원뿔 단면의 행렬 표현
Matrix representation of conic sections수학에서 원뿔단위의 행렬표현은 원뿔단면 연구에 선형대수의 도구를 사용할 수 있게 한다. 원뿔 단면의 축, 정점, 접선, 원뿔에 의해 결정되는 평면의 점과 선 사이의 극과 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 때 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 관련된 2차 형태
2차 형태의 행렬이라고 불린다. A 의 추적과 결정요소는 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 벡터다 .
그리고 서 Q{\는 행렬이다.
행렬 를 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 A의Q 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
A의Q 결정요인에 따라 적절한(비감소) 및 퇴화된 원뿔 단면을 구별할[5][6] 수 있다.
= 인 경우 원뿔은 변질된다.
Q가 변질되지 않도록 A detect A \ :
타원의 경우 x와2 y의2 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}<다.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 의 순위가 1인 경우에만 발생하며, 다른 모든 퇴행의 경우 순위가 2인 경우에 발생한다.[2]
중앙 코닉
A 0이(가) 있을 때 원뿔 부분의 기하학적 중심이 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 변환을0 x* = x – x, y* = y - y를0 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 A의Q 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.
변환은 벡터 →= (x ). {pmatrix
각도 α에 의한 회전은 매트릭스 A를33 대각선으로 하여 실시할 수 있다. 따라서 및 2 A의33 고유값이라면 중심 방정식은 새로운 변수 x'와 y'로[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 길이인 a와 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 λ이2 반대 대수 부호를 가지고 있다면, Q는 각각 K가 0이 아닌지에 따라 하이퍼볼라 또는 두 개의 교차선이다.
축
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 A의33 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
- and
제공된 원뿔 Q에 대해 결합한다.
고정점 p의 결합체는 선을 형성하거나 원뿔의 평면에 있는 모든 점으로 구성된다. p의 결합체가 선을 형성하면 그 선을 p의 극이라고 하고, 점 p는 원뿔에 관해서 선의 극이라고 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(즉, 무한대의 점 및 선과 함께 평면) 사이의 편향이다.
점 p가 원뿔 Q에 놓여 있는 경우, p의 극선은 p에서 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 p는 p점 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 점을 Q의 외부 또는 바깥쪽 점이라고 한다. L이 1점에서만 Q를 교차한다면 접선이며 p는 접선점이다. 마지막으로 L이 Q를 교차하지 않으면 p는 이를 통과하는 접선이 없으며 내점 또는 내점이라고 한다.[17]
비생성 원뿔 Q의 p 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(s와 t). s와 t의 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
- ^ 브래넌, 에스플렌 & 그레이 1999, 페이지 30
- ^ Jump up to: a b 페토프레초 1978, 페이지 110
- ^ Jump up to: a b 2007년 스페인 페이지 59~62
- ^ 또한 2차 형태의 행렬이지만 이 형태는 세 의 변수를 가지며 A + B + C 2+ z+ +F
- ^ 로렌스 1972 페이지 63
- ^ 2007년 스페인 페이지 70
- ^ 페토프레초 1978 페이지 105
- ^ 아유브 1993 페이지 322
- ^ 아유브 1993 페이지 324
- ^ 페토프레초 1978, 페이지 108
- ^ 오스터만 & 워너 2012, 페이지 311
- ^ Kendig, Keith (2005), Conics, The Mathematical Association of America, pp. 89–102, ISBN 978-0-88385-335-1
- ^ 이는 다음 결과 중 일부에 대해 필요한 무한점 및 무한점의 대수적 포함을 허용한다.
- ^ 이 절은 다음과 같다.
- ^ 브래넌, 에스플렌 & 그레이 1999, 페이지 189
- ^ Akopyan, A.V.; Zaslavsky, A.A. (2007), Geometry of Conics, American Mathematical Society, p. 72, ISBN 978-0-8218-4323-9
- ^ 복잡한 평면에서 그러한 점은 복잡한 점에서 Q를 충족하는 두 개의 복잡한 접선 선에 해석된다.
참조
- Ayoub, A. B. (1993), "The central conic sections revisited", Mathematics Magazine, 66 (5): 322–325, doi:10.1080/0025570x.1993.11996157
- Brannan, David A.; Esplen, Matthew F.; Gray, Jeremy J. (1999), Geometry, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-59787-6
- Lawrence, J. Dennis (1972), A Catalog of Special Plane Curves, Dover
- Ostermann, Alexander; Wanner, Gerhard (2012), Geometry by its History, Springer, doi:10.1007/978-3-642-29163-0, ISBN 978-3-642-29163-0
- Pettofrezzo, Anthony (1978) [1966], Matrices and Transformations, Dover, ISBN 978-0-486-63634-4
- Spain, Barry (2007) [1957], Analytical Conics, Dover, ISBN 978-0-486-45773-4