Аффинная система координат уравнение прямой

Аффинные координаты

Аффинная система координат на прямой, на плоскости, в пространстве

Пусть в пространстве фиксирована точка . Совокупность точки и базиса называется аффинной (декартовой) системой координат :

– аффинная система координат на прямой (рис.2.1,а) — это точка и ненулевой вектор на прямой (базис на прямой);

– аффинная система координат на плоскости (рис.2.1,6) — это точка и два неколпинеарных вектора , взятые в определенном порядке (базис на плоскости);

– аффинная система координат в пространстве (рис.2.1,в) — это точка и три некомпланарных вектора , взятые в определенном порядке (базис в пространстве).

Точка называется началом координат . Прямые, проходящие через начало координат в направлении базисных векторов, называются координатными осями: — ось абсцисс, — ось ординат, — ось аппликат . Плоскости, проходящие через две координатные оси, называются координатными плоскостями .

Аффинная система координат в пространстве (или на плоскости) называется правой, если ее базис является правым, и левой, если её базис — левый.

Координаты векторов и точек в аффинной системе координат

Координатами вектора в заданной системе координат называются, как и ранее, коэффициенты в разложении вектора по базису (см. разд.1.3.1; 1.3.2; 1.3.3).

Для любой точки в заданной аффинной системе координат можно рассмотреть вектор начало которого совпадает с началом координат, а конец — с точкой (рис.2.1,а,б,в). Этот вектор называется радиус-вектором точки .

Координатами точки в заданной системе координат называются координаты радиус-вектора этой точки относительно заданного базиса. В пространстве это координаты вектора в базисе , т.е. коэффициенты в разложении (рис.2.1,в). Координаты точки записывают в виде . Первая координата называется абсциссой , вторая – ординатой , третья – аппликатой . На плоскости и на прямой координаты записывают в виде и согласно разложениям (рис.2.1,6), (рис.2.1,а). Координаты точки , или, что то же самое, координаты ее радиус-вектора представляют в виде координатного столбца (матрицы-столбца):

Найдем координаты вектора с началом в точке и концом в точке . Рассмотрим треугольник (рис.2.2). Радиус-векторы и представляются в виде , . По правилу треугольника (см. разд. 1.1.2) вычитания векторов получаем , т.е. вектор имеет координаты . Этим доказано следующее правило: чтобы найти координаты вектора,нужно из координат его конца вычесть соответствующие координаты его начала . Это же правило справедливо для аффинных систем координат на плоскости и на прямой.

1. В заданной системе координат каждой точке можно поставить в соответствие её координаты, причем это соответствие взаимно однозначное:

В частности, разным точкам соответствуют разные наборы координат.

2. Если вектор с координатами отложить от точки , то конец вектора будет иметь координаты .

3. Координаты точки , которая делит отрезок в отношении , находятся по координатам его концов и :

В частности, координаты середины отрезка равны среднему арифметическому соответствующих координат концов отрезка :

