уравнение касательной к эллипсу в Хх \ уУ _ j Учитывая, что удовлетворяют следующей форме: а2 Ь2 (6.56) Рассуждая аналогично для случая гиперболы и щие уравнения касательных к этим кривым: й Хх Yy для гиперболы---------- параболы, получим следую- (6,57) К Рис. 6.16. а2 Ь2 11 для параболы Yy = р (X х).' (6.58) Замечание. 1. В предыдущих рассуждениях был исключен случай у=0. В соответствующих точках эллипса, гиперболы и параболы касательные вертикальны. Легко убедиться, что уравнения (6.56)—(6.58) справедливы и в этом случае. Замечание 2. Отметим, что касательная к эллипсу имеет с ним только одну общую точку — точку касания. Аналогичным свойством обладают касательные к гиперболе и параболе. 2. Оптические свойства эллипса, ги- перболы и параболы. Установим сле- дующее оптическое свойство эллипса: лучи света, исходящие из одного фо- куса Fi эллипса после зеркального от- ражения от эллипса проходят через второй фокус Fi (рис. 6.16). Геометри- чески указанное свойство означает, что отрезки MFt и MF2 образуют с касатель- ной в точке М эллипса равные углы. Допустим, что эллипс не обладает указанным свойством, т. е. а, =# а2 (рис. 6.16). Пусть Fj — зеркальное отра- касательной ft в точке М. Соединим F г с жение фокуса Ft относительно М и F2. Так как ai а2, то точка М* пересечения прямой F^F2 с касатель- ной К не совпадает с точкой М. Поэтому |FiAf*l + |F2Al*| = |FiF2|<|FiJM| + |F2Al| = 2a **). (6.59) Будем теперь перемещать точку М* по касательной ft от точки М. При та- *) См. главу 5, уравнение (5.10). **) а — длина большой полуоси эллипса.
§ 41 КАСАТЕЛЬНЫЕ К ЭЛЛИПСУ, ГИПЕРБОЛЕ И ПАРАБОЛЕ 171 ком перемещении сумма |FjAl*| + |F2Af*| неограниченно увеличивается. В на- чальный момент перемещения эта сумма, согласно (6.59), была меньше 2 а. Поэтому в некоторый момент эта сумма будет равна 2а, а это означает, что на касательной К, кроме точки М, будет еще одна точка М* эллипса, отличная от М. Согласно замечанию 2 предыдущего пункта этого не мо- жет быть. Таким образом, указанное выше свойство эллипса действитель- но справедливо. Совершенно аналогично устанав- ливаются следующие оптические свой- ства гиперболы и параболы: Рис. 6,18. лучи света, исходящие из одного фокуса F\ гиперболы, после зеркаль- ного отражения от гиперболы кажутся исходящими из другого ее фокуса F? (рис. 6.17); лучи света, исходящие из фокуса параболы, после зеркального отражения от параболы образуют пучок, параллельный оси параболы (рис. 6.18). Замечание 1. Оптические свойства, эллипса, гиперболы и параболы широко используются в инженером деле. В частности, оптическое свой- ство параболы используется при конструировании прожекторов, антенн и телескопов. Замечание 2. Назовем фронтом волны точечного источника света Р линию, для всех точек Q которой путь, проделанный световым лучом, при- шедшим из источника F в точку Q, одинаков. Если волна, вышедшая из то- чечного источника F, не претерпевает отражений, то фронт ее, очевидно, бу- дет представлять собой окружность. Если же указанная волна отражается от некоторой кривой L, то форма ее фронта меняется в зависимости от вида кривой L. Парабола обладает следующим замечательным свойством: фронт Ф отраженной от параболы волны, при условии расположения источника света в фокусе F параболы, представляет собой прямую, параллельную дирек- трисе D этой параболы (рис. 6.18). В самом деле, рассмотрим прямую Ф, параллельную директрисе D. Пусть Q — произвольная точка этой прямой. Из оптического свойства параболы вы- текает, что, если FM падающий луч, приходящий после отражения в точку Q, то отраженный луч MQ перпендикулярен директрисе D. Обозначим через Р точку пересечения луча с директрисой Ь. Очевидно, сумма |QA1| + равна IQMI + IAJPI *). Так как |QA1| + |Л1Р| — d, где d—не зависящее от точ- ки Q расстояние между прямыми Ф и D, то для любой точки Q линии Ф сумма |QA1|+|МЕ| одна и та же (равна d),T. е. Ф—фронт отраженной волны. *) Согласно определению параболы (см. п. 3 § 1 этой главы).
172 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 8 § 5. Кривые второго порядка Обращаясь к каноническим уравнениям эллипса, гиперболы и параболы (см. уравнения (6.4), (6.9 )и (6.15) этой главы), мы видим, что перечисленные кривые представляют собой алгеб- раические линии второго порядка (см. главу 4, § 1, п. 5). Есте- ственно поставить вопрос о том, какие еще линии являются ал- гебраическими линиями второго порядка. Этот вопрос и рас- сматривается в настоящем параграфе. Рассмотрим общее алгебраическое уравнение второго по- рядка ацх2 + 2а12хг/ + а^у2 + 2а13х+Ча^у+а3з = 0. (6.60) Линия L, определяемая этим уравнением (т. е. алгебраиче- ская линия второго порядка), рассматриваемая как геометри- ческий объект*), не меняется, если от данной декартовой пря- моугольной системы координат перейти к другой декартовой си- стеме координат. Отметим, что,исходное уравнение (6.60) и уравнение, полу- ченное после преобразования координат, алгебраически эквива- лентны (см. п. 5 § 1 главы 4). Можно ожидать, что при спе- циальном выборе декартовой системы координат уравнение (6.60) примет настолько простой вид, что геометрическая харак- теристика линии L не будет представлять затруднений. Этим методом мы воспользуемся для выяснения всех типов линий второго порядка. В процессе рассуждений мы укажем правила, с помощью которых выбирается система координат, в которой уравнение линии L выглядит наиболее просто, Мы сформулируем также признаки, позволяющие узнать тип линии второго порядка по ее исходному уравнению. 1. Преобразование коэффициентов уравнения линии второго порядка при переходе к новой декартовой системе координат. Так как переход от одной декартовой прямоугольной системы координат на плоскости к другой декартовой прямоугольной си- стеме координат может быть осуществлен путем некоторого па- раллельного переноса системы координат и последующего по- ворота (включая в поворот и зеркальное отражение (см. § 1 главы 3)), мы рассмотрим отдельно вопрос о преобразовании ко- эффициентов уравнения (6.60) при параллельном переносе и при повороте. При этом, конечно, будем считать, что в уравне- “) Может оказаться, что уравнение (6.60) не определяет линии: этому уравнению могут удовлетворять координаты лишь одной точки или не най- дется ни одной точки, -координаты которой удовлетворяют (6.60). Однако и в этом случае мы будем говорить о геометрических объектах, определяемых уравнением (6.60), называя эти объекты вырожденными, или мнимыми. Под- робнее об этих вопросах см. в главе 4.
§ 5] КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 173 нии (6.60) по крайней мере один из коэффициентов ап, й\2 иди а22 отличен от нуля. Условимся о следующей терминологии: группу слагаемых ацх2+2а^ху+а2ч.уг левой части (6.60) будем называть группой старших членов этого уравнения, а группу слагаемых 2aisx+, + 2а2зУ+а33 будем называть линейной частью уравнения (6.60). При этом коэффициенты ан, а12, а22 будем называть коэффи- циентами группы старших членов, а коэффициенты ац, агз и а33— коэффициентами линейной части (6.60). Коэффициент азз обычно называется свободным членом уравнения (6.60). 1°. Преобразование коэффициентов при параллельном пере- носе. Пусть декартова прямоугольная система координат О'х'у' получена параллельным переносом системы Оху вдоль вектора ОО'. Как-известно, старые и новые координаты точки связаны соотношениями Х—Х'-\-Хо, у — у'-\-Уо, (6.61) где х0, г/о — координаты начала О' в системе Оху (см. главу 3, § 1, формулы (3.12)). Подставляя выражения (6.61) для х и у в левую часть (6.60), мы получим уравнение L в системе О'х'у'. Очевидно, это уравнение имеет вид апх'2 + Ъа^'у' + а^у'2 + 2а'х?х' 2а^у' + а'3 = 0, (6.62) где ^'з^Л + ЗД + ^З- ^23 ~ + ^22-^0 Н- Я23' ^33 ~ а11Х0 2а12Х0&0 Н- ^22-^0 -ф- (6.63) Обращаясь к уравнению (6.62), мы можем сделать следую- щий важный вывод: при параллельном переносе системы коор- динат коэффициенты группы старших членов не изменяются, а коэффициенты группы линейных членов преобразуются по фор- мулам (6.63). Замечание 1. Используя первую и вторую из формул (6.63), можно, очевидно, выражению для азз придать следую- щий вид: а33 (^13 Н” ®1з) Х0 “Ь (а23 “Ь а2з) У о азз- (6.64) 2°. Преобразование коэффициентов при повороте. Пусть де- картова прямоугольная система координат Ох'у' получена по- воротом системы Оху на угол <р (при этом не исключается по- ворот на угол <р, равный нулю). Как известно, старые и новуе
174 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 координаты точки связаны соотношениями л = х'со8ф — у' sin<p, у =х' sin <р + у' cos <р (6.65) (см. главу 3, § 1, формулы (3.13)). Подставляя выражения (6.65) для х и у в левую часть (6.60) и группируя коэффициенты при различных степенях х' и у', мы получим уравнение L в си- стеме Ох'у'. Очевидно, это уравнение имеет вид + + + + (6-66) где*) а'А = а12 sin 2<р 4- (an — а22) cos 2q>+у (ап 4- а22). д(2 = —(au — а22) sin 2<р 4-aI2 cos 2ср, й22 = — «12sin 2(Р — 4 (°п ~ «22) cos 2с₽ + у («и + а22) • а' = а,„ cos ф 4- a-™ sin <р, 1<5 10 1 1 ZO ’ Л23 = «23 C0S --«13 8’П Ч’’ «зз = азз- (6.67) Мы можем сделать следующий важный вывод: При повороте системы координат коэффициенты a'w а[2, а22 группы старших членов уравнения (6.66) выражаются лишь через угол ф пово- рота и через коэффициенты ац, ai2, а22 группы старших членов уравнения (6.60); коэффициенты а'хз и а23 уравнения (6.60) вы- ражаются лишь через угол ф и коэффициенты ai3 и а23 уравне- ния (6.60); свободный член не изменяется (т. е. а'33 = а3^. Замечание 2. Обозначим через А, В и С соответственно величины ]/а\2 + [1 (а„ — а22)]2, | (ан 4- а22) и 1 , (ДИ ~а22/ Введем, далее, угол а, считая cos а= —, sina =------------ при Д=£0 и а = 0 при Д = 0; и угол 0, считая *) При выводе этих формул использовались равенства 2 sin ф cos ф =«= sin 2<p, sin2 <р = —-и COS2 =
I 5] КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 175 cosp = -^r-, sinр= при (?=£0 . и р = 0 при С = 0*). Тогда, очевидно, выражения (6.67) для а'и можно переписать в следую- щей форме: a'j — A sin (2<р + а)4~5, > а'12 — Д cos (2<р Ц-а), а'2 = — Л sin (2<р а) Д- В, a'l3 = C sin (ф + Р), «2з = С cos (ф + Р), азз~ азз- (6.68) Отметим, что величины А, В и С и углы а и р не зависят от ф. 2. Инварианты уравнения линии второго порядка. Понятие типа линии второго порядка. Назовем инвариантом уравнения (6.60) линии второго порядка относительно преобразований де- картовой системы координат такую функцию /(«и, «12, .... азз) от коэффициентов а;3- этого уравнения, значения которой не ме- няются при переходе к новой декартовой прямоугольной си- стеме координат. Таким образом, если /(«и, а^, , а3з) инва- риант и «,у—коэффициенты уравнения линии второго порядка в новой системе декартовых координат, то f («11, «12, •., «Зз)=П«И, «12, ..., азз). Докажем следующую теорему. Теорема 6.5. Величины Л = а1гА'а22у «12 «22 «П «12 /3 = «12 «22 «13 «23 «13 ,«23 «33 (6.69) являются инвариантами уравнения (6.60) линии второго по- рядка относительно преобразований декартовой системы коор- динат. Доказательство. Очевидно, инвариантность величин Ц, /2, h достаточно доказать отдельно для параллельного переноса системы координат и для поворота. *) Известно, что, каковы бы ни были величины Р и Q, удовлетворяющие условию P2+Q2=#0, можно найти такой угол у, что cosy = у-^-2 и О sin у = Л.___-.
176 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ< в Рассмотрим сначала параллельный перенос системы коорди- нат. Мы установили в 1° предыдущего пункта, что при этом преобразовании координат коэффициенты группы старших чле- нов не изменяются. Поэтому не изменяются и величины Ц и /г- Займемся величиной /3. В новой системе координат О'х'у' вели- чина /3 равна а1\ «12 «13 «12 «22 «23 • «13 «23 «33 Вычитая из последней строки этого определителя первую стро- ку, умноженную на х0, и вторую, умноженную на уо (хо и уо— координаты нового начала О'), и используя при этом выраже- йия для а'13 и Цщ из формул (6.63) и выражение (6.64) для а33, найдем, что этот определитель равен *) «11 «12 «13 «12 «22 «23 «13 «23 «IS^O «23% «33 Если теперь вычесть из последнего столбца полученного опре- делителя первый столбец, умноженный на хо, и второй, умно- женный на г/о, и использовать при этом выражения для а'13 и а'23 из формул (6.63), то в результате получится определитель, стоя- щий в правой части выражения для /3 в формулах (6.69). Итак, инвариантность /3 .при параллельном переносе системы коорди- нат доказана. Рассмотрим теперь поворот декартовой системы координат. В 2° предыдущего пункта мы нашли, что при этом преобразо- вании коэффициенты aij уравнения линии L в новой системе свя- заны с коэффициентами а,, уравнения этой линии в старой си- стеме с помощью формул (6.68) (см. замечание 2 предыдущего пункта). Докажем теперь инвариантность Д, /2 и /3. Имеем, со- гласно (6.68), /j = <Z]1Д22 ~ 25 — tZjj-|-tz22' 5 = а'а' — а„ = В2 — А2 = а,,а — а2 4 11 44 14 11 44 14 *) Напомним, что при указанных преобразованиях значение определителя не меняется (см. Дополнение к главе 1).'
