Высшая математика. Шпаргалка Луковкина Аурика

1. Основные понятия. Системы координат. Прямые линии и их взаимное расположение

Координата точки – это величина, определяющая положение данной точки на плоскости, на прямой или кривой линии или в пространстве. Значение координаты зависит от выбора начальной точки, от выбора положительного направления и от выбора единицы масштаба.

Прямоугольная система координат состоит из двух взаимно перпендикулярных прямых – осей, точка их пересечения – начало координат О, ось ОХ ось абсцисс, ось ОY ось ординат. На осях выбираются масштаб и положительное направление.

Рис.0 Высшая математика. Шпаргалка

Рис. 1

Системы координат

Положение точки М определяется двумя координатами: абсциссой х и ординатой у. Записывается так: М(х, у). Оси координат образуют четыре координатных угла I, II, III, IV. Если точка находится в I координатном угле (квадранте), то и абсцисса, и ордината ее положительные, если – во II квадранте, то абсцисса отрицательна, а ордината положительна, если в – III квадранте, и абсцисса, и ордината отрицательны, если – в IV квадранте, положительна абсцисса, а ордината отрицательна. У точки, лежащей на оси ординат, абсцисса равна нулю, и наоборот, если точка лежит на оси абсцисс, то ее ордината равна нулю.

Косоугольной системой координат аналогична прямоугольной, только оси координат пересекаются под углом не равным прямому. Прямоугольная и косоугольная системы относятся к декартовой системе координат.

Полярная система координат состоит из полюса О и полярной оси ОХ, проведенной из полюса. Положение точки определяется полярным радиусом (отрезок ОМ) и полярным углом . Для полярного угла берется его главное значение (от – до ). Числа , называются полярными координатами точки М.

Связь между координатами точки в прямоугольной и полярной системах координат: x = r cos, y = r sin или:

Рис.1 Высшая математика. Шпаргалка
Рис.2 Высшая математика. Шпаргалка

Пусть имеются две точки М1(х1, у1) и М2(х2, у2). Расстояние между точками:

Рис.3 Высшая математика. Шпаргалка

Общее уравнение прямой линии (система координат прямоугольная): Ах + Ву + С = 0 (А и В одновременно неравны нулю).

Если В не равно нулю, то уравнение прямой: у = ах + b (здесь а = – А / В, b = – С / В). Здесь а есть тангенс угла наклона прямой к положительному направлению оси абсцисс, b равно длине отрезка от начала координат до точки пересечения рассматриваемой прямой с осью ординат. Уравнение прямой, параллельной оси абсцисс: у = b, уравнение оси абсцисс: у = 0; уравнение прямой, параллельной оси ординат: х = с, уравнение оси ординат: х = 0.

2. Условие нахождения трех точек на одной прямой. Уравнение прямой. Взаимное расположение точек и прямой. Пучок прямых. Расстояние от точки до прямой

1. Пусть даны три точки А1 (х1, у1), А2 (х2, у2), А3 (х3, у3), тогда условие нахождения их на одной прямой:

Рис.4 Высшая математика. Шпаргалка

либо (х2х1) (у3у1) – (х3x1) (у2у1) = 0.

2. Пусть даны две точки А1 (х1, у1), А2 (х2, у2), тогда уравнение прямой, проходящей через эти две точки:

Рис.5 Высшая математика. Шпаргалка

(х2х1)(у – у1) – (х – х1)(у2у1) = 0 или (х – х1) / (х2х1) = (у – у1) / (у2у1).

3. Пусть имеются точка М (х1, у1) и некоторая прямая L, представленная уравнением у = ах + с. Уравнение прямой, проходящей параллельно данной прямой L через данную точку М:

у – у1 = а(х – х1).

Если прямая L задана уравнением Ах + Ву + С = 0, то параллельная ей прямая, проходящая через точку М, описывается уравнением А(х – х1) + В(у – у1) = 0.

