원뿔 단면의 행렬 표현

Matrix representation of conic sections

수학에서 원뿔단위의 행렬표현원뿔단면 연구에 선형대수의 도구를 사용할 수 있게 한다. 원뿔 단면의 축, 정점, 접선, 원뿔에 의해 결정되는 평면의 점과 선 사이의 과 극 관계를 쉽게 계산할 수 있는 방법을 제공한다. 이 기법은 원뿔 단면의 방정식을 표준 형식에 넣을 필요가 없으므로, 축이 좌표계에 평행하지 않은 원뿔 단면을 더 쉽게 조사할 수 있다.

원뿔 단면(후진 단면 포함)은 좌표가 두 변수에서 2차 다항 방정식을 만족하는 점 집합이다.

표기법의 남용으로 이 원뿔 부분은 혼동이 일어날 수 없을 Q라고도 불릴 것이다.

이 방정식은 다음과 같이[1] 일부 후속 공식을 단순화하기 위해 대칭 행렬의 관점에서 행렬 표기법으로 작성할 수 있다.

이 방정식의 처음 세 항의 합, 즉

등식 및 행렬과 관련2차 형태

2차 형태의 행렬이라고 불린다. A 추적결정요소는 축의 회전과 평면(원점 이동)에 있어 모두 불변이다.[2][3]

2차 방정식은 또한 다음과 같이 쓸 수 있다.

여기서 은(는) 마지막 변수가 1이 되도록 제한된 세 변수의 균일한 좌표 벡터.

그리고 Q{\ 행렬이다.

행렬 이차 방정식의 행렬이라고 한다.[4] A 의 그것과 마찬가지로 그것의 결정요소는 회전과 번역 모두에 대하여 불변한다.[3]

A에서Q 세 번째(마지막) 행과 세 번째(마지막) 열을 제거하여 얻은 AQ 2×2 왼쪽 상단 서브매트릭스(순서 2의 행렬)는 2차 형태의 매트릭스는 A에서 세 번째(마지막) 열과 세 번째(마지막) 열을 제거하여 얻은 것이다. 위의 표기법33 A는 이 관계를 강조하기 위해 이 글에서 사용된다.

분류

AQ 결정요인에 따라 적절한(비감소) 및 퇴화된 원뿔 단면을 구별할[5][6] 수 있다.

= 인 경우 원뿔은 변질된다.

Q가 변질되지 않도록 A detect A \ :

  • Q A < 에만 하이퍼볼라
  • Q = 인 경우에만 포물선이다.
  • QA > 0 A_}>인 경우에만 타원이다

타원의 경우 x2 y2 계수에 해당하는 마지막 두 대각선 원소를 비교하여 원의 특별한 경우를 구별할 수 있다.

  • A = C, B = 0이면 Q는 원이다.

AQ<>det 만약(A+C)또한,non-degenerate 타원(로 det 33>0{\displaystyle\det A_{33}>0}일 경우와 det Q≠ 0{\displaystyle\det A_{Q}\neq 0})의 경우, 우리는;0}일 경우지만 상상의 타원 AQ>det(A+C);0{\displ 진정한 타원 0{\displaystyle(A+C)\det A_{Q}&lt다.aystyle(A+C)\d 후자의 예로는 x + + = {\ x이 있는데 이 경우 실제 값을 매기는 솔루션은 없다.

원뿔 섹션이 퇴보된 경우( = A 여전히 형식을 구별할 수 있다.

  • A < 0{\330}을(를) 분리한 경우에만 두 개의 교차선(하이볼라가 두 개의 점근으로 퇴보됨
  • A = 인 경우에만 평행 직선 2개후진 포물선). These lines are distinct and real if , coincident if , and non-existent in the real plane if .
  • A > 인 경우에만 단일 점(후진 타원

동시선의 경우는 3 × 3 A 순위가 1인 경우에만 발생하며, 다른 모든 퇴행의 경우 순위가 2인 경우에 발생한다.[2]

중앙 코닉

A 0이(가) 있을 때 원뿔 부분의 기하학적 중심 존재하며 그러한 원뿔 부분(엘립스 및 하이퍼볼라)을 중심 원뿔이라고 한다.[7]

중심

원뿔의 중심은 만약 존재한다면 그것을 통과하는 원뿔의 모든 화음을 이등분하는 지점이다. 이 특성은 중앙의 좌표를 계산하는 데 사용할 수 있으며, 2차 함수 Q의 구배가 소멸되는 지점(즉,[8]

이것은 아래와 같이 중심을 산출한다.