$ 51 КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 177 Таким образом, инвариантность Л и /2 доказана. Обратимся теперь к “и “1'2 “1'з 7з = “[2 “22 “23 “13 “23 “зз Разлагая этот определитель по элементам последнего столбца, учитывая только что доказанную инвариантность 1%, т. е. ра- венство “1'1 “12 “11 “12 1 «1'2 “22 “12 “22 •2 и равенство = (см. последнюю Из формул (6.67)), по- лучим , “12 13 а' “13 “22 “11 f IZftq [ а23 а13 (6.70) Согласно формулам (6.68) первое слагаемое в правой части (6.70) может быть преобразовано следующим образом: A cos (2<рЦ-а) —A sin (2ф-|-а)-1-В С cos(<p-{-₽) “12 “22 “13 “23 — С2 sin (ф р) {Л cos (ф + а — р) — В sin (ф 4- р)). (6.71) Совершенно аналогично получается равенство “11 “12 “13 “гз “13 “23 = С sin (ф р) „ . , , 1 С8ш(ф + Р) = C2cos(<p4~0) И sin(<p-|-a~0) + £cos(<p4-p)). (6.72) з = “ Из соотношений (6.70) — (6.72) получаем Z' = AC2 sin (2р — а) — ВС2+а3312. (6.73) Так как величины А, В, С, углы а, ₽ и /2 не зависят от угла ф (это вытекает из инвариантности /2 и замечания 2 предыдущего пункта), то из (6.73) следует, что 13 также не зависит от угла Ф, т. е. при любом значении ф имеет одно и то же значение. Но a'.j—ац, при ф = 0, и поэтому/д = 73.Таким образом, инва- риантность /3 также установлена. Теорема доказана. Геометрические характеристики линий второго порядка и их расположение вполне определяются значениями инвариантов Zi,
178 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА . ' (гл в 12 и /3. В зависимости от знака инварианта Л эти линии разде- ляют на следующие три типа: эллиптический тип, если /2>0, гиперболический тип, если /2<0, параболический тип, если /2=0. Очевидно, тип линии не меняется при изменении декартовой си- стемы координат. Ниже мы дадим полную классификацию ка- ждого из указанных типов линий. 3. Центр линии второго порядка. В предыдущем пункте мы установили, что при параллельном переносе декартовой системы изменяются лишь коэффициенты группы линейных членов ура- внения линии второго порядка. Попытаемся найти такую декартову систему координат О'х'у' (полученную параллельным переносом системы Оху), в которой уравнение (6.62) данной линии L второго порядка не содержало бы слагаемых 2а[Ах' и 2а'юу', т. е. коэффициенты d(3 и «23 были бы равны нулю. Пусть Хо и уо — координаты начала О' искомой системы. Обращаясь к формулам (6.63), найдем, что величины х0, уо представляют собой решение сле- дующей системы линейных уравнений: а11Х0 + #12^0 + Л13 =0» 1 . । л f (6-74) Л12дЙ> + <г22Уо4~й!23 — 0. J Уравнения (6.74) называются уравнениями центра линии второго порядка, а точка О' с координатами (ха,у0), где х0 и Уо — решения системы (6.74), называется центром этой линии. Поясним смысл наименования «центр» линии. Пусть начало координат перенесено в центр О'. Тогда уравнение линии L при- мет вид анх/2Н-2а12хУ + а22/2 + а^ = 0. (6.75) Пусть точка М(х',у') расположена на L. Это означает, что ее координаты х' и у' удовлетворяют уравнению (6.75). Очевидно, точка М*(—х',—у'), симметричная с М относительно О', также расположена на L, ибо ее координаты также удовлетворяют ура- внению (6.75). Таким образом, если у линии L существует центр О', то относительно центра точки L располагаются симметрично парами, т. е. центр линии L является ее центром симметрии. Замечание 3. Если линия L второго порядка имеет центр, то инварианты /2, /3 и свободный член а-зз в уравнении (6.75) связаны соотношением /3 = /2Пз3. (6.76)
§ 5] КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 179 В самом деле, в силу инвариантности /3 получим в системе ко- ординат О'х'у' 3 — tZjl dj2 О Д-12 ®22 О О О йзз Из последней формулы и вытекает соотношение (6.76). Наличие центра у линии второго порядка связано с разре- шимостью уравнений центра (6.74). Если уравнения центра имеют единственное решение, то линию L второго порядка бу- дем называть центральной*). Так как определитель си- стемы (6.74) равен /2, а необходимым и достаточным условием существования единственного решения этой системы является неравенство нулю ее определителя, то тцы можем сделать сле- дующий важный вывод: линии эллиптического типа (/2>0) и ги- перболического типа (/2<0) и только эти линии являются цен- тральными. Замечание 4. Если начало координат перенесено в центр О' центральной линии L второго порядка, то уравнение этой ли- нии будет' иметь вид аД1х'2 + 2а12ху + а22у'г + £ = 0. (6.77) Действительно, после переноса начала в центр уравнение линии примет вид (6.75). Так как для центральной линии /2 ¥=0, то из формулы (6.76) найдем, чтоа^ = у-. Подставляя это выраже- ние для а'ж в формулу (6.75), мы получим уравнение (6.77). 4. Стандартное упрощение любого уравнения линии второго порядка путем поворота осей. Докажем, что любое уравнение (6.60) линии L второго порядка путем специального поворота координатной системы может быть приведено к уравнению, в ко- тором не будет содержаться слагаемое 2а'12х'у', т. е. коэффи- циент а'12 будет равен нулю. Такое упрощение уравнения второго порядка мы будем называть стандартным. Естественно, мы будем предполагать, что в исходном ура- внении (6.60) коэффициент а12 не равен нулю, ибо в случае а12 = 0 поставленный вопрос является решенным. Пусть <р — угол поворота искомой повернутой системы координат. Обращаясь ко второй из формул (6.67), най- дем, что искомый угол ср является решением следующего *) Таким образом, центральная линия имеет единственный центр.
180 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. в тригонометрического уравнения: — у(аи — «23) sin 2<р 4- «i2cos2<p=0, (6-78) в котором, по предположению, a12 ¥= 0. При этом предположе- нии очевидно, что (6.78) имеет следующее решение: ctg2<p= . (6.79) Итак, если мы повернем систему координат на угол ф, опреде- ленный из равенства (6.79), то в повернутой системе координат уравнение линии L не будет содержать слагаемого 2а[2х'у' и, кроме того, согласно формулам (6.67), — Иными слова- ми, это уравнение будет иметь следующий вид: аих'г+а22У'2 + 2а(3х' + 2я'3/ + = 0. (6.80) 5. Упрощение уравнения центральной линии второго порядка (/2 ¥= О). Классификация центральных линий. Выводы, сделан- ные в предыдущих двух пунктах, позволяют решить вопрос о классификации всех центральных линий второго порядка. Реше- ние этого вопроса мы проведем по следующей схеме. Во-пер- вых, путем переноса начала координат в центр линии (6.60) мы приведем ее уравнение к виду (6.77). После этого произведем стандартное упрощение уравнения (6.77): 1) если 012=0, то оставим систему координат О'х'у’ не- изменной и изменим лишь обозначение х' на х", у' на у", atJ на aj/, 2) если^О12¥=0, то перейдем к повернутой системе коорди- нат OJx”y", вычисляя угол поворота ф по формуле (6.79) и ис- пользуя при этом формулы (6.67) (с заменой а'^ на a"t^ и фор- мулу (6.80). В обоих указанных случаях найдем, что уравнение любой центральной линии L в системе координат О'х"у" име- ет вид й;/'2+а;/+А = о. (6.81) Дальнейшая классификация линий основывается на анали- зе уравнения (6.81). При этом используется связь коэффициен- тов а" и а"22 с инвариантами Л и h- Рассмотрим отдельно линии эллиптического типа и линии гиперболического типа. 1\ Линии эллиптического типа (7г>0). Обратимся к исход- ному уравнению (6.60) линии L эллиптического типа. Так как /? ~ ~-12 > 0> то йиа22>0, т. е. коэффициенты йц и а22
§ 5] . КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА |81 оба отличны от нуля и имеют одинаковый знак, совпадающий со знаком Д, поскольку /1=011+022- Без ущерба для общности можно считать оба эти коэффициента положительными (этого всегда можно добиться нормировкой исходного уравнения (6.60), т. е. умножением его на —1 (при такой нормировке знак инварианта Д станет положительным, знак инварианта /2 не ме- няется). . Справедливо следующее утверждение. Теорема 6.6. Пусть уравнение (6.60) линии L эллиптиче- ского типа (/2>0) нормировано так, что Д>0. Тогда при /3<0 это уравнение представляет собой эллипс. При Is = 0 уравнению (6.60) удовлетворяют координаты лишь одной точки. В этом случае (6.60) называется уравнением вырожденного эл- липса. При Д>0 уравнению (6.60) не удовлетворяют коорди- наты никакой точки плоскости. В этом случае (6.60) называется уравнением мнимого эллцпса. Доказательство. Так как для уравнения (6.81)/! = = + а /2 = «п^22’ то из условия Д > 0 и /2 > 0 вытекает положительность а" и а'^. Поэтому уравнение (6.81) линии L может быть записано следующим образом: Очевидно, уравнение (6.82), отвечающее случаю 73 < 0, пред- ставляет собой каноническое уравнение эллипса с полуосями —А и л/ —/-• Уравнению (6.83), отвечающему случаю /2ап у J2a22 /з=0, удовлетворяют координаты лишь однойточки к"—0,у"=0. Уравнению (6.84) не удовлетворяют координаты никакой точки плоскости, ибо левая часть этого уравнения не отрицательна, а правая отрицательна. Для завершения доказательства теоремы достаточно заметить, что каждое из уравнений (6.82), (6.83), (6.84) эквивалентно исходному уравнению (6.60) соответствен- но для случаев /3<0, Д=0, /3>0, и поэтому сделанные выше
182 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 6 геометрические выводы для уравнений (6.82), (6.83) и (6.84) справедливы и для уравнения (6.60). Теорема доказана. Замечание 5. Остановимся подробнее на случае, когда уравнение (6.60) эллиптического типа определяет эллипс. При этом мы будем считать, что это уравнение нормировано так, что Л>0. Координаты (хо,£/о) центра этого эллипса предста- вляют собой решение системы (6.74). Так как новая ось О'х" является одной из главных осей эллипса (это вытекает из того, что в системе О'х”у" уравнение эллипса имеет канонический вид и поэтому оси координат О’х" и О'у" совпадают с главными осями эллипса (см. п. 1 § 2 этой главы)), то угол наклона <р этбй оси со старой осью Ох может быть найден по формуле (6.79). Наконец, из уравнения (6.82) вытекает, что полуоси эл- липса равны jy/" j &,,3 и р/", причем коэффициенты a"t и а22 выражаются через коэффициенты а^ исходного урав- нения (6.60) (см. первую й третью формулы (6.67); при этом нужно положить a"j — а'п и «22 = ^22)- Итак, зная инварианты и формулы преобразования коорди- нат, можно вычислить полуоси эллипса и выяснить его располо- жение относительно исходной системы координат Оху. 2°. Линии гиперболического типа (7г<0). Справедливо сле- дующее утверждение. Теорема 6.7. Уравнение (6.60) линии L гиперболического типа при /з=#0 представляет собой гиперболу, а при 13=0 — пару пересекающихся прямых. Доказательство. Так как для уравнения (6.81)/2 = ==#11#®, то из условия /2 < 0 вытекает, что а"} и а''2 имеют разные знаки. Для определенности будем считать а" > 0, 0 (случай < 0, > 0 рассматривается аналогично). Тогда уравнение (6.81) может быть записано следующим об- разом:
КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 183 § 5] Очевидно, уравнение (6.85), отвечающее случаю Лз<0, предста- вляет собой каноническое уравнение гиперболы, для которой ось Ох является действительной осью, а ось Оу — мнимой осью, причем действительная и мнимая полуоси этой гиперболы соот- ветственно равны ]/“Г7’" и V Лан V ^2) Уравнение (6.87), отвечающее случаю /3>0, также представляет собой каноническое уравнение гиперболы, для которой ось Оу является действительной осью, а ось Ох — мнимой осью, при- чем действительная и мнимая полуоси этой гиперболы соответ- ственно равны 1/77—^7 и у /2 ( а22) г /2аи Уравнение (6.86), отвечающее случаю /3=0, можно записать в виде • 7 х" । у" \/ х" -у” \ _ л I 1 ' 1 II 1 1 | ’ \ VX1 V — 4'2Va'u V — <h2 J Этому последнему уравнению удовлетворяют лишь координаты точек, расположенных на прямых —т—^~-^г—=0 и -----------------т—= °- Для завершения доказательства теоремы достаточно заметить, что каждое из уравнений (6.85), (6.86), (6.87) эквивалентно ис- ходному уравнению (6.60) соответственно для случаев /з<0, 4=0, /3>0, и поэтому сделанные выше геометрические выводы для уравнений (6.85) — (6.87) справедливы и для уравнения (6.60). Теорема доказана. Замечание 6. .Остановимся подробнее на случае, когда уравнение (6.60) гиперболического типа определяет гиперболу, т. е. когда /3=#0. Координаты (х0, Уо) центра этой гиперболы представляют собой,решение системы (6.74). Угол наклона. <р оси Ох' (являю- щейся либо действительной, либо мнимой осью гиперболы) со старой осью Ох может быть найден по формуле (6.79). Нако- нец, в процессе доказательства теоремы были указаны величи- ны действительной и мнимой полуосей гиперболы. Их значения вычисляются через /2> /3, а'^ и а22. Коэффициенты a"v и а'^
184 линии второго порядка (гл. 6 выражаются через коэффициенты ац исходного уравнения (6.60) (см. первую и третью формулы (6.67); при этом нужно положить a'^=a'lx и а22~а'22у Уравнения асимптот гиперболы без труда могут быть найдены по ее каноническим уравнениям (6.85) или (6.87). Итак, зная инварианты и формулы преобразования коорди- нат, можно вычислить действительную и мнимую полуоси ги- перболы и выяснить ее расположение относительно исходной системы координат Оху. в. Упрощение уравнения линии параболического типа (72— 0). Классификация линий параболического типа. Заметим, во-пер- вых, что для уравнения (6.60) параболического типа инва- риант It отличен от нуля; В самом деле, если Л=ац + а22=0, то д2 д2 ^1=Л11+а22 + 2^1^22 Т- е- а11а22=--------F----Т-' ТаК КЭК ^2 = аиа22 — а12 = 0, то, используя только что полученное выра- жение для Дцагг, найдем что---------= откуда следует, что ац = а22-= 012 = 0. Но по предположению по крайней мере один из коэффициентов Дн, а22, 012 отличен от нуля. Итак, Л¥=0. Произведем стандартное упрощение уравнения (6.60): 1) если С12=0, то оставим систему координат Оху неизменной и изменим лишь обозначение х на- х'у у на у', atj на 2)' если 012=^0, то перейдем к повернутой системе координат Ох'у', вычисляя угол поворота по формуле (6.79) и используя при этом формулы (6.67). В обоих указанных случаях уравнение (6.60) примет вид (6.80). Так как для уравнения (6.80) 1г = ==аи + а22’ Л~апа22’ т0 из условия Л=#0, /2=0 вытекает, что один из коэффициентов а'п и а22 равен нулю, а другой не равен нулю. Для определенности будем считать a(j = O, а'22^0 (случай =£ 0, —0 рассматривается аналогично). При этом пред- положении Л = так как — а'г1 а22. Итак, уравнение ли- нии (6.60) параболического типа после стандартного упрощения может быть записано в следующей форме *): /ip' -±-2а'3х' ~1-2а'3у' -*-а33 = 0. (6.88) *) Если V=0, а22 — 0, то /t=en и вместо уравнения (6.88) мы по- лучим уравнение lxx -j~2a'13x'-j-a23y'-j-a33 = 0, которое путем изменения обозначений х на у , у' на х', а{3 на а23 и а23 на а'13 переходит в уравнение (86.88).
§ 5] КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 185 Дальнейшее упрощение уравнения (6.88) может быть достигнуто путем специального параллельного переноса системы координат Ох'у'. Предварительно перепишем (6.88) в следующей форме: Л (у' + sgn -^J2+2а(3х' + *331 ~ =0. (6.89) x V I Л I / I • i I Знак sgn, используемый в соотношении (6.89), определяется сле- дующим образом: sgna = 1 при а > 0, О при а = 0, — 1 при а < 0. Перейдем теперь к новой системе координат, полученной путем следующего параллельного переноса:, л" = х', у" = у’ -|- sgn 1г . Я Я “Г 5 1 /| /, | Введем обозначения <з = <з> (6.91) 1О 10 ОО " I • ] I ' ' (6.90) В 'илу соотношений (6.89), (6.90) и (6.91) уравнение линии L параболического типа в новой системе координат О'’х"у" при- мет вид 1ху"2 + 2а'^' + а^ = 0. (6.92) Докажем теперь следующее утверждение. Теорема 6.8. Уравнение (6.60) линии L параболического типа при /3=#0 представляет собой параболу, а при /3 = 0— либо пару параллельных действительных прямых (которые могут быть слившимися), либо пару мнимых параллельных прямых *). Доказательство. Выясним вопрос о связи между вели- чинами а^и /3. Для уравнения (6.92) имеем 0 0 6113 Л — 0 /1 0 Т Ла13 <з 0 а33 (6.93) *) Термин «мнимые параллельные прямые» будет разъяснен в процессе Доказательства.