Уравнение прямой, проходящей перпендикулярно данной прямой L через данную точку М:

у – у1 = –(х – х1) / а

или

а(у – у1) = х1х.

Если прямая L задана уравнением Ах + Ву + С = 0, то параллельная ей прямая, проходящая через точку М(х1, у1), описывается уравнением А (у – у1) – В(х – х1) = 0.

4. Пусть даны две точки А1 (х1, у1), А2 (х2, у2) и прямая, заданная уравнением Ах + Ву + С = 0. Взаимное расположение точек относительно этой прямой:

1) точки А1, А2 лежат по одну сторону от данной прямой, если выражения (Ах1 + Ву1 + С) и (Ах2 + Ву2 + С) имеют одинаковые знаки;

2) точки А1, А2 лежат по разные стороны от данной прямой, если выражения (Ах1 + Ву1 + С) и (Ах2 + Ву2 + С) имеют разные знаки;

3) одна или обе точки А1, А2 лежат на данной прямой, если одно или оба выражения соответственно (Ах1 + + Ву1 + С) и (Ах2 + Ву2 + С) принимают нулевое значение.

5. Центральный пучок – это множество прямых, проходящих через одну точку М (х1, у1), называемую центром пучка. Каждая из прямых пучка описывается уравнением пучка у – у1 = к (х – х1) (параметр пучка к для каждой прямой свой).

Все прямые пучка можно представить уравнением: l(y – y1) = m(x – x1), где l, m – не равные одновременно нулю произвольные числа.

Если две прямые пучка L1 и L2 соответственно имеют вид (А1х + В1у + С1) = 0 и (А2х + В2у + С2) = 0, то уравнение пучка: m1(А1х + В1у + С1) + m2(А2х + В2у + С2) = 0. Если прямые L1 и L2 пересекающиеся, то пучок центральный, если прямые параллельны, то и пучок параллельный.

6. Пусть даны точка М (х1, у1) и прямая, заданная уравнением Ах + Ву + С = 0. Расстояние d от этой точки М до прямой:

Рис.6 Высшая математика. Шпаргалка

3. Полярные параметры прямой. Нормальное уравнение прямой. Преобразование координат

Полярными параметрами прямой L будут полярное расстояние р (длина перпендикуляра, проведенного к данной прямой из начала координат) и полярный угол (угол между осью абсцисс ОХ и перпендикуляром, опущенным из начала координат на данную прямую L). Для прямой, представленной уравнением Ах + Ву + С = 0: полярное расстояние

Рис.7 Высшая математика. Шпаргалка

полярный угол

Рис.8 Высшая математика. Шпаргалка

причем при C > 0 берется верхний знак, при C < 0 – нижний знак, при С = 0 знаки берутся произвольно, но либо оба плюса, либо оба минуса.

Нормальное уравнение прямой (уравнение в полярных параметрах) (cм. рис. 2): x cos + y sin – p = 0. Пусть прямая представлена уравнением вида Ах + Ву + С = 0. Чтобы данное уравнение привести к нормальному виду необходимо последнее разделить на выражение

Рис.9 Высшая математика. Шпаргалка
 (знак берется в зависимости от знака С).

Рис.10 Высшая математика. Шпаргалка

Рис. 2

После деления получается нормальное уравнение данной прямой:

Рис.11 Высшая математика. Шпаргалка

Пусть имеется прямая L, которая пересекает оси координат. Тогда данная прямая может быть представлена уравнением в отрезках х / а + у / b = 1. Справедливо: если прямая представлена уравнением х / а + у / b = 1, то она отсекает на осях отрезки а, b.

Преобразование координат возможно путем переноса начала координат, или поворотом осей координат, или совместно переносом начала и поворотом осей.

При переносе начала координат справедливо следующее правило: старая координата точки равна новой, сложенной с координатой нового начала в старой системе. Например, если старые координаты точки М были х, у, а координаты нового начала в старой системе О*(х0, у0), то координаты точки М в новой системе координат с началом в точке О* будут равны х – х0, у – у0 т. е. справедливо следующее х = х* + х0, у = у* + у0 или х* = х – х0, у* = у – у0 (* новые координаты точки).

