Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Приведение уравнения поверхности к каноническому виду по инвариантам
Онлайн-сервисы Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью Алгоритмы JavaScript Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью Введение в анализ Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика Теория множеств Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия Математическая логика Алгебра высказываний Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции Булевы функции Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций Теория формального Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний Логика предикатов Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов Неформальные и формаль- ные аксиоматические теории Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории Теория алгоритмов Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики Математическая логика и компьютеры Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект Дискретная математика Множества и отношения Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций Группы и кольца Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов Полукольца и булевы алгебры Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки Алгебраические системы Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры Теория графов Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов Булева алгебра и функции Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов Конечные автоматы и регулярные языки Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга Контекстно-свободные языки Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов Интегральное исчисление Неопределённый и определённый Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции Приложения интегралов Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела Интегралы в физике Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике Основные интегралы Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега Вариационное исчисление Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла Финансовый анализ Анализ эффективности Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности Анализ устойчивости Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости Рыночная активность Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию Инвестиционная деятельность Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование Анализ инвестиций Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта Стоимость компании Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций Форвардные контракты Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту Теория вероятностей Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности Математическая статистика Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты Теория очередей (СМО) Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью) Аналитическая геометрия Векторная алгебра Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике Системы координат Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат Геометрия на плоскости Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными Линии 2-го порядка Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты линий Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам Геометрия в пространстве Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве Поверхности 2-го порядка Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты поверхностей Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам Линейная алгебра Матрицы и операции Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц Определители Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей Ранг матрицы Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк) Обратная матрица Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица Системы уравнений Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений Функциональные матрицы Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум Многочленные матрицы Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы Функции от матриц Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц Линейные пространства Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств Подпространства Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств Линейные отображения Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения Линейные операторы Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду Евклидовы пространства Евклидовы пространства Ортогональные векторы евклидова пространства Ортогональный базис евклидова пространства Ортонормированный базис евклидова пространства Ортогональные дополнения в евклидовом пространстве Задача о перпендикуляре Матрица и определитель Грама и его свойства Линейные преобразования евклидовых пространств Канонический вид ортогонального оператора евклидова пространства Сопряженные операторы евклидова пространства Самосопряженные операторы евклидова пространства Приведение квадратичной формы к главным осям Унитарные пространства и их линейные преобразования Комплексный анализ Комплексные числа Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел Комплексные функции Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного Функциональные ряды в комплексной области Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням Особые точки, Вычеты Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена Операционное исчисление Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства Дифференциальные уравнения ДУ первого порядка Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ ДУ высших порядков Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ Системы ДУ Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем Теория устойчивости Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной Численные методы Методы алгебры Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений Методы теории приближений Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования Методы решения обыкновенных ДУ Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач Методы решения ДУ в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными	Приведение уравнения поверхности 2-го порядка к каноническому виду по инвариантам Рассмотрим задачу приведения к каноническому виду уравнения поверхности второго порядка, заданной в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением (4.67): $a_{11}x^2+a_{22}y^2+a_{33}z^2+2a_{12}xy+2a_{13}xz+2a_{23}yz+2a_1x+2a_2y+2a_3z=0.$ (4.73) Требуется определить один из семнадцати возможных канонических видов поверхности (см. теорему 4.3), найти каноническую систему координат $O'x'y'z'$ , в которой уравнение поверхности имеет канонический вид, а затем построить поверхность в канонической и исходной системах координат. Построение, разумеется, производится только для вещественных поверхностей. Алгоритм приведения уравнения поверхности 2-го порядка к каноническому виду Для приведения поверхности второго порядка, заданной в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением (4.73), к каноническому виду нужно выполнить следующие действия. 1. По уравнению (4.73) поверхности второго порядка составить матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы: $P= \begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}&a_1\\a_{12}&a_{22}&a_{23}&a_2\\a_{13}&a_{23}&a_{33}&a_3\\a_1&a_2&a_3&a_0\end{pmatrix}\!, \quad A=\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\end{pmatrix}\!, \quad a=\begin{pmatrix} a_1\\a_2\\a_3\end{pmatrix}\!.$ 2. Составить характеристическое уравнение $-\lambda^3+\tau_1\lambda^2-\tau_2\lambda+\delta=0$ , либо вычисляя его коэффициенты по формулам: $\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}$ , Продолжение $\tau_2= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{matrix}\,\vline\,\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\end{matrix}\,\vline\,\,+\,\,\vline\,\begin{matrix}a_{22}&a_{23}\\a_{23}&a_{33}\end{matrix}\,\vline\,\,,\quad \delta=\det A=\,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\end{matrix}\,\,\vline\,,$ либо разлагая определитель $\det(A-\lambda\cdot E)= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}-\lambda&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}-\lambda&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}-\lambda\end{matrix}\,\,\vline\,= -\lambda^3+\tau_1\cdot\lambda^2-\tau_2\cdot\lambda+\delta.$ Найти корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ (с учетом кратности) характеристического уравнения. Вычислить инвариант $\Delta=\det{P}= \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}&a_1\\ a_{12}&a_{22}& a_{23}&a_2\\ a_{13}&a_{23}&a_{33}&a_3\\a_1&a_2&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$ Если $\delta=\Delta=0$ , то вычислить семиинвариант $\kappa_2= \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{12}&a_1\\ a_{12}&a_{22}&a_2\\ a_1&a_2&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{13}&a_1\\ a_{13}&a_{33}&a_3\\ a_1&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{22}&a_{23}&a_2\\ a_{23}&a_{33}&a_3\\a_2&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$ Если $\delta=\Delta=0$ и $\tau_1=\tau_2=0$ , то вычислить семиинвариант $\kappa_1= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_1\\a_1&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{22}&a_2\\a_2&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{33}&a_3\\a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$ 3. По таблице 4.3 определить вид поверхности. 4. Занумеровать корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения в соответствии с правилами: Продолжение а) если поверхность эллиптического типа, то $\|\lambda_1\|\leqslant\|\lambda_2\|\leqslant\|\lambda_3\|$ ; б) если поверхность гиперболического типа, то обозначить через $\lambda_1$ и $\lambda_2$ корни одного знака так, чтобы $\|\lambda_1\|\leqslant\|\lambda_2\|$ , а через $\lambda_3$ — корень противоположного знака; в) если поверхность параболического типа, то – если нулевой корень двойной, то $\lambda_1=\lambda_3=0$ и $\lambda_2\ne0$ ; – если нулевой корень простой, а ненулевые корни одного знака, то $\lambda_3=0$ и $\|\lambda_1\|\leqslant\|\lambda_2\|$ ; – если нулевой корень простой, а ненулевые корни разных знаков, то $\lambda_3=0$ и либо $\lambda_1>0$ , если $\Delta\ne0$ или $\Delta=\kappa_2=0$ ; либо $\lambda_1\cdot\kappa_2>0$ , если $\Delta=0$ и $\kappa_2\ne0$ . 5. Найти взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения: Продолжение а) если $\lambda_1=\lambda_2=\lambda_3$ , то базисные векторы исходной системы имеют искомые направления $l_1=\begin{pmatrix}1&0&0\end{pmatrix}^T, \quad l_2=\begin{pmatrix}0&1&0\end{pmatrix}^T, \quad l_3=\begin{pmatrix}0&0&1\end{pmatrix}^T;$ б) если все корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ простые, то для каждого корня найти ненулевое решение однородной системы уравнений $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3$ . Например, собственное направление $l_3=\begin{pmatrix}x_3&y_3&z_3\end{pmatrix}^T$ для простого корня $\lambda_3$ находится как любое ненулевое решение системы $\begin{cases}(a_{11}-\lambda_3)\cdot x+a_{12}\cdot y+a_{13}\cdot z=0,\\[3pt] a_{12}\cdot x+(a_{22}-\lambda_3)\cdot y+a_{23}\cdot z=0,\\[3pt] a_{13}\cdot x+a_{23}\cdot y+(a_{33}-\lambda_3)\cdot z=0;\end{cases}$ или $(A-\lambda_3\cdot E)\cdot l_3=o.$ Если $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ имеют разные знаки $(\lambda_1\cdot\lambda_2<0)$ , то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $a^T\cdot l_3\leqslant0$ , в противном случае следует заменить столбец $l_3$ на противоположный $(-l_3)$ . Если $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ одного знака $(\lambda_1\cdot\lambda_2>0)$ , то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $\tau_1\cdot a^T\cdot l_3<0$ , в противном случае следует заменить столбец $l_3$ на противоположный $(-l_3)$ ; в) если имеется двойной ненулевой корень $\lambda_1=\lambda_2\ne\lambda_3$ , то для простого корня $\lambda_3$ найти соответствующий собственный вектор $l_3$ — любое не нулевое решение системы $(A-\lambda_3\cdot E)\cdot l_3=o$ , а для кратного корня $\lambda_1=\lambda_2$ в качестве $l_2$ взять любой ненулевой столбец матрицы $A-\lambda_3\cdot E$ , а вектор $l_1$ найти, используя векторное произведение: $\vec{l}_1=[\,\vec{l}_2,\vec{l}_3\,]$ ; г) если имеется двойной нулевой корень $\lambda_1=\lambda_3=0$ , то направление $l_2$ , соответствующее простому корню $\lambda_2$ , найти как ненулевое решение системы $(A-\lambda_2\cdot E)\cdot l_2=o$ . Вычислить проекцию а $a_{\text{pr}}= a-\frac{a^T\cdot l_2}{\|l_2\|^2}\cdot l_2$ . Если $a_{\text{pr}}=o$ , то направление $l_1$ найти как ненулевое решение системы $A\cdot l_1=o$ . Если $a_{\text{pr}}\ne o$ , то направление $l_1=-\tau_1\cdot a_{\text{pr}}$ . Направление $l_3$ найти, используя векторное произведение: $\vec{l}_3=[\,\vec{l}_1,\vec{l}_2\,]$ . Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определить координатные $s_1=\frac{1}{\|l_1\|}\cdot l_1,$ $s_2=\frac{1}{\|l_2\|}\cdot l_2,$ $s_3=\frac{1}{\|l_3\|}\cdot l_3$ столбцы векторов $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ канонического базиса. 6. Найти координаты $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат: Продолжение а) для поверхностей, имеющих хотя бы один центр (эллипсоидов, гиперболоидов, конусов, цилиндров, пар плоскостей), найти любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы уравнений $A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}a_{11}\cdot x+a_{12}\cdot y+a_{13}\cdot z+a_1=0,\\[3pt] a_{12}\cdot x+a_{22}\cdot y+a_{23}\cdot z+a_2=0,\\[3pt] a_{13}\cdot x+a_{23}\cdot y+a_{33}\cdot z+a_3=0.\end{cases}$ б) для поверхностей, не имеющих ни одного центра, найти: – в случаях эллиптического или гиперболического параболоидов решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы $\begin{cases}\lambda_1\cdot s_1^T\cdot s+s_1^T\cdot a=0,\\[3pt] \lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0.\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3;$ – в случае параболического цилиндра — любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы $\begin{cases}\lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot z+a_0=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}= a-a_{\perp}=,~a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2.$ 7. Вычислить коэффициенты канонического уравнения: а) для поверхностей эллиптического типа: (1) — при $\Delta<0$ — уравнение эллипсоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=1$ с коэффициентами $a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$ (2) при $\Delta>0$ — уравнение мнимого эллипсоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=-1$ с коэффициентами $a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$ (3) при $\Delta=0$ — уравнение мнимого конуса $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=0$ с коэффициентами $a^2=\frac{1}{\|\lambda_1\|}, \quad b^2=\frac{1}{\|\lambda_2\|}, \quad c^2=\frac{1}{\|\lambda_3\|}\,;$ б) для поверхностей гиперболического типа: (4) при $\Delta>0$ — уравнение однополостного гиперболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=1$ с коэффициентами $a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$ (5) при $\Delta<0$ — уравнение двуполостного гиперболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=-1$ с коэффициентами $a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$ (6) при $\Delta=0$ — уравнение конуса $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=0$ с коэффициентами $a^2=\frac{1}{\|\lambda_1\|}, \quad b^2=\frac{1}{\|\lambda_2\|}, \quad c^2=\frac{1}{\|\lambda_3\|}\,;$ в) для поверхностей параболического типа: (7) при $\Delta<0$ — уравнение эллиптического параболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=2z$ с коэффициентами $a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}},\quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}\,;$ (8) при $\Delta>0$ — уравнение гиперболического параболоида $\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=2z$ с коэффициентами $a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}},\quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}\,;$ (9) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\tau_1\cdot\kappa_2<0$ — уравнение эллиптического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=1$ с коэффициентами $a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$ (10) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\tau_1\cdot\kappa_2>0$ — уравнение мнимого эллиптического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=-1$ с коэффициентами $a^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$ (11) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\kappa_2=0$ — уравнение пары мнимых пересекающихся плоскостей $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=0$ с коэффициентами $a^2=\frac{1}{\|\lambda_1\|}, \quad a^2=\frac{1}{\|\lambda_2\|}\,;$ (12) при $\Delta=0,~\tau_2<0,~\kappa_2\ne0$ — уравнение гиперболического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=1$ с коэффициентами $a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$ (13) при $\Delta=0,~\tau_2<0,~\kappa_2=0$ — уравнение пары пересекающихся плоскостей $\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=0$ с коэффициентами $a^2=\frac{1}{\lambda_1},\quad b^2=-\frac{1}{\lambda_2}\,;$ (14) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2\ne0$ — уравнение параболического цилиндра $(y')^2=2px'$ с коэффициентом $p=\sqrt{-\frac{\kappa_2}{\tau_1^3}}$ ; (15) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1<0$ — уравнение пары параллельных плоскостей $(y')^2-b^2=0$ с коэффициентом $b^2=-\frac{\kappa_1}{\tau_1^2}$ ; (16) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1>0$ — уравнение пары мнимых параллельных плоскостей $(y')^2+b^2=0$ с коэффициентом $b^2=\frac{\kappa_1}{\tau_1^2}$ ; (17) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1=0$ — уравнение пары совпадающих плоскостей $(y')^2=0$ . 