186 ЛИНИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 6 Так как Л^О, то при /3=#0 у а“3^0, если же /3=0, то и а'3 = 0. Используя этот вывод, мы можем записать уравнение (6.92) следующим образом: при /3¥=0 (т. е. при а"3=А0): (п \ =0’ (6-94) при /3 = 0 (т. е. при а''3 = 0): /у'2 + ^ = 0. (6.95) Очевидно, уравнение (6.94), отвечающее случаю /3¥=0, предста- вляет собой параболу. Чтобы убедиться в этом, совершим сле- дующий параллельный перенос системы координат: (6.96) и введем обозначение (6.97) Тогда вместо (6.94) мы получим уравнение У2 = 2рХ, которое является каноническим уравнением параболы. Уравнение (6.95), отвечающее случаю /3=0, может быть за- писано так: у"2 = — -jp (6.98) Д33 Если-----j- > 0, то уравнение (6.98) представляет собой пару Л 7Л Л н и 1 / а33 и 1 / а33 параллельных прямых у — I/------------у- и у —— у---------; н 1 * если-----у—= 0, то (6.98) представляет собой ось Ох", уравне- ние которой z/"=0 (это уравнение можно рассматривать как пре- дельный случай при а33->0, т. е. как пару слившихся прямых), лг 4 Если, наконец,----у^ <0, то уравнению(6.98) не удовлетворяют координаты никакой точки плоскости, т. е. геометрический образ является мнимым. Обычно говорят, что в последнем случае
§ 5] КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА 187 уравнение (6.98) определяет пару мнимых параллельных пря- мых. Теорема доказана. Замечание 7. Для случая /зэ^О, когда уравнение (6.60) параболического типа определяет параболу, читатель без труда найдет параметр р этой параболы и ее расположение относи- тельно ' исходной координатной системы Оху. Для этого нужно использовать переход от уравнений (6.60) к уравнению (6.88), описанный в начале этого пункта, и формулы (6.90), (6.91), (6.96), (6.97). 7. Распадающиеся кривые второго порядка. Линию L второго порядка, определяемую уравнением (6.60), будем называть распадающейся, если левая часть этого уравнения может быть представлена в виде произведения двух многочленов первой степени. Очевидно, если в данной декартовой прямоуголь-' ной системе координат линия L является распадающейся, то она будет рас- падающейся в любой другой декартовой прямоугольной системе координат: при преобразовании координат многочлен первой степени остается многочле- ном первой степени и каждый многочлен-сомножитель преобразуется незави- симо от других сомножителей. Это свойство многочленов позволяет сформу- лировать необходимое и достаточное, условие распадения кривой второго по- рядка. Теорема 6.9. Для того чтобы линия L второго порядка была распадаю- щейся, необходимо и достаточно обращение в нуль инварианта /з. Доказательство. Мы доказали (см. теоремы 6.6—6.8), что уравне- ние любой линии L второго порядка может быть приведено к одному из ви- дов (6.82)—(6.87), (6.94) и (6.95). Распадающимися среди этих линий являются лишь те, для которых /3=0, и, наоборот, если /3=0, то уравнение линии приводится к виду, из которого очевидно следует свойство распадения. Теорема доказана.
ГЛАВА 7 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА В этой главе мы познакомимся с понятием и основными ти- пами поверхностей второго порядка. Кроме того, будут указаны способы исследования таких поверхностей. § 1. Понятие поверхности второго порядка В силу определений 1 иЗ из п. 5§2 гл. 4 поверхностью S в т о р о го порядка будем называть геометрическое место точек, декартовы прямоугольные координаты которых удовлет- воряют уравнению вида ацХ2 4- а22у2 + a3Sz2+2at2xy 4- 2a2syz 4- 2ai3xz 4- 2аих 4- + 2a2iy 4-2а34г4-а44=0, (7.1) в котором по крайней мере один из коэффициентов ап, а22, азз, С112, <*23, <713 отличен от нуля. Уравнение (7.1) мы будем называть общим уравнением по- верхности второго порядка. Очевидно, поверхность второго порядка, рассматриваемая как геометрический объект*), не меняется, если от данной де- картовой прямоугольной системы координат перейти к другой декартовой системе координат. Отметим, что исходное уравне- ние (7.1) и уравнение, полученное после преобразования коор- динат, алгебраически эквивалентны. Ниже мы убедимся, что для каждого уравнения (7.1) можно указать такую специальную систему координат, в которой урав- нение (7.1) примет столь простой вид, что геометрическая ха- рактеристика поверхности S не будет представлять затруднений. *) Может оказаться, что уравнение (7.1) не определяет поверхности: этому уравнению могут удовлетворять лишь координаты точек, расположен- ных на прямой линии, или координаты лишь одной точки, или не найдется ни одной точки, координаты которой удовлетворяют (7.1). Однако и в этих случаях мы будем говорить о геометрических объектах, называя их соответ- ственно вырожденными или мнимыми.
§ 1] ПОНЯТИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА 189 Используя этот метод, мы дадим полное описание всех типов поверхностей второго порядка. 1. Преобразование коэффициентов уравнения поверхности второго порядка при переходе к новой декартовой системе коор- динат. Рассмотрим отдельно параллельный перенос и поворот координатных осей. Условимся о следующей терминологии: группу слагаемых atix2 + а22у2 + а3з^2 + 2а12ху + 2a23yz+2al3xz левой части (7.1) будем называть группой старших членов этого уравнения, а группу слагаемых 2«j4x4-2ацу 4- 2a34z4-а^ будем называть линейной частью уравнения (7.1). При этом ко- эффициенты «и, а22, «зз, «12т «2з, «13 будем называть коэффи- циентами группы старших членов, а коэффициенты «и, «24, аз4, а44 — коэффициентами линейной части (7.1). Коэффициент ац обычно называется свободным членом уравнения (7.1). Рассмотрим сначала параллельный перенос декарто- вой системы координат. Как известно, старые и новые координа- ты точки связаны соотношениями х = х' + х0, I У=У' + Уо, > (7.2) z = z' + Z0, J где х0, у3, z0— координаты нового начала О' в старой системе Oxyz (см. главу 3, формулы (3.20)). Подставляя выражения (7.2) для х, у, z в левую часть (7.1), мы получим уравнение S в новой системе O'x'y'z'. Это уравнение имеет вид а^у' a^z' -^-2,ax2x'y'-\-2a23y'z'-\-2aX3x'z'-\- -\-2а'пх' -\-2a'2^i' -\-2а'^г' -\-а'^ = 0, (7.3) где «(4 — airx0 + «]2г/0 4- + «14, ^24 = 44о "Ь °22% ^гЗ^О й24’ «34 — й13Х0 -|- «231/Q 4- US3ZQ 4" #34, ° 44 = “I- й22^0 fl33Z0 2ai2^0^0 “Ь + 2<W4() + 24зЛ0г0 + 2й 14*0 + + 2«24Уо 4" 2«3420 -|- «44- (7.4)
190 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 7 Обращаясь к уравнению (7.3), мы можем сделать следующий важный вывод: при параллельном переносе системы координат коэффициенты группы .старших членов не изменяются, а коэф- фициенты группы линейных членов преобразуются по форму- лам (1А). Рассмотрим теперь поворот декартовой системы коор- динат. Как известно, старые и новые координаты точки связаны соотношениями (см. главу 3, формулы (3.20)) х - тих' 4- тпу' 4- ткг', У = пцхх' 4 т^у’ 4- , z = т^х' 4 mi2y' 4 (7.5) где суть косинусы углов,* которые составляют друг с другом старые и новые координатные оси. Подставляя выраже- ния (7.5) для х, у и z в левую часть (7.1) и группируя коэффи- циенты при различных степенях х', у' и z', мы получим уравне- ние S- в системе Ox'y'z'. Это уравнение имеет вид а'пх'2 4 а'^у'2 4 42<2х4 ^a22y'z' 4 4 2а43х/г/ 4 2a(4xz 4" с^а24у' 4 2<24,4 — 0. (7-6) Легко убедиться в справедливости следующего важного вывода о структуре коэффициентов а'^: при повороте системы координат коэффициенты группы старших членов уравнения (7.6) выра- жаются лишь через величины тц, фигурирующие в соотноше- ниях (7.5), и через коэффициенты группы старших членов урав- нения (7.1); коэффициенты а'14, а24, а34 уравнения (7.6) выра- жаются лишь через величины ц коэффициенты а14, а24, аз4 уравнения (7.1); свободный член не изменяется (т. е. а^==а44). При этом если в исходном уравнении все коэффициенты а14, а24, а34 были равны нулю, то все коэффициенты а'и, а'24, а'м также будут равны нулю. Из выводов этого пункта следует, что путем параллельных переносов можно упрощать группу линейных чле- нов уравнения (7.1), не меняя при этом коэффициентов группы старших членов, а путем поворотов системы можно упрощать группу старших членов этого уравнения. 2. Инварианты уравнения поверхности второго порядка. Справедливо следующее утверждение.
§ 1] ПОНЯТИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА 191 Величины Л — #11Ч~#22Ч“#33> Л — ап #12 #11 012 #13 4 — #12 #22 #23 и #13 #23 #33 #12 #22 + #22 #23 #23 #33 #33 #13 #13 #11 #11 #12 #13 #14 #12 #22 #23 #24 #13 #23 #33 #34 #14 #24 #34 #44 являются инвариантами уравнения (7.1) поверхности второго порядка относительно преобразований декартовой системы ко- ординат. Доказательство этого утверждения приведено в выпуске «Ли- нейная алгебра» настоящего курса. 3. Центр поверхности второго порядка. Попытаемся найти такую декартову систему координат O'x'y'z' (полученную парал- лельным, переносом системы Oxyz), в которой уравнение (7.3) данной поверхности S второго порядка не содержало бы слагае- мых 2a'l4x', 2а'24у' и 2a'34z', т. е. коэффициенты а'14, а24 и были бы равны нулю. Пусть х0, Уо и 2ь — координаты начала О' искомой системы. Обращаясь к формулам (7.4), найдем, что ве- личины Хо, уо, Zo представляют собой решение следующей си- стемы линейных уравнений: #1ЛЧ" а1ЧУо Ч~ #13^0 Ч~#и = 01 #12^-0 Ч~ аагУо Ч~ #гзго Ч- #24 — 0> #13-^0 + #2зУо Ч- #ЗЗг0 Ч- #34 = 0- (7.7) Уравнения (7.7) называются уравнениями центра поверх- ности второго порядка, а точка О' с координатами (х0, Уо, z0), где х0, Уо и z0 — решения системы (7.7), называется центром этой поверхности. • f Допустим, что поверхность S второго порядка имеет центр О' (т. е. система (7.7) имеет решение (х0, уо, z0)). Перенесем на- чало координат в центр О'. Так как при параллельном переносе коэффициенты группы старших членов не изменяются и начало координат переносится в центр, то уравнение поверхности S в системе O'x'y'z' примет вид апх'2 Ч- #22У/2 + a^z'2 + 2а'12к'у' + 2a'2^y'z' + 2а'43х'у' + а'^ = 0. (7.7') Очевидно, если точка М(х', у', z') расположена на поверхно- сти S (т. е. ее координаты х', у', z! удовлетворяют уравнению
192 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 7 (7.7')), то и точка М *(—х', —у', —г'), симметричная с М отно- сительно О', также расположена на S. Таким образом, если у поверхности S существует центр О', то относительно центра точ- ки S располагаются симметричными парами, т. е. центр поверх- ности является ее центром симметрии. Наличие центра у поверхности второго порядка связано с разрешимостью уравнений центра (7.7). Если уравнения центра имеют единственное решение, то поверхность S второго поряд- ка будем называть центральной*). Отметим, что центральными поверхностями являются лишь те, для которых инвариант /3 отличен от нуля, ибо этот инва- риант равен определителю системы (7.7) уравнений центра. 4. Стандартное упрощение любого уравнения поверхности второго порядка путем поворота осей. Докажем, что в некоторой декартовой прямоугольной системе координат уравнение данной поверхности S второго порядка не содержит слагаемых 2а'г2х'у', 2a'23y'z' и 2a'l3x‘z', т. е. в уравнении поверхности S ко- эффициенты а'2, а23 и а{3 равны нулю. Обозначим через F группу старших членов уравнения. (7.1) F=altx2 + й22У2+Дзз22 + 2al2xy+2aZ3yz+ 2alsxz (7.8) и рассмотрим значения F в точках сферы л радиуса 1 с центром в начале координат. Иными словами, рассмотрим значения F(x, у, z) для всех тех значений х, у иг, которые связаны соот- ношением **) x2 + y2+z2=l. (7.9) Пусть Р — та точка сферы л, в которой значение F(x, у, z) яв- ляется максимальным***). Направим новую ось Oz' из начала координат в точку Р, а оси Ох' и Оу' перпендикулярно оси Oz'. Очевидно, в системе координат Ox'y'z' точка Р имеет координа- ты (0, 0, 1). Так как в новой системе координат Ox'y'z' выражение для F имеет вид ****) F = а'пх'2 + а'22у'2 + a'3z'2 + 2а'12х'у' + 2a'23y'z' + 2a'Kx'z', (7.10) *) Таким образом, центральная поверхность имеет единственный центр. **) Соотношение (7.9) представляет собой уравнение сферы радиуса 1 с центром в начале координат. ***) Сфера л является замкнутым ограниченным множеством и служит областью задания непрерывной функции F трех переменных х, у и z. Отсюда следует Существование на сфере Л такой точки Р, в которой F имеет макси- мальное значение (см. выпуск 1 курса, главу 14, теорему 14.7). ***♦)Напомним, что при повороте коэффициенты группы старших членов выражаются лишь через величины т,,, фигурирующие в соотношениях (7.5), й через коэффициенты группы старших членов в выражении (7.8) (см. п. 1 этого параграфа).
§ I] ПОНЯТИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА 193 а сфера л определяется уравнением х/2 + у/2+г/2-1, (7.11) то значения F в точках п могут быть получены с помощью (7.10) для всех тех значений (х', у', г'), которые связаны соотношением (7.11). В частности, максимальное значение F будет в точке (0, 0, 1). Убедимся, что в выражении (7.10) группы старших членов в системе Ox'y'z' коэффициенты а'3 и ^(з равны нулю. Докажем, например, что a'i3=0 (доказательство равенства 0^ = 0 прово- дится аналогично). Для этой цели рассмотрим значения F в точ- ках окружности L, являющейся линией пересечения сферы (7.11) с плоскостью у' = 0, т. е. с плоскостью Ox'z'. Пусть 0 — угол, ко- торый образует радиус-вектор точки М на окружности L с осью Oz’. Координаты х', у', z' точки М, очевидно, равны x' = sin 0, t/'=0, z/=cos0. (7.12) Подставляя эти значения х\ у' и z' в (7.10), получим следую- щее выражение для F в точках L-. F = a'., sin2 0 + a' cos2 0 4- 2а' sin 0 cos 0 = = fl1 + cos 29 4- a'3 sin 20. (7.13) Таким образом, значения F в точках L .могут быть представле- ны в виде функции (7.13) угла 9. Эта функция имеет при 0 = 0 максимальное значение (из формул (7.12) следует, что значе- нию 0 = 0 отвечает точка с координатами (0, 0, 1), в которой значение F максимально). Отсюда вытекает, что производная функции (7.13) равна нулю в точке 0 = 0. Дифференцируя (7.13) по 0 и полагая в полученном выражении 0 = 0, получим равен- ство 2а1'3 = 0, из которого вытекает равенство нулю коэффициен- та а'13. Для доказательства равенства а(з = 0 нужно рассмотреть значения F на окружности N, являющейся линией пересечения сферы (7.11) с плоскостью х'—О, и повторить проведенные выше рассуждения. Итак, в- системе координат Ox'y'z' группа F стар- ших членов уравнения поверхности 5 второго порядка имеет вид Д = <2(1х/ -|- 2а'12х'у' -ф-а'^у'2 -ф- <z33z/2, (7.14) причем на выбор осей Ох' и Оу' не накладывалось никаких требований, кроме требований перпендикулярности оси Ог'. Иными словами, при повороте системы Ox'y'z' вокруг оси Oz' на любой угол группа F старших членов будет иметь вид (7.14). При этом координаты х' и 'у' преобразуются по формулам
194 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 7 поворота системы координат на плоскости, а координата z' не меняется. Поэтому можно выбрать такую систему координат, в которой коэффициент а'2 при произведении х'у' будет равен нулю. Итак, мы убедились в том, что существует такая система прямоугольных декартовых координат Ox'y'z', в которой урав- нение поверхности S имеет вид а'цх'2 Ч- а'ъъУ'2 Ч- Язз2'2 Ч- 2а(4х< Ч- Ча'^' Ч~ Ч~ ^4» — 0* (7-15) Приведение уравнения (7.1) поверхности S к виду (7.15) мы будем называть стандартным упрощением уравнения поверх- ности. § 2. Классификация поверхностей второго порядка 1. Классификация центральных поверхностей. Пусть S — центральная поверхность второго порядка. Перенесем начало координат в центр этой поверхности, а затем произведем стан- дартное упрощение уравнения этой поверхности. Используя вы- воды п.п. 1, 3 и 4 § 1 этой главы, легко убедиться, что в резуль- тате указанных операций уравнение поверхности примет вид*) ЦцХ2 + а22у2 + CI33Z2 + Й44 = 0 (7.16) Так как инвариант 13 для центральной поверхности отличен от нуля и его значение, вычисленное для уравнения (7.16), равно Он-022*033, то коэффициенты ац, а22 й азз удовлетворяют ус- ловию Оц=?=0, а22ф0, азз=#О. (7.17) Возможны следующие случаи. 1°. Коэффициенты ац, а22, а33 одного знака, а коэффициент ац отличен от нуля. В этом случае поверхность S называется эллипсоидом. Если коэффициенты ац, а22, а3з, а44 одного знака, то левая часть (7.16) ни при каких значениях х, у, z не обращается в нуль, т. е. уравнению поверхности S не удовлетворяют коорди- наты никакой точки. В этом случае поверхность S называется мнимым эллипсоидом. Если знак коэффициентов ац, а22, а33 противоположен знаку коэффициента а^, то поверхность 5 называется вещественным эллипсоидом. В дальнейшем термином «эллипсоид» мы будем называть лишь вещественный эллипсоид. *) При этом окончательную систему координат мы обозначим Охуг.
