Geometria II gyakorlatok

Átírás

1 Geometria II gyakorlatok Kovács Zoltán Copyright c 2011 Last Revision Date: május 8. kovacsz@nyf.hu

2 Technikai útmutató a jegyzet használatához A jegyzet képernyőbarát technikával készült, a megjelenés képernyő előtti tanuláshoz van optimalizálva. Ez elsősorban azt jelenti, hogy az olvasás során nem kell görgetni; ha a megjelenítéskor a teljes oldal opciót választjuk, akkor kényelmesen olvasható szöveget kapunk még viszonylag kis monitoron is. A szöveg belső linkeket tartalmaz. A lapok alján elhelyezett navigációs panel lehetőségeit Acrobat Reader-rel tudjuk teljes mértékben kihasználni. Ha egy link elvezet egy másik oldalra, az eredeti oldalhoz a Back gombbal tudunk visszajutni. Fontos megjegyezni, hogy R n -et gyakran beazonosítjuk R n 1 -el, azaz a pontokat, vektorokat oszlopmátrixként is felfoghatjuk, erre külön utalás általában nem történik! 2

3 1. gyakorlat 3 Tengelyes tükrözés a síkban

4 4 FELHASZNÁLT ISMERETEK tengelyes tükrözés (vektorgeometriai alak): (1) ρ l : R 2 R 2, X X 2 X P, n n, ahol P az l tengely egy tetszőleges pontja, n a tengelyre merőleges (valamelyik) egységvektor tükrözés origóra illeszkedő tengelyre (mátrix alak): (2) ρ l : R 2 R 2, X ref(α)x, ahol α a tengely irányszöge és ( cos 2α ref(α) = sin 2α ) sin 2α cos 2α tükrözés nem origóra illeszkedő egyenesre (TTT): (3) ρ l : R 2 R 2, X ref(α)(x P) + P, ahol α az egyenes irányszöge és P a tengely egy pontja. (jegyzet: 1.3)

5 AZ ALÁBBI TÍPUSFELADATOKAT KELL KÉSZSÉG SZINTEN ISMERNIE: 5 pont tükrözése egyenesre egyenes tükrözése egyenesre

6 1.1. Mintafeladat. Tükrözzük az X = (4, 5) pontot a 3x + 4y = 5 egyenletű l egyenesre! 1. Megoldás. A feladatot először egyszerű középiskolás eszközökkel oldjuk meg. l egy irányvektora v = ( 4, 3). A tükörkép legyen X = (x, y ). Az XX szakasz M = ( 4+x, 5+y ) felezőpontja illeszkedik l-re, tehát M 2 2 koordinátái kielégítik l egyenletét: (4) x y = 5 = 3x + 4y = (X X ) v azaz X X, v = 0. X X = (4 x, 5 y ), tehát (5) 4(4 x ) + 3(5 y ) = 0 = 4x 3y = 1. Az (4) és (5) egyenletekből álló egyenletrendