В данной статье мы рассмотрим параметрическое уравнение прямой на плоскости. Приведем примеры построения параметрического уравнения прямой, если известны две точки этой прямой или если известна одна точка и направляющий вектор этой прямой. Представим методы преобразования уравнения в параметрическом виде в канонический и общий виды.
Параметрическое уравнение прямой L на плоскости представляется следующей формулой:
(1) |
Отметим что при записи уравнения прямой в параметрическом виде, направляющий вектор прямой не должен быть нулевым вектором, т.е хотя бы один координат направляющего вектора q должен быть отличным от нуля.
Для построения прямой на плоскости в декартовой прямоугольной системе координат, заданной параметрическим уравнением (1), достаточно задать параметру t две разные значения, вычислить x и y и провести через эти точки прямую линию. При t=0 имеем точку M1(x1, y1) при t=1, получим точку M2(x1+m, y1+p).
Для составления параметрического уравнения прямой на плоскости L достаточно иметь точку на прямой L и направляющий вектор прямой или две точки, принадлежащие прямой L. В первом случае, для построения параметрического уравнения прямой нужно координаты точки и направляющего вектора вставить в уравнение (1). Во втором случае сначала нужно найти направляющий вектор прямой q=<m, p>, вычисляя разности соответствующих координатов точек M1 и M2: m=x2−x1, p=y2−y1(Рис.1). Далее, аналогично первому случаю, подставить координаты одной из точек (не имеет значение какой именно) и направляющего вектора q прямой в (1).
Можно также вывести формулу параметрического уравнения прямой, проходящей через две точки. Для этого подставим значения m=x2−x1, p=y2−y1 в (1), получим параметрическое уравнение прямой на плоскости, проходящей через точки M1(x1, y1) и M2(x2, y2):
(2) |
Пример 1. Прямая проходит через точку M=(3,−1) и имеет направляющий вектор q=<−3, 5>. Построить параметрическое уравнение прямой.
Решение. Для построения параметрического уравнения прямой, подставим координаты точки и направляющего вектора в уравнение (1):
Пример 2. Прямая проходит через точки M1=(−5, 2) и M2=(−2, 3). Построить параметрическое уравнение прямой.
Решение. Воспользуемся формулой (2). Подставим координаты точек M1 и M2 в уравнение (2):
Упростим полученное уравнение:
Приведение параметрического уравнения на плоскости к каноническому виду
Выразим параметр t в (1) через переменные x и y:
(3) |
Из выражений (3), можем записать каноническое уравнение прямой на плоскости:
. | (4) |
Обратное преобразование смотрите здесь.
Пример 3. Прямая на плоскости представлена следующим параметрческим уравнением:
Привести данное уравнение прямой к каноническому виду.
Решение: Выразим параметр t через переменные x и y:
(5) |
Из выражений (5), можем записать:
Приведение параметрического уравнения на плоскости к общему виду
Для приведения параметрического уравнения прямой на плоскости к общему виду, в формулах (1) выразим из второго уравнения параметр t через переменную y и подставим в первое уравнение:
(6) |
Умножим обе части уравнения (6) на p и группируем элементы уравнения:
. | (7) |
Сделаем обозначения: A=p, B=−m, C=−px1+my1. Тогда получим общее уравнение прямой:
Ax+By+C=0. | (8) |
Обратное преобразование смотрите здесь.
Пример 4. Прямая на плоскости представлена следующим параметрческим уравнением:
(9) |
Привести данное уравнение прямой к общему виду.
Решение: В уравнении (9) имеем: x1=−5, y1=0, m=4, p=−2. Подставим эти значения в формулу (7):
(10) |
Упростив выражение (10) получим общее уравнение прямой (9):
Пусть l — некоторая прямая пространства. Как и в планиметрии, любой вектор
а =/= 0, коллинеарный прямой l, называется направляющим вектором этой прямой.
Положение прямой в пространстве полностью определяется заданием направляющего вектора и точки, принадлежащей прямой.
Пусть прямая l с направляющим вектором а проходит через точку M0 , а М — произвольная точка пространства. Очевидно, что точка М (рис. 197) принадлежит прямой l тогда и только тогда, когда вектор (overrightarrow
Если точки М и M0 заданы своими радиус-векторами r и r0 (рис. 198) относительно некоторой точки О пространства, то (overrightarrow
Уравнения (1) и (2) называются векторно-параметрическими уравнениями прямой. Переменная t в векторно-параметрических уравнениях прямой называется параметром.
Пусть точка M0 прямой l и направляющий вектор а заданы своими координатами:
Тогда, если (х; у; z) — координаты произвольной точки М прямой l, то
и векторное уравнение (1) равносильно следующим трем уравнениям:
$$ egin
Уравнения (3) называются параметрическими уравнениями прямой в пространстве.
Задача 1. Написать параметрические уравнения прямой, проходящей через точку
M0(-3; 2; 4) и имеющей направляющий вектор а = (2; -5; 3).
В данном случае х0 = -3, у0 = 2, z0 = 4; а1 = 2; а2 = -5; а3 = 3. Подставив эти значения в формулы (3), получим параметрические уравнения данной прямой
$$ egin
Исключим параметр t из уравнений (3). Это можно сделать, так как а =/= 0, и поэтому одна из координат вектора а заведомо отлична от нуля.
Пусть сначала все координаты отличны от нуля. Тогда
Эти уравнения называются каноническими уравнениями прямой.
Заметим, что уравнения (4) образуют систему двух уравнений с тремя переменными х, у и z.