§2] КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 195 Обычно уравнение эллипсоида записывают в канонической форме. Очевидно, числа —--------------— ~~ положитель- г ’ ап а22 Лзз ны*). Обозначим эти числа соответственно а2, Ь2, с2. После не- сложных преобразований уравнение эллипсоида (7.16) можно записать в следующей форме: $ + + (7.18) Уравнение (7.18) называется каноническим уравнением эллип- соида. Если эллипсоид задан своим каноническим уравнением (7.18), то оси Ох, Оу и Oz называются его главными осями. 2°. Из четырех коэффициентов ati, а22, а33, а44 два одного зна- ка, а два других —противоположного. В этом случае поверх- ность S называется однополостным гиперболоидом. Обычно уравнение однополостного гиперболоида записывают в канонической форме. Пусть, ради определенности, ац>0, а22>0, азз<0, «44<0. Тогда числа —-----------^- положи- «Ц «22 #33 тельны. Обозначим эти числа соответственно а2, Ь2, с2. После несложных преобразований уравнение (7.16) однополостного гиперболоида можно записать в следующей форме: 1*2 /j2 4*2 ^+^—^ = 1. (7-19) Уравнение (7.19) называется каноническим уравнением однопо- лостного гиперболоида. Если однополостный гиперболоид задан своим каноническим уравнением (7.19), то оси Ох, .Оу и Oz называются его глав- ными осями. Замечание 1. Если знаки коэффициентов а44, а22, а33, а14 распределены иначе, чем в рассмотренном случае, то канониче- ское уравнение (7.19) легко может быть получено путем пере- именования осей координат. 3°. Знак одного из первых трех коэффициентов а41, а22, а33, a4i противоположен знаку остальных коэффициентов. В этом случае поверхность S называется двуполостным гиперболоидом. Запишем уравнение двуполостного гиперболоида в канониче- ской форме. Пусть, ради определенности, ац<0, а2г<0, а33>0, *) Согласно (7.17) и определению эллипсоида коэффициенты ап, ац, а33, а44 не равны нулю и знак а44 противоположен знаку ац, аг2, а33.
196 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 7 аи<0. Тогда -^->0, -^->0, —^->0. Обозначим эти числа «11 «22 «33 . . • соответственно через а2, Ь2, с2. После несложных преобразова- ний уравнение (7.16) двуполостного гиперболоида можно запи- сать в следующей фо^ме: _ 1 а2 б2 сг (7.20) Уравнение (7.20) называется’ каноническим уравнением двупо- лостного гиперболоида. Если двуполостный гиперболоид задан своим каноническим уравнением, то оси Ох, Оу и Oz называются его главными осями. Замечание 2. Если знаки коэффициентов Он, а22, «зз. сил распределены иначе, чем в рассмотренном случае, то канониче- ское уравнение (7.20) легко может быть получено путем пере* именования осей координат. 4°. Коэффициент ati равен нулю. В этом случае поверхность S называется конусом второго порядка. Если коэффициенты alt, а22, а33 одного знака, то левая часть (7.16) обращается в нуль (Щ4=О) лишь для x = i/ = z—0, т. е. уравнению поверхности S удовлетворяют координаты только одной точки. В этом случае поверхность S называется мнимым конусом второго порядка. Если коэффициенты aiit а22, азз имеют разные знаки, то поверхность S является вещественным конусом второго порядка. Обычно уравнение вещественного конуса второго порядка за* писывают в канонической форме. Пусть, ради определенности, аи>0, О22>0, а3з<0. Обозначим -7—, ——.-------------— соответ* «И «22 «33 ственно через а2, Ь2, с2. Тогда уравнение (7.16) можно записать в виде а2 Ь2 - с2 (7.21) 0. Уравнение (7.21) называется каноническим уравнением веще- ственного конуса второго порядка. Замечание 3. Если знаки коэффициентов а22, а33 рас- пределены иначе, чем в рассмотренном случае, то каноническое уравнение (7.21) легко может быть получено путем переимено- вания осей координат. Замечание 4. В следующем параграфе мы докажем, что вещественный конус второго порядка образован прямыми ли- ниями, проходящими через фиксированную точку. 2. Классификация нецентральных поверхностей второго по- рядка. Пусть S — нецентральная поверхность второго порядка, т, е, поверхность, для которой инвариант 13 равен нулю (см.
§ 21 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 197 п. 3 § 1 этой гл$вы). Произведем стандартное упрощение урав- нения этой поверхности. В результате уравнение поверхности примет вид (7.15). Так как инвариант /3 = 0 и его значение, вы- численное для уравнения (7.15), равной^ • а'22 а33, то один или два из коэффициентов а'п, а22, а'3 равны нулю*). В соответ- ствии с этим рассмотрим следующие возможные случаи. 1°. Один из коэффициентов а'п, а22, а'33 равен нулю. Ради определенности будем считать, что а33'=0(если равен нулю ка- кой-либо другой из указанных коэффициентов, то можно перей- ти к рассматриваемому случаю путем переименования осей ко- ординат). Перейдем от координат х', у', z' к новым координатам х, у, z по формулам , + = , z = z'. (7.22) аП а22 Подставляя х', у' и z', найденные из (7.22), в левую часть (7.15) и заменяя затем а'3 на ап, а22 на а22, а34 на р и на q; по- лучим следующее уравнение поверхности S в новой системе ко- ординат Oxyz: ЦцХ2 + в22у2+2pz4- q ~ 0. (7.23) 1) Пусть р = 0, 7 = 0. Поверхность S распадается на пару пло- скостей х±1/— — y = Q. V «11 При этом, очевидно, эти плоскости будут мнимыми, если знаки alt и а22 одинаковы, и вещественными, если знаки ац и а22 различны. 2) Пусть р = 0, q^O. Уравнение (7.23) принимает вид йцх2 + й22У2 + q — 0. (7.24) Известно (см. п. 3 § 2 главы 4), что уравнение (7.24) яв- ляется уравнением цилиндра с образующими, параллельными оси Oz. При этом если ац, а22 и q имеют одинаковый знак, то левая часть (7.24) отлична от нуля для любых х и у, т. е. ци- линдр будет мнимым. Если же среди коэффициентов afl, «22 и q имеются коэффициенты разных знаков, то цилиндр будет ве- щественным. Отметим, что в случае, когда ац и а22 имеют *) Все перечисленные коэффициенты не могут быть равны нулю, так как при преобразовании координат порядок уравнения не изменяется (см. главу 4). !
198 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 7 одинаковые знаки, a q — противоположный, то величины------- и — положительны. Обозначая их соответственно через а2 и &2, мы приведем уравнение (7.24) к виду (7-25) Таким образом, в отмеченном случае мы имеем эллиптический цилиндр. В случае, когда ап и а22 имеют различные знаки, мы получим гиперболический цилиндр. Легко убедиться, что урав- нение гиперболического цилиндра может быть приведено к виду fr=l- (7-26) 3) Пусть p=hQ. Произведем параллельный перенос системы координат, выбирая новое начало в точке с координатами ^0, 0, —-^.При этом оставим старые обозначения координат х, у, г. Очевидно, для того чтобы получить уравнение поверх- ности S в новой системе координат, достаточно заменить в урав- нении (7.23) z наг—Получим следующее уравнение: аих2 + а22*/2-1-2рг=0. (7.27) Уравнение (7.27) определяет так называемые параболоиды. Причем если ац и а22 имеют одинаковый знак, то параболоид называется эллиптическим. Обычно уравнение эллиптического параболоида записывают в канонической форме: * = -$ + -&• <7-28) Уравнение (7.28) легко получается из (7.27). Если ап и а22 имеют разные знаки, то параболоид называется гиперболиче- ским. Каноническое уравнение гиперболического параболоида имеет вид х2 и2 Z = <7-29) Это уравнение также легко может быть получено из (7.27). 2°. Два из коэффициентов а'п, а'& равны нулю. Ради определенности будем считать, что = 0 и а'^ = 0 (если равны нулю какие-либо другие два из указанных коэффициентов, то можно перейти к рассматриваемому случаю путем пере- именования осей координат). Перейдем -от х', у', z' к новым
§31 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 199 координатам х, у, z по формулам х = х', у = у' z = z'+^. (7.30) а33 Подставляя х', у' и z', найденные из (7.30) в левую часть (7.15) и заменяя затем а33 на «33, а(4 на р, a'2i на q и а'^ на г, по- лучим следующее уравнение поверхности S в новой системе ко- ординат Oxyz: a33z1 2 + 2px + 2qy + r=0. (7.31) 1) Пусть р=0, q=0. Поверхность S распадается на пару па- раллельных плоскостей z=±V(7.32) F «33 При этом, очевидно, эти плоскости будут мнимыми, если знаки а33 и г одинаковы, и вещественными, если знаки а33 и г различ- ны, причем при г=0 эти плоскости сливаются в одну. 2) Хотя бы один из коэффициентов р или q отличен от нуля. В этом случае повернем систему координат вокруг оси Oz так, чтобы новая ось абсцисс стала параллельной плоскости 2рх+ + 2qy-\-r—Q. Легко убедиться, что при таком выборе системы координат, при условии сохранения обозначения х, у и z для новых координат точек, уравнение (7.31) примет вид a33z2 + 2q'y=0, (7.33) которое является уравнением параболического цилиндра с обра- зующими, параллельными новой оси Ох. § 3. Исследование формы поверхностей второго порядка по их каноническим уравнениям 1. Эллипсоид. Для исследования формы эллипсоида обра- тимся к его каноническому уравнению (7.18) (см. п. 1 преды- дущего параграфа) х2 । t/2 . гг Д2 -Г 62 -Г С2 — (7-18) Из уравнения (7.18) вытекает, что координатные плоскости яв- ляются плоскостями симметрии эллипсоида, а начало коорди- нат — центром симметрии. Числа а, Ь, с называются полуосями эллипсоида и представляют собой длины отрезков, от начала координат до точек пересечения эллипсоида с осями координат. Эллипсоид представляет собой ограниченную поверхность, за- ключенную, как это видно из (7.18), в параллелепипеде |х | а, 1t/|<b, |z|<с. Чтобы более наглядно представить себе форму
200 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 7 эллипсоида, выясним форму линий пересечения его плоскостями, параллельными какой-либо из координатных плоскостей. Ради определенности рассмотрим линии Lh пересечения эл- липсоида с Плоскостями г=й, (7.34) параллельными плоскости Оху. Уравнение проекции ли- нии Lh на плоскость Оху получается из уравнения (7,18), если положить в нем z — h. Таким образом, уравнение этой проекции имеет вид Если положить = = (7.36) то уравнение (7.35) можно записать в виде. 1*2 it 2 ^- + ^ = 1, (7.37) * т. е. Lh представляет собой эллипс с полуосями а* и 6*, которые могут быть вычислены по формулам (7.36). Так как Lh полу- чается «подъемом» Lh на высоту h по оси Qz (см. (7.34)), то и Lh представляет собой эллипс. Представление об эллипсоиде можно получить следующим об- разом. Рассмотрим на плоскости Оху семейство эллипсов (7.37) (рис. 7.1), полуоси а* и Ь* которых зависят от h (см. (7.36)), и каждый такой эллипс снабдим отметкой h, указывающей, на ка- кую высоту по оси Oz должен быть «поднят» этот эллипс. Мы
§ 3J ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 201 получим своего рода «карту» эллипсоида. Используя stV «кар- ту», легко представить себе пространственный вид эллипсоида. На рис. 7.2 изображен эллипсоид. Эллипсоид может быть получен равномерным сжатием сфе- ры относительно двух перпендикулярных плоскостей. Именно, если а — наибольшая полуось эллипсоида, то он может быть получен из сферы *) д2 I а1 “Г д2 1 равномерным сжатием ее сначала относительно плоскости Оху , . Ь с коэффициентом сжатия —. а затем относительно плоскости Охг с коэффициентом сжатия В заключение отметим, что линии пересечения эллипсоида с плоскостями представляют собой эллипсы. В самом деле, такая линия представляет собой ограниченную линию второго порядка * **) (ограниченность линии вытекает из ограниченности эллипсоида), единственной же ограниченной линией второго порядка является эллипс. 2. Гиперболоиды. 1°. Однопрлостный гиперболоид. Обратимся к каноническому уравнению (7.19) однополостного гиперболоида Из уравнения (7.19) вытекает, что координатные плоскости яв- ляются плоскостями симметрии, а начало координат — центром симметрии однополостного гиперболоида. Рассмотрим линии Lh пересечения однополостного гипербо- лоида Плоскостями z=h. Уравнение проекции Lh такой линии на плоскость Оху получается из уравнения (7.19), если поло- жить в нем z=h. Полагая = y* = &l/'l+-^-, (7.38) ♦) Очевидно, сфера представляет собой эллипсоид с равными полуосями. **) Преобразуем систему координат так, чтобы в новой системе координат Ox'y'z' секущая плоскость определялась уравнением г'=0. После такого пре- образования эллипсоид будет определяться уравнением второго порядка. По- лагая в этом уравнении z'=0, мы получим уравнение второго порядка линии пересечения эллипсоида и плоскости г'=0.
202 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 7 найдем, что уравнение этой проекции имеет вид (7.39) т. е. Z* представляет собой эллипс с полуосями а* и Ь*. Рассмотрим «карту» расположенной. над плоскостью Оху е. семейство эллипсов части однополостного гиперболоида*), т. (7.39), каждый из которых снабжен отметкой h, указывающей, на ка- кую высоту по оси Oz должен быть поднят этот эллипс (рис. 7.3). Об- ращаясь к карте однополостного гиперболоида, мы видим, что наи- меньший из рассматриваемых эл- липсов (7.39) получается для й=0 (см. также формулы (7.38)). Этот эллипс называется горловым. С увеличением h размеры эллипса (7.39) неограниченно увеличиваются. Таким образом, однополостный гиперболоид представляет собой поверхность, состоящую из одной полости и подобную трубке, неограниченно расширяющейся в положительном и отрицательном направле- нии по оси Oz (рис. 7.4). Отметим, что сечения однополостного гиперболоида плоскостями Oyz и Oxz представляют собой ги- перболы, определяемые соответственно уравнениями «2 с2 а2 с2 Эти гиперболы изображены на рис. 7.4. 2°. Двуполостный гиперболоид. Из канонического уравнения (7.20) у2 yi у2 7 + fr=-l (7.20) *) Расположенная под плоскостью Оху часть однополостного гипербо- лоида симметрична рассматриваемой части относительно этой плоскости.
