Автор работы: Пользователь скрыл имя, 01 Ноября 2011 в 11:55, реферат
Положение произвольной точки плоскости мы до сих пор определяли её декартовыми координатами x и y. Однако этот способ не является единственным: часто бывает удобнее определять положение точки М на плоскости другими величинами. Остановимся на том способе, когда положение точки М на плоскости (рис. 1) определяют расстоянием ρ=ОМ точки М от полюса О и углом φ между лучом ОМ и полярной осью ОР. Величины ρ и φ называются полярными координатами точки М. Отрезок ρ называют полярным радиусом, а угол φ – полярным углом. Заметим, что всегда ρ≥0.
I.
Кривые II порядка в полярной
системе координат.
1.
Полярная система
координат.
Положение произвольной точки плоскости мы до сих пор определяли её декартовыми координатами x и y. Однако этот способ не является единственным: часто бывает удобнее определять положение точки М на плоскости другими величинами. Остановимся на том способе, когда положение точки М на плоскости (рис. 1) определяют расстоянием ρ=ОМ точки М от полюса О и углом φ между лучом ОМ и полярной осью ОР. Величины ρ и φ называются полярными координатами точки М. Отрезок ρ называют полярным радиусом, а угол φ – полярным углом. Заметим, что всегда ρ≥0.
Очевидно, что заданием ρ и φ положение точки М определяются однозначно: угол φ определяет направление луча ОМ, а отрезок ρ – положение точки на этом луче. Однако по точке М однозначно определяется лишь расстояние ρ, а угол φ определяется не однозначно: каждой точке М соответствует бесчисленное множество полярных углов, отличающихся друг от друга на 2πk, где k – целое число. Для устранения неоднозначности в качестве полярного угла обычно выбирают наименьший (по абсолютной величине) угол
φ, составляемый ОМ с полярной осью, т.е. выбирают φ в диапазоне от –π до +π (-π<φ≤π).
Исключение – случай, когда точка М совпадает с полюсом О и ρ=0, а полярный угол φ может быть взят каким угодно.
Установим связь между полярными (ρ и φ) и декартовыми (x и y) координатами точки М. Для этого совместим полюс с началом координат, а полярную ось – с осью абсцисс (рис. 2).
Из ∆OMN имеем
x=ρ cosφ; ρ=
y=ρ
sinφ.
Формулы (1) и (2) позволяют осуществить переход от полярной системы координат к декартовой и наоборот.
До
сих пор мы строили графики
функций в декартовой системе
координат. Соответствующие построения
можно производить и в полярной системе:
если переменные ρ и φ связаны функциональной
зависимостью, то, изображая значение
φ полярными углами и откладывая на определяемых
ими лучах отрезки, равные соответствующим
значениям ρ, получим геометрическое место
точек с координатами ρ и φ, образующих
линию, называемую полярной диаграммой
или графиком заданной функции в полярной
системе координат. Особенно удобно прибегнуть
к полярной диаграмме, если переменная
φ фактически является ( а не только изображается)
углом.
2.Спирали.
Спираль (франц. spirale, от лат. spira", греч. "σπετρα"- виток) – плоская кривая, которая обычно обходит вокруг одной (или нескольких) точки, приближаясь или удаляясь от нее.
Среди спиралей выделяют алгебраические спирали и псевдоспирали. Алгебраические спирали – спирали, уравнение которых в полярных координатах являются алгебраическими относительно переменных ρ и φ. К алгебраическим спиралям относятся: гиперболическая спираль, архимедова спираль, Галилея спираль, Ферма спираль, параболическая спираль, жезл.
Псевдоспирали – спирали, натуральные уравнения которых могут быть записаны в виде r = asm, где r – радиус кривизны, s – длина дуги. При m = 1 псевдоспираль является логарифмической спиралью, при m = -1 – Корню спиралью, при m = ½ - эвольвентной окружностью.
Рассмотрим
некоторые из них.
Жезл
– плоская трансцендентная
Кривая
состоит из двух ветвей (соответствующих
положительным и отрицательным
значениям ρ), каждая из которых имеет
асимптоту – ось ОР, асимптотическую точку
– полюс О, точки перегиба (±
; ±
).
2) Гиперболическая спираль.
3) Логарифмическая спираль.
Так
называется кривая, задаваемая в полярной
системе координат уравнением
Если аргумент φ изменять по закону арифметической прогрессии: φ0, φ0+d, φ0+2d;…, то значения φ будут:
аφ0; аφ0+d = aφ0ad; aφ0+2d = aφ0(ad)2;…,
т.е. функция ρ будет возрастать в геометрической прогрессии со знаменателем q=аd, откуда и вытекает способ построения логарифмической спирали.