При повороте осей на некоторый угол справедливы следующие формулы (где х, у – старые координаты точки; х*, у* – новые координаты этой же точки):

x = x* cos – y* sin;

y = x* sin + y* cos

или

x* = x cos + y sin;

y* = – x sin + y cos.

4. Порядок алгебраических линий. Окружность. Эллипс. Гипербола. Парабола

Линия L, представленная в декартовой системе уравнением n–степени называется алгебраической линией n–порядка.

Окружность с радиусом R и центром в начале координат описывается уравнением: х2 + у2 = R2, если центром окружности является некоторая точка С (а, b), то уравнением:

(х – а)2 + (у – b)2 = R2.

Чтобы уравнение Ах2 + Вх + Ау2 + Су + D = 0 описывало окружность, необходимо, чтобы оно не содержало члена с произведением ху, чтобы коэффициенты при х2 и у2 были равны, чтобы В2 + С2 – 4АD > 0 (при невыполнении данного неравенства уравнение не представляет никакой линии).

Координаты центра окружности, описанной уравнением Ах2 + Вх + Ау2 + Су + D = 0 и ее радиус: a = –B / 2A, b = –C / 2A, R2 = (В2 + С2 – 4АD) / 4A2.

Эллипс – сжатая окружность (рис. 3).

Рис.12 Высшая математика. Шпаргалка

Рис. 3

Прямая АА1 называется осью сжатия, отрезок АА1 = 2абольшой осью эллипса, отрезок ВВ1 = 2bмалой осью эллипса (a > b) точка О центром эллипса, точки А, А1, В, В1вершинами эллипса. Отношение k = b / a коэффициент сжатия величина = 1 – k = (a – b) / aсжатие эллипса. Эллипс обладает симметрией относительно большой и малой осей и относительно своего центра.

Каноническое уравнение эллипса: x2 / a2 + y2 / b/em>2 = 1.

Другое определение эллипса: эллипс есть геометрическое место точек (М), сумма расстояний которых до двух данных точек F, F1 имеет одно и то же значение 2а (F1M + FM = 2a) (рис. 4).

Рис.13 Высшая математика. Шпаргалка

Рис. 4

Точки F и F1 называются фокусами эллипса, а отрезок FF1фокусным расстоянием, обозначается FF1 = 2с, причем с < а. Эксцентриситет эллипса – это отношение фокусного расстояния к большой оси = с / а. Эксцентриситет эллипса меньше единицы, имеем: k2 = 1 – 2.

Гипербола – это геометрическое место точек, разность расстояний которых до двух данных точек F, F1 имеет одно и то же абсолютное значение (рис. 5). |F1M – FM| = 2a. Точки F, F1 называются фокусами гиперболы, расстояние FF1 = 2cфокусным расстоянием. Справедливо: c > a.

Каноническое уравнение гиперболы: х2 / а2 + у2 / (а2 с2) = 1. Асимптоты гиперболы заданы уравнениями у = bx / a и y = – bx / a (b2 = c2a2).

Парабола – это геометрическое место точек равноудаленных от данной точки F (фокуса параболы) и данной прямой PQ (директрисы параболы). Расстояние от фокуса до директрисы FC называется параметром параболы и обозначается р. Вершина параболы – точка О. Каноническое уравнение параболы: у2 = 2рх.

Рис.14 Высшая математика. Шпаргалка

Рис. 5

5. Аналитическая геометрия в пространстве. Плоскость

Всякая поверхность в пространстве определяется уравнением вида f(x, y, z) = 0.

Общее уравнение плоскости: Ах + Ву + Сz + D = 0. Если А, В, С, D не равны нулю, то уравнение называется полным.

При D = 0 уравнение Ах + Ву + Сz = 0 определяет плоскость, проходящую через начало координат.