§ 3) ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 203 двуполостного гиперболоида вытекает, что координатные пло- скости являются его плоскостями симметрии, а начало коорди- нат — его центром симметрии. Линии Lh пересечения двуполостного гиперболоида плоско- стями z=h представляют собой эллипсы, уравнения проекций которых на плоскость Оху имеют вид где ____ _________ ' = Ь^ьУ^~\. - (7.41) Из формул (7.41) вытекает, что секущая плоскость z=h начи- нает пересекать двуполостный гиперболоид лишь при Иными словами, в слое между пло- скостями z=—h и z=h не содержится точек рассматриваемой поверхности; в силу симметрии относительно пло- скости Оху она состоит из двух поло- стей, расположенных вне указанного выше слоя. На рис. 7.5 изображена «карта» верхней полости двуполостного гипер- болоида. Из формул (7.41) следует, что при увеличении h эллипсы (7.40) неограниченно увеличиваются, так что полости двуполостного гиперболоида представляют собой бесконечные чаши. На рис. 7.6 изображен двуполостный гиперболоид. От- метим, что сечения двуполостного гиперболоида плоскостями Oyz и Oxz представляют собой гиперболы (см. рис. 7.6). *) При подкоренное выражение в формулах (7,41) отрицательно,
204 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. 7 3. Параболоиды. 1°. Эллиптический параболоид. Обращаясь к каноническому уравнению (7.28) эллиптического параболоида: 2 = + <7'28) мы видим, что для него Oxz и Oyz являются плоскостями сим- метрии. Ось Oz, представляющая линию пересечения этих пло- Рис. 7.7. скостей, называется осью эллиптического параболоида. Из уравнения (7.28) вытекает, что эллиптический параболоид расположен в полупространстве г > 0. Линий Lh пере- сечения эллиптического параболоида пло- скостями z=ft, ft>0, представляют собой эллипсы, проекций-А* которых на плоско- сти Оху определяются уравнением +-^- = 1. (7-42) где = b* = bVh. (7.43) Из формулы (7.43) следует, что при увеличении h эллипсы (7.42) неограниченно увеличиваются, так что эллиптический па- раболоид представляет собой бесконечную чашу. На рис. 7.7 изображен эллиптический параболоид. Обратимся к сечениям эллиптического параболоида плоско- стями y=h и x = h, параллельными соответственно координат- ным плоскостям Oxz и Oyz. Плоскость x — h, например, "пересекает эллиптический пара- болоид по параболе 2 —x^=h.. (7.44) а2 о2 ' ' Очевидно, парабола (7.44) получается таким параллельным переносом параболы / = -&. x=Ot (7-45) представляющей собой сечение эллиптического параболоида пло- скостью х=0, при котором ее вершина, имеющая координаты (0, 0, 0), переходит в точку с координатами = у = 0, z — . Иными словами, эллиптический параболоид образуется путем параллельного перемещения параболы (7.45), когда ее
§ 3] ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 205 вершина движется вдоль параболы? z < У — 0> предста- вляющей собой сечение эллиптического параболоида плоскостью у=о. '. Совершенно аналогично можно убедиться в том, что эллип- тический параболоид может быть получен путем параллельного перемещения параболы, пред- ставляющей собой сечение параболоида плоскостью у = =0 вдоль сечения плоскостью х —0. 2°. Гиперболический пара- болоида Из канонического уравнения (7.29) гиперболического параболой- - да вытекает, что плоскости Рис. 7.8. Охг и Oyz являются плоско- стями симметрии. Ось Oz называется осью гиперболического па- раболоида. Линии z=h пересечения гиперболического параболоида с плоскостями z—h представляют собой при Л>0 гиперболы (7-46) с полуосями = Ь* = ЬУИ, (7.47) а при А<0 — сопряженные гиперболы для гипербол (7.46) X2 у2 а*2 Ъ*2 с полуосями а* = a Y~h, b* = bV^-li. (7.49) Используя' формулы (7.46) —(7.49), легко построить «карту» гиперболического параболоида (рис. 7.8). Отметим еще, что плоскость z=0 пересекает гиперболический параболоид по двум прямым у= + ^х. (7.50) Из формул (7.47) и (7.49) вытекает, что прямые (7.50) явля ются асимптотами гипербол (7.46) и (7.48) .
206 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА (ГЛ. 1 Карта гиперболического параболоида дает представление о его пространственной форме (рис. 7.9). Как и в случае эллип- тического параболоида, можно убедиться в том, что гиперболи- ческий параболоид может быть получен путем параллельного перемещения параболы, предста- Рис. 7.9. вляющей собой сечение плоско- стью Oxz (Oyz), когда ее вер- шина движется вдоль параболы, являющейся сечением параболо- ида плоскостью Oyz (Oxz). 4. Конус и цилиндры второго порядка. 1°. Конус второго порядка. В предыдущем параграфе мы на- звали вещественным конусом вто- рого порядка поверхность S, оп- ределяемую уравнением (7.21) Убедимся, что вещественный конус S образован прямыми ли- ниями, проходящими через начало О координат. Естественно на- зывать точку О вершиной конуса. Для доказательства сформулированного утверждения, очевид- но, достаточно установить, что прямая L, соединяющая произ- вольную, отличную от начала координат точку Л4о(хо, у о, zQ) ко- нуса (7.21) и начало коордийат О (рис. 7.10), целиком распола- гается на конусе, т. е. координаты (х, у, z) любой точки М прямой L удовлетворяют уравнению (7.21). Так как точка Af0(x0, Уа, z0) лежит на конусе (7.21), то v-2 ,.2 -2 •^О , #0______ г0 __ а2 Ь2 с2 ~ (7-51) Координаты (х, у, z) любой точки М прямой L равны соответ- ственно tx0, ty0, tz0, где t — некоторое число. Подставляя эти зна- чения для х, у и z в левую часть (7.21), вынося затем t2 за скоб- ку и учитывая (7.51), мы убедимся в том, что М лежит на ко- нусе. Таким образом, утверждение доказано. Представление о форме конуса может быть получено методом сечений. Легко- убедиться, что сечения конуса плоскостями z=h представляют собой эллипсы с полуосями a* = —h, b*=—h. J с с 2°. Цилиндры второго порядка. В процессе классификации поверхностей второго порядка нам встретились эллиптический,
§ 3] . ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА 20? гиперболический и параболический цилиндры. Уравнения этих поверхностей соответственно имеют вид = /=2рх*). (7.52) Рис. 7.11 даёт представление о форме этих цилиндров. Заметим, что цилиндры (7.52) состоят из прямых линий, па- раллельных оси Oz. 5. Прямолинейные образующие поверхностей второго порядка. Кроме конуса и цилиндров, поверхностями второго порядка, со- стоящими из прямолинейных образую- щих являются однополостный гипербо- лоид и гиперболический параболоид. Бо- лее точно, справедливо следующее ут- верждение. Через каждую точку однополостного гиперболоида и гиперболического пара- болоида проходят две различные прямые линии, целиком располагающиеся на указанных поверхностях. Таким образом, однополостный гиперболоид и гипербо- лический параболоид покрыты двумя различными семействами прямолиней- ных образующих. На рис. 7.12 и 7.13 указано располо- жение прямолинейных образующих со- ответственно на однополостном гипер- болоиде и гиперболическом парабо- лоиде. Рассмотрим сначала однополостный гиперболоид, заданный своим каноническим уравнением х?_ | У2______1 a2 “i- й2 с2 (7.19) Очевидно, любая прямая 1\, определяемая как линия пересече- ния плоскостей ’ (7.53) а с \ b ) а 1 с Л. \ о / х ' при любом отличном от нуля значении X целиком располагается на гиперболоиде (7.19), ибо уравнение (7.19) представляет собой алгебраическое следствие уравнений (7.53) (уравнение *) Уравнение параболического цилиндра у2=2рх легко получается из уравнения (7.33) путем переименования осей координат и простых арифмети- ческих операций.
208 ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА [ГЛ. г (7.19) получается из уравнений (7.53) путем их перемножения). Точно так же легко убедиться,что любая прямая TJ,. определяе- мая как линия пересечения плоскостей а с \ Ъ.) при любом отличном от нуля на гиперболоиде (7.19). значении X целиком располагается Нетрудно заметить, что прямые 1\ и Г£ различны. Таким об- разом, на однополостном гиперболоиде имеются два различных Рис. 7.12.' Рис. 7.13. семейства прямых и Г£. Для завершения доказательства утверждения достаточно убедиться, что через любую точку ги- перболоида проходит некоторая прямая семейства Г% и некого-
§ 3] ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ВТОРОГО ПОРЯДКА 209 рая прямая семейства Г*.. Мы ограничимся доказательством этого лишь для семейства Гл, ибо для семейства Гл доказатель- ство аналогично. Пусть точка М0(х0, уо, z0) находится на гиперболоиде (7.20), так что „2 и2 Z2 -т-Ьтг----г=1- (7-54) а2 Ь2 с2 4 ' Выберем теперь такое значение А, чтобы числа х0, у0, z0 удо- влетворяли первому из уравнений (7.53), и обозначим его через Хо *). Таким образом, <7-55> Убедимся, что при выбранном значении Z=Ao числа х0, у0, z0 удовлетворяют и второму из уравнений (7.53), что означает, что. точка Мо(хо, у0, z0), принадлежащая гиперболоиду, принадле- жит также и прямой (7.53). Допустим, что это не так. Тогда т+тЧНт)' (7'56>' Перемножая (7.55) и (7.56), получим неравенство у2 Z2 и2 ___ __ а2 с2 ф 1 Ь2 ’ которое противоречит соотношению (7.54). Таким образом, пря- мая Гл0 располагается на гиперболоиде и проходит через задан- ную его точку М0(х0, у0, г0). Совершенно аналогично рассуждая, можно убедиться, что гиперболический параболоид х2 у2 z —------— а2 . Ъ2 покрыт двумя семействами прямых Щ и Пх, которые соответ- ственно задаются уравнениями \ а ' Ь } >. \ а b ) И 2=х(л_41, I* (4+41. \ а Ъ / Л \ а 1 b / *) Легко убедиться, что значение Ло всегда можно выбрать отличным от нуля.
ПРИЛОЖЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ И ОБОСНОВАНИЯ МЕТОДА КООРДИНАТ '§ 1. Аксиомы элементарной геометрии Будем рассматривать три множества объектов любой природы: объекты первого множества будем именовать точ- ками и обозначать большими латинскими буквами А, В, С,..., объекты второго множества будем именовать прямыми и обо- значать малыми латинскими буквами а, Ь, с,..., объекты треть- его множества будем именовать плоскостями и обозначать греческими буквами а, 0, у,... Будем считать, что в рассматриваемых множествах каким- либо способом определены соотношения между объектами, выражаемые тремя терминами: «принадлежит», «лежит между» и «конгруэнтен»*). Например, точка А принад- лежит прямой а или плоскости а; точка В, принадлежащая пря- мой а, лежит между принадлежащими той же прямой точками А и С; отрезок прямой а, ограниченный принадлежащими этой прямой точками А и В, конгруэнтен отрезку прямой Ь, ограни- ченному принадлежащими этой прямой точками С и D. Будем требовать, чтобы указанные соотношения удовлетво- ряли формулируемым ниже двадцати аксиомам* **). Все аксиомы разделяются на пять групп. Группа I содержит восемь аксиом принадлежности. Группа II содержит четыре аксиомы порядка. Группа III содержит пять аксиом конгруэнтности. Группа IV содержит две аксиомы непрерывности. Группа V содержит одну аксиому параллельности. ' *) То есть «равен». **) Во всем остальном как природа самих объектов, так и способ зада- ния соотношений между этими объектами являются произвольными.
§ 1) Аксиомы ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ 211 Переходим к формулировке аксиом по группам. Одновре- менно будем указывать некоторые утверждения, вытекающие из формулируемых аксиом. Это поможет нам выяснить основные принципы логического развертывания геометрии и обосновать возможность установления взаимно однозначного соответствия между множеством всех точек прямой и множеством всех ве- щественных чисел, т. е. обосновать метод координат. 1. Аксиомы принадлежности 1,1. Каковы бы ни были две точки А и В, существует пря- мая а, которой принадлежат обе эти точки. I, 2. Каковы бы ни были две различные точки А и В, суще- ствует не более одной прямой, которой принадлежат эти точки. I, 3. Каждой прямой а принадлежат по крайней мере, две точки. Существуют по крайней мере три точки, не принадлежа- щие одной прямой. Указанные три аксиомы исчерпывают список аксиом принад- лежности планиметрии. Следующие пять аксиом вместе с ука- занными тремя аксиомами завершают список аксиом принад- лежности стереометрии. 1,4. Каковы бы ни были три точки А, В и С, не принадлежа- щие одной прямой, существует плоскость а, которой принадле- жат эти три точки. Каждой плоскости принадлежит хотя бы одна точка. I, 5. Каковы бы ни были три точки А, В и С, не принадлежа- щие одной прямой, существует не более одной плоскости, кото- рой принадлежат эти точки. I, 6. Если две принадлежащие прямой а различные точки А и В принадлежат некоторой плоскости а, то каждая принадле- жащая прямой а точка принадлежит указанной плоскости. 1,7. Если существует одна точка А, принадлежащая двум плоскостям а и р, то существует по крайней мере еще одна точ- ка В, принадлежащая этим плоскостям. 1,8. Существуют по крайней мере четыре точки, не принад- лежащие одной плоскости. С целью использования привычной для нас геометрической терминологии договоримся отождествлять между собой следую- щие выражения: 1) «точка А принадлежит прямой а (плоскости а)», 2) «прямая а (плоскость а) проходит через точки А», 3) «точка А лежит на прямой а (на плоскости а)», 4) «точка А является точкой прямой а (плоскости а)» и т. п. С помощью указанных аксиом уже могут быть доказаны не- которые теоремы. Так, из аксиомы 1,2 непосредственно вытекает следующее утверждение. Теорема 1. Две различные прямые не могут иметь больше одной общей точки.
212 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ Предоставляем читателю доказательство следующих утвер- ждений, вытекающих из аксиом I, 1—8*). Теорема 2. Две плоскости либо совсем не имеют общих точек, либо имеют общую прямую, на которой лежат все их общие точки. Теорема 3. Плоскость и не лежащая на ней прямая не могут иметь больше одной общей точки. Теорема 4. Через прямую и не лежащую на ней точку или через две различные прямые с общей точкой проходит одна и только одна плоскостр. Теорема 5. Каждая плоскость содержит по крайней мере три точки. 2., Аксиомы порядка II, 1. Если точка В прямой а лежит между точками А и С той же прямой, то А, В и С — различные точки указанной пря- мой, причем В лежит также и между С и А. 11,2. Каковы бы ни были две различные точки А и С, на определяемой ими прямой существует по крайней мере одна точка В такая, что С лежит между А и В. 11,3. Среди любых трех различных точек одной прямой су- ществует не более одной точки, лежащей между двумя другими. Сформулированные три аксиомы относятся к расположению геометрических объектов на прямой и поэтому называются ли- нейными аксиомами порядка. Формулируемая ниже послед- няя аксиома порядка относится к расположению геометриче- ских объектов на плоскости. Для того чтобы сформулиро- вать эту аксиому, введем понятие отрезка. Пару различных точек А и В назовем отрезком и будем обо- значать символом АВ или ВА. Точки А и В будем называть концами отрезка АВ. Точки прямой, определяемой А и В, лежа- щие между А и В, будем называть внутренними точками или просто точками отрезка АВ. Остальные точки указанной прямой будем называть внешними точками отрезка АВ. 11,4 (аксиома Паша). Если А, В и С — три точки, не лежа- щие на одной прямой, и а — некоторая прямая в плоскости, оп- ределяемой этими точками, не содержащая ни одной из указан- ных точек и проходящая через некоторую точку отрезка АВ, то эта прямая проходит также либо через некоторую точку отрезка АС, либо через некоторую точку отрезка ВС. Подчеркнем, что из одних аксиом порядка II, 1—4 еще не вытекает, что любой отрезок имеет внутренние точки. Однако, *) В случае возникновения затруднений отсылаем читателя к книге Н. В. Ефимова «Высшая геометрия», Физматгиз, Москва, 1961, стр. 43—44.
§ I] АКСИОМЫ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ 213 привлекая еще аксиомы принадлежности I, 1—3 можно дока- зать следующее утверждение. Теорема 6. Каковы бы ни были две различные точки А и В, на прямой, ими определяемой, существует по крайней мере одна точка С, лежащая между А и В. Предлагаем читателю, опираясь на аксиомы 1,1—8 принад- лежности и аксиомы II, 1—4 порядка, последовательно доказать следующие утверждения *). Теорема 7. Среди любых трех различных точек одной прямой всегда существует одна точка, лежащая между двумя дру- гими. Теорема 8. Если точки А, В и С не принадлежат одной пря- мой и если некоторая прямая а пересекает**) какие-либо два из отрезков АВ, ВС и АС, то эта прямая не пересекает третий из указанных отрезков. Теорема 9. Если В лежит на отрезке АС и С —на отрезке BD, то В и C-лежат на отрезке AD. Теорема 10. Если С лежит на отрезке AD, a В — на отрезке АС, то В лежит также на отрезке AD, а С — на отрезке BD. Теорема 11. Между любыми двумя различными точками пря- мой существует бесконечно много других ее точек. Теорема 12. Пусть каждая из точек С и D лежит между точ- ками А и В. Тогда если М лежит между С и D, то М лежит и между А и В. Теорема 13. Если точки С и D лежат между точками А и В, то все точки отрезка CD принадлежат отрезку АВ (в этом слу- чае мы будем говорить, что отрезок CD лежит внутри отрезка АВ). Теорема 14. Если точка С лежит между точками А и В, то 1) никакая точка отрезка АС не может быть точкой отрезка СВ, 2) каждая отличная от С точка отрезка АВ принадлежит либо отрезку АС, либо отрезку СВ. Указанные утверждения позволяют упорядочить множе- ство точек любой прямой и выбрать на этой прямой направ- ление. Будем говорить, что две различные точки А а В прямрй а лежат по разные стороны (по одну строну) от третьей точки О той же прямой, если точка О лежит (не лежит) между А и В. *) Впрочем, доказательство всех приводимых ниже утверждений можно найти в книге Н. В. Ефимова «Высшая геометрия», Физматгиз, 1961, стр. 46—94. **) Под термином «прямая пересекает отрезок» мы подразумеваем, что указанная прямая содержит некоторую внутреннюю точку этого отрезка.