Координаты точки которая «делит» площадь треугольника в отношении 0,\,\beta>0,\,\gamma>0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAKgAAAAVBAMAAAAgMbgsAAAAKlBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAHrpZrAAAADXRSTlMAAX1bEJvBQdDnITGx8wJf6wAAAnVJREFUOMvFVc9rE0EYfZNMNpp42BJ/BQkEokKwC6HYg5LAklLwIhQtpakIKSZGxMC2SEBpwBgLFRW0NpeKsAg99BCIB28GcrI9eKla8WD/F2fnxyYbsoWCYg6Z2f1m3rzvfW++Bf7Pj+h/ByfysD8P3307FD3z8ZCt9LFf4Et6xuU5qXdtTzTYKnT800qPl0ZHQkW67hLtIZHxROudwIYvaHAT84NypdyHdgaGetBsdC2Gfd5dtwv6bQhqwlSz4z3UBznkmwrIsGCoyBaQdsbagkrwJ8jvYX5PFWo7ieuOdNmy0IzkVei2hXpS8V++8I5ParfEiygDPZDH58smrjpbYy2pO9uXKALXXpzaCAjlpyRqdQC0dPGeKBpZqQiR+6D01UGDPhGOkMwMBroI+tyk+2fForHYqj0ESho4+V0pUdG9oNrsuWYgo5xnOcsd0D0E2Ja1CSVObNX0goYZTbcsW00v6Gdg5bQqRHSuI5m+QfwHA3nm+rpsCk1zEpQRIb6gTrVdPhEOmuPpJ5gmVVVqqfdA9TUTYTf9O7qs/i+37priE55bcoZuEu0er1VVYcpCdTPEsCMcNmHihLT6pwrh4xroPqakUUIzKkWLj3Hu09BrTL+PCYMoS2k9tBDnBB8lSVpYo7Yjj851ApswihJUZBSUxQe7bAUTdHd8Z/urML9yMH2ZLUFzbipJPSjMwmN+hNYLGVzZEw/HdFFf1R7G5icdW9MlEM7lpu7KH7zE/pa5TSOiJYUX+vfnw2V22qKYb+vea4poyjys/6WETX0amfA8yR6t49KGtOnoRibdceNojZpf3ZjlE52W4/1/8a2xR738AxcTjszkPv2OAAAAAElFTkSuQmCC» style=»vertical-align: middle;» />, находятся по координатам его вершин :

В частности, координаты точки пересечения медиан треугольника равны среднему арифметическому соответствующих координат вершин треугольника :

Эти формулы следуют из свойств 2,4 аффинных и выпуклых комбинаций (см. разд. 1.6.1). Они остаются справедливыми и на координатной плоскости, если аппликаты всех точек положить равными нулю. Например, координаты середины отрезка , или координаты точки пересечения медиан треугольника

Пример 2.1. В некоторой аффинной системе координат известны координаты вершин треугольной пирамиды (см. рис.2.3): Найти координаты (в той же системе координат):

а) точки пересечения медиан треугольника ;

б) точки , которая делит отрезок в отношении .

Решение. Учитывая пункт 3 замечаний 2.1, получаем:

Уравнения прямой, виды уравнений прямой в пространстве

Материал этой статьи продолжает тему прямой в пространстве. От геометрического описания пойдем к алгебраическому: зададим прямую при помощи уравнений в фиксированной прямоугольной системе координат трехмерного пространства. Приведем общую информацию, расскажем о видах уравнений прямой в пространстве и их связи между собой.

Уравнение прямой в пространстве: общие сведения

Уравнение прямой на плоскости в прямоугольной системе координат O x y – это линейное уравнение с переменными x и y , которому отвечают координаты всех точек прямой и не удовлетворяют координаты никаких прочих точек.

Если речь идет о прямой в трехмерном пространстве, все несколько иначе: не существует такого линейного уравнения с тремя переменными x , y , z , которому бы отвечали только координаты точек заданной прямой. В самом деле, уравнение A x + B y + C z + D = 0 , где x , y , z – переменные, а А , В , С и D – некоторые действительные числа ( А , В , С одновременно не равны нулю) – это общее уравнение плоскости. Тогда как же задать прямую линию в прямоугольной системе координат O x y z ? Найдем ответ на этот вопрос в следующих пунктах темы.

Уравнение прямой в пространстве как уравнение двух пересекающихся плоскостей

Когда две плоскости в пространстве имеют общую точку, существует их общая прямая, на которой находятся все общие точки этих плоскостей.

Рассмотрим это утверждение в алгебраическом толковании.

Допустим, в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат O x y z и задано, что прямая a – это линия пересечения двух плоскостей α и β , которые соответственно описываются уравнениями плоскости A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 и A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 . Поскольку прямая a – это множество общих точек плоскостей α и β , то координаты любой точки прямой a будут одновременно отвечать обоим уравнениям. Никакие прочие точки одновременно удовлетворять условия обоих уравнений не будут.