2차 방정식의 행렬 형식을 사용하는 대안적 접근법은 중심이 좌표계의 원점일 때 방정식에 선형 항이 없다는 사실에 기초한다. 좌표 원점(x0, y0)에 대한 모든 변환0 x* = x – x, y* = y - y0 사용하여

(x0, y0)가 원뿔의 중심(xc, yc)이 되는 조건은 이 방정식을 곱할 때 선형 x*와 y* 항의 계수가 0이라는 것이다. 이 조건은 중심 좌표를 생성한다.

또한 이 계산은 관련 행렬 AQ 처음 두 행을 취하여 각각 (x, y, 1)씩 곱하고 두 내부 제품을 모두 0으로 설정하여 다음과 같은 시스템을 얻을 수 있다.

이것은 위의 중심점을 산출한다.

포물선의 경우, 즉 4AC2 - B = 0일 때, 위의 분모가 0이 되기 때문에 중심이 없다(또는 프로젝트적으로 해석하면 중심은 무한대로 선상에 있다).

중심행렬 방정식

중심(비 파라볼라) 원뿔 A + B y+ y + + + F= 은(는) 다음과 같이 중심 매트릭스 형식으로 다시 작성할 수 있다.

어디에

Then for the ellipse case of AC > (B/2)2, the ellipse is real if the sign of K equals the sign of (A + C) (that is, the sign of each of A and C), imaginary if they have opposite signs, and a degenerate point ellipse if K = 0. In the hyperbola case of AC < (B/2)2, the hyperbola is degenerate if and only if K = 0.

중심 원뿔의 표준 형태

중심 원뿔 섹션의 방정식의 표준 형식은 원뿔 섹션의 중심이 좌표계의 중심에 있고 그 축이 좌표 축과 일치하도록 변환되고 회전할 때 얻는다. 이는 좌표계의 중심이 이동되고 좌표 축이 회전하여 이러한 특성을 만족시킨다고 말하는 것과 같다. 도표에서 원점 O가 있는 원래 xy 좌표계는 원점 O가 있는 xy 좌표계로 이동한다.

좌표 변환 및 회전

변환은 벡터 = (x ). {pmatrix

각도 α에 의한 회전은 매트릭스 A33 대각선으로 하여 실시할 수 있다. 따라서 2 A33 고유값이라면 중심 방정식은 새로운 변수 x'y'[9] 다시 쓸 수 있다.

=- Q A 로 나누면 표준 규격 형식을 얻는다.

예를 들어, 타원의 경우 이 양식은

여기서부터 우리는 전통적인 표기법으로 반장축과 반소축의 길이a와 b를 얻는다.

중심 원뿔소의 경우 두 고유값은 모두 0이 아니며 원뿔 부분의 분류는 이를 조사하여 얻을 수 있다.[10]

  • 만약1 and과 algebra이2 같은 대수 기호를 가지고 있다면, K가 같은 기호를 가지고 있거나, 반대 기호를 가지고 있거나, 0이면 Q는 실제 타원, 가상 타원 또는 실제 지점이다.
  • 만약1 and과 λ2 반대 대수 부호를 가지고 있다면, Q는 각각 K가 0이 아닌지에 따라 하이퍼볼라 또는 두 개의 교차선이다.

주축 정리에 의해 중심 원뿔단면(엘립스 또는 하이퍼볼라)의 2차 형태 행렬의 2개의 고유 벡터는 직각(직교)이며, 각각 원뿔의 주축이나 부축과 (동일한 방향으로) 평행이다. 고유값이 가장 작은 고유값(절대값)을 갖는 고유 벡터는 주축에 해당한다.[11]

특히 중심 원뿔 부분이 중심(xcc, y)을 가지며 A33 고유 벡터가 v→(v1, v2)에 의해 주어진다면, 해당 고유벡터에 해당하는 주축(주축 또는 부축)은 방정식을 가진다.

정점

중심 원뿔의 정점은 원뿔과 그 축의 교차점 즉, 2차 원뿔 방정식과 축의 하나 또는 다른 축을 교대로 하는 선형 방정식으로 구성된 시스템을 풀어서 결정할 수 있다. 하이퍼볼라의 경우 부축이 실제 좌표가 있는 지점에서 하이퍼볼라와 교차하지 않기 때문에 각 축에 대해 두 개 또는 정점이 없다. 그러나, 복잡한 평면의 넓은 시야에서 보면, 하이퍼볼라의 작은 축은 하이퍼볼라와 교차하지만, 복잡한 좌표를 가진 지점에서 교차한다.[12]

폴리스와 폴라

동일[14] 좌표 사용,[13]

and

제공된 원뿔 Q에 대해 결합한다.