214 приложение, проблемы Оснований геометрии Из указанных выше утверждений вытекает следующая тео- рема. Теорема 16. Произвольная точка О каждой прямой а раз- бивает все остальные точки этой прямой на два непустых класса так, что любые две точки прямой а, принадлежащие одному и тому же классу, лежат по одну сторону от О, а любые две точки, принадлежащие разным классам, лежат по разные стороны от О. Таким образом, задание на любой прямой двух различных точек О и Е определяет на этой прямой луч или полупря- мую ОЕ, обладающую тем свойством, что любая ее точка и точка Е лежат по одну сторону от О. Выбрав на прямой а две различные точки О и Е, мы можем теперь определить порядок следования точек на прямой по следующему правилу: 1) если А и В — любые точки луча ОЕ, то будем говорить, что А предшествует В, если А лежит между О и В, 2) будем говорить, что точка О предшествует любой точ- ке луча ОЕ, 3) будем говорить, что любая точка, не принадле- жащая лучу ОЕ, предшествует как точке О, так и любой точке, принадлежащей лучу ОЕ, 4) если А и В — любые точки, не при- надлежащие лучу ОЕ, то мы будем говорить, что А предше- ствует В, если В лежит между А и О. Легко проверить, что для выбранного нами порядка следова- ния точек прямой а справедливо свойство транзитивно- сти: если А предшествует В, а В предшествует С, то А пред- шествует С. Аксиомы, приведенные выше, позволяют упорядочить и точки, принадлежащие произвольной плоскости а. Предлагаем чита- телю доказать следующее утверждение*). Теорема 16. Каждая прямая а, принадлежащая плоско- сти а, разделяет не лежащие на ней точки этой плоскости на два непустых класса так, что любые две точки А и В из разных классов определяют отрезок АВ, содержащий точку прямой а, а любые две точки А и А' из одного класса определяют отре- зок АА', внутри которого не лежит ни одна точка прямой а. В соответствии с утверждением этой теоремы мы будем го- ворить, что точки А и А' (одного класса) лежат в плоскости а по одну сторону от прямой а, а точки А и В (разных классов) лежат в плоскости а по разные стороны от прямой а. 3. Аксиомы конгруэнтности III, 1. Если А и В — две точки на прямой а, А' — точка на той же прямой или на другой прямой a't то по данную от точ- ки А' сторону прямой а' найдется, и притом только одна, точ- *) В случае затруднений см. книгу Н. В. Ефимова «Высшая геометрия», Физматгиз, 1961, стр. 52—53,-
§ 1] АКСИОМЫ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ 215 ка В' такая, что отрезок А'В' конгруэнтен отрезку АВ. Каждый отрезок АВ конгруэнтен отрезку ВА*). III, 2. Если отрезки А'В' и А"В" конгруэнтны одному и тому же отрезку АВ, то они конгруэнтны и между собой. 111, 3. Пусть АВ и ВС — два отрезка прямой а, не имеющие общих внутренних точек, А'В' и В'С' — два отрезка той же пря- мой или другой прямой а', также не имеющие общих внутрен- них точек. Тогда если отрезок АВ конгруэнтен отрезку А'В', а отрезок ВС конгруэнтен отрезку В'С', то отрезок АС конгруэн- тен отрезку А'С'. Сформулированные три аксиомы относятся к конгруэнтности отрезков. Для формулировки двух следующих аксиом нам по- надобится понятие угла и его внутренних точек. Пара полупрямых h и k, выходящих из одной и той же точ- ки О и не лежащих на одной прямой, называется углом и обо- значается символом Z (h, k) или Z (k, h). Если полупрямые h и k задаются двумя своими точками ОА и ОВ то мы будем обозначать угол символом /АОВ или /ВОА. В силу теоремы 4 любые два луча h и k, составляющие угол 'Z (Л, k), определяют, и притом единственную, плоскость а. Внутренними точками Z (/г, k) будем называть те точки пло- скости а, которые, во-первых, лежат по ту сторону от прямой, содержащей луч h, что и любая точка луча k, и, во-вторых, ле- жат по ту сторону от прямой, содержащей луч kt что и любая точка луча h. 111, 4. Пусть даны Z (h,k) на плоскости а, прямая а' на этой же или на какой-либо другой плоскости а' и задана определен- ная сторона плоскости а' относительно прямой а'. Пусть h' — луч прямой а', исходящий из некоторой точки О'. Тогда на плоскости о! существует один и только один луч k' такой, что Z (h, k) конгруэнтен Z (h', k') и при этом все внутренние точки / (h', k') лежат по заданную сторону от прямой а'. Каждый угол конгруэнтен самому себе. III, 5. Пусть А, В и С — три точки, не лежащие на одной прямой, А' В' и С' — другие три точки, также не лежащие на одной прямой. Тогда если отрезок АВ конгруэнтен отрезку А'В', отрезок АС конгруэнтен отрезку А'С' и /.ВАС конгруэнтен *) Из этой аксиомы вытекает возможность перемещения отрезка АВ вдоль прямой, на которой он лежит (с сохранением его длины и направле- ния). Будем говорить, что направленный отрезок, CD получен в результате перемещения направленного отрезка АВ, если отрезок CD конгруэнтен отрез- ку АВ и если либо отрезок AD лежит внутри отрезка ВС, либо отрезок ВС лежит внутри отрезка AD,
216 ПРИЛОЖЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ /.В'А'С, то Z.ABC конгруэнтен Z.A'B'С и /АС В конгруэнтен /А'С'В'. Договоримся теперь о сравнении неконгруэнтных отрезков и углов. Будем говорить, что отрезок АВ больше отрезка А'В', если на прямой, определяемой точками А и В, найдется лежащая ме- жду этими точками точка С такая, что отрезок АС конгруэнтен отрезку А'В'. Будем говорить, что отрезок АВ меньше отрезка А'В', если отрезок А'В' больше отрезка АВ. Символически тот факт, что отрезок АВ меньше отрезка А'В' (конгруэнтен отрезку А'В'), будем записывать так: АВ<А'В' (АВ=А'В'). Будем говорить, что /АОВ больше /А'О'В', если в пло- скости, определяемой /АОВ, найдется луч ОС, все точки кото- рого являются внутренними точками /АОВ, такой, что /АОС конгруэнтен /А'О'В'. Будем говорить; что /АОВ меньше /А'О'В', если /А'О'В' больше /АОВ. С помощью аксиом принадлежности, порядка и конгруэнтно- сти можно доказать целый ряд Классических теорем элементар- ной геометрии. Сюда относятся: 1) три широко известные теоре- мы о конгруэнтности (равенстве) двух треугольников, 2) теорема о конгруэнтности вертикальных углов, 3) теорема о конгруэнт- ности всех прямых углов, 4) теорема о единственности перпенди- куляра, опущенного из точки на прямую, 5) теорема о единствен- ности перпендикуляра, восстановленного из данной точки пря- мой, 6) теорема о внешнем угле треугольника, 7) теорема о сравнении перпендикуляра и наклонной. Предлагаем читателю самому последовательно доказать только что перечисленные теоремы. 4. Аксиомы непрерывности. С помощью аксиом принадлеж- ности, порядка и конгруэнтности мы произвели сравнение отрез- ков, позволяющее заключить, каким из трех знаков <, = или > связаны данные два отрезка. Указанных аксиом, однако, недостаточно. 1) для обоснования возможности измерения отрезков, позволяющего поставить в со- ответствие каждому отрезку определенное вещественное число, 2) для обоснования того,-что указанное соответствие является взаимно однозначным. Для проведения такого Обоснования следует присоединить к аксиомам I, II, III две аксиомы непрерывности. IV, 1 (аксиома Архимеда). Пусть АВ и CD — произвольные отрезки. Тогда на прямой, определяемой точками А и В, сущест- вует конечное число точек Ai, Л?, ..., Ап, расположенных так,
§ 1J АКСИОМЫ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ 217 что точка А1 лежит между А и А2, точка Л2 лежит между Ai и А3....точка Лп-1 лежит между Лп_2 иу4п, причем отрезки AAt, AiA2, ..., An^iAn конгруэнтны отрезку CD и точка В лежит ме- ,жду А и Ап. IV,2 (аксиома линейной полноты). Совокупность всех точек произвольной прямой а нельзя пополнить новыми объектами (точками) так, чтобы 1) на пополненной прямой были опреде- лены соотношения «лежит между» и «конгруэнтен», определен порядок следования точек и справедливы аксиомы конгруэнтно- сти III, 1—3 и аксиома Архимеда IV, 1, 2) по отношению к преж- ним точкам прямой определенные на пополненной прямой соотно- шения «лежит между» и «конгруэнтен» сохраняли старый смысл. Мы сейчас докажем, что присоединение к аксиомам I, 1—3, II и III, 1—3 аксиомы Архимеда IV, 1 позволяет поставить в соот- ветствие каждой точке произвольной прямой а определенное вещественное число х, называемое координатой этой точки, а присоединение еще и аксиомы линейной полноты IV, 2 позво- ляет утверждать, что координаты всех точек прямой а исчерпы- вают множество всех вещественных чисел. 5. Обоснование метода координат. Прервем на время изло- жение аксиом геометрии, чтобы на основании уже изложенных аксиом дать обоснование метода координат на прямой. Сначала докажем следующее утверждение. Первая основная теорема. Аксиомы I, 1—3, II, III, 1—3 и ак- сиома IV, 1 Архимеда позволяют ввести на любой прямой а координаты так, что выполнены следующие требования: 1°. Каждой точке М прямой а соответствует определенное ве- щественное число х, называемое ее координатой. 2°. Разным точкам соответствуют разные координаты, причем точка М2 лежит между Mi и М3 тогда и только тогда, когда либо xi<x2<x3, либо xi>x2>x3 (здесь хь х2 и х'3— координаты точек Mi, М2 и М3 соответственно). 3°. Отрезки MiM2 и М/М/ конгруэнтны тогда и только toeda, когда х2—Xi=x2'—х/ (здесь хь х2, х/ и х/— координаты точек Mit М2, Mi и М2 соответственно). 4°. Если вещественные числа Xi и х2 представляют собой ко- ординаты некоторых точек, то и вещественное число xi±x2 пред- ставляет собой координату некоторой точки. Доказательство. Выберем на прямой а произвольную точку О в качестве начала координат и произвольную отличную от О точку Е в качестве точки с координатой единица. Пусть М — произвольная точка прямой а. Ради определенности пред- положим, что М лежит с той же стороны от О, что и Е (аксио- мы 1,1—3, II и III, 1—3 обеспечивают возможность установле- ния порядка следования точек на прямой а). Каковы бы ни
218 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ были целое положительное число п и целое неотрицательное число т, мы можем, откладывая отрезок ОМ в одном и том же направлении последовательно п раз, построить отрезок п • ОМ и аналогично построить отрезок т-ОЕ (возможность отклады- вать конгруэнтный отрезок в любом направлении и брать сумму конгруэнтных отрезков, не имеющих общих внутренних точек, вытекает из аксиом 1,1—3, II и III, 1—3). В силу только что упомянутых аксиом любые два отрезка мы можем сравнивать. Стало быть, и отрезки п-ОМ и т-ОЕ при различных пит будут связаны либо знаком <, либо знаком Рассмотрим дзсе возможные рациональные числа — . Их мо- жно разбить на два класса, относя к верхнему классу те из них, для которых п • ОМ<т • ОЕ, (П.1) и к нижнему классу те, для которых п-ОМ>т-ОЕ. (П.2) Убедимся в том, что эти два класса однозначно определяют вещественное число х, которое мы и поставим в соответствие точке М и назовем ее координатой. Сначала^убедимся в том, что любое рациональное число из верхнего класса больше любого рационального числа из ниж- него класса. Приводя любые два рациональных числа из раз- ных классов к общему знаменателю и обозначая последний че- рез п, мы из (П.1) и (П.2) получим, что числитель числа из верхнего класса больше числителя числа из нижнего класса. От- сюда и вытекает, что число из верхнего класса больше числа из нижнего класса. Далее заметим, что оба класса не являются пустыми-, ниж- нему классу заведомо принадлежит рациональное число нуль, а для установления непустоты верхнего класса достаточно поло- жить п—1 и заметить, что аксиома Архимеда IV, 1 гарантирует существование такого натурального числа т, что при д=1 спра- ведливо неравенство (П.1). В силу теоремы о точных гранях непустого ограниченного сверху (снизу) множества*) существует точная верхняя грань х рациональных чисел нижнего класса и точная нижняя грань х рациональных чисел верхнего класса. Убедимся в том, что эти грани х и х заключены между как угодно близкими рациональными числами и поэтому совпа- дают**). Достаточно доказать, что существуют как угодно близ- *) См. выпуск 1, теорему 2.1. **) См. выпуск 1, лемму на стр. 48,
Аксиомы ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ 219 § 1] кие числа разных классов, а это вытекает из того, что для как угодно большого номера п найдется номер т такой, что рацио- т 4-1 нальное число —— принадлежит верхнему классу, а рацио- нальное число —принадлежит нижнему классу*). Положим теперь х = х=х и поставим вещественное число х в соответствие точке М, назвав его координатой этой точки. Тре- бование 1° обосновано. Пусть теперь Mi и М2— какие угодно две точки, лежащие по ту же сторону от О, что и Е, и такие, что Mi лежит между О и М2, т. е. OM2>OMi. Докажем, что если Xi и х2 — координаты точек Mi и М2 соответственно, то x2>Xi. Выберем номер п настолько большим, чтобы разность отрез- ков ОМ2 и OMi, повторенная п раз, превзошла отрезок ОЕ (этд можно сделать в силу все той же аксиомы Архимеда IV, 1). То- гда, обозначая через пг наибольшее целое число, для которого п • OMi m • ОЕ, мы получим, что n-OMi<{m + \)-OE, (П.З) и в силу сделанного выше выбора номера п 4 п ОМ2> (т+ ОЕ. (П.4) Из (П.З) заключаем, что рациональное число относится ,. m +1 -ч. к верхнему классу по отношению к точке Mi, т. е. — а из (П.4) заключаем; что то же самое рациональное число m 4-1 .. —— относится к нижнему классу по отношению к точке /И2 и поэтому х2 > —. Тем самым неравенство доказано. Если теперь мы имеем на прямой а какое угодно число то- чек, идущих в порядке О, Mi, М2, • • ,Мп (в сторону Е **)), то из только что доказанного утверждения для координат этих то- чек ПОЛуЧИМ 0<Xi<X2<_. . ,<хп. Тем самым для случая расположения точек по ту же сторону от О, что и Е, требование 2° доказано. Для точек М, лежащих на прямой а по другую сторону от О, совершенно аналогично вводятся отрицательные координаты и повторением тех же рас- суждений мы устанавливаем требования 1° и 2° в общем виде. *) Тот факт, что для любого номера п найдется указанный номер ш (такой, что справедливо (П. 1)) снова вытекает из аксиомы Архимеда IV.1. **) В дальнейшем эта сторона именуется положительной.