Таким образом, координаты любой точки прямой a в прямоугольной системе координат станут частным решением системы линейных уравнений вида

A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0

Общее же решение системы уравнений _ A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 определит координаты каждой точки прямой a , т.е. по сути задает саму прямую a .

Резюмируем: прямая в пространстве в прямоугольной системе координат O x y z может быть задана системой уравнений двух плоскостей, которые пересекаются:

A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0

Приведем пример описания прямой линии в пространстве при помощи системы уравнений:

x + 3 y — 2 1 z + 11 3 y + 1 4 z — 2 = 0

Навык определения прямой линии уравнениями пересекающихся плоскостей необходим при решении задач на нахождение координат точки пересечения прямой и плоскости или нахождение координат точки пересечения двух прямых в пространстве.

Подробнее изучить эту тему можно, обратившись к статье об уравнениях прямой в пространстве, уравнениях двух пересекающихся прямых.

Заметим, что существует несколько способов описания прямой в пространстве. В практике прямую чаще задают не двумя пересекающимися плоскостями, а направляющим вектором прямой и точкой, принадлежащей этой прямой. В подобных случаях легче задать канонические и параметрические уравнения прямой в пространстве. Поговорим о них ниже.

Параметрические уравнения прямой в пространстве

x = x 1 + a x · λ y = y 1 + a y · λ z = z 1 + a z · λ , где x 1 , y 1 , z 1 – координаты некой точки прямой; а x , а y и a z (одновременно не равны нулю) – координаты направляющего вектора прямой. а · λ – некий параметр, принимающий любые действительные значения.

Любое значение параметра λ позволяет, используя параметрические уравнения прямой в пространстве, определить тройку чисел ( x , y , z ) , соответствующую некой точке прямой (отсюда и название такого вида уравнений). Например, пусть λ = 0 , тогда из параметрических уравнений прямой в пространстве получим координаты:

x = x 1 + a x · 0 y = y 1 + a y · 0 z = z 1 + a z · 0 ⇔ x = x 1 y = y 1 z = z 1

Рассмотрим конкретный пример:

Пусть прямая задана параметрическими уравнениями вида x = 3 + 2 · a x y = — 2 · a y z = 2 + 2 · a z .

Заданная прямая проходит через точку М 1 ( 3 , 0 , 2 ) ; направляющий вектор этой прямой имеет координаты 2 , — 2 , 2 .

Продолжение изучения этой темы можно найти в статье о параметрических уравнениях прямой в пространстве.

Канонические уравнения прямой в пространстве

Если разрешить каждое из параметрических уравнений прямой

x = x 1 + a x · λ y = y 1 + a y · λ z = z 1 + a z · λ относительно параметра λ , возможно просто перейти к каноническим уравнениям прямой в пространстве x — x 1 a x = y — y 1 a y = z — z 1 a z .

Канонические уравнения прямой в пространстве задают прямую, которая проходит через точку М 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) , и у которой направляющий вектор равен a → = ( a x , a y , a z ) . Например, задана прямая, описываемая каноническим уравнением x — 1 1 = y 2 = z + 5 7 . Эта прямая проходит через точку с координатами ( 1 , 0 , — 5 ) , ее направляющий вектор имеет координаты ( 1 , 2 , — 7 ) .

Отметим, что одно или два числа из чисел а x , а y и а z в канонических уравнениях прямой могут быть равны нулю (все три числа не могут быть равны нулю, поскольку направляющий вектор не может быть нулевым). В таком случае запись вида x — x 1 a x = y — y 1 a y = z — z 1 a z является формальной (поскольку в знаменателях одной или двух дробей будут нули) и понимать ее нужно как:

x = x 1 + a x · λ y = y 1 + a y · λ z = z 1 + a z · λ , где λ ∈ R .