Отложим на полярной оси ОА=а0, а на прямой перпендикулярной к ней, ОB=а2. Если теперь построить прямую ломаную ABCDE…, то из подобия треугольников видно, что отрезки OA, OB, OC, … образуют геометрическую прогрессию со знаменателем а , т.е. полученные точки A, B, C, D, E, … лежат на логарифмической спирали. Когда φ возрастает от 0 до ∞, точка кривой делает бесчисленное множество оборотов вокруг полюса, неограниченно удаляясь от него (расстояния между витками уже не одинаковы!). Угол φ может принимать и отрицательные значения. Когда φ→ −∞, ρ→0 и кривая совершает бесчисленное множество оборотов вокруг полюса, безгранично к нему приближаясь, но никогда его не достигая, т.е. полюс для логарифмической спирали является асимптотической точкой.
Логарифмические спирали широко используются в технике: по логарифмической спирали выполняются профили вращающихся ножей и фриз, зубчатых передач и прочее. По логарифмической спирали очерчены некоторые раковины, по дугам, близким к данной спирали, расположены семечки в подсолнухе, чешуйки в шишках и т.д.
4) Спираль Архимеда.
Рассмотрим полярную диаграмму, определяемую уравнением r=аj, где а - некоторая положительная постоянная (коэффициент пропорциональности). Для построения графика этой функции найдем несколько её точек, записывая расчеты в таблице.
j | 0 | p | 2p | ||||
r | 0 | a | a | a | ap | а | a2p |
а =2OA, a =3OA, ap=6OA, а =9OA, 2ap=12OA.
Откладывая эти отрезки на соответствующих лучах, получим точки A,B,C,D,E,F, принадлежащие графику функции r=аj. Соединяя полученные точки плавной кривой, получим спираль Архимеда.
Свойства этой спирали впервые
были изучены Архимедом. Одним
из этих свойств является
OM=aj;
ON=a(j+2p);
MN=ON-OM=a(j+2p)-aj=2ap.
Полученное выражение от j не зависит, так как MN=2ap при любом j.
Таким образом, в полярной системе координат Архимедова спираль имеет весьма простое уравнение: r=аj, и построение её графика никаких затруднений не вызывает.
Воспользуемся формулами перехода r= , φ= arctg( ) и получим вместо ρ=aφ гораздо более сложное уравнение
= arctg( )
Из уравнения
видно, что построение графика этой
функции в декартовой системе координат
было бы крайне затруднительно.
3. Лемниската Бернулли.
Лемнискатой называется геометрическое место точек М, произведение расстояний каждой из которых до двух фиксированных точек F1 и F2 есть величина постоянная.
Расположим фиксированные точки (фокусы лемнискаты) F1 и F2 на оси абсцисс симметрично относительно начала координат. Обозначим расстояние между ними F1 F2=2а. Тогда эти точки будут иметь координаты F1 (-а,0), F2 (а,0). Для произвольной точки лемнискаты М(x,y), по её определению должно выполняться: MF1 ∙ MF2=a2 . Используя формулу расстояния между двумя точками d= , получим:
= a2 .
После возведения правой и левой частей полученного уравнения в квадрат и упрощений получим:
(x2+y2)2-2a2(x2-y2)=0.
Исследовать кривую по этому уравнению в декартовой системе координат довольно сложно. Если же перейти к полярным координатам, то уравнение примет более простой вид:
(ρ2)2 = 2а2 (ρ2 cos2φ - ρ2 sin2φ) или ρ2 = 2а2 cos2φ.
Итак, полярное уравнение кривой имеет вид
где 2а2=b2 . Так как максимальное значение cos 2φ равно единице, то максимальная величина ρ есть b.
Если вместо φ подставить (-φ), то уравнение не измениться. Отсюда следует, что кривая симметрична относительно полярной оси.
Если ρ=0, то cos 2φ=0 и φ=45˚ или 135˚, следовательно, кривая проходит через полюс при этих значениях угла.
Можно также найти область существования этой функции, т.е. множество тех значений аргумента φ , при которых функция имеет вещественное значение: ρ2≥0, а потому должно быть и cos 2φ≥0, откуда
- , где к – целое число, или - .
Проведя биссектрисы координатных углов, выделим те секторы, в которых кривая существует. Дальнейшее построение кривой выполняется по точкам. Название этой кривой – лемниската происходит от греческого слова повязка, бант.
Лемниската
Бернулли используется в качестве переходной
линии на закруглениях малого радиуса
( например, на трамвайных путях).
4. Розы.
Розы – плоские кривые, уравнения которых в полярных координатах имеют вид
ρ=αsinκφ,
где α и κ – постоянные. Если κ=m/n – число рациональное, то роза - алгебраическая кривая четного порядка. Порядок этой кривой равен m + n, если m и n – нечетные числа, и равен 2(m + n), если одно из чисел m и n – нечетное. Вся кривая расположена внутри круга радиуса α, состоит из конгруэнтных лепестков. Если κ – целое, то роза состоит из κ лепестков при κ нечетном и из 2κ лепестков при κ четном. Если κ = m/n и m, n – взаимно простые, то роза состоит из m лепестков, когда m и n нечетные, и из 2m лепестков, если одно из чисел m и n является четным.
Информация о работе Кривые второго порядка в полярной системе координат