220 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИИ ГЕОМЕТРИИ Для установления требований 3° и 4° мы сначала докажем, что если на прямой а в положительную сторону от О взяты точ- ки М1г М2 и М, причем Mi лежит между О и М и отрезки MtM и ОМ2 конгруэнтны, то x=xi+x2 (здесь х, Xi и х2 — координаты точек М, и А42 соответственно). Возьмем из нижних классов, отвечающих координатам Xi и х2, два произвольных рациональных числа, обозначив их (после приведения к общему знаменателю п) соответственно через mi m2 „ —L и —. Тогда п п n-0Ml>mi.0E, ' п-ОМ2> ш2-0Е. Складывая последние два неравенства, получим п • ОМ (mi + /n2) • ОЕ. (П.5) Точнее говоря, в левой части (П.5) мы получим сумму п раз отложенного отрезка OMi и п раз отложенного отрезка ОМ2, но после перегруппировки слагаемых мы и получим п раз повто- ренную сумму отрезков OAft и ОМ2, т, е. п-ОМ*). Из неравенства (П.5) заключаем, что рациональное число mi , m2 принадлежит нижнему классу, отвечающему коор- динате х. Совершенно аналогично, взяв любые рациональные числа m 1 m2 ~ и из верхних классов, отвечающих координатам Xi и х2, мы убедимся в том, что рациональное число „ принадлежит верхнему классу отвечающему координате х. Но тогда из определение суммы вещественных чисел и из того, что рациональные числа как из верхнего, так и из нижнего классов как угодно точно приближают соответствующую коор- динату, мы получим, что вещественное число х равно сумме Xj + X2. Тем самым нами доказано, что отложить от точки Mt с ко- ординатой Xi (в положительную сторону) отрезок ОМ2 — это все равно, что построить точку М с координатой х, удовлетворяю- щей условию х=хЛ + х2, где х2>0— координата точки М2. Это утверждение мы доказали для случая Xi>0, но легко распространить его и на общий случай (предоставляем это чи- тателю). Из доказанного утверждения сразу же вытекает тре- *) То, что в геометрической сумме отрезков мы можем, не меняя суммы, переставлять слагаемые, вытекает из следующих соображений. Достаточно убедиться в возможности перестановки для двух слагаемых, а это непосред- ственно вытекает из аксиомы III, 3, в формулировке которой ничего не сказа- но о порядке, в котором «приставляются» друг к другу слагаемые отрезки А'В' и В'С'. При любом их порядке сумма А'С' конгруэнтна отрезку АС.
§ 1] АКСИОМЫ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ геометрии 221 бование 4°, а для доказательства утверждения 3° достаточно заметить, что откладывание данного отрезка равносильно до- бавлению к координате точки постоянного слагаемого. Первая основная теорема полностью доказана*). Замечание. Особо подчеркнем, что в первой основной тео- реме не утверждается, что каждому вещественному числу х соответствует определенная точка на прямой (т. е. не утвер- ждается, что соответствие между точками прямой и веществен- ными числами является взаимно однозначным). Мы сейчас увидим, что это невозможно доказать, опираясь только на аксиомы I, 1—3, II, III, 1—3 и IV, 1 и не привлекав аксиому линейной полноты IV, 2. Вторая основная теорема. Пусть справедливы аксиомы 1,1—3, II, III, 1—3, IV, 1 и на прямой а введены координаты. То- гда для того, чтобы каждому вещественному числу х отвечала некоторая точка прямой а, т. е.для того, чтобы между всеми точками прямой а и всеми вещественными числами существо- вало взаимно однозначное соответствие, необходимо и доста- точно, чтобы была справедлива аксиома линейной полноты IV, 2. Доказательство. 1) Достаточность. Докажем, что если существуют вещественные числа х, которым не отвечает ни- какая точка прямой а, то аксиома IV, 2 заведомо несправедлива. Пусть существуют указанные вещественные числа х. Ка- ждое из них мы назовем новой точкой и присоединим все новые точки к совокупности прежних точек прямой а. На пополненной прямой (назовем ее а) уже каждому веще- ственному числу отвечает точка и обратно. Определим на а соотношения «лежит между» и «конгруэн- тен». Будем говорить, что точка М2 прямой а лежит между Mi и Мз, если либо Х1<хг<х3, либо xt>x2>x3, где под хь х2 и Хз нужно понимать координату соответствующей точки М1} М2 и Мз, если эта точка прежняя, и самую эту точку, если она но- вая. Очевидно, что в применении к прежним точкам определен- ное на а соотношение «лежит между» сохраняет старый смысл. Будем говорить, что отрезок М±М2 прямой а конгруэнтен отрезку той же прямой АГрИ', если х2— х^=х2— xv где под хр х2, х' и х' нужно понимать координату соответствующей точки Жп М2, Mi и М2, если эта точка прежняя, и самую эту точку, если она новая. Снова очевидно, что в применении к прежним точкам определенное на а соотношение «конгруэнтен» сохраняет старый смысл. *) Подчеркнем, что при доказательстве первой основной теоремы аксио- мы I, 1—3 и II использовались лишь для установления порядка следования точек на прямой.
222 ПРИЛОЖЕНИЙ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИЙ Очевидно также, что для точек пополненной прямой а опре- делен порядок следования и справедливы аксиомы конгруэнт- ности III, 1—3 и аксиома Архимеда IV, 1. Тем самым мы установили возможность пополнения прямой, противоречащую аксиоме линейной полноты IV. 2. Достаточность доказана. 2. Необходимость. Докажем, что если аксиома линей- ной полноты IV, 2 не имеет места, то координаты всех точек пря- мой а не исчерпывают всех вещественных чисел. Если аксиома IV, 2 не имеет места, то существует пополнен- ная новыми точками прямая а, для всех точек которой опреде- лены соотношения «лежит между» и «конгруэнтен», определен порядок следования и справедливы аксиомы конгруэнтности 111,1—3 и аксиома Архимеда IV, 1. В силу первой основной тео- ремы на пополненной прямой а можно ввести координаты (в этой теореме аксиомы I, 1—3 и II использовались лишь в форме возможности установления на данной прямой порядка следования точек). Мы получим, что каждой точке пополненной прямой а отве- чает определенное вещественное число, причем разным точкам отвечают различные вещественные числа. Но отсюда следует, что те вещественные числа, которые отвечают точкам, произво- дящим пополнение, не будут соответствовать ни одной точке ис- ходной прямой а. Необходимость доказана. Вторая основная теорема полностью доказана. 6. Аксиома параллельности. Самая последняя аксиома играет в геометрии фундаментальную роль, определяя разделение гео- метрии на две логически непротиворечивые и взаимно исключаю- щие друг друга системы: евклидову и неевклидову геометрии. В геометрии Евклида эта аксиома формулируется так. V. Пусть а — произвольная прямая и А — точка, лежащая вне прямой а, тогда в плоскости а, определяемой точкой А и прямой а, существует не более одной прямой, проходящей че- рез А и не пересекающей а. Долгое время геометры выясняли вопрос о том, не является ли аксиома параллельности V следствием всех остальных ак- сиом I, II, III, IV. Этот вопрос был решен Лобачевским*), ко- торый доказал, что аксиома V не является следствием аксиом I—IV. По-другому результат Лобачевского можно сформулировать так: если к аксиомам I—IV присоединить утверждение, отри- цающее справедливость аксиомы V, то следствия всех этих по- *) Николай Иванович Лобачевский — великий русский математик (1793— 1856).
§ 2] НЕПРОТИВОРЕЧИВОСТЬ ГЕОМЕТРИИ ЕВКЛИДА 223 ложений будут составлять логически непротиворечивую систему (неевклидову геометрию Лобачевского). Схема доказательства непротиворечивости геометрии Лоба- чевского излагается в § 3 настоящего Приложения. ’ Здесь же мы отметим, что систему следствий, вытекающих из одних только аксиом I—IV, обычно называют абсолютной геометрией. Абсолютная геометрия является общей частью как евклидовой, так и неевклидовой геометрий, ибо все предло- жения, которые могут быть доказаны только с помощью аксиом I—IV, верны как в геометрии Евклида, так и в геометрии Лоба- чевского (примеры таких предложений читатель найдет в пре- дыдущих пунктах). § 2. Схема доказательства непротиворечивости геометрии Евклида Наметим схему доказательства непротиворечивости всех пяти групп аксиом геометрии Евклида. Ради простоты ограничимся доказательством непротиворе- чивости планиметрии Евклида, т. е. установим непротиво- речивость системы аксиом I, 1—3, II—V. Для доказательства достаточно построить какую-нибудь кон- кретную реализацию совокупности объектов, удовлетворяющих всем указанным аксиомам. Мы построим так называемую декартову или арифме- тическую реализацию совокупности объектов, удовлетворяю- щих аксиомам планиметрии. Тем самым вопрос о непротиворе- чивости планиметрии Евклида будет сведен к вопросу о непро- тиворечивости арифметики. Назовем точкой любую упорядоченную пару веществен- ных чисел (х, у), а прямой — отношение трех вещественных чисел (и : v : w) при условии, что и2 + п2=#0*). Будем говорить, что точка (х, у) принадлежит прямой (u:v:w), если справедливо равенство ux+vy + w = 0. (П.6) Докажем справедливость аксиом I, 1—3. . Каковы бы ни были две различные точки (x^yi) и (х2,у2), прямая**) (у< — у2: х2 —хх: xty2 —х2уд, как легко убедиться, содержит эти точки (аксиома 1,1). *) Отношением (и : v : w) называется совокупность трех вещественных чисел и, v, w при условии, что при любом X =£ О совокупности и, v, w и Хи, Хи, Xw рассматриваются как.тождественные. **) Так как точки (х(, уд и (х2, у2) различны, то (*i—Ха)2+(#i—i/г)2 т^О,
224 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ Далее из уравнений UXi-\-Vyi-\-W = 0, UX2-{-Vy2-\-W = 0 вытекает, что и : v : w= (z/t—у2) : (х2—xt) : (xit/2—Х2У1), так что точками (xi, 1/1) и (х2, у2) определяется только одна прямая (и : v : w) (аксиома I, 2). Наконец, справедливость аксиомы 1,3 вытекает из того, что уравнение (П.6) с двумя неизвестными х и у всегда имеет бес* численное множество решений и не всякая пара х и у есть ре* шение уравнения (П.6). Теперь определим соотношение «лежит между». Так как u24-u2=jfc0, то либо «=7^0, либо V5^0. Если у=И=0, то мы будем говорить, что точка (х2, у2) лежит между (xt,yt) и (х3,уз), если либо xi<x2<x3, либо Xi >х2>х3. Если же о=0 (при этом заведомо д=7^0), то мы будем говорить, что точка (х2, у2) лежит между i/i,/а) и (х3, у2), если либо У1<У2<Уъ, либо У1>У2>Уз. Справедливость аксиом II, 1—3 проверяется тривиально. Не- сколько кропотливую проверку аксиомы Паша II, 4 мы опустим*). Обратимся теперь к определению соотношения «конгруэн- тен». С этой целью рассмотрим так называемое ортогональное преобразование. Преобразование (х'= alx-)-bly-\-c1, ( y'^a2x+b2y+c2, u ‘ ' переводящее произвольную точку (х, у) в определенную точку (х', у'), называется ортогональным, если выполнены соот- ношения а| + = 1, а1а2 + ^1&2 = 0. (П.8) Легко доказать, что всякое ортогональное преобразование (П.7), (П.8) можно представить в одной из следующих форм: либо в виде (х' = ах— р«/ + сь . /гг U'=₽x+at/+c2, V1’ либо в виде X- = ax-|- Р//4-С1, /=рх—аг/+с2, (П. 10) *) Н. В. Ефимов, Высшая геометрия, Физматгиз, 1961, стр. 209—210,
§ 2] НЕПРОТИВОРЕЧИВОСТЬ ГЕОМЕТРИИ ЕВКЛИДА 225 причем в обоих случаях а2 + р2=1. Преобразования (П.9) и (П.10) обычно называют ортогональными преобразованиями со- ответственно первого и второго рода. Пусть даны произвольная прямая («: v: w) и на ней неко« торая точка (х0, Уо), так что uxo+vyQ + w = 0. Легко убедиться в том, что совокупность точек (х,у), где x = x0-\-vt, У — Уо~ ut, принадлежит прямой (и: v : w) для любого вещественного чис- ла t. Далее ясно, что при />0 все указанные точки (х, у) лежат по одну сторону от точки (х0,Уо), а при /<0 эти точки лежат по другую сторону от (хо,уо). Иными словами, уравнения (П.11) при всевозможных поло- жительных t определяют все точки полупрямой, исходящей из точки (х0, у0) и лежащей на прямой (u:v:w). Эту полупрямую мы будем обозначать символом (х0, уо, v, —и). Оказывается, всякое ортогональное преобразование (как пер- вого, так и второго рода) переводит любую полупрямую снова в полупрямую. Более точно, справедливо следующее утвержде- ние*): ортогональное преобразование (П.9) или (П.10) перево- дит полупрямую (xo,yo,v,—и) в полупрямую (х'о, у'й, v',— и'), где для случая преобразования (П.9) х' = ах0— ру0~j-q; у'о — ==рх04-ау04-с2; т/= сги + 0«; «' —— + а. для случая преобразования (П. 10) х'= ах0 + |1у04-с1; у' = 0хо — az/0 —е2; <и’=av — ри; и' —— —ам. Теперь мы назовем отрезок АВ конгруэнтным отрезку А'В', если существует ортогональное преобразование, которое переводит точку А в точку А', а точку В в точку В'. Угол Z (й, k) назовем конгруэнтным /_(й', k'), если существует ортогональное преобразование, переводящее полупрямую h в полупрямую h' и полупрямую k в полупрямую k'. Далее нужно перейти к проверке аксиом III, 1—5. Аксиома III, 2 вытекает из групповых свойств ортогонального преобразо- вания, в силу которых как последовательное проведение двух ортогональных преобразований, так и преобразование, обратное к ортогональному, снова являются ортогональными преобразо- ваниями. Проверка остальных аксиом группы III требует кро- потливой техники и использования указанного выше утвержде- ния, и мы ее опустим **). *) Мы предлагаем читателю либо доказать это утверждение самому, либо (в случае затруднений) воспользоваться книгой Н. В. Ефимова «Выс- шая геометрия», Физматгиз, 1961, стр. 212—214. **) Н. В. Ефимов, Высшая геометрия, Физматгиз, 1961, стр. 215—220.
226 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ Что же касается аксиом непрерывности, то аксиома Архи- меда IV, 1 проверяется непосредственно, а справедливость ак- сиомы полноты IV, 2 вытекает из того, что между всеми точками любой прямой и всеми вещественными числами можно устано- вить взаимно однозначное соответствие (см. вторую основную теорему из п. 5 § 1). Нам остается еще проверить справедливость аксиомы парал- лельности V. Пусть (и : v : w) —произвольная прямая и (х0, Уо) — точка вне ее, так что uxo+vy0 + w=j=O. Пусть (и': v': w') — прямая, проходящая через точку (х0, Уо), т. е. удовлетворяющая условию u'x0+v'ya+w' = 0. (П.12) Поскольку эта прямая" не пересекает прямую (u:v: w), должна быть несовместна система уравнений ( и'х -4- v'y -4- но' — О, 'll о (П. 13) ( их + vy -|- ву = 0. v Из несовместности системы (П.13) заключаем, что u'-.u—v'-.v или, что то же самое, и'= \и, v'=Xv, где,Х— некоторое число. Но тогда из (П.12) получим w'——).(uxQ + vy0), т. е. и' :v':w' = = u:v.—(ux0 + vyQ). Итак, отношения u':v':w' однозначно определены, т. е. существует единственная прямая (u':v':w'), проходящая через (х0, у0) и не пересекающая прямой (и : v : w). Тем самым доказательство непротиворечивости планиметрии Евклида завершено. Замечание. Аналогично доказывается непротиворечи- вость стереометрии Евклида. Для этого мы называем точ- кой любую упорядоченную тройку вещественных чисел (х, у, z), прямой — совокупность всех троек (х, у, z), элементы х, у, z которых связаны системой двух линейных уравнений, плос- костью— совокупность всех троек (х, у, z), элементы х, у, z которых удовлетворяют одному линейному уравнению. § 3. Схема доказательства непротиворечивости геометрии Лобачевского Ради простоты ограничимся доказательством непротиворечи- вости планиметрии Лобачевского, т. е. построим конкрет- ную реализацию совокупности объектов, удовлетворяющих ак- сиомам 1,1—3, II—IV и аксиоме, отрицающей справедливость V, Для построения указанной реализации мы будем опираться на уже установленную нами непротиворечивость планиметрии Евклида, т. е. сведем вопрос о непротиворечивости планиметрии
§ 3) НЕПРОТИВОРЕЧИВОСТЬ ГЕОМЕТРИИ ЛОБАЧЕВСКОГО 227 Лобачевского к вопросу о непротиворечивости планиметрии Ев- клида. Излагаемая в этом параграфе модель принадлежит А. Пуанкаре *). Рассмотрим на евклидовой плоскости горизонтальную пря- мую х и опирающуюся на нее верхнюю полуплоскость. Все точки этой верхней полуплоскости мы назовем «неев- клидовыми точками», а все лежащие в верхней полу- плоскости полуокружности с центром на прямой х и все верти- кальные полупрямые, исходящие из точек прямой х, назовем «неевклидовыми прямыми» (кстати, указанные полу- прямые удобно рассматривать как полуокружности бесконечно большого радиуса). Мы определим между «неевклидовыми точками» и «неевкли- довыми прямыми» соотношения «принадлежит», «лежит между» и «конгруэнтен» и убедимся в справедливости всех аксиом аб- солютной геометрии (т. е. аксиом 1,1—3, II—IV). После этого мы покажем, что в построенной модели справедлива ак- сиома параллельности Лобачевского (т. е. отрицание аксиомы V Евклида). Мы будем говорить, что «неевклидова точка» А принад- лежит «неевклидовой прямой» а, если точка верхней полупло- скости А лежит на полуокружности а. Справедливость аксиом I,1—3 устанавливается тривиаль- но. Так аксиомы 1,1 и 1,2 эквивалентны утверждению, что че- рез две точки верхней полуплоскости можно провести только одну окружность, имеющую центр на прямой х. Аксиома 1,3 эк- вивалентна утверждению, что на любой полуокружности имеют- ся по крайней мере две точки и имеется хотя бы одна точка вне этой полуокружности. Перейдем к установлению соотношения «лежит между». Пусть А, В, С — три точки «неевклидовой прямой», изображае- мой полуокружностью а. Будем говорить, что точка В (в неев- клидовом смысле) лежит между А и С, если В на полу- окружности а лежит между А и С (в евклидовом смысле). При таком определении соотношения «лежит между» легко устанавливается справедливость аксиом II,1—3. Впрочем, по- рядку следования точек на «неевклидовой прямой», изобра- жаемой полуокружностью а, можно придать и более нагляд- ный вид. Выпуская из центра О полуокружности а всевозмож- ные лучи, мы с помощью этих лучей можем взаимно однозначно спроектировать все точки полуокружности а на все точки не- которой прямой у, параллельной х и лежащей выше полуокруж- ности а. *) Анри Пуанкаре — французский математик (1854—1912).