Если А = 0, то уравнение определяет плоскость, параллельную оси Ох. Если два из коэффициентов А, В, С равны нулю одновременно, то уравнение определяет плоскость, параллельную одной из координатных плоскостей: при А = 0 и В = 0 параллельно плоскости хОу, при А = 0 и С = 0 параллельно хОz, при В = 0 и С = 0 параллельно yOz. Уравнение Cz = 0 определяет плоскость xOy, By = 0 – плоскость xOz, Ax = 0 – плоскость yOz. Уравнение плоскости в «отрезках»: х / а + у / b + z / c = 1. Расстояние от точки М (х1, у1, z1) до плоскости:

Рис.15 Высшая математика. Шпаргалка

Пусть имеются две плоскости А1х + В1у + С1z + D1 = 0 и А2х + В2у + С2z + D2 = 0. Угол между этими плоскостями:

Рис.16 Высшая математика. Шпаргалка

Условие равенства двух плоскостей: А1 / А2 = В1 / В2 = С1 / С2 = D1 / D2. Условие параллельности плоскостей: А1 / А2 = В1 / В2 = С1 / С2. Условие перпендикулярности плоскостей: А1А2 + В1В2 + С1С2 = 0. Уравнение плоскости, проходящей через заданную точку М (х1, у1, z1) параллельно плоскости, заданной уравнением Ах + Ву + Сz + D = 0: А(х – x1) + В(у – y1) + С(z – z1) + D = 0. Уравнение плоскости, проходящей через три точки М1 (х1, у1, z1), М2 (х2, у2, z2), М3 (х3, у3, z3):

Рис.17 Высшая математика. Шпаргалка

Уравнение плоскости, проходящей через две точки М1(х1, у1, z1) и М2(х2, у2, z2) перпендикулярно к плоскости, заданной уравнением Ax + By + Cz + D = 0:

Рис.18 Высшая математика. Шпаргалка

Уравнение плоскости, проходящей через точку М1 (х1, у1, z1) перпендикулярно двум непараллельным плоскостям А1х + В1у + С1z + D1 = 0 и А2х + В2у + С2z + D2 = 0, имеет вид:

Рис.19 Высшая математика. Шпаргалка

Имеем три плоскости, заданные общими уравнениями:

Рис.20 Высшая математика. Шпаргалка

6. Прямая в пространстве

Всякая прямая определяется в пространстве системой двух уравнений

Рис.21 Высшая математика. Шпаргалка

Канонические (симметричные) уравнения прямой: (x – x0) / m = (y – y0) / p = (z – z0) / q, прямая проходит через точку M0 (x0, y0, z0). Угол между двумя прямыми, заданными каноническими уравнениями:

Рис.22 Высшая математика. Шпаргалка

Условие параллельности двух прямых: m1 / m2 = p1 / p2 = q1 / q2. Условие перпендикулярности двух прямых: m1m2 + p1p2 + q1q2 = 0.

Пусть имеются прямая (x – x0) / m = (y – y0) / p = (z – z0) / q и плоскость Ах + Ву + Сz + D = 0. Условие параллельности прямой и плоскости: Am + Bp + Cq = 0. Условие перпендикулярности прямой и плоскости: A / m = B / p = C / q. Условие принадлежности прямой плоскости:

Рис.23 Высшая математика. Шпаргалка

Если прямая задана параметрически x

Читать бесплатно другие книги:

Если бы Соня знала, какими неприятностями обернется утренняя прогулка, она тихо сидела бы дома и не ...
Виолетту преследуют несчастья – первый муж Аркадий умирает от сердечного приступа. Второй – красавец...
Столько неприятностей сразу еще не обрушивалось на хрупкие плечи Ольги Шустиковой. Муж Влад, которог...
Лия уже давно махнула рукой на свою личную жизнь. Брак не удался. Бывший супруг оставил после себя к...
Устраиваясь на работу, Алиса не предполагала, что ее красота станет камнем преткновения. Она вызывал...
Она всегда знала, чего хочет от жизни. И всегда поступала так, как хотела. Мама за это называла Екат...