Файл: Зайцев И.Л. Элементы высшей математики для техникумов учебник.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 300

Скачиваний: 10

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ЛИНИИ

Г Л А В А II

 

И ИХ УРАВНЕНИЯ

§ 5. Постоянные и переменные величины. В практи­ ческой деятельности, в технике, при исследовании како­ го-либо процесса мы встречаемся с величинами двух ро­ дов: постоянными и переменными.

Постоянной величиной считают такую, которая в хо­ де какого-либо процесса не меняет своего значения. Н а­ пример, длина радиуса одной и той же окружности, тем­ пература кипения чистой воды при постоянном давле­ нии — величины постоянные.

Переменные величины в ходе изучаемого процесса меняют свое значение.

Например, периметр правильного вписанного в окруж­ ность многоугольника при увеличении числа его сторон, длина металлического стержня при его нагревании — ве­ личины переменные.

Часто бывает, что одна и та же величина при одних условиях является постоянной, при других — переменной. Например, в правильном вписанном в окружность мно­ гоугольнике апофема — величина постоянная; при не­ ограниченном удвоении числа сторон этого многоуголь­ ника апофема становится величиной переменной.

§ 6. Функциональная зависимость. Переменные вели­ чины в математике играют важную роль: они служат средством изучения явлений природы и технических про­ цессов. При этом используются переменные величины не в отрыве друг от друга, а в их взаимной связи, в опре­ деленной зависимости между ними. Рассмотрим случай зависимости двух переменных величин между собой.

Две переменные величины могут быть взаимосвя­ заны так, что каждому данному значению одной из них

§ 6]

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ

19

соответствует

вполне определенное значение

другой.

Возьмем, например, уравнение

(1)

 

5 = 4,9/2,

в котором 5 означает расстояние, пройденное падающим телом, а t — время падения. Дадим времени t какое-либо числовое значение, тогда величина пройденного расстоя­ ния 5 получит соответствующее значение; например,

если

t — 2,

то

5 — 4,9 • 22 =

19,6,

 

 

 

»

* = 3,

»

5 =

4 , 9 - 32=

44,1,

 

 

 

»

t =

4,

»

5t,=

4,9 •42 =

78,4

и т.

д.

 

 

Переменную величину

которой

мы давали

произ­

 

 

 

 

 

 

независимой

переменной

вольные значения, называютt,

 

зависимой переменной

аргументом

 

 

 

5,

изменяющуюся

в зави­

или функцией.

; переменную

симости от изменения

 

называют

 

 

 

 

или

 

Связь

между

этими переменными носит

название

функциональной зависимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует отметить, что хотя аргументу мы даем про­ извольные значения, однако эти значения выбираются только такими, которые допускаются условиями задачи, т. е. берутся лишь допустимые значения аргумента. Так, в разобранном примере время t может принимать толь­ ко положительные значения или нуль, ибо время, выра­ женное отрицательным числом, здесь смысла не имеет.

Заметим также, что выбор независимой переменной диктуется условиями задачи. Если, например, нас инте­ ресует время, в течение которого тело прошло то или

иное расстояние, то в уравнении

(I)

мы должны давать

S числовые

значения,t

которым

будут соответствовать

определенные

значения

t\

при tэтом

условии 5

явится

уже аргументом, а

— функцией. В

таком

случае для

удобства вычисления

функции

уравнение

(1)

следует

переписать так:

 

 

 

 

 

 

 

О п р е д е л е н и е . Пвременная величина у называется, функцией переменной х, если каждому допустимому зна­ чению X соответствует единственное значение у.

П р и м е р 1. Площадь круга

5 = яг2.

______



20

ЛИНИИ И ИХ УРАВНЕНИЯ

[ГЛ. и

Каждому значению г в этом равенстве соответствует

определенное значение 5; следовательно, площадь круга есть функция радиуса, а само равенство выражает функ­

циональную

зависимость

между этими Vпеременными.,

П р и м е р

2.