8. В координатном пространстве $Oxyz$ изобразить каноническую систему координат $O'x'y'z'$ , координаты $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ которой найдены в пункте 6, а координаты базисных векторов — в пункте 5. 9. Построить поверхность второго порядка в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7. Построение центральных поверхностей (эллипсоида, гиперболоидов, конуса) удобно начинать с изображения основного параллелепипеда (см. разд.4.4.2-4.4.4). При построении параболоидов, цилиндров и пар плоскостей использовать разд.4.4.5; 3.3.2-3.3.4, 4.2.1-4.2.5). Мнимые поверхности не изображаются, за исключением уравнения мнимого конуса или пары мнимых пересекающихся плоскостей, действительными решениями которых являются точка $O'$ или ось $O'z'$ соответственно. Таблица 4.3. Классификация поверхностей второго порядка по инвариантам Замечания 4.16 1. Согласно пункту 3 замечаний 4.14 для нахождения начала координат параболоидов или параболического цилиндра (см. п.6,"б" алгоритма) можно использовать систему $\begin{cases}A\cdot s+a_{\perp}=o,\\[3pt](a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3,~a_{\perp}=a-a_{\text{pr}}$ в случае эллиптического или гиперболического параболоидов; $a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2,$ $a_{\text{pr}}=a-a_{\perp}$ в случае параболического цилиндра. 2. Системы уравнений в п.6,"б" алгоритма можно записать в эквивалентном виде: – в случаях эллиптического или гиперболического параболоидов: $\begin{cases}\lambda_1\cdot l_1^T\cdot s+l_1^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] \lambda_2\cdot l_2^T\cdot s+l_2^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3,~a_{\perp}=a-a_{\text{pr}};$ – в случае параболического цилиндра: $\begin{cases}\lambda_2\cdot l_1^T\cdot s+l_1^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_{\perp}=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=a-a_{\perp},~a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2.$ 3. Если требуется получить правую каноническую систему координат, а в результате применения алгоритма каноническая система координат оказалась левой, то достаточно изменить направление оси ординат на противоположное, т.е. заменить базисный вектор $\vec{s}_2$ на противоположный вектор $(-\vec{s}_2)$ . 4. Согласно пункту 6 замечаний 4.12, если известны корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ (с учетом кратности) характеристического уравнения, то инварианты можно вы числить по формулам (см. п.2 алгоритма): $\tau_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3; \quad \tau_2=\lambda_1\cdot\lambda_2+\lambda_2\cdot\lambda_3+\lambda_1\cdot\lambda_3; \quad \delta=\lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3.$ Примеры приведения уравнений поверхностей к каноническому виду по инвариантам Пример 4.21. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением $2\cdot x^2+5\cdot y^2+5\cdot z^2+6\cdot y\cdot z+4\cdot x+16\cdot y+16\cdot z+10=0.$ Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Решение Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы: $P=\begin{pmatrix}2&0&0&2\\0&5&3&8\\0&3&5&8\\2&8&8&10\end{pmatrix}\!, \quad A=\begin{pmatrix}2&0&0\\0&5&3\\0&3&5\end{pmatrix}\!, \quad a=\begin{pmatrix}2\\8\\8\end{pmatrix}\!.$ 2. Составляем характеристическое уравнение $\vline\,\,\begin{matrix}2-\lambda&0&0\\0&5-\lambda&3\\0&3&5-\lambda\end{matrix}\,\,\vline\,=0\quad \Leftrightarrow \quad (2-\lambda)[(5-\lambda)^2-9]=0\quad \Leftrightarrow \quad (2-\lambda)^2(8-\lambda)=0.$ Находим его корни $\lambda=2$ (двойной корень) и $\lambda=8$ (простой корень). Учитывая п.4 замечаний 4.16, вычисляем инварианты: $\Delta= \,\,\vline\,\begin{matrix} 2&0&0&2\\0&5&3&8\\ 0&3&5&8\\2&8&8&10 \end{matrix}\,\,\vline\,= \,\,\vline\,\begin{matrix} 2&0&0&2\\0&5&3&8\\ 0&3&5&8\\ 2&8&8&10 \end{matrix}\,\,\vline\,= 2\cdot8\cdot\,\,\vline\,\begin{matrix} 5&3&8\\3&5&8\\ 1&1&1 \end{matrix}\,\,\vline\,= 16\cdot(-16)=-256.$ 3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность эллиптического типа (все корни характеристического уравнения одного знака, что также подтверждается условиями $\tau_2=36>0$ и $\tau_1\cdot\delta=12\cdot32>0$ ). Поскольку $\Delta=-256<0$ , заданная поверхность — эллипсоид. 4. Поскольку поверхность эллиптического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"а" алгоритма): $\lambda_1=\lambda_2=2,$ $\lambda_3=8$ , чтобы выполнялись неравенства $\|\lambda_1\|\leqslant\|\lambda_2\|\leqslant\|\lambda_3\|$ . 5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку имеется двойной ненулевой корень $\lambda_1=\lambda_2=2$ (см. п.5,"в" алгоритма), то для простого корня $\lambda_3=8$ находим ненулевое решение $l_3$ однородной системы уравнений $(A-8\cdot E)\cdot l_3=o:$ $\begin{cases}(2-8)\cdot x+0\cdot y+0\cdot z=0,\\0\cdot x+(5-8)\cdot y+3\cdot z=0,\\0\cdot x+3\cdot y+(5-8)\cdot z=0,\end{cases}$ или $\begin{pmatrix}-6&0&0\\0&-3&3\\0&3&-3\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!.$ Возьмем, например, решение $x=0,~y=1,~z=1$ , т.е. $l_3=\begin{pmatrix}0&1&1\end{pmatrix}^T$ . В качестве направления $l_2$ принимаем первый (ненулевой) столбец матрицы $A-8\cdot E:$ $l_2=\begin{pmatrix}-6&0&0\end{pmatrix}^T$ . Направление $l_1$ определяем, используя векторное произведение: $\vec{l}_1= [\,\vec{l}_2,\vec{l}_3\,]= \,\,\vline\,\begin{matrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\-6&0&0\\0&1&1\end{matrix}\,\,\vline\,= 0\cdot\vec{i}+6\cdot\vec{j}-6\cdot\vec{k},$ следовательно, $l_1=\begin{pmatrix}0&6&-6\end{pmatrix}^T,$ Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса: $\begin{gathered}\|l_1\|=\sqrt{l_1^T\cdot l_1}=\sqrt{0^2+6^2+(-6)^2}=6\sqrt{2}, \quad \|l_2\|=\sqrt{l_2^T\cdot l_2}=\sqrt{6^2+0^2+0^2}=6,\\ \|l_3\|=\sqrt{l_3^T\cdot l_3}=\sqrt{0^2+1^2+1^2}=\sqrt{2},\\[5pt] s_1=\frac{l_1}{\|l_1\|}=\begin{pmatrix}0\\\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] -\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!, \quad s_2=\frac{l_2}{\|l_2\|}=\begin{pmatrix}-1\\0\\0\end{pmatrix}\!, \quad s_3=\frac{l_3}{\|l_3\|}=\begin{pmatrix}0\\\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] \dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!. \end{gathered}$ 6. Находим координаты $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат, решая систему уравнений (см. п.6,"а" алгоритма): $A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}2\cdot x+0\cdot y+0\cdot z+2=0,\\ 0\cdot x+5\cdot y+3\cdot z+8=0,\\ 0\cdot x+3\cdot y+5\cdot z+8=0.\end{cases}$ Получаем $x_0=-1,~y_0=-1,~z_0=-1$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}-1&-1&-1\end{pmatrix}^T$ , или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(-1,-1,-1)$ в исходной системе координат. 7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (1) эллипсоида (см. п.7,"а!' алгоритма): $a^2=b^2= -\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=-\frac{-256}{2\cdot32}=4, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=-\frac{-256}{8\cdot32}=1.$ Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид $\frac{(x')^2}{2^2}+\frac{(y')^2}{2^2}+\frac{(z')^2}{1^2}=1.$ 8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'y'$ с началом в точке $O'(-1,-1,-1)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.53). 9. Строим эллипсоид вращения в канонической системе координат $O'x'y'y'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7 (рис.4.53). Пример 4.22. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением $3x^2-7y^2+3z^2+8xy-8xz-8yz+10x-14y-6z+a_0=0,$ где а) $a_0=-8$ ; б) $a_0=-9$ ; в) $a_0=-10$ . Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Решение Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец а коэффициентов линейной формы: $P=\left(\!\!\!\begin{array}{{20}{rrrr}}3&4&-4&5\\4&-7&-4&-7\\-4&-4&3&-3\\5&-7&-3&a_0\end{array}\!\right)\!,\quad A=\left(\!\!\begin{array}{{20}{rrr}}3&4&-4\\4&-7&-4\\-4&-4&3\end{array}\!\right)\!,\quad a=\begin{pmatrix}5\\-7\\-3\end{pmatrix}\!.$ 2. Характеристическое уравнение имеет корни $\lambda=-1,~\lambda=9,~\lambda=-9$ (см. решение примера 4.18,"в"). Поэтому, учитывая п.4 замечаний 4.14, вычисляем инварианты: $\begin{aligned}\tau_1&=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=-1+9-9=-1;\\[8pt] \tau_2&= \lambda_1\cdot\lambda_2+\lambda_2\cdot\lambda_3+\lambda_1\cdot\lambda_3= (-1)\cdot9+9\cdot(-9)+(-1)\cdot(-9)=-81;\\[8pt] \delta&= \lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3= (-1)\cdot9\cdot(-9)=81;\\[8pt] \Delta&= \begin{vmatrix}3&4&-4&5\\4&-7&-4&-7\\-4&-4&3&-3\\5&-7&-3&a_0\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}-1&0&-1&2\\0&-11&-1&-10\\-4&-4&3&-3\\1&-11&0&a_0-3\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}-1&0&-1&2\\0&-11&-1&-10\\0&-4&7&-11\\0&-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}=\\ &=(-1)\cdot \begin{vmatrix}-11&-1&-10\\-4&7&-11\\-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}11&1&10\\-4&7&-11\\-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}11&1&10\\-81&0&-81\\0&0&a_0+9\end{vmatrix}= 81(a_0+9).\end{aligned}$ 3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность гиперболического типа (корни характеристического уравнения имеют разные знаки). При $a_0=-8$ заданная поверхность — однополостный гиперболоид, так как $\Delta=81>0$ ; при $a_0=-9$ заданная поверхность — конус, так как $\Delta=0$ ; при $a_0=-10$ заданная поверхность — двуполостный гиперболоид, так как $\Delta=-81<0$ . 4. Поскольку поверхность гиперболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"б" алгоритма): $\lambda_1=-1,$ $\lambda_2=-9$ , т.е. $\lambda_1$ и $\lambda_2$ корни одного знака, причем $\|\lambda_1\|\leqslant\|\lambda_2\|$ , а корень противоположного знака $\lambda_3=9$ . 5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o$ , $i=1,2,3$ . Учитывая решение примера 4.18,"в", получаем $l_1=\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix}\!,\quad l_2=\begin{pmatrix}-1\\4\\1\end{pmatrix}\!,\quad l_3=\begin{pmatrix}2\\1\\-2\end{pmatrix}\!.$ Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса: $\begin{gathered}\|l_1\|=\sqrt{1^2+0^2+1^2}=\sqrt{2},\quad \|l_2\|=\sqrt{(-1)^2+4^2+1^2}=3\sqrt{2},\quad \|l_3\|=\sqrt{2^2+1^2+(-2)^2}=3,\\[5pt] s_1=\frac{l_1}{\|l_1\|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt]0\\[4pt]\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{l_2}{\|l_2\|}=\begin{pmatrix}-\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\\[10pt]\dfrac{4}{3\sqrt{2}}\\[9pt]\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{l_3}{\|l_3\|}=\begin{pmatrix}\dfrac{2}{3}\\[9pt]\dfrac{1}{3}\\[10pt]-\dfrac{2}{3}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$ 6. Находим координаты $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат; решая систему уравнений (см. п.б,"а" алгоритма): $A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}\phantom{-}3\cdot x+4\cdot y-4\cdot z+5=0,\\ \phantom{-}4\cdot x-7\cdot y-4\cdot z-7=0,\\ -4\cdot x-4\cdot y+3\cdot z-3=0.\end{cases}$ Получаем $x_0=1,~y_0=-1,~z_0=1$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}1&-1&1\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(1,-1,1)$ относительно исходной системы координат. 7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (см. п.7,"б" алгоритма): – при $a_0=-8$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (4) однополостного гиперболоида: $\begin{gathered}a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=-\frac{81}{(-1)\cdot81}=1, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}=-\frac{81}{(-9)\cdot81}=\frac{1}{9},\\[3pt] c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=\frac{81}{9\cdot81}=\frac{1}{9},\qquad \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=1}\end{gathered}$ – при $a_0=-9$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (6) конуса: $\begin{gathered}a_2=\frac{1}{\|\lambda_1\|}=\frac{1}{\|-1\|}=1,\quad b_2=\frac{1}{\|\lambda_2\|}=\frac{1}{\|-9\|}=\frac{1}{9},\quad c_2=\frac{1}{\|\lambda_3\|}=\frac{1}{\|9\|}=\frac{1}{9},\\[3pt] \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=0}\end{gathered}$ – при $a_0=-10$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (S) двуполостного гиперболоида: $\begin{gathered}a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=\frac{-81}{(-1)\cdot81}=1, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}=\frac{-81}{(-9)\cdot81}=\frac{1}{9},\\[3pt] c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=-\frac{-81}{9\cdot81}=\frac{1}{9},\qquad \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=-1}\end{gathered}$ 8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(1,-1,1)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.54). 9. Строим однополостный гиперболоид (рис.4.54,а), конус (рис.4.54,б), двуполостный гиперболоид (рис.4.54,в) в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в пункте 7. Пример 4.23. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением $-2x^2-2y^2+4z^2-20xy-8xz+8yz-26x-22y-4z-12=0$ Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Решение Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы: $P=\begin{pmatrix}-2&-10&-4&-13\\-10&-2&4&-11\\-4&4&4&-2\\-13&-11&-2&-12\end{pmatrix}\!,\quad A=\begin{pmatrix}-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\end{pmatrix}\!,\quad a=\begin{pmatrix}-13\\-11\\-2\end{pmatrix}\!.$ 2. Вычисляем инварианты: $\begin{gathered}\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}=-2-2+4=0, \quad \tau_2= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{22}&a_{23}\\a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}=\\[3pt] =\begin{vmatrix}\,-2&-10\\-10&-2\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,-2&-4\\-4&4\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,-2&4\\4&4\,\end{vmatrix}=-96-24-24=-144,\\[3pt] \delta=\begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\,\end{vmatrix}=0,\\[3pt] \Delta=\begin{vmatrix}\,-2&-10&-4&-13\\-10&-2&4&-11\\-4&4&4&-2\\-13&-11&-2&-12\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,24&-36&-30&-13\\12&-24&-18&-11\\0&0&0&-2\\11&-35&-26&-12\,\end{vmatrix}= (-1)^{4+3}(-2)\begin{vmatrix}\,24&-36&-30\\12&-24&-18\\11&-35&-26\,\end{vmatrix}=864.\end{gathered}$ Составляем характеристическое уравнение: $-\lambda^3+144\lambda=0$ . Его корни: $\lambda=0,~\lambda=\pm12$ . 3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\Delta=0$ , т.е. характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta>0$ , заданная поверхность — гиперболический параболоид (8). 4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_3=0$ — единственный нулевой корень; так как ненулевые корни разных знаков и $\Delta\ne0$ , то $\lambda_1=12$ , тогда $\lambda_2=-12$ . 