228 ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ОСНОВАНИЙ ГЕОМЕТРИИ Тогда порядок следования точек «неевклидовой прямой» а соответствует порядку следования образов этих точек на пря- мой у. Попутно мы докажем, что все точки любой «неевклидо- вой прямой» а находятся во взаимно однозначном соответствии с множеством всех вещественных чисел. Нам еще следует проверить аксиому 11,4 Паша, но доказа- тельство этой аксиомы является наглядно вполне очевидным, и мы его опустим. Теперь мы перейдем к определению соотношения «конгруэн- тен». В надлежащем его определении и состоит остроумие мо- дели Пуанкаре. Не вдаваясь в детали, остановимся на основных идеях определения этого соотношения. Введем в рассмотрение специальное преобразование евкли- довой плоскости, известное под названием инверсии. Пусть фиксирована произвольная окружность радиуса г с центром в точке А. Инверсией относительно указанной окружности назы- вается такое преобразование точек плоскости, при котором лю- бая, отличная от А, точка плоскости М переходит' в точку М', лежащую на одном с точкой М луче, выходящем из А, и такую, что выполнено условие AM' -AM = г2. Назовем «неевклидов отрезок» АВ конгруэнтным «не- евклидову отрезку» А'В’, если существует такая последователь- ность инверсий, что их произведение отображает евклидову кру- говую дугу АВ в круговую, дугу А'В'. «Неевклидовым углом» будем называть совокупность двух неевклидовых полупрямых, исходящих из одной точки. Назовем «неевклидов угол» Z.(h',k') конгруэнтным «неевклидову углу» Z(/j, 6), если существует такая последова- тельность инверсий, что их произведение отображает стороны первого угла на стороны второго. После принятых определений проверка аксиом конгруэнтно- сти Ш, 1—5 превращается в техническую работу, которую мы можем опустить*). Проверка аксиомы Архимеда IV, 1 также не вызывает ни- каких трудностей и использует лишь свойства инверсий. Последняя аксиома абсолютной Геометрии — аксиома пол- ноты IV, 2 справедлива вследствие того, что (как это установлено выше) между всеми точками любой «неевклидовой прямой» и всеми вещественными числами можно установить взаимно одно- значное соответствие (см. вторую основную теорему из п. 5 § 1). Итак, для нашей модели справедливы все аксиомы абсолют- ной геометрии (1,1—3, II—IV). *) Н. В. Ефимов, Высшая геометрия, Физматгиз, 1961, стр. 170—173.
§ 4] ЗАМЕЧАНИЯ О ПРОБЛЕМАХ АКСИОМАТИКИ 229 Как же обстоит дело с аксиомой параллельности V? Возьмем любую «неевклидову прямую», изображаемую полуокружностью а, и любую точку А, ей не принадлежащую. Легко проверить, что через точку А проходит бесконечно много различных полуокружностей, имеющих центры на прямой хи не имеющих общих точек с полуокружностью а. Это означает, что в рассматриваемой нами модели справед- лива аксиома параллельности Лобачевского. Тем самым мы завершили доказательство непротиворечиво- сти планиметрии Лобачевского и одновременно показали, что аксиома параллельности V Евклида не является следствием ак- сиом 1,1—3, II—IV абсолютной геометрии. § 4. Заключительные замечания о проблемах аксиоматики При изучении любой системы аксиом естественно возникают следующие три проблемы: 1) проблема непротиворечивости си- стемы аксиом, 2) проблема минимальности системы аксиом (вы- ясняющая вопрос о том, не является ли каждая из рассматри- ваемых аксиом следствием остальных), 3) проблема полноты системы аксиом (принято систему аксиом называть полной, если между элементами двух любых ее реализаций можно уста- новить взаимно однозначное соответствие, сохраняющее уста- новленные между элементами соотношения). В §§ 3 и 4 мы установили непротиворечивость системы ак- сиом как геометрии Евклида, так и геометрии Лобачевского. Проблема минимальности системы аксиом геометрии являет- ся очень трудоемкой и требует обстоятельного исследования*). Примером тдкого исследования является установленный нами факт, что аксиома параллельности V не является следствием остальных аксиом. Полнота системы аксиом геометрии устанавливается посред- ством введения для любой реализации координатной системы и последующего установления взаимно однозначного соответствия (с сохранением всех соотношений) между точками, прямыми и плоскостями данной реализации (в координатной записи) и де- картовой реализации, изученной в § 2**). *) См. книги Н. В. Ефимов «Высшая геометрия», Физматгиз, 1961, стр. 223—234 и Д. Гильберт «Основания геометрии», Гостехиздат, 1948, стр. 96—НО. **) Н. В. Ефимов, Высшая геометрия, Физматгиз, 1961, стр. 242—243.
ПРЕДМЕТНЫЙ Абсолютная геометрия 223 Абсцисса точки' 19 Аксиома линейной полноты 217 — параллельности 223 Аксиомы конгруэнтности 214, 215 — непрерывности 216 — порядка 212 ----линейные 212 — принадлежности 211 Алгебраическое дополнение элемента оп- ределителя 35 . Аппликата 20 Архимеда аксиома 216 — спираль 96 Аффинная система координат 70 Аффинные координаты точки 60 . Базис векторный пространства 59 Базисные точки 24, 25 Барицентрические координаты точки от- носительно базисных точек 24 Вектор 46 — нулевой 47 —противоположный данному вектору 48 —. умножение на вещественное число 56 Векторное произведение двух векторов 71 --------- в декартовых координатах 78 Векторов равенство 47 — разность 50 — сумма 48 Векторы коллинеарные 47 — компланарные 55 — линейно независимые 53 ---зависимые 53 — свободные 47 — связанные 47 — скользящие 47 Вершина конуса 206 Внешние точки отрезка 212 Внутренние точки отрезка 212 — — угла 215 Вырожденного эллипса уравнение 181 Вырожденный геометрический объект 172, Гипербола 144, 147 —, сопряженная по отношению к данной гиперболе 155 Гиперболический тип линии второго по- рядка 178 — цилиндр 198 УКАЗАТЕЛЬ Гиперболоид двуполостный 195 ---, главные оси 196 Гиперболоид однополостный 195 ---, главные оси 195 Гиперболы асимптоты 155 — ветви 152 — директриса 157, 161 — оси симметрии (главные оси) 152 - - полуоси 148 — фокусы 147 — центр (симметрии) 152 Главная 'диагональ матрицы 31 Группа старших членов уравнения 173, 189 Двойное векторное произведение 81 Декартова координата точки на прямой 18 — прямоугольная система на плоскости 18 — система координат левая 70 ------- правая 70 Декартовы прямоугольные координаты век- тора 63 ------- точки в пространстве 20 --------- на плоскости 19 Долгота точки 27 Евклидово пространство 67 Инвариант уравнения линии второго по- рядка 175 Инварианты уравнения поверхности вто- рого порядка 191 Инверсия (евклидовой плоскости) 228 «Карта» гиперболического параболоида 205 — двуполостного гиперболоида 203 — однополостного гиперболоида 202 — эллипсоида 200, 201 Квадрант 19 Коллинеарность векторов 47 Компланарность векторов 55 Конгруэнтность неевклидовых отрезков 228 — «неевклидовых углов» 228 — отрезков 225 Конус второго порядка 196 Координата точки 217, 218 Координатная поверхность 26, 27 Координатные плоскости 20 Координаты 15
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 231 Координаты вектора относительно базиса 59 Коэффициенты группы старших членов уравнения 173. 189 — линейной части уравнения 173, 189 Крамера формулы 29, 39 Линейная зависимость векторов 53 — комбинация векторов 53 — независимость векторов 53 — часть уравнения 173, 189 Линейное пространство 67 Линейные образы 108, 109 — операции над векторами 48 Линия алгебраическая 98 --- в пространстве 108 ---распадающаяся 99 — второго порядка распадающаяся 187 — порядка п 98 — трансцендентная 98 Луч 214 Матрица 28 — квадратная 28 Минор элемента определителя 35 Мнимые параллельные прямые 187 — плоскости 197 Мнимый геометрический объект 172, 188 * — цилиндр 197 эллипс 181 Направленный отрезок 15, 16, 17, 20 Направленных отрезков равенство 16 ---сумма 16 Направляющая (цилиндрической поверх- ности) 104 Направляющие косинусы вектора 64 Направляющий вектор прямой 112, 134 Неевклидов угол 228 Неевклидовы прямые 227 — точки 227 Нормальный вектор плоскости 128 — — прямой 110 Нормировка уравнения плоскости 133 ---прямой 119 Нормирующий множитель 119, 133 Образующая поверхности 103, 105 Однородная функция 104 Октант 20 Определитель второго порядка 28 — системы уравнений 29, 38 — третьего порядка 31 Оптическое свойство гиперболы 171 — параболы 171 --- эллипса 171 Ордината точки 19 Орт вектора 72 Ортогональное преобразование 224, 225 Ось 15 — абсцисс 18 — аппликат 19 — гиперболического параболоида 205 ординат 18 — эллиптического параболоида 204 Отклонение точки от плоскости 132 ---; ---, правило нахождения 132 --------прямой 118 --------1 правило нахождения 119 Отношение, в котором точка делит дан- ный отрезок 22 Отрезок 212 Парабола 144, 148, 156 Параболический тип линии второго по- рядка 178 — цилиндр 199 Параболоид 198 — гиперболический 198 — эллиптический 198 Параболы вершина 155 — директриса 148 — ось (симметрии) 155 — параметр 150 — фокус 148 Параметр 93 Параметрические уравнения окружности 94 --- циклоиды 95 Параметрическое представление линии в пространстве 105, 106 — на плоскости 93 --- поверхности 106 Паша аксиома 212 Плоскость 226 Побочная диагональ матрицы 31 Поверхность алгебраическая 107 ---распадающаяся 108 — второго порядка 188 — коническая 103 — , уравнение 104 — порядка п 107 — трансцендентная 107 — цилиндрическая 103 ---, уравнение 103 Полнота системы аксиом 229 Полупрямая 214 Полюс 25 Полярные координаты точки (на плоско- сти) 25 Полярный радиус 25 — угол 25 Порядок следования точек на прямой 214 Правило вычисления двойного векторного произведения 81 — замыкания ломаной до многоугольника 50 — параллелограмма для векторов 49 — построения разности векторов 50 — треугольника для векторов 48 ---составления выражения для опре- делителя 32 Приведение уравнения прямой (в прост- ранстве) к каноническому виду 135 Проекция вектора на ось 61 — , линейные свойства 62 — направленного отрезка на ось 20 Прямая 223, 226 Прямые неколлинеарные 125 Пучок плоскостей 133 — прямых 119 Разложение вектора по базису 59 — определителя по элементам строки (столбца) 35 Расстояние между двумя точками о про- странстве 21 -------- на плоскости 21 ----------- прямой 18 — от точки до плоскости, правило нахож- дения 133 --------прямой, правило нахождения 119 Решение системы уравнений 29, 38 Свободный член уравнения 173, 189 Связка плоскостей 134 — прямых 139
232 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Система уравнений 40 —’— однородная 31, 42 Скалярное произведение двух векторов 65, .66 Смешанное произведение трех векторов 73 ---------в декартовых координатах 80 Сравнение углов 216 Стандартное упрощение уравнения линия второго порядка 179 ------- поверхности 194 Сферические координаты точки (в прост- ранстве) 27 Тождество 92 Точка 223, 226 — приложения вектора 46 Тривиальное решение системы уравнений 31 Тройка векторов левая 70 --- правая 70 — — упорядоченная 69 Тройки векторов одной ориентации 70 — — противоположной ориентации 70 Угловой коэффициент прямой 114 Угол 215 — 'Между двумя векторами 67 -------плоскостями 130 —------прямыми 115, 116, 117, 137 ---прямой и плоскостью 139 — наклона вектора к оси 61 — — прямой к осн 114 Уравнение 92 вещественного конуса второго порядка каноническое 196 — гиперболы каноническое 148 — — полярное 169 — директрисы параболы 156 — двуполостного гиперболоида канониче- ское 196 — линии 92 . —• — в полярной системе координат 96 ---, разрешенное относительно одной из переменных 95 — однополостного гиперболоида канониче- ское 195 — окружности 93 — — полярное 167 — параболы каноническое 150 полярное 168 — плоскости в отрезках 129 — — неполное 128 ---нормированное 132 • общее 127, 128 — — полное 128 — поверхности 100 ---второго порядка общее 188 — прямой в отрезках 111 --- каноническое 112 ---на плоскости общее 110 ---неполное 111 — — нормированное 118 — — полное 111 •--, проходящей через данную точку и имеющей данный угловой коэффициент 115 — —,---две данные точки 113 — — с угловым коэффициентом 115 — пучка прямых 120, 122 — связки 134 сферы 101, 102 эллипса 146 Уравнение эллипса каноническое 146 --- полярное 168 — эллипсоида каноническое 195 Уравнения асимптот гиперболы 155 — директрис гиперболы 161 --- эллипса нормированные 160 — касательных к гиперболе 170 —-- --параболе 170 ---— эллипсу 170 — линии в пространстве 102 — прямой в пространстве канонические 135, 136 • ---------параметрические 137 ---параметрические 113 — связки прямых 139 — центра линии второго порядка 178 ---поверхности второго порядка 191 Условие параллельности плоскостей 130 ---прямой и плоскости 139 ---прямых 116, 117 ------- в пространстве 137 — перпендикулярности плоскостей 130 ---прямой и плоскости 139 ---прямых 116, 117 ------- в пространстве 137 — принадлежности прямых к плоскости 138, 139 Формулы деления отрезка в данном* от- ношении 23 ------- пополам 23 — преобразования координат в простран- стве 88 —------на плоскости 84, 86 -------при параллельном переносе сис- темы 86 ---------повороте системы 87. 90 Фронт волны, отраженной от линии 171 --- точечного источника 171 Центр линии второго порядка 178 — поверхности второго порядка 191 — пучка плоскостей 133 ---прямых 119 — связки плоскостей 134 ---прямых 139 — тяжести системы материальных точек, координаты 23 — (симметрии) эллипса 150 Центральная линия второго порядка 179 — поверхность второго порядка 192 Цилиндрические координаты точки (в пространстве) 26 Широта точки 27 Эйлера углы 89 Эксцентриситет эллипса (гиперболы) 157 Элемент матрицы 28 — определителя 28 Эллипс 144, 145, 163 — горловой 202 Эллипса вершины 145 — директриса 157, 158, 165 — оси симметрии (главные оси) 150, 151 — полуоси 146 — фокусы 145, 165 Эллипсоид 194 Эллипсоида главные оси 195 Эллиптический тип линии второго поряд- ка 178 — цилиндр 198