Путь, пройденный телом в прямолиней­

ном движении с постоянной скоростью

Здесьt.

 

 

 

S

=

vt.

 

путь 5 получает определенное значение, соот­

ветствующее

значению

/;

поэтому

S — функция вре­

мени

р

 

ѵ

 

 

закону

Бойля — Мариотта

П р и м е р

3. Согласно

 

давление

и объем газа связаны формулой:

где с — постоянная величина для данной массы и тем­ пературы газа. С изменением объема ѵ изменяется и давление р\ следовательно, давление р газа есть функ­ ция его объема ѵ.

 

§ 7. Линии и их уравнения.графикомИз курсафункции.алгебры изве­

стно, что по уравнению, определяющему

=функцию, можно

построитьу

линию, называемуюх.

 

 

у

х2,

 

 

Пусть,

например, дано уравнение

 

 

х определяю­

щее

как функцию

у:

 

 

значений

 

и соответ­

 

Составим таблицу некоторых

 

ствующих значений

—2

—1

0

 

1

2

 

3

 

 

X

- 3

 

 

 

 

У

9

4

I

0

 

I

4

 

9

и

уКаждой полученной в этой таблице

паре значений лг

 

соответствуету = X2.точка

плоскости. Построив

эти точки

(рис. 8) и соединив их плавной линией, мы получим гра­

фик функции

Этот график, как

видно, представ­

ляет линию, все точки которой обладают одинаковым свойством, а именно: ордината каждой из них равна квадрату соответствующей абсциссы.


§ 7]

ЛИНИИ И ИХ УРАВНЕНИЯ

?1

Совокупность всех точек плоскости, обладающих од­ ним и тем же свойством, называется геометрическим ме­ стом точек.

Маш пример показывает, что

уравнению с переменными х и у со­ ответствует на плоскости некоторая линия как геометрическое место то­ чек, координаты, которых удовле­ творяют этому уравнению. Задачи на построение графиков функций можно рассматривать как примеры общей задачи, состоящей, в нахо­ ждении линии, соответствующей данному уравнению.

Часто приходится решать обрат­ ную задачу: по данной линии на плоскости находить соответствую­ щее ей уравнение с переменными

х и у.

0 7 2 3

Рис. 8.

Пусть,

например,

дана на

плоскости окружность

с центром

в начале

координат

и радиусом, равным 5

(рис. 9). Из элементарного курса геометрии известно, что эта окружность есть геометрическое место точек, удален­ ных от центра на о еди­ ниц. Возьмем на окруж­ ности произвольную точ­ ку М(х\у). По условию ОМ = 5; с другой сторо­ ны, по формуле (5) § 3

ОМ = У х 2 + у2.

Следовательно, для лю­ бой точки нашей окруж­ ности должно быть

V X2 + у2 = 5,

или

X2+ у2= 25. О)

Итак, окружности с радиусом, равным 5, н с центром в начале координат соответствует уравнение (1).

Уравнение (1) вполне определяет данную окружность, а потому оно называется уравнением этой окружности.

22

ЛИНИИ И ИХ УРАВНЕНИЯ

[ГЛ. II

Имея уравнение (1) окружности, можно узнать, ле­ жат ли на ней какие-нибудь данные точки, например А (—3; 4) и В ( — 1; 3). Для этого нужно проверить, удов­ летворяют ли координаты точек А и В уравнению (1). Подставив их в уравнение (1) на место х и у, получим: для точки А:

(—3)2 + 42 = 9 + 16 = 25,

для точки В:

 

 

( - 1) 2 +А

3 2 = 1 +

9 += 25.

 

КоординатыА точкиВ

удовлетворяют уравнению (1),

значит, точка

В лежит

на данной окружности; коорди­

наты же

точки

не удовлетворяют этому

уравнению,

значит, точка

на этойУравнениемокружностилиниине

лежитназывается(см.

О п р е д е л е н и е .