5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3:$ для $\lambda_1=12$ $\begin{pmatrix}-2-12&-10&-4\\-10&-2-12&4\\-4&4&4-12\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=1,\\y=-1,\\z=-1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_1=\begin{pmatrix}1\\-1\\-1\end{pmatrix}\!;$ для $\lambda_2=-12$ $\begin{pmatrix}-2+12&-10&-4\\-10&-2+12&4\\-4&4&4+12\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=1,\\y=1,\\z=0,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}\!;$ для $\lambda_3=0$ $\begin{pmatrix}-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=-1,\\y=1,\\z=-2,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_3=\begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}\!.$ Так как $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ имеют разные знаки, то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $a^T\cdot l_3\leqslant0$ . Найденное направление $l_3$ этому условию не удовлетворяет: $a^T\cdot l_3=\begin{pmatrix}-13&-11&-2\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}\!=6>0.$ Поэтому его нужно заменить на противоположное, положив $l_3=\begin{pmatrix}1&-1&2\end{pmatrix}^T$ . Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса: $\begin{gathered}\|l_1\|=\sqrt{3},\quad\|l_2\|=\sqrt{2},\quad\|l_3\|=\sqrt{6},\\[3pt] s_1=\frac{l_1}{\|l_1\|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{3}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{l_2}{\|l_2\|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt]\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt]0\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{l_3}{\|l_3\|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$ 6. Так как заданная поверхность (параболоид) не имеет центра, то составляем систему уравнений для нахождения координат $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат (см. п.6,"б" алгоритма). Вычисляем $\begin{gathered}a^T\cdot s_3= \begin{pmatrix}-13&-11&-2\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!=-\sqrt{6};\quad a_{\text{pr}}= (a^T\cdot s_3)\cdot s_3= -\sqrt{6}\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}-1\\[5pt]1\\[5pt]-2\end{pmatrix}\!;\\[3pt] s_1^T\cdot a= \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{3}}&-\dfrac{1}{\sqrt{3}}&-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=0;\quad s_2^T\cdot a= \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}&\dfrac{1}{\sqrt{2}}&0\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=-\frac{24}{\sqrt{2}};\\[3pt] a+a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!+\! \begin{pmatrix}-1\\[2pt]1\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}-14\\[2pt]-10\\[2pt]-4\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$ Решаем систему уравнений $\begin{cases}\lambda_1\cdot s_1^T\cdot s+s_1^T\cdot a=0,\\\lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}\Leftrightarrow\! \begin{cases}12\cdot(x_0-y_0-z_0)=0,\\[3pt] -12\cdot(x_0+y_0)-24=0,\\[3pt] -14\cdot x_0-10\cdot y_0-4\cdot z_0-12=0.\end{cases}$ Эта система имеет единственное решение $x_0=0,~y_0=-2,~z_0=2$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}0&-2&2\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(0,-2,2)$ в исходной системе координат. Согласно п.1 замечаний 4.16, начало канонической системы координат можно найти, решая систему $\begin{cases}A\cdot s+a_{\perp}=o,\\[3pt] (a+a_{\perp})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases} \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}-2x_0-10y_0-4z_0-12=0,\\ -10x_0-2y_0+4z_0-12=0,\\ -4x_0+4y_0+4z_0+0=0,\\ -14x_0-10y_0-4z_0-12=0,\end{cases}$ где $a_{\perp}=a-a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-13\\-11\\-2\end{pmatrix}- \begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}-12\\-12\\0\end{pmatrix}\!.$ 7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (8) гиперболического параболоида (см. п.7,"в" алгоритма): $a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}}= \sqrt{-\frac{864}{12^2\cdot(-144)}}= \frac{\sqrt{6}}{12}, \quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}= \sqrt{-\frac{864}{(-12)^2\cdot(-144)}}= \frac{\sqrt{6}}{12}.$ Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид $\frac{(x')^2}{\sqrt{6}/12}-\frac{(y')^2}{\sqrt{6}/12}=2\cdot z'.$ 8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(0,-2,2)$ и ба зисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.55). 9. Строим гиперболический параболоид в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в пункте 7 (рис.4.55). Пример 4.24. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением $8\cdot y^2+4\cdot x\cdot y+2\cdot x\cdot z+4\cdot y\cdot z+4\cdot x+8\cdot y-9=0.$ Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Решение Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы: $P=\begin{pmatrix}0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\2&4&0&-9\end{pmatrix}\!,\quad A=\begin{pmatrix}0&2&1\\2&8&2\\1&2&0\end{pmatrix}\!,\quad a=\begin{pmatrix}2\\4\\0\end{pmatrix}\!.$ 2. Вычисляем инварианты: $\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}=0+8+0=8,$ $\begin{gathered}\tau_2= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}0&2\\2&8\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}0&1\\1&0\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}8&2\\2&0\end{vmatrix}=-9;\\[3pt] \delta= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,0&2&1\\2&8&2\\1&2&0\,\end{vmatrix}=0;\\[3pt] \Delta= \begin{vmatrix}\,0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\2&4&0&-9\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\0&0&0&-9\,\end{vmatrix}= (-1)^{4+4}(-9)\delta=0. \end{gathered}$ Так как $\Delta=\delta=0$ , то вычисляем $\begin{aligned}\kappa_2&= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_1\\a_{12}&a_{22}&a_2\\a_1&a_2&a_0\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{13}&a_1\\a_{13}&a_{33}&a_3\\a_1&a_3&a_0\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{22}&a_{23}&a_2\\a_{23}&a_{33}&a_3\\a_2&a_3&a_0\,\end{vmatrix}=\\[3pt] &=\begin{vmatrix}\,0&2&2\\2&8&4\\2&4&-9\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,0&1&2\\1&0&0\\2&0&-9\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,8&2&4\\2&0&0\\4&0&-9\,\end{vmatrix}=81. \end{aligned}$ Составляем характеристическое уравнение: $-\lambda^3+ 8\lambda^2+ 9\lambda=0$ . Его корни: $\lambda=-1,~\lambda=0,~\lambda=9$ . 3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\Delta=0$ , т.е. характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta=0$ , то поверхность цилиндрическая. Так как $\tau_2<0$ и $\kappa_2\ne0$ , то заданная поверхность — гиперболический цилиндр. 4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_3=0$ — единственный нулевой корень; так как ненулевые корни разных знаков и $\Delta=0$ , а $\kappa_2=81>0$ , то $\lambda_1=9$ , чтобы выполнялось условие $\lambda_1\cdot\kappa_2>0$ , тогда $\lambda_2=-1$ . 5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3:$ для $\lambda_1=9$ $\begin{pmatrix}0-9&2&1\\2&8-9&2\\1&2&0-9\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=1,\\y=4,\\z=1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_1= \begin{pmatrix} 1\\4\\1\end{pmatrix}\!;$ для $\lambda_2=-1$ $\begin{pmatrix}0+1&2&1\\2&8+1&2\\1&2&0+1 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=-1,\\y=0,\\z=1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}-1\\0\\1\end{pmatrix}\!;$ для $\lambda_3=0$ $\begin{pmatrix} 0&2&1\\2&8&2\\1&2&0 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=2,\\y=-1,\\z=2,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_3=\begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}\!.$ Так как $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ имеют разные знаки, то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $a^T\cdot l_3\leqslant0$ . Найденное направление $l_3$ этому условию удовлетворяет: $a^T\cdot l_3= \begin{pmatrix}2&4&0\end{pmatrix}^T\cdot\! \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}=0.$ Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса: $\begin{gathered}\|l_1\|=3\sqrt{2},\quad \|l_2\|=\sqrt{2},\quad \|l_3\|=3,\\[3pt] s_1=\frac{1}{\|l_1\|}\cdot l_1\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\\[9pt] \dfrac{4}{3\sqrt{2}}\\[9pt] \dfrac{1}{3\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{1}{\|l_2\|}\cdot l_2\cdot\! \begin{pmatrix}-\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt] 0\\[9pt] \dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{1}{\|l_3\|}\cdot l_3\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{2}{3}\\[9pt] -\dfrac{1}{3}\\[9pt] \dfrac{2}{3}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$ 6. Так как заданная поверхность (гиперболический цилиндр) не являет ся центральной (она имеет прямую центров), то достаточно найти любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы уравнений (см. п.6,"а" алгоритма): $A\cdot s+a=o,$ или $\begin{cases}0\cdot x+2\cdot y+1\cdot z+2=0,\\ 2\cdot x+8\cdot y+2\cdot z+4=0,\\ 1\cdot x+2\cdot y+0\cdot z+0=0.\end{cases}$ Возьмем, например, решение $x_0=0,~y_0=0,~z_0=-2$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}0&0&-2\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(0,0,-2)$ относительно исходной системы координат. 7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (12) гиперболического цилиндра (см. п.7,"в" алгоритма): $a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}=-\frac{81}{9\cdot(-9)}=1,\quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}=\frac{81}{(-1)\cdot(-9)}=9.\quad$ Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид $\frac{(x')^2}{1^2}-\frac{(y')^2}{3^2}=1.$ 8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(0,0,-2)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.56). 9. Строим гиперболический цилиндр в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7 (рис.4.56 см. выше). Пример 4.25. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением $4\cdot x^2+y^2+9\cdot z^2+4\cdot x\cdot y-12\cdot x\cdot z-6\cdot y\cdot z+6\cdot x-2\cdot y-6\cdot z+11=0.$ Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Решение Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат. Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы: $P=\begin{pmatrix}4&2&-6&3\\ 2&1&-3&-1\\-6&-3&9&-3\\ 3&-1&-3&11 \end{pmatrix}\!,\qquad A=\begin{pmatrix}4&2&-6\\ 2&1&-3\\-6&-3&9 \end{pmatrix}\!,\qquad a=\begin{pmatrix}3&-1&-3 \end{pmatrix}\!.$ 2. Вычисляем инварианты: $\begin{aligned}&\tau_1= a_{11}+a_{22}+a_{33}= 4+1+9=14,\\[4pt] &\tau_2= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\ a_{12}&a_{22} \end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}\\ a_{13}&a_{33} \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{22}&a_{23}\\ a_{23}&a_{33} \end{vmatrix}= \begin{vmatrix} 4&2\\2&1 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}4&-6\\-6&9 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}1&-3\\-3&9\end{vmatrix}=0+0+0=0,\\[4pt] &\delta= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\ a_{12}&a_{22}&a_{23}\\ a_{13}&a_{23}&a_{33} \end{vmatrix}= \begin{vmatrix}4&2&-6\\ 2&1&-3\\-6&-3&9\end{vmatrix}=0,\\[4pt] &\Delta= \begin{vmatrix}4&2&-6&3\\ 2&1&-3&-1\\-6&-3&9&-3\\ 3&-1&-3&11\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}0&0&0&5\\ 2&1&-3&-1\\0&0&0&-6\\ 3&-1&-3&11\end{vmatrix}= (-1)^{1+4}\cdot5\cdot \begin{vmatrix}2&1&-3\\ 0&0&0\\ 3&-1&-3\end{vmatrix}=0. \end{aligned}$ Так как $\Delta= \delta=0$ , то вычисляем семиинвариант: $\begin{aligned}\kappa_2&= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{1}\\ a_{12}&a_{22}&a_{2}\\ a_{1}& a_{2}&a_{0}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}&a_{1}\\ a_{13}&a_{33}&a_{3}\\ a_{1}& a_{3}&a_{0} \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix} a_{22}&a_{23}&a_{2}\\ a_{23}&a_{33}&a_{3}\\ a_{2}& a_{3}&a_{0} \end{vmatrix}=\\ &=\begin{vmatrix}4&2&3\\2&1&-1\\ 3&-1&11\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}4&-6&3\\-6&9&-3\\ 3&-3&11 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}1&-3&-1\\-3&9&-3\\-1&-3&11\end{vmatrix}=-25-9-36=-70. \end{aligned}$ Составляем характеристическое уравнение $-\lambda^3+14 \lambda^2=0$ .Его корни $\lambda=0$ (двойной корень) и $\lambda=14$ (простой корень). 3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\delta=0$ , то есть характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta=0$ , то поверхность цилиндрическая. Так как $\tau_2=0$ и $\kappa_2\ne0$ , то заданная поверхность - параболический цилидр. 4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_1= \lambda_3=0$ - двойной нулевой корень; тогда $\lambda_2=14$ . 5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку $\lambda_1=\lambda_3=0$ - двойной нулевой корень (см. п.5,"г" алгоритма), то находим направление $l_2$ , соответствующее простому корню $\lambda_2=14$ , как ненулевое решение системы $(A-\lambda_2\cdot E)\cdot l_2=o\colon$ $\begin{pmatrix}4-14&2&-6\\ 2&1-14&-3\\-6&-3&9-14 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}0\\0\\0 \end{pmatrix}\quad \Rightarrow\quad \begin{cases}x=-2,\\ y=-1,\\ z=3,\end{cases} \Rightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}-2\\-1\\3\end{pmatrix}\!.$ Вычисляем $a^T\cdot l_2= \begin{pmatrix}3&-1&-3\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-2\\-1\\3 \end{pmatrix}=-14;~ \|l_2\|^2=14;$ $a_{\text{pr}}= a-\frac{a^T\cdot l_2}{\|l_2\|^2}\cdot l_2= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3 \end{pmatrix}-\frac{-14}{14}\cdot\! \begin{pmatrix}-2\\-1\\3\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}\!.$ Так как $a_{\text{pr}}\ne o$ , то направление $l_1=-\tau_1\cdot a_{\text{pr}}=-14\cdot a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-14&28&0 \end{pmatrix}^T$ . Направление $l_3$ находим, вычисляя векторное произведение $\vec{l}_3=\vec{l}_1\times \vec{l}_2= \begin{vmatrix}\vec{i}& \vec{j}& \vec{k}\\-14&28&0\\-2&-1&3\end{vmatrix}= 84\,\vec{i}+ 42\,\vec{j}+ 70\,\vec{k}$ . Следовательно, $l_3= \begin{pmatrix}84&42&70 \end{pmatrix}^T$ . Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса: $\begin{gathered}\|l_1\|=14 \sqrt{5}\,,\qquad \|l_2\|=\sqrt{14}\,,\qquad \|l_3\|=14 \sqrt{70}\,,\\ s_1= \frac{l_1}{\|l_1\|}= \begin{pmatrix}-\dfrac{1}{\sqrt{5}}\\[9pt] \dfrac{2}{\sqrt{5}}\\[9pt]0 \end{pmatrix}\!,\qquad s_2= \frac{l_2}{\|l_2\|}= \begin{pmatrix}-\dfrac{2}{\sqrt{14}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{14}}\\[9pt] \dfrac{3}{\sqrt{14}} \end{pmatrix}\!,\qquad s_3= \frac{l_3}{\|l_3\|}= \begin{pmatrix}\dfrac{6}{\sqrt{70}}\\[9pt]\dfrac{3}{\sqrt{70}}\\[9pt] \dfrac{5}{\sqrt{70}} \end{pmatrix}\!. \end{gathered}$ 6. Так как заданная поверхность (параболический цилиндр) не имеет центров, то составляем систему уравнений для нахождения координат $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат (см. п.6,"б" алгоритма). Учитывая п.5, вычисляем $a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}\!,\quad a+a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3\end{pmatrix}+ \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix}4\\-3\\-3 \end{pmatrix}\!,\quad s_2^T\cdot a= \begin{pmatrix}-\dfrac{2}{\sqrt{14}}&-\dfrac{1}{\sqrt{14}}& \dfrac{3}{\sqrt{14}}\end{pmatrix}^T\cdot\! \begin{pmatrix}3\\-1\\-3 \end{pmatrix}=-\sqrt{14}\,.$ Решаем систему уравнений $\left\{\! \begin{aligned}& \lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+ s_2^T\cdot a=0,\\ &(a+ a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0, \end{aligned}\right.\quad \Leftrightarrow\quad \left\{\! \begin{aligned}&-2\cdot x_0-y_0+3\cdot z_0-1=0,\\ &4\cdot x_0-3\cdot y_0-3\cdot z_0+11=0. \end{aligned}\right.$ Эта система имеет бесконечно много решений. Возьмем, например, решение $x_0=-5,~ y_0=0,~ z_0=-3$ . Следовательно, вектор $\vec{s}= \overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}-5&0&-3\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(-5,0,-3)$ в исходной системе координат. Согласно п.1 замечаний 4.16, начало канонической системы координат можно найти, решая систему уравнений $\left\{\! \begin{aligned}&A\cdot s+a_{\perp}=o,\\ &(a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0, \end{aligned}\right.~\Leftrightarrow~ \left\{\! \begin{aligned}&4\,x_0+ 2\,y_0-6\,z_0+2=0,\\ &2\,x_0+ 1\,y_0-3\,z_0+1=0,\\ &-6\,x_0-3\,y_0+9\,z_0-3=0,\\ &4\,x_0-3\,y_0-3\,z_0+11=0, \end{aligned}\right.$ , где $a_{\perp}-a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3\end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix}2\\1\\-3 \end{pmatrix}$ . 7. Вычисляем параметр канонического уравнения (14) параболического цилиндра (см. п.7,"в" алгоритма): $p= \sqrt{-\frac{\kappa_2}{\tau_1^3}}=\sqrt{-\frac{-70}{14^3}}= \sqrt{\frac{5}{14^2}}= \frac{\sqrt{5}}{14}\,.$ Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид $(y')^2=2\cdot \frac{\sqrt{5}}{14}\cdot x'$ (рис.4.57). 8. В координатном пространстве

Приведение уравнения поверхности к каноническому виду по инвариантам

Онлайн-сервисы

Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью

Алгоритмы JavaScript

Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью

Введение в анализ

Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика

Теория множеств

Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия

Математическая логика

Алгебра высказываний

Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции

Булевы функции

Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций

Теория формального

Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний

Логика предикатов

Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов

Неформальные и формаль-
ные аксиоматические теории

Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории

Теория алгоритмов

Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики

Математическая логика и компьютеры

Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект

Дискретная математика

Множества и отношения

Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций

Группы и кольца

Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов

Полукольца и булевы алгебры

Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки

Алгебраические системы

Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры

Теория графов

Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов

Булева алгебра и функции

Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов

Конечные автоматы и регулярные языки

Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга

Контекстно-свободные языки

Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов

Интегральное исчисление

Неопределённый и определённый

Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции

Приложения интегралов

Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела

Интегралы в физике

Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике

Основные интегралы

Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега

Вариационное исчисление

Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла

Финансовый анализ

Анализ эффективности

Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности

Анализ устойчивости

Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости

Рыночная активность

Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию

Инвестиционная деятельность

Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование

Анализ инвестиций

Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта

Стоимость компании

Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций

Форвардные контракты

Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту

Теория вероятностей

Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности

Математическая статистика

Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты

Теория очередей (СМО)

Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью)

Аналитическая геометрия

Векторная алгебра

Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике

Системы координат

Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат

Геометрия на плоскости

Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными

Линии 2-го порядка

Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты линий

Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам

Геометрия в пространстве

Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве

Поверхности 2-го порядка

Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты поверхностей

Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам

Линейная алгебра

Матрицы и операции

Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц

Определители

Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей

Ранг матрицы

Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк)

Обратная матрица

Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица

Системы уравнений

Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений

Функциональные матрицы

Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум

Многочленные матрицы

Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы

Функции от матриц

Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц

Линейные пространства

Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств

Подпространства

Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств

Линейные отображения

Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения

Линейные операторы

Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду

Евклидовы пространства

Комплексный анализ

Комплексные числа

Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел

Комплексные функции

Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения
и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного

Функциональные ряды в комплексной области

Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням

Особые точки, Вычеты

Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена

Операционное исчисление

Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства

Дифференциальные уравнения

ДУ первого порядка

Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ

ДУ высших порядков

Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ

Системы ДУ

Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем

Теория устойчивости

Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной

Численные методы

Методы алгебры

Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений

Методы теории приближений

Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования

Методы решения обыкновенных ДУ

Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач

Методы решения ДУ в частных производных

Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными

Приведение уравнения поверхности 2-го порядка
к каноническому виду по инвариантам

Рассмотрим задачу приведения к каноническому виду уравнения поверхности второго порядка, заданной в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением (4.67):

$a_{11}x^2+a_{22}y^2+a_{33}z^2+2a_{12}xy+2a_{13}xz+2a_{23}yz+2a_1x+2a_2y+2a_3z=0.$

(4.73)

Требуется определить один из семнадцати возможных канонических видов поверхности (см. теорему 4.3), найти каноническую систему координат $O'x'y'z'$ , в которой уравнение поверхности имеет канонический вид, а затем построить поверхность в канонической и исходной системах координат. Построение, разумеется, производится только для вещественных поверхностей.

Алгоритм приведения уравнения поверхности 2-го порядка к каноническому виду

Для приведения поверхности второго порядка, заданной в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением (4.73), к каноническому виду нужно выполнить следующие действия.

1. По уравнению (4.73) поверхности второго порядка составить матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы:

$P= \begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}&a_1\\a_{12}&a_{22}&a_{23}&a_2\\a_{13}&a_{23}&a_{33}&a_3\\a_1&a_2&a_3&a_0\end{pmatrix}\!, \quad A=\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\end{pmatrix}\!, \quad a=\begin{pmatrix} a_1\\a_2\\a_3\end{pmatrix}\!.$

2. Составить характеристическое уравнение $-\lambda^3+\tau_1\lambda^2-\tau_2\lambda+\delta=0$ , либо вычисляя его коэффициенты по формулам: $\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}$ ,

Продолжение

$\tau_2= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{matrix}\,\vline\,\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\end{matrix}\,\vline\,\,+\,\,\vline\,\begin{matrix}a_{22}&a_{23}\\a_{23}&a_{33}\end{matrix}\,\vline\,\,,\quad \delta=\det A=\,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\end{matrix}\,\,\vline\,,$

либо разлагая определитель

$\det(A-\lambda\cdot E)= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}-\lambda&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}-\lambda&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}-\lambda\end{matrix}\,\,\vline\,= -\lambda^3+\tau_1\cdot\lambda^2-\tau_2\cdot\lambda+\delta.$

Найти корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ (с учетом кратности) характеристического уравнения.

Вычислить инвариант

$\Delta=\det{P}= \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}&a_1\\ a_{12}&a_{22}& a_{23}&a_2\\ a_{13}&a_{23}&a_{33}&a_3\\a_1&a_2&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$

Если $\delta=\Delta=0$ , то вычислить семиинвариант

$\kappa_2= \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{12}&a_1\\ a_{12}&a_{22}&a_2\\ a_1&a_2&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{11}&a_{13}&a_1\\ a_{13}&a_{33}&a_3\\ a_1&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix} a_{22}&a_{23}&a_2\\ a_{23}&a_{33}&a_3\\a_2&a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$

Если $\delta=\Delta=0$ и $\tau_1=\tau_2=0$ , то вычислить семиинвариант

$\kappa_1= \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{11}&a_1\\a_1&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{22}&a_2\\a_2&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,+ \,\,\vline\,\begin{matrix}a_{33}&a_3\\a_3&a_0\end{matrix}\,\,\vline\,.$

3. По таблице 4.3 определить вид поверхности.

4. Занумеровать корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения в соответствии с правилами:

Продолжение

б) если поверхность гиперболического типа, то обозначить через $\lambda_1$ и $\lambda_2$ корни одного знака так, чтобы $|\lambda_1|\leqslant|\lambda_2|$ , а через $\lambda_3$ — корень противоположного знака;

в) если поверхность параболического типа, то

– если нулевой корень двойной, то $\lambda_1=\lambda_3=0$ и $\lambda_2\ne0$ ;

– если нулевой корень простой, а ненулевые корни одного знака, то $\lambda_3=0$ и $|\lambda_1|\leqslant|\lambda_2|$ ;

– если нулевой корень простой, а ненулевые корни разных знаков, то $\lambda_3=0$ и

либо $\lambda_1>0$ , если $\Delta\ne0$ или $\Delta=\kappa_2=0$ ; либо $\lambda_1\cdot\kappa_2>0$ , если $\Delta=0$ и $\kappa_2\ne0$ .

5. Найти взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения:

Продолжение

а) если $\lambda_1=\lambda_2=\lambda_3$ , то базисные векторы исходной системы имеют искомые направления

$l_1=\begin{pmatrix}1&0&0\end{pmatrix}^T, \quad l_2=\begin{pmatrix}0&1&0\end{pmatrix}^T, \quad l_3=\begin{pmatrix}0&0&1\end{pmatrix}^T;$

б) если все корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ простые, то для каждого корня найти ненулевое решение однородной системы уравнений $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3$ . Например, собственное направление $l_3=\begin{pmatrix}x_3&y_3&z_3\end{pmatrix}^T$ для простого корня $\lambda_3$ находится как любое ненулевое решение системы

$\begin{cases}(a_{11}-\lambda_3)\cdot x+a_{12}\cdot y+a_{13}\cdot z=0,\\[3pt] a_{12}\cdot x+(a_{22}-\lambda_3)\cdot y+a_{23}\cdot z=0,\\[3pt] a_{13}\cdot x+a_{23}\cdot y+(a_{33}-\lambda_3)\cdot z=0;\end{cases}$ или $(A-\lambda_3\cdot E)\cdot l_3=o.$

Если $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ имеют разные знаки $(\lambda_1\cdot\lambda_2<0)$ , то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $a^T\cdot l_3\leqslant0$ , в противном случае следует заменить столбец $l_3$ на противоположный $(-l_3)$ .

Если $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ одного знака $(\lambda_1\cdot\lambda_2>0)$ , то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $\tau_1\cdot a^T\cdot l_3<0$ , в противном случае следует заменить столбец $l_3$ на противоположный $(-l_3)$ ;

в) если имеется двойной ненулевой корень $\lambda_1=\lambda_2\ne\lambda_3$ , то для простого корня $\lambda_3$ найти соответствующий собственный вектор $l_3$ — любое не нулевое решение системы $(A-\lambda_3\cdot E)\cdot l_3=o$ , а для кратного корня $\lambda_1=\lambda_2$ в качестве $l_2$ взять любой ненулевой столбец матрицы $A-\lambda_3\cdot E$ , а вектор $l_1$ найти, используя векторное произведение: $\vec{l}_1=[\,\vec{l}_2,\vec{l}_3\,]$ ;

г) если имеется двойной нулевой корень $\lambda_1=\lambda_3=0$ , то направление $l_2$ , соответствующее простому корню $\lambda_2$ , найти как ненулевое решение системы $(A-\lambda_2\cdot E)\cdot l_2=o$ . Вычислить проекцию а $a_{\text{pr}}= a-\frac{a^T\cdot l_2}{|l_2|^2}\cdot l_2$ . Если $a_{\text{pr}}=o$ , то направление $l_1$ найти как ненулевое решение системы $A\cdot l_1=o$ . Если $a_{\text{pr}}\ne o$ , то направление $l_1=-\tau_1\cdot a_{\text{pr}}$ . Направление $l_3$ найти, используя векторное произведение: $\vec{l}_3=[\,\vec{l}_1,\vec{l}_2\,]$ .

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определить координатные $s_1=\frac{1}{|l_1|}\cdot l_1,$ $s_2=\frac{1}{|l_2|}\cdot l_2,$ $s_3=\frac{1}{|l_3|}\cdot l_3$ столбцы векторов $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ канонического базиса.

6. Найти координаты $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат:

Продолжение

а) для поверхностей, имеющих хотя бы один центр (эллипсоидов, гиперболоидов, конусов, цилиндров, пар плоскостей), найти любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы уравнений

$A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}a_{11}\cdot x+a_{12}\cdot y+a_{13}\cdot z+a_1=0,\\[3pt] a_{12}\cdot x+a_{22}\cdot y+a_{23}\cdot z+a_2=0,\\[3pt] a_{13}\cdot x+a_{23}\cdot y+a_{33}\cdot z+a_3=0.\end{cases}$

б) для поверхностей, не имеющих ни одного центра, найти:

– в случаях эллиптического или гиперболического параболоидов решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы

$\begin{cases}\lambda_1\cdot s_1^T\cdot s+s_1^T\cdot a=0,\\[3pt] \lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0.\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3;$

– в случае параболического цилиндра — любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы

$\begin{cases}\lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot z+a_0=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}= a-a_{\perp}=,~a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2.$

7. Вычислить коэффициенты канонического уравнения:

а) для поверхностей эллиптического типа:

(1) — при $\Delta<0$ — уравнение эллипсоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=1$ с коэффициентами

$a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$

(2) при $\Delta>0$ — уравнение мнимого эллипсоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=-1$ с коэффициентами

$a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$

(3) при $\Delta=0$ — уравнение мнимого конуса $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}+\frac{(z')^2}{c^2}=0$ с коэффициентами

$a^2=\frac{1}{|\lambda_1|}, \quad b^2=\frac{1}{|\lambda_2|}, \quad c^2=\frac{1}{|\lambda_3|}\,;$

б) для поверхностей гиперболического типа:

(4) при $\Delta>0$ — уравнение однополостного гиперболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=1$ с коэффициентами

$a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$

(5) при $\Delta<0$ — уравнение двуполостного гиперболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=-1$ с коэффициентами

$a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}\,;$

(6) при $\Delta=0$ — уравнение конуса $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}-\frac{(z')^2}{c^2}=0$ с коэффициентами

$a^2=\frac{1}{|\lambda_1|}, \quad b^2=\frac{1}{|\lambda_2|}, \quad c^2=\frac{1}{|\lambda_3|}\,;$

в) для поверхностей параболического типа:

(7) при $\Delta<0$ — уравнение эллиптического параболоида $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=2z$ с коэффициентами

$a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}},\quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}\,;$

(8) при $\Delta>0$ — уравнение гиперболического параболоида $\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=2z$ с коэффициентами

$a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}},\quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}\,;$

(9) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\tau_1\cdot\kappa_2<0$ — уравнение эллиптического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=1$ с коэффициентами

$a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$

(10) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\tau_1\cdot\kappa_2>0$ — уравнение мнимого эллиптического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=-1$ с коэффициентами

$a^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$

(11) при $\Delta=0,~\tau_2>0,~\kappa_2=0$ — уравнение пары мнимых пересекающихся плоскостей $\frac{(x')^2}{a^2}+\frac{(y')^2}{b^2}=0$ с коэффициентами

$a^2=\frac{1}{|\lambda_1|}, \quad a^2=\frac{1}{|\lambda_2|}\,;$

(12) при $\Delta=0,~\tau_2<0,~\kappa_2\ne0$ — уравнение гиперболического цилиндра $\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=1$ с коэффициентами

$a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}, \quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}\,;$

(13) при $\Delta=0,~\tau_2<0,~\kappa_2=0$ — уравнение пары пересекающихся плоскостей

$\frac{(x')^2}{a^2}-\frac{(y')^2}{b^2}=0$ с коэффициентами $a^2=\frac{1}{\lambda_1},\quad b^2=-\frac{1}{\lambda_2}\,;$

(14) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2\ne0$ — уравнение параболического цилиндра

$(y')^2=2px'$ с коэффициентом $p=\sqrt{-\frac{\kappa_2}{\tau_1^3}}$ ;

(15) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1<0$ — уравнение пары параллельных плоскостей

$(y')^2-b^2=0$ с коэффициентом $b^2=-\frac{\kappa_1}{\tau_1^2}$ ;

(16) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1>0$ — уравнение пары мнимых параллельных плоскостей

$(y')^2+b^2=0$ с коэффициентом $b^2=\frac{\kappa_1}{\tau_1^2}$ ;

(17) при $\Delta=0,~\tau_2=0,~\kappa_2=0,~\kappa_1=0$ — уравнение пары совпадающих плоскостей $(y')^2=0$ .

8. В координатном пространстве $Oxyz$ изобразить каноническую систему координат $O'x'y'z'$ , координаты $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ которой найдены в пункте 6, а координаты базисных векторов — в пункте 5.

9. Построить поверхность второго порядка в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7. Построение центральных поверхностей (эллипсоида, гиперболоидов, конуса) удобно начинать с изображения основного параллелепипеда (см. разд.4.4.2-4.4.4). При построении параболоидов, цилиндров и пар плоскостей использовать разд.4.4.5; 3.3.2-3.3.4, 4.2.1-4.2.5). Мнимые поверхности не изображаются, за исключением уравнения мнимого конуса или пары мнимых пересекающихся плоскостей, действительными решениями которых являются точка $O'$ или ось $O'z'$ соответственно.