고정점 p의 결합체는 선을 형성하거나 원뿔의 평면에 있는 모든 점으로 구성된다. p의 결합체가 선을 형성하면 그 선을 p이라고 하고, 점 p는 원뿔에 관해서 선의 이라고 한다. 점과 선의 이러한 관계를 극성이라고 한다.

원뿔이 비감속인 경우, 어떤 점의 결합체는 항상 선을 형성하며 원뿔에 의해 정의되는 극성은 원뿔을 포함하는 확장면의 점 및 선(, 무한대의 점 및 과 함께 평면) 사이의 편향이다.

p가 원뿔 Q에 놓여 있는 경우, p극선p에서 Q에 대한 접선 선이다.

비생성 원뿔 Q에 대한 p 점의 극선(polar line)의 등식은 다음과 같다.

p가 (주어진 원뿔에 대하여) 극선을 고유하게 결정하듯이, 그래서 각 선은 고유한 극 p를 결정한다. 더욱이 p점 pp점 r의 극성을 통과한다면, 만약 p의 극성이 점 r(La Hire의 정리)을 통과하는 경우에만 점 r의 극인 L선에 있다.[15] 따라서 이 관계는 평면에 있는 점과 선 사이의 기하학적 이중성의 표현이다.

원뿔 절에 관한 몇 가지 친숙한 개념은 이 극성과 직접 관련이 있다. 비탈진 원뿔의 중심은 무한에서 선의 극으로 식별할 수 있다. 포물선은 무한대의 선에 접하면 그 중심이 무한대의 선에 있는 지점이 될 것이다. 하이퍼볼라는 두 개의 뚜렷한 점에서 무한대의 선을 교차하며, 이 점들의 극선은 하이퍼볼라의 점증하지 않는 점이며, 무한대의 이 지점들에서 하이퍼볼라의 접선이다. 또한 원뿔의 포커스의 극선은 그에 상응하는 다이렉트릭스(directrix)이다.[16]

접선

L 선은 비감소 원뿔 Q에 대한 p 점의 극선이 되도록 한다. 라 리터의 정리로는 p를 통과하는 모든 선은 L에 그 극을 두고 있다. 만약 L이 2점(가능한 최대치)에서 Q를 교차한다면, 그 점의 폴라는 p를 통과하는 접선이며, 그러한 Q의 외부 또는 바깥쪽 점이라고 한다. L1점에서만 Q를 교차한다면 접선이며 p는 접선점이다. 마지막으로 LQ를 교차하지 않으면 p는 이를 통과하는 접선이 없으며 내점 또는 내점이라고 한다.[17]

비생성 원뿔 Qp 지점에서 접선 선(동일한 좌표)의 방정식은 다음과 같다.

p가 외부 점인 경우, 먼저 극성의 방정식(위 방정식)을 찾은 다음 원뿔과 그 선의 교차점을 찾는다(st). st의 폴라는 p를 통과하는 접선이 될 것이다.

극과 폴라의 이론을 이용하여 두 원뿔의 네 가지 상호 접선을 찾는 문제는 두 원뿔의 교차점을 찾는 것으로 줄어든다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 브래넌, 에스플렌 & 그레이 1999, 페이지 30
  2. ^ Jump up to: a b 페토프레초 1978, 페이지 110
  3. ^ Jump up to: a b 2007년 스페인 페이지 59~62
  4. ^ 또한 2차 형태의 행렬이지만 이 형태는 세 의 변수를 가지며 A + B + C 2+ z+ +F
  5. ^ 로렌스 1972 페이지 63
  6. ^ 2007년 스페인 페이지 70
  7. ^ 페토프레초 1978 페이지 105
  8. ^ 아유브 1993 페이지 322
  9. ^ 아유브 1993 페이지 324
  10. ^ 페토프레초 1978, 페이지 108
  11. ^ 오스터만 & 워너 2012, 페이지 311
  12. ^ Kendig, Keith (2005), Conics, The Mathematical Association of America, pp. 89–102, ISBN 978-0-88385-335-1
  13. ^ 이는 다음 결과 중 일부에 대해 필요한 무한점 및 무한점의 대수적 포함을 허용한다.
  14. ^ 이 절은 다음과 같다.
  15. ^ 브래넌, 에스플렌 & 그레이 1999, 페이지 189
  16. ^ Akopyan, A.V.; Zaslavsky, A.A. (2007), Geometry of Conics, American Mathematical Society, p. 72, ISBN 978-0-8218-4323-9
  17. ^ 복잡한 평면에서 그러한 점은 복잡한 에서 Q를 충족하는 두 개의 복잡한 접선 선에 해석된다.

참조