Если одно из чисел а x , а y и a z канонического уравнения прямой равно нулю, то прямая лежит в какой-то из координатных плоскостей, или в плоскости, ей параллельной. Если два из чисел а x , а y и a z равны нулю, то прямая или совпадает с какой-либо из координатных осей, или параллельна ей. К примеру, прямая, описываемая каноническим уравнением x + 4 3 = y — 5 2 = z + 2 0 , лежит в плоскости z = — 2 , параллельной координатной плоскости O x y , а координатная ось O y описывается каноническими уравнениями x 0 = y 1 = z 0 .

Графические иллюстрации подобных случаев, составление канонических уравнений прямой в пространстве, примеры решения типовых задач, а также алгоритм перехода от канонических уравнений к другим видам уравнений прямой в пространстве рассмотрены в статье о канонических уравнениях прямой в пространстве.

47. Аффинная система координат на прямой, плоскости и в пространстве

В случае прямой базис состоит из одного ненулевого вектора V = (V) и система координат (О, V) изображена на рис. 4.1. В системе координат на прямой каждая точка A прямой имеет одну координату A(X), определяему разложением вектора По базису, = XV. Тогда A(0), E(1), где V = .

Систему координат на прямой можно задать еще следующими способами:

Двумя различными точками О и E данной прямой. Тогда одну из точек, например О, берем в качестве начала системы координат, а в качестве базисного вектора возьмем вектор V = (см. рис. 4.2).

Точкой О, единичным отрезком ОE и положительным направлением данной прямой, которое отмечается стрелкой.

2Аффинная система координат на плоскости. В случае плоскости базис состоит из двух неколлинеарных векторов плоскости, V = (V1, V2), и система координат (О, V1, V2) изображена на рис. 4.3. В системе координат на плоскости каждая точка A плоскости имеет две координаты A(X, Y), определяемые разложением вектора По базису, = XV1+ YV2. Тогда A(0, 0), E1(1, 0), E2(0, 1), где V1 = , V2 = . Координаты точки называются соответственно Абсциссой и Ординатой.

Систему координат на плоскости можно задать еще следующими способами:

Тремя точками О, E1, E2 плоскости, не лежащими на одной прямой. Тогда одну из точек, например О, берем в качестве начала системы координат, а в качестве базисного вектора возьмем векторы V1 = , V2 = .

Двумя пересекающимися числовыми осями ОX, ОY данной плоскости с общим началом О. Ось ОX называется Осью абсцисс, ось ОY — Осью ординат.

Аффинная система координат (О, V1, V2) называется Правой (Левой), если поворот от вектора к вектору по кратчайшему направлению совершается против часовой стрелки (по часовой стрелке). На рис. 4.3 и 4.4 представлены правые системы координат.

3. Аффинная система координат в пространстве. В случае пространства базис состоит из двух некомпланарных векторов пространства, V = (V1,V2, V3), и система координат (О, V1, V2, V3) изображена на рис. 4.5. В этой системе координат каждая точка A пространства имеет три координаты A(X,Y,Z), определяемые разложением вектора по базису, = XV1+ YV2 + ZV3. Тогда A(0, 0, 0), E1(1, 0, 0), E2(0, 1, 0), E3(0, 0, 1), где V1 = , V2 = , V3 = . Координаты точки называются соответственно Абсциссой, ординатой и Аппликатой.

Истему координат в пространстве можно задать еще следующими способами:

Четверкой точек О, E1, E2, E3 пространства, не лежащими на одной плоскости. Тогда одну из точек, например О, берем в качестве начала системы координат, а в качестве базисного вектора возьмем векторы V1 = , V2 = , V3 = .

Тремя числовыми осями ОX, ОY, ОZ, не лежащими в одной плоскости с общим началом О. Ось ОX называется Осью абсцисс, ось ОY — Осью ординат, ось ОZ — Осью аппликат.

Аффинная система координат (О, V1, V2, V3) называется Правой (Левой), если тройка векторов V1, V2, V3 правая (левая) На рис. 4.5 и 4.6 представлены правые системы координат, а на рис. 4.7 левая система координат.