Таблица 4.3. Классификация поверхностей второго порядка по инвариантам

Замечания 4.16

1. Согласно пункту 3 замечаний 4.14 для нахождения начала координат параболоидов или параболического цилиндра (см. п.6,"б" алгоритма) можно использовать систему

$\begin{cases}A\cdot s+a_{\perp}=o,\\[3pt](a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}$

где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3,~a_{\perp}=a-a_{\text{pr}}$ в случае эллиптического или гиперболического параболоидов; $a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2,$ $a_{\text{pr}}=a-a_{\perp}$ в случае параболического цилиндра.

2. Системы уравнений в п.6,"б" алгоритма можно записать в эквивалентном виде:

– в случаях эллиптического или гиперболического параболоидов:

$\begin{cases}\lambda_1\cdot l_1^T\cdot s+l_1^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] \lambda_2\cdot l_2^T\cdot s+l_2^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=(a^T\cdot s_3)\cdot s_3,~a_{\perp}=a-a_{\text{pr}};$

– в случае параболического цилиндра:

$\begin{cases}\lambda_2\cdot l_1^T\cdot s+l_1^T\cdot a_{\perp}=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_{\perp}=0,\end{cases}$ где $a_{\text{pr}}=a-a_{\perp},~a_{\perp}=(a^T\cdot s_2)\cdot s_2.$

3. Если требуется получить правую каноническую систему координат, а в результате применения алгоритма каноническая система координат оказалась левой, то достаточно изменить направление оси ординат на противоположное, т.е. заменить базисный вектор $\vec{s}_2$ на противоположный вектор $(-\vec{s}_2)$ .

4. Согласно пункту 6 замечаний 4.12, если известны корни $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ (с учетом кратности) характеристического уравнения, то инварианты можно вы числить по формулам (см. п.2 алгоритма):

$\tau_1=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3; \quad \tau_2=\lambda_1\cdot\lambda_2+\lambda_2\cdot\lambda_3+\lambda_1\cdot\lambda_3; \quad \delta=\lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3.$

Примеры приведения уравнений поверхностей к каноническому виду по инвариантам

Пример 4.21. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением

$2\cdot x^2+5\cdot y^2+5\cdot z^2+6\cdot y\cdot z+4\cdot x+16\cdot y+16\cdot z+10=0.$

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

Решение

Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец $a$ коэффициентов линейной формы:

$P=\begin{pmatrix}2&0&0&2\\0&5&3&8\\0&3&5&8\\2&8&8&10\end{pmatrix}\!, \quad A=\begin{pmatrix}2&0&0\\0&5&3\\0&3&5\end{pmatrix}\!, \quad a=\begin{pmatrix}2\\8\\8\end{pmatrix}\!.$

2. Составляем характеристическое уравнение

$\vline\,\,\begin{matrix}2-\lambda&0&0\\0&5-\lambda&3\\0&3&5-\lambda\end{matrix}\,\,\vline\,=0\quad \Leftrightarrow \quad (2-\lambda)[(5-\lambda)^2-9]=0\quad \Leftrightarrow \quad (2-\lambda)^2(8-\lambda)=0.$

Находим его корни $\lambda=2$ (двойной корень) и $\lambda=8$ (простой корень). Учитывая п.4 замечаний 4.16, вычисляем инварианты:

$\Delta= \,\,\vline\,\begin{matrix} 2&0&0&2\\0&5&3&8\\ 0&3&5&8\\2&8&8&10 \end{matrix}\,\,\vline\,= \,\,\vline\,\begin{matrix} 2&0&0&2\\0&5&3&8\\ 0&3&5&8\\ 2&8&8&10 \end{matrix}\,\,\vline\,= 2\cdot8\cdot\,\,\vline\,\begin{matrix} 5&3&8\\3&5&8\\ 1&1&1 \end{matrix}\,\,\vline\,= 16\cdot(-16)=-256.$

3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность эллиптического типа (все корни характеристического уравнения одного знака, что также подтверждается условиями $\tau_2=36>0$ и $\tau_1\cdot\delta=12\cdot32>0$ ). Поскольку $\Delta=-256<0$ , заданная поверхность — эллипсоид.

5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку имеется двойной ненулевой корень $\lambda_1=\lambda_2=2$ (см. п.5,"в" алгоритма), то для простого корня $\lambda_3=8$ находим ненулевое решение $l_3$ однородной системы уравнений $(A-8\cdot E)\cdot l_3=o:$

$\begin{cases}(2-8)\cdot x+0\cdot y+0\cdot z=0,\\0\cdot x+(5-8)\cdot y+3\cdot z=0,\\0\cdot x+3\cdot y+(5-8)\cdot z=0,\end{cases}$ или $\begin{pmatrix}-6&0&0\\0&-3&3\\0&3&-3\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!.$

Возьмем, например, решение $x=0,~y=1,~z=1$ , т.е. $l_3=\begin{pmatrix}0&1&1\end{pmatrix}^T$ . В качестве направления $l_2$ принимаем первый (ненулевой) столбец матрицы $A-8\cdot E:$ $l_2=\begin{pmatrix}-6&0&0\end{pmatrix}^T$ . Направление $l_1$ определяем, используя векторное произведение:

$\vec{l}_1= [\,\vec{l}_2,\vec{l}_3\,]= \,\,\vline\,\begin{matrix}\vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\-6&0&0\\0&1&1\end{matrix}\,\,\vline\,= 0\cdot\vec{i}+6\cdot\vec{j}-6\cdot\vec{k},$ следовательно, $l_1=\begin{pmatrix}0&6&-6\end{pmatrix}^T,$

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса:

$\begin{gathered}|l_1|=\sqrt{l_1^T\cdot l_1}=\sqrt{0^2+6^2+(-6)^2}=6\sqrt{2}, \quad |l_2|=\sqrt{l_2^T\cdot l_2}=\sqrt{6^2+0^2+0^2}=6,\\ |l_3|=\sqrt{l_3^T\cdot l_3}=\sqrt{0^2+1^2+1^2}=\sqrt{2},\\[5pt] s_1=\frac{l_1}{|l_1|}=\begin{pmatrix}0\\\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] -\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!, \quad s_2=\frac{l_2}{|l_2|}=\begin{pmatrix}-1\\0\\0\end{pmatrix}\!, \quad s_3=\frac{l_3}{|l_3|}=\begin{pmatrix}0\\\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt] \dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!. \end{gathered}$

6. Находим координаты $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат, решая систему уравнений (см. п.6,"а" алгоритма):

$A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}2\cdot x+0\cdot y+0\cdot z+2=0,\\ 0\cdot x+5\cdot y+3\cdot z+8=0,\\ 0\cdot x+3\cdot y+5\cdot z+8=0.\end{cases}$

Получаем $x_0=-1,~y_0=-1,~z_0=-1$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}-1&-1&-1\end{pmatrix}^T$ , или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(-1,-1,-1)$ в исходной системе координат.

7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (1) эллипсоида (см. п.7,"а!' алгоритма):

$a^2=b^2= -\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=-\frac{-256}{2\cdot32}=4, \quad c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=-\frac{-256}{8\cdot32}=1.$

Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид

$\frac{(x')^2}{2^2}+\frac{(y')^2}{2^2}+\frac{(z')^2}{1^2}=1.$

8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'y'$ с началом в точке $O'(-1,-1,-1)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.53).

9. Строим эллипсоид вращения в канонической системе координат $O'x'y'y'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7 (рис.4.53).

Пример 4.22. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением

$3x^2-7y^2+3z^2+8xy-8xz-8yz+10x-14y-6z+a_0=0,$

где а) $a_0=-8$ ; б) $a_0=-9$ ; в) $a_0=-10$ .

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

Решение

Составляем матрицу $P$ квадратичной функции, матрицу $A$ квадратичной формы и столбец а коэффициентов линейной формы:

$P=\left(\!\!\!\begin{array}{*{20}{rrrr}}3&4&-4&5\\4&-7&-4&-7\\-4&-4&3&-3\\5&-7&-3&a_0\end{array}\!\right)\!,\quad A=\left(\!\!\begin{array}{*{20}{rrr}}3&4&-4\\4&-7&-4\\-4&-4&3\end{array}\!\right)\!,\quad a=\begin{pmatrix}5\\-7\\-3\end{pmatrix}\!.$

2. Характеристическое уравнение имеет корни $\lambda=-1,~\lambda=9,~\lambda=-9$ (см. решение примера 4.18,"в"). Поэтому, учитывая п.4 замечаний 4.14, вычисляем инварианты:

$\begin{aligned}\tau_1&=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=-1+9-9=-1;\\[8pt] \tau_2&= \lambda_1\cdot\lambda_2+\lambda_2\cdot\lambda_3+\lambda_1\cdot\lambda_3= (-1)\cdot9+9\cdot(-9)+(-1)\cdot(-9)=-81;\\[8pt] \delta&= \lambda_1\cdot\lambda_2\cdot\lambda_3= (-1)\cdot9\cdot(-9)=81;\\[8pt] \Delta&= \begin{vmatrix}3&4&-4&5\\4&-7&-4&-7\\-4&-4&3&-3\\5&-7&-3&a_0\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}-1&0&-1&2\\0&-11&-1&-10\\-4&-4&3&-3\\1&-11&0&a_0-3\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}-1&0&-1&2\\0&-11&-1&-10\\0&-4&7&-11\\0&-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}=\\ &=(-1)\cdot \begin{vmatrix}-11&-1&-10\\-4&7&-11\\-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}11&1&10\\-4&7&-11\\-11&-1&a_0-1\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}11&1&10\\-81&0&-81\\0&0&a_0+9\end{vmatrix}= 81(a_0+9).\end{aligned}$

3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность гиперболического типа (корни характеристического уравнения имеют разные знаки). При $a_0=-8$ заданная поверхность — однополостный гиперболоид, так как $\Delta=81>0$ ; при $a_0=-9$ заданная поверхность — конус, так как $\Delta=0$ ; при $a_0=-10$ заданная поверхность — двуполостный гиперболоид, так как $\Delta=-81<0$ .

4. Поскольку поверхность гиперболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"б" алгоритма): $\lambda_1=-1,$ $\lambda_2=-9$ , т.е. $\lambda_1$ и $\lambda_2$ корни одного знака, причем $|\lambda_1|\leqslant|\lambda_2|$ , а корень противоположного знака $\lambda_3=9$ .

5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o$ , $i=1,2,3$ . Учитывая решение примера 4.18,"в", получаем

$l_1=\begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix}\!,\quad l_2=\begin{pmatrix}-1\\4\\1\end{pmatrix}\!,\quad l_3=\begin{pmatrix}2\\1\\-2\end{pmatrix}\!.$

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса:

$\begin{gathered}|l_1|=\sqrt{1^2+0^2+1^2}=\sqrt{2},\quad |l_2|=\sqrt{(-1)^2+4^2+1^2}=3\sqrt{2},\quad |l_3|=\sqrt{2^2+1^2+(-2)^2}=3,\\[5pt] s_1=\frac{l_1}{|l_1|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[8pt]0\\[4pt]\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{l_2}{|l_2|}=\begin{pmatrix}-\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\\[10pt]\dfrac{4}{3\sqrt{2}}\\[9pt]\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{l_3}{|l_3|}=\begin{pmatrix}\dfrac{2}{3}\\[9pt]\dfrac{1}{3}\\[10pt]-\dfrac{2}{3}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$

6. Находим координаты $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат; решая систему уравнений (см. п.б,"а" алгоритма):

$A\cdot s+a=o$ или $\begin{cases}\phantom{-}3\cdot x+4\cdot y-4\cdot z+5=0,\\ \phantom{-}4\cdot x-7\cdot y-4\cdot z-7=0,\\ -4\cdot x-4\cdot y+3\cdot z-3=0.\end{cases}$

Получаем $x_0=1,~y_0=-1,~z_0=1$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}1&-1&1\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(1,-1,1)$ относительно исходной системы координат.

7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (см. п.7,"б" алгоритма):

– при $a_0=-8$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (4) однополостного гиперболоида:

$\begin{gathered}a^2=-\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=-\frac{81}{(-1)\cdot81}=1, \quad b^2=-\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}=-\frac{81}{(-9)\cdot81}=\frac{1}{9},\\[3pt] c^2=\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=\frac{81}{9\cdot81}=\frac{1}{9},\qquad \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=1}\end{gathered}$

– при $a_0=-9$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (6) конуса:

$\begin{gathered}a_2=\frac{1}{|\lambda_1|}=\frac{1}{|-1|}=1,\quad b_2=\frac{1}{|\lambda_2|}=\frac{1}{|-9|}=\frac{1}{9},\quad c_2=\frac{1}{|\lambda_3|}=\frac{1}{|9|}=\frac{1}{9},\\[3pt] \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=0}\end{gathered}$

– при $a_0=-10$ находим коэффициенты и каноническое уравнение (S) двуполостного гиперболоида:

$\begin{gathered}a^2=\frac{\Delta}{\lambda_1\cdot\delta}=\frac{-81}{(-1)\cdot81}=1, \quad b^2=\frac{\Delta}{\lambda_2\cdot\delta}=\frac{-81}{(-9)\cdot81}=\frac{1}{9},\\[3pt] c^2=-\frac{\Delta}{\lambda_3\cdot\delta}=-\frac{-81}{9\cdot81}=\frac{1}{9},\qquad \boxed{\frac{(x')^2}{1^2}+\frac{(y')^2}{(1/3)^2}-\frac{(z')^2}{(1/3)^2}=-1}\end{gathered}$

8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(1,-1,1)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.54).

9. Строим однополостный гиперболоид (рис.4.54,а), конус (рис.4.54,б), двуполостный гиперболоид (рис.4.54,в) в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в пункте 7.

Однополостный гиперболоид, конус, двуполостный гиперболоид в канонической системе координат

Пример 4.23. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением

$-2x^2-2y^2+4z^2-20xy-8xz+8yz-26x-22y-4z-12=0$

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

Решение

$P=\begin{pmatrix}-2&-10&-4&-13\\-10&-2&4&-11\\-4&4&4&-2\\-13&-11&-2&-12\end{pmatrix}\!,\quad A=\begin{pmatrix}-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\end{pmatrix}\!,\quad a=\begin{pmatrix}-13\\-11\\-2\end{pmatrix}\!.$

2. Вычисляем инварианты:

$\begin{gathered}\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}=-2-2+4=0, \quad \tau_2= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{22}&a_{23}\\a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}=\\[3pt] =\begin{vmatrix}\,-2&-10\\-10&-2\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,-2&-4\\-4&4\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,-2&4\\4&4\,\end{vmatrix}=-96-24-24=-144,\\[3pt] \delta=\begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\,\end{vmatrix}=0,\\[3pt] \Delta=\begin{vmatrix}\,-2&-10&-4&-13\\-10&-2&4&-11\\-4&4&4&-2\\-13&-11&-2&-12\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,24&-36&-30&-13\\12&-24&-18&-11\\0&0&0&-2\\11&-35&-26&-12\,\end{vmatrix}= (-1)^{4+3}(-2)\begin{vmatrix}\,24&-36&-30\\12&-24&-18\\11&-35&-26\,\end{vmatrix}=864.\end{gathered}$

Составляем характеристическое уравнение: $-\lambda^3+144\lambda=0$ . Его корни: $\lambda=0,~\lambda=\pm12$ .

3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\Delta=0$ , т.е. характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta>0$ , заданная поверхность — гиперболический параболоид (8).

4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_3=0$ — единственный нулевой корень; так как ненулевые корни разных знаков и $\Delta\ne0$ , то $\lambda_1=12$ , тогда $\lambda_2=-12$ .

5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3:$

для $\lambda_1=12$

$\begin{pmatrix}-2-12&-10&-4\\-10&-2-12&4\\-4&4&4-12\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=1,\\y=-1,\\z=-1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_1=\begin{pmatrix}1\\-1\\-1\end{pmatrix}\!;$

для $\lambda_2=-12$

$\begin{pmatrix}-2+12&-10&-4\\-10&-2+12&4\\-4&4&4+12\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=1,\\y=1,\\z=0,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}\!;$

для $\lambda_3=0$

$\begin{pmatrix}-2&-10&-4\\-10&-2&4\\-4&4&4\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\!\quad \Leftrightarrow\quad \begin{cases}x=-1,\\y=1,\\z=-2,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_3=\begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}\!.$

Так как $\lambda_3=0$ и корни $\lambda_1$ и $\lambda_2$ имеют разные знаки, то направление $l_3$ должно удовлетворять дополнительному условию $a^T\cdot l_3\leqslant0$ . Найденное направление $l_3$ этому условию не удовлетворяет:

$a^T\cdot l_3=\begin{pmatrix}-13&-11&-2\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}\!=6>0.$

Поэтому его нужно заменить на противоположное, положив $l_3=\begin{pmatrix}1&-1&2\end{pmatrix}^T$ .

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса:

$\begin{gathered}|l_1|=\sqrt{3},\quad|l_2|=\sqrt{2},\quad|l_3|=\sqrt{6},\\[3pt] s_1=\frac{l_1}{|l_1|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{3}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{l_2}{|l_2|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt]\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt]0\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{l_3}{|l_3|}=\begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$

6. Так как заданная поверхность (параболоид) не имеет центра, то составляем систему уравнений для нахождения координат $x_0,\,y_0,\,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат (см. п.6,"б" алгоритма). Вычисляем

$\begin{gathered}a^T\cdot s_3= \begin{pmatrix}-13&-11&-2\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!=-\sqrt{6};\quad a_{\text{pr}}= (a^T\cdot s_3)\cdot s_3= -\sqrt{6}\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{6}}\\[9pt]\dfrac{2}{\sqrt{6}}\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}-1\\[5pt]1\\[5pt]-2\end{pmatrix}\!;\\[3pt] s_1^T\cdot a= \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{3}}&-\dfrac{1}{\sqrt{3}}&-\dfrac{1}{\sqrt{3}}\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=0;\quad s_2^T\cdot a= \begin{pmatrix}\dfrac{1}{\sqrt{2}}&\dfrac{1}{\sqrt{2}}&0\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=-\frac{24}{\sqrt{2}};\\[3pt] a+a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-13\\[2pt]-11\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!+\! \begin{pmatrix}-1\\[2pt]1\\[2pt]-2\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}-14\\[2pt]-10\\[2pt]-4\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$

Решаем систему уравнений

$\begin{cases}\lambda_1\cdot s_1^T\cdot s+s_1^T\cdot a=0,\\\lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+s_2^T\cdot a=0,\\[3pt] (a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases}\Leftrightarrow\! \begin{cases}12\cdot(x_0-y_0-z_0)=0,\\[3pt] -12\cdot(x_0+y_0)-24=0,\\[3pt] -14\cdot x_0-10\cdot y_0-4\cdot z_0-12=0.\end{cases}$

Эта система имеет единственное решение $x_0=0,~y_0=-2,~z_0=2$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}0&-2&2\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(0,-2,2)$ в исходной системе координат.

Согласно п.1 замечаний 4.16, начало канонической системы координат можно найти, решая систему

$\begin{cases}A\cdot s+a_{\perp}=o,\\[3pt] (a+a_{\perp})^T\cdot s+a_0=0,\end{cases} \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}-2x_0-10y_0-4z_0-12=0,\\ -10x_0-2y_0+4z_0-12=0,\\ -4x_0+4y_0+4z_0+0=0,\\ -14x_0-10y_0-4z_0-12=0,\end{cases}$

где

$a_{\perp}=a-a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-13\\-11\\-2\end{pmatrix}- \begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}-12\\-12\\0\end{pmatrix}\!.$

7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (8) гиперболического параболоида (см. п.7,"в" алгоритма):

$a^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_1^2\cdot\tau_2}}= \sqrt{-\frac{864}{12^2\cdot(-144)}}= \frac{\sqrt{6}}{12}, \quad b^2=\sqrt{-\frac{\Delta}{\lambda_2^2\cdot\tau_2}}= \sqrt{-\frac{864}{(-12)^2\cdot(-144)}}= \frac{\sqrt{6}}{12}.$

Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид

$\frac{(x')^2}{\sqrt{6}/12}-\frac{(y')^2}{\sqrt{6}/12}=2\cdot z'.$

8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(0,-2,2)$ и ба зисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.55).

9. Строим гиперболический параболоид в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в пункте 7 (рис.4.55).

Гиперболические параболоид и цилиндр, параболический цилиндр в канонической системе координат

Пример 4.24. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением

$8\cdot y^2+4\cdot x\cdot y+2\cdot x\cdot z+4\cdot y\cdot z+4\cdot x+8\cdot y-9=0.$

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

Решение

$P=\begin{pmatrix}0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\2&4&0&-9\end{pmatrix}\!,\quad A=\begin{pmatrix}0&2&1\\2&8&2\\1&2&0\end{pmatrix}\!,\quad a=\begin{pmatrix}2\\4\\0\end{pmatrix}\!.$

2. Вычисляем инварианты: $\tau_1=a_{11}+a_{22}+a_{33}=0+8+0=8,$

$\begin{gathered}\tau_2= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}\\a_{13}&a_{33}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}0&2\\2&8\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}0&1\\1&0\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}8&2\\2&0\end{vmatrix}=-9;\\[3pt] \delta= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{12}&a_{22}&a_{23}\\a_{13}&a_{23}&a_{33}\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,0&2&1\\2&8&2\\1&2&0\,\end{vmatrix}=0;\\[3pt] \Delta= \begin{vmatrix}\,0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\2&4&0&-9\,\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}\,0&2&1&2\\2&8&2&4\\1&2&0&0\\0&0&0&-9\,\end{vmatrix}= (-1)^{4+4}(-9)\delta=0. \end{gathered}$

Так как $\Delta=\delta=0$ , то вычисляем

$\begin{aligned}\kappa_2&= \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{12}&a_1\\a_{12}&a_{22}&a_2\\a_1&a_2&a_0\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{11}&a_{13}&a_1\\a_{13}&a_{33}&a_3\\a_1&a_3&a_0\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,a_{22}&a_{23}&a_2\\a_{23}&a_{33}&a_3\\a_2&a_3&a_0\,\end{vmatrix}=\\[3pt] &=\begin{vmatrix}\,0&2&2\\2&8&4\\2&4&-9\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,0&1&2\\1&0&0\\2&0&-9\,\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}\,8&2&4\\2&0&0\\4&0&-9\,\end{vmatrix}=81. \end{aligned}$

Составляем характеристическое уравнение: $-\lambda^3+ 8\lambda^2+ 9\lambda=0$ . Его корни: $\lambda=-1,~\lambda=0,~\lambda=9$ .

3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\Delta=0$ , т.е. характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta=0$ , то поверхность цилиндрическая. Так как $\tau_2<0$ и $\kappa_2\ne0$ , то заданная поверхность — гиперболический цилиндр.

4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_3=0$ — единственный нулевой корень; так как ненулевые корни разных знаков и $\Delta=0$ , а $\kappa_2=81>0$ , то $\lambda_1=9$ , чтобы выполнялось условие $\lambda_1\cdot\kappa_2>0$ , тогда $\lambda_2=-1$ .

5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку все корни простые, то для каждого из них находим ненулевое решение однородной системы $(A-\lambda_i\cdot E)\cdot l_i=o,$ $i=1,2,3:$

для $\lambda_1=9$

$\begin{pmatrix}0-9&2&1\\2&8-9&2\\1&2&0-9\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=1,\\y=4,\\z=1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_1= \begin{pmatrix} 1\\4\\1\end{pmatrix}\!;$

для $\lambda_2=-1$

$\begin{pmatrix}0+1&2&1\\2&8+1&2\\1&2&0+1 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=-1,\\y=0,\\z=1,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}-1\\0\\1\end{pmatrix}\!;$

для $\lambda_3=0$

$\begin{pmatrix} 0&2&1\\2&8&2\\1&2&0 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\!=\! \begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\! \Leftrightarrow\quad\! \begin{cases}x=2,\\y=-1,\\z=2,\end{cases} \Leftrightarrow\quad l_3=\begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}\!.$

$a^T\cdot l_3= \begin{pmatrix}2&4&0\end{pmatrix}^T\cdot\! \begin{pmatrix}2\\-1\\2\end{pmatrix}=0.$

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса:

$\begin{gathered}|l_1|=3\sqrt{2},\quad |l_2|=\sqrt{2},\quad |l_3|=3,\\[3pt] s_1=\frac{1}{|l_1|}\cdot l_1\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{1}{3\sqrt{2}}\\[9pt] \dfrac{4}{3\sqrt{2}}\\[9pt] \dfrac{1}{3\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_2=\frac{1}{|l_2|}\cdot l_2\cdot\! \begin{pmatrix}-\dfrac{1}{\sqrt{2}}\\[9pt] 0\\[9pt] \dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}\!,\quad s_3=\frac{1}{|l_3|}\cdot l_3\cdot\! \begin{pmatrix}\dfrac{2}{3}\\[9pt] -\dfrac{1}{3}\\[9pt] \dfrac{2}{3}\end{pmatrix}\!.\end{gathered}$

6. Так как заданная поверхность (гиперболический цилиндр) не являет ся центральной (она имеет прямую центров), то достаточно найти любое решение $s=\begin{pmatrix}x_0&y_0&z_0\end{pmatrix}^T$ системы уравнений (см. п.6,"а" алгоритма):

$A\cdot s+a=o,$ или $\begin{cases}0\cdot x+2\cdot y+1\cdot z+2=0,\\ 2\cdot x+8\cdot y+2\cdot z+4=0,\\ 1\cdot x+2\cdot y+0\cdot z+0=0.\end{cases}$

Возьмем, например, решение $x_0=0,~y_0=0,~z_0=-2$ . Следовательно, вектор $\vec{s}=\overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}0&0&-2\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(0,0,-2)$ относительно исходной системы координат.