Если в уравнениях (3) одна из координат вектора а, например а1 равна нулю, то, исключив параметр t, снова получим систему двух уравнений с тремя переменными х, у и z:
Эти уравнения также называются каноническими уравнениями прямой. Для единообразия их также условно записывают в виде (4)
считая, что если знаменатель равен нулю, то равен нулю и соответствующий числитель. Эти уравнения являются уравнениями прямой, проходящей через точку M0(х0; у0, z0) параллельно координатной плоскости yOz, так как этой плоскости параллелен ее направляющий вектор (0; а2; а3).
Наконец, если в уравнениях (3) две координаты вектора а, например а1 и а2 равны нулю, то эти уравнения принимают вид
Это уравнения прямой, проходящей через точку M0(х0; у0; z0) параллельно оси Oz. Для такой прямой х = х0, y = у0, a z — любое число. И в этом случае для единообразия уравнения прямой можно записывать (с той же оговоркой) в виде (4)
Таким образом, для любой прямой пространства можно написать канонические уравнения (4), и, наоборот, любое уравнение вида (4) при условии, что хотя бы один из коэффициентов а1 , а2 , а3 не равен нулю, задает некоторую прямую пространства.
Задача 2. Написать канонические уравнения прямой, проходящей через точку M0(- 1; 1, 7) параллельно вектору а = (1; 2; 3).
Уравнения (4) в данном случае записываются слeдующим образом:
Выведем уравнения прямой, проходящей через две данные точки M1(х1; у1; z1) и
Это и есть уравнения прямой, проходящей через две точки M1(х1; у1; z1) и
Задача 3. Написать уравнения прямой, проходящей через точки M1(-4; 1; -3) и M2(-5; 0; 3).
Задача 4. Написать уравнения прямой, проходящей через точки M1(3; -2; 1) и
После подстановки координат точек M1 и M2 в уравнения (5) получим
Как показано выше, уравнения одой и той же прямой можно записать по крайней мере в трех видах: общие уравнения прямой, параметрические уравнения прямой и канонические уравнения прямой. Рассмотрим вопрос о переходе от уравнений прямой одного вида к уравнениям прямой в другом виде.
Во-первых заметим, что если заданы уравнения прямой в параметрической форме, то тем самым заданы точка, через которую проходит прямая и направляющий вектор прямой. Поэтому не составляет труда записать уравнения прямой в канонической форме.
Даны уравнения прямой в параметрической форме
.
Записать канонические уравнения прямой.
Прямая проходит через точку и имеет направляющий вектор. Следовательно, канонические уравнения прямой имеют вид
.
Аналогично решается задача о переходе от канонических уравнений прямой к параметрическим уравнениям прямой.
Переход от канонических уравнений прямой к общим уравнениям прямой рассматривается ниже на примере.
Даны канонические уравнения прямой
.
Записать общие уравнения прямой.
Запишем канонические уравнения прямой в виде системы двух уравнений
.
Избавляясь от знаменателей путем умножения обеих частей первого уравнения на 6, а второго уравнения на 4, получим систему
.
.
Полученная система уравнений и есть общие уравнения прямой.
Рассмотрим переход от общих уравнений прямой к параметрическим и каноническим уравнениям прямой. Чтобы записать канонические или параметрические уравнения прямой, надо знать точку, через которую проходит прямая, и направляющий вектор прямой. Если определить координаты двух точек и, лежащих на прямой, то в качестве направляющего вектора м можно взять вектор. Координаты двух точек, лежащих на прямой, можно получить как решения системы уравнений, определяющих общие уравнения прямой. В качестве точки, через которую проходит прямая, можно взять любую из точеки. Проиллюстрируем сказанное выше на примере.
Даны общие уравнения прямой
.
Записать параметрические и канонические уравнения прямой.
Найдем координаты двух точек, лежащих на прямой, как решения этой системы уравнений. Полагая , получим систему уравнений
.
Решая эту систему, находим . Следовательно, точкалежит на прямой. Полагая, получаем систему уравнений
,
решая которую находим . Следовательно, прямая проходит через точку. Тогда в качестве направляющего вектора можно взять вектор
.
Итак, прямая проходит через точку и имеет направляющий вектор. Следовательно, параметрические уравнения прямой имеют вид
.
Тогда канонические уравнения прямой запишутся в виде
.
Другой способ нахождения направляющего вектора прямой по общим уравнениям прямой основан на том, что в этом случае заданы уравнения плоскостей, а значит и нормали к этим плоскостям.
Пусть общие уравнения прямой имеют вид
и— нормали к первой и второй плоскости, соответственно. Тогда векторможно взять в качестве направляющего вектора прямой. В самом деле, прямая, будучи линией пересечения этих плоскостей, одновременно перпендикулярна векторами. Следовательно, она коллинеарна векторуи значит этот вектор можно взять в качестве направляющего вектора прямой. Рассмотрим пример.
Даны общие уравнения прямой
.
Записать параметрические и канонические уравнения прямой.
Прямая является линией пересечения плоскостей с нормалями и. Берем в качестве направляющего вектора прямой вектор
Найдем точку, лежащую на прямой. Найдем точку, лежащую на прямой. Пусть . Тогда получаем систему
.
Решая систему, находим .Следовательно, точкалежит на прямой. Тогда параметрические уравнения прямой можно записать в виде
.
Канонические уравнения прямой имеют вид
.
Наконец, к каноническим уравнениям можно перейти исключив в одном из уравнений одну из переменных, а затем другую переменную. Рассмотрим этот метод на примере.
Даны общие уравнения прямой
.
Записать канонические уравнения прямой.
Исключим из второго уравнения переменную у, прибавив к нему первое, умноженное на четыре. Получим
.
.
Теперь исключим из второго уравнения переменную , прибавив к нему первое уравнение, умноженное на два. Получим
.
.
Отсюда получаем каноническое уравнение прямой
.
.
.