ВУЗ:
Рубрика:
ПЛОСКИЕ КРИВЫЕ 9
а формулы (37), (38), (44) и (45) примут соответственно вид
|a
v
| =
y
′
y
′′
p
1 + (y
′
)
2
, |a
n
| =
y
′′
p
1 + (y
′
)
2
; (47)
k =
y
′′
(1 + (y
′
)
2
)
3
2
, ρ =
(1 + (y
′
)
2
)
3
2
y
′′
. (48)
Замечание 9 (о пространственных кривых). Понятие кривой можно обобщить на простран-
ственный случай. Такие кривые наиболее удобно описывать в п араметрической форме:
x = x(t), y = y(t), z = z(t).
Например, равенства
x = cos t, y = sin t, z = t
описывают бесконечную спираль, которая «разматывается» вдоль оси Z над единичной окруж-
ностью, лежащей в плоскости XY .
Естественно, пространственные кривые, как и плоские, являются объектом математического
анализа, однако их изучение выходит за рамки настоящего курса.
3. Полярные координаты
До сих пор мы задавали положение точки на плоскости, указывая её проекции на оси абсцисс
и ординат. Эти проекции называются декартовыми, или прямоугольными координатами точки.
Однако однозначно определить положение точки можно не только с помощью её декартовых
координат. Например, если указать длину r отрезка, соединяющего точку с началом координат, и
величину угла ϕ, который этот отрезок образует осью абсцисс, то мы также однозначно определим
положение точки
4
. Такие координаты называются полярными. Переход от декартовых координат
к полярным описывается формулами
r =
p
x
2
+ y
2
, ϕ = arctg
y
x
, (49)
а обратный — формулами
x = r cos ϕ, y = r sin ϕ. (50)
Замечание 10. Очевидно, в качестве начала полярных координат можно выбрать любую точ-
ку плоскости — скажем, с декартовыми координатами (x
0
, y
0
). В этом случае замена коорди-
нат (50) будет иметь вид
x = x
0
+ r cos ϕ, y = y
0
+ r sin ϕ. (51)
Пример 11. В качестве примера выведем полярных координатах уравнения кривых второго
порядка, используя их канонические уравнения в декартовых координатах.
Парабола. Выберем начало полярных координат в фокусе параболы, т.е. положим
x =
p
2
+ r cos ϕ, y = r sin ϕ.
Подставляя эти выражения в каноническое уравнение параболы
y
2
= 2px,
получаем
sin
2
ϕ · r
2
− 2p cos ϕ · r − p
2
= 0.
Это — квадратное уравнение относительно полярного радиуса. Решая его и принимая во внима-
ние, что r > 0, получает
r =
p
1 − cos ϕ
. (52)
4
Величина r называется полярным радиусом, а ϕ — полярным углом.
ПЛОСКИЕ КРИВЫЕ 9 а формулы (37), (38), (44) и (45) примут соответственно вид y ′ y ′′ y ′′ |av | = p , |an | = p ; (47) 1 + (y ′ )2 1 + (y ′ )2 3 y ′′ (1 + (y ′ )2 ) 2 k= 3 , ρ= . (48) (1 + (y ′ )2 ) 2 y ′′ Замечание 9 (о пространственных кривых). Понятие кривой можно обобщить на простран- ственный случай. Такие кривые наиболее удобно описывать в параметрической форме: x = x(t), y = y(t), z = z(t). Например, равенства x = cos t, y = sin t, z = t описывают бесконечную спираль, которая «разматывается» вдоль оси Z над единичной окруж- ностью, лежащей в плоскости XY . Естественно, пространственные кривые, как и плоские, являются объектом математического анализа, однако их изучение выходит за рамки настоящего курса. 3. Полярные координаты До сих пор мы задавали положение точки на плоскости, указывая её проекции на оси абсцисс и ординат. Эти проекции называются декартовыми, или прямоугольными координатами точки. Однако однозначно определить положение точки можно не только с помощью её декартовых координат. Например, если указать длину r отрезка, соединяющего точку с началом координат, и величину угла ϕ, который этот отрезок образует осью абсцисс, то мы также однозначно определим положение точки4. Такие координаты называются полярными. Переход от декартовых координат к полярным описывается формулами p y r = x2 + y 2 , ϕ = arctg , (49) x а обратный — формулами x = r cos ϕ, y = r sin ϕ. (50) Замечание 10. Очевидно, в качестве начала полярных координат можно выбрать любую точ- ку плоскости — скажем, с декартовыми координатами (x0 , y0 ). В этом случае замена коорди- нат (50) будет иметь вид x = x0 + r cos ϕ, y = y0 + r sin ϕ. (51) Пример 11. В качестве примера выведем полярных координатах уравнения кривых второго порядка, используя их канонические уравнения в декартовых координатах. Парабола. Выберем начало полярных координат в фокусе параболы, т.е. положим p x = + r cos ϕ, y = r sin ϕ. 2 Подставляя эти выражения в каноническое уравнение параболы y 2 = 2px, получаем sin2 ϕ · r 2 − 2p cos ϕ · r − p2 = 0. Это — квадратное уравнение относительно полярного радиуса. Решая его и принимая во внима- ние, что r > 0, получает p r= . (52) 1 − cos ϕ 4Величина r называется полярным радиусом, а ϕ — полярным углом.