7. Вычисляем коэффициенты канонического уравнения (12) гиперболического цилиндра (см. п.7,"в" алгоритма):

$a^2=-\frac{\kappa_2}{\lambda_1\cdot\tau_2}=-\frac{81}{9\cdot(-9)}=1,\quad b^2=\frac{\kappa_2}{\lambda_2\cdot\tau_2}=\frac{81}{(-1)\cdot(-9)}=9.\quad$

Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид

$\frac{(x')^2}{1^2}-\frac{(y')^2}{3^2}=1.$

8. В координатном пространстве $Oxyz$ изображаем каноническую систему координат $O'x'y'z'$ с началом в точке $O'(0,0,-2)$ и базисными векторами $\vec{s}_1,\,\vec{s}_2,\,\vec{s}_3$ , координатные столбцы которых найдены в п.5 (рис.4.56).

9. Строим гиперболический цилиндр в канонической системе координат $O'x'y'z'$ по каноническому уравнению, найденному в п.7 (рис.4.56 см. выше).

Пример 4.25. Поверхность второго порядка задана в прямоугольной системе координат $Oxyz$ уравнением

$4\cdot x^2+y^2+9\cdot z^2+4\cdot x\cdot y-12\cdot x\cdot z-6\cdot y\cdot z+6\cdot x-2\cdot y-6\cdot z+11=0.$

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

Решение

Найти канонический вид уравнения поверхности и каноническую систему координат.

$P=\begin{pmatrix}4&2&-6&3\\ 2&1&-3&-1\\-6&-3&9&-3\\ 3&-1&-3&11 \end{pmatrix}\!,\qquad A=\begin{pmatrix}4&2&-6\\ 2&1&-3\\-6&-3&9 \end{pmatrix}\!,\qquad a=\begin{pmatrix}3&-1&-3 \end{pmatrix}\!.$

2. Вычисляем инварианты:

$\begin{aligned}&\tau_1= a_{11}+a_{22}+a_{33}= 4+1+9=14,\\[4pt] &\tau_2= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\ a_{12}&a_{22} \end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}\\ a_{13}&a_{33} \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{22}&a_{23}\\ a_{23}&a_{33} \end{vmatrix}= \begin{vmatrix} 4&2\\2&1 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}4&-6\\-6&9 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}1&-3\\-3&9\end{vmatrix}=0+0+0=0,\\[4pt] &\delta= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\ a_{12}&a_{22}&a_{23}\\ a_{13}&a_{23}&a_{33} \end{vmatrix}= \begin{vmatrix}4&2&-6\\ 2&1&-3\\-6&-3&9\end{vmatrix}=0,\\[4pt] &\Delta= \begin{vmatrix}4&2&-6&3\\ 2&1&-3&-1\\-6&-3&9&-3\\ 3&-1&-3&11\end{vmatrix}= \begin{vmatrix}0&0&0&5\\ 2&1&-3&-1\\0&0&0&-6\\ 3&-1&-3&11\end{vmatrix}= (-1)^{1+4}\cdot5\cdot \begin{vmatrix}2&1&-3\\ 0&0&0\\ 3&-1&-3\end{vmatrix}=0. \end{aligned}$

Так как $\Delta= \delta=0$ , то вычисляем семиинвариант:

$\begin{aligned}\kappa_2&= \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{1}\\ a_{12}&a_{22}&a_{2}\\ a_{1}& a_{2}&a_{0}\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{13}&a_{1}\\ a_{13}&a_{33}&a_{3}\\ a_{1}& a_{3}&a_{0} \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix} a_{22}&a_{23}&a_{2}\\ a_{23}&a_{33}&a_{3}\\ a_{2}& a_{3}&a_{0} \end{vmatrix}=\\ &=\begin{vmatrix}4&2&3\\2&1&-1\\ 3&-1&11\end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}4&-6&3\\-6&9&-3\\ 3&-3&11 \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix}1&-3&-1\\-3&9&-3\\-1&-3&11\end{vmatrix}=-25-9-36=-70. \end{aligned}$

Составляем характеристическое уравнение $-\lambda^3+14 \lambda^2=0$ .Его корни $\lambda=0$ (двойной корень) и $\lambda=14$ (простой корень).

3. По таблице 4.3 определяем, что поверхность параболического типа ( $\delta=0$ , то есть характеристическое уравнение имеет нулевой корень). Поскольку $\Delta=0$ , то поверхность цилиндрическая. Так как $\tau_2=0$ и $\kappa_2\ne0$ , то заданная поверхность - параболический цилидр.

4. Поскольку поверхность параболического типа, корни характеристического уравнения обозначим следующим образом (см. п.4,"в" алгоритма): $\lambda_1= \lambda_3=0$ - двойной нулевой корень; тогда $\lambda_2=14$ .

5. Находим взаимно ортогональные собственные направления $l_1,\,l_2,\,l_3$ , соответствующие корням $\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3$ характеристического уравнения. Поскольку $\lambda_1=\lambda_3=0$ - двойной нулевой корень (см. п.5,"г" алгоритма), то находим направление $l_2$ , соответствующее простому корню $\lambda_2=14$ , как ненулевое решение системы $(A-\lambda_2\cdot E)\cdot l_2=o\colon$

$\begin{pmatrix}4-14&2&-6\\ 2&1-14&-3\\-6&-3&9-14 \end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}0\\0\\0 \end{pmatrix}\quad \Rightarrow\quad \begin{cases}x=-2,\\ y=-1,\\ z=3,\end{cases} \Rightarrow\quad l_2=\begin{pmatrix}-2\\-1\\3\end{pmatrix}\!.$

Вычисляем $a^T\cdot l_2= \begin{pmatrix}3&-1&-3\end{pmatrix}\!\cdot\! \begin{pmatrix}-2\\-1\\3 \end{pmatrix}=-14;~ |l_2|^2=14;$

$a_{\text{pr}}= a-\frac{a^T\cdot l_2}{|l_2|^2}\cdot l_2= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3 \end{pmatrix}-\frac{-14}{14}\cdot\! \begin{pmatrix}-2\\-1\\3\end{pmatrix}= \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}\!.$

Так как $a_{\text{pr}}\ne o$ , то направление $l_1=-\tau_1\cdot a_{\text{pr}}=-14\cdot a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}-14&28&0 \end{pmatrix}^T$ . Направление $l_3$ находим, вычисляя векторное произведение

$\vec{l}_3=\vec{l}_1\times \vec{l}_2= \begin{vmatrix}\vec{i}& \vec{j}& \vec{k}\\-14&28&0\\-2&-1&3\end{vmatrix}= 84\,\vec{i}+ 42\,\vec{j}+ 70\,\vec{k}$ . Следовательно, $l_3= \begin{pmatrix}84&42&70 \end{pmatrix}^T$ .

Нормируя полученные векторы $l_1,\,l_2,\,l_3$ , определяем координатные столбцы векторов канонического базиса:

$\begin{gathered}|l_1|=14 \sqrt{5}\,,\qquad |l_2|=\sqrt{14}\,,\qquad |l_3|=14 \sqrt{70}\,,\\ s_1= \frac{l_1}{|l_1|}= \begin{pmatrix}-\dfrac{1}{\sqrt{5}}\\[9pt] \dfrac{2}{\sqrt{5}}\\[9pt]0 \end{pmatrix}\!,\qquad s_2= \frac{l_2}{|l_2|}= \begin{pmatrix}-\dfrac{2}{\sqrt{14}}\\[9pt]-\dfrac{1}{\sqrt{14}}\\[9pt] \dfrac{3}{\sqrt{14}} \end{pmatrix}\!,\qquad s_3= \frac{l_3}{|l_3|}= \begin{pmatrix}\dfrac{6}{\sqrt{70}}\\[9pt]\dfrac{3}{\sqrt{70}}\\[9pt] \dfrac{5}{\sqrt{70}} \end{pmatrix}\!. \end{gathered}$

6. Так как заданная поверхность (параболический цилиндр) не имеет центров, то составляем систему уравнений для нахождения координат $x_0,y_0,z_0$ начала $O'$ канонической системы координат (см. п.6,"б" алгоритма). Учитывая п.5, вычисляем

$a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}\!,\quad a+a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3\end{pmatrix}+ \begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix}4\\-3\\-3 \end{pmatrix}\!,\quad s_2^T\cdot a= \begin{pmatrix}-\dfrac{2}{\sqrt{14}}&-\dfrac{1}{\sqrt{14}}& \dfrac{3}{\sqrt{14}}\end{pmatrix}^T\cdot\! \begin{pmatrix}3\\-1\\-3 \end{pmatrix}=-\sqrt{14}\,.$

Решаем систему уравнений

$\left\{\! \begin{aligned}& \lambda_2\cdot s_2^T\cdot s+ s_2^T\cdot a=0,\\ &(a+ a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0, \end{aligned}\right.\quad \Leftrightarrow\quad \left\{\! \begin{aligned}&-2\cdot x_0-y_0+3\cdot z_0-1=0,\\ &4\cdot x_0-3\cdot y_0-3\cdot z_0+11=0. \end{aligned}\right.$

Эта система имеет бесконечно много решений. Возьмем, например, решение $x_0=-5,~ y_0=0,~ z_0=-3$ . Следовательно, вектор $\vec{s}= \overrightarrow{OO'}$ переноса начала координат имеет координаты $s=\begin{pmatrix}-5&0&-3\end{pmatrix}^T$ или, что то же самое, начало $O'$ канонической системы координат имеет координаты $O'(-5,0,-3)$ в исходной системе координат.

Согласно п.1 замечаний 4.16, начало канонической системы координат
можно найти, решая систему уравнений

$\left\{\! \begin{aligned}&A\cdot s+a_{\perp}=o,\\ &(a+a_{\text{pr}})^T\cdot s+a_0=0, \end{aligned}\right.~\Leftrightarrow~ \left\{\! \begin{aligned}&4\,x_0+ 2\,y_0-6\,z_0+2=0,\\ &2\,x_0+ 1\,y_0-3\,z_0+1=0,\\ &-6\,x_0-3\,y_0+9\,z_0-3=0,\\ &4\,x_0-3\,y_0-3\,z_0+11=0, \end{aligned}\right.$ , где $a_{\perp}-a_{\text{pr}}= \begin{pmatrix}3\\-1\\-3\end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1\\-2\\0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix}2\\1\\-3 \end{pmatrix}$ .

7. Вычисляем параметр канонического уравнения (14) параболического цилиндра (см. п.7,"в" алгоритма):

$p= \sqrt{-\frac{\kappa_2}{\tau_1^3}}=\sqrt{-\frac{-70}{14^3}}= \sqrt{\frac{5}{14^2}}= \frac{\sqrt{5}}{14}\,.$

Следовательно, каноническое уравнение заданной поверхности имеет вид

$(y')^2=2\cdot \frac{\sqrt{5}}{14}\cdot x'$ (рис.4.57).

8. В координатном пространстве

Приведение уравнения поверхности 2-го порядкак каноническому виду по инвариантам

Алгоритм приведения уравнения поверхности 2-го порядка к каноническому виду

Примеры приведения уравнений поверхностей к каноническому виду по инвариантам

Приведение уравнения поверхности 2-го порядка
к каноническому виду по инвариантам