 

которому

удовлетво­

уравнениерис. 9).

с переменными к и у

ряют координаты любой

точки этой,

линии и не удовле­

творяют координаты любой точки, не лежащей на линии.

Таким образом, мы установили, что между линиями и их уравнениями существует связь, поэтому принято говорить:

«дана линия» вместо «дано уравнение линии», «найти линию» вместо «найти уравнение линии». Установленная выше связь между линиями и их

уравнениями позволяет изучать свойства линий путем

анализаская геометрия.уравнений, соответствующих этим линиям. От­

сюда и название изучаемого нами предмета —

 

 

П р и м е р

1.

Лежит ли точка

А

(—2; 4) на линии

у =

= х2?

 

 

 

(

 

 

х

 

у

 

 

 

Р е ш е н и е .

ПодставивАвместо

и

в данное урав­

нение координаты точки

 

—2; 4),

получим тождество:

 

 

4А=

(—2)а =

4.

 

 

 

 

 

Следовательно, точка

лежит на данной линии.

А

 

П р и м е р

2. Дана

линия

у — —

 

1 и точка

на

 

 

 

Зх +

 

ней с абсциссой, равной

— 1. Определить ординату

точ­

аналитиче­

ки А.

Р е ш е н и е . Так как точка А лежит на данной линии, то ее координаты должны удовлетворять данному урав­ нению. Одна координата х = — 1. Чтобы найти вторую,


§ 8] ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ 23

т. е. у, мы подставим в уравнение вместо х его значение.

Получим:

 

 

У =

— 3(— 1) + 1 = 4.

 

 

 

 

Итак, ордината точки

А

равна 4.

 

 

 

 

1. Дана линия

y =

- j X

 

Упражнения

 

ли на

ней точки

 

+ 2. Узнать, лежат

4 (2; 3), 0(3; 3) и

С (4;

4).

 

 

у)

 

В(х\

 

'2. На линии

Ах

=

 

8 лежат точки 4(2;

и

4). Найти

 

 

 

 

 

неизвестную координату каждой точки.

3. Написать уравнение линии, все точки которой одинаково удалены от осей координат. Построить эту линию.

'4. Ординаты любой точки некоторой линии в 4 раза больше ее абсциссы. Написать уравнение этой линии и построить ее.

5. Написать уравнение линии, все точки которой удалены от точки 0(0; 0) на одинаковое расстояние, равное 2. Какой вид имеет

эта линия?

 

 

 

уравнение

линии,

все

точки которой

удалены от

6. Написать

точки

М

(2; —3) на одинаковое расстояние, равное 4.

от

двух

точек

7. Точки

 

некоторой

линии одинаково

удалены

4 ( —2;

 

1) и

В(

— 1; —3). Написать уравнение этой линии.

точка

8.

Написать

уравнение

линии,

по

которой движется

М (х; у)

 

 

так,

что

 

 

 

 

 

 

Ох

остается

все

время рав­

 

 

 

 

ее расстояние от осиМ(х;

ным расстоянию ее от точки

F(

0; —2).

 

у),

 

 

 

 

9. Определить

траекторию точки

 

которая

при

своем

движении остается

вдвое бли­

 

 

 

 

 

 

 

 

же от

 

точки

4(1;

0),

чем

от

 

 

 

 

 

 

 

 

точки

В(

4; 0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 8. Формулы преобра­ зования прямоугольных координат.

I.П а р а л л е л ь н ы й

п е рМе н о с о с е й к о о р ­

д и н а т .

Пусть дана хОуточ­

ка

в системе прямо­

угольных координат

 

 

 

 

 

(рис. 10). Если перенести

Оі(а;Ь),

 

начало

О

этой системыХ О і У,

в другую точку

сохра­N

нив при этом направление осей, то получим новую си­

стему

координат

М

относительно которойхОу

точка

будетXOiYиметь.

другие координаты. Найдем связь между

координатами точки

 

в прежней системе

 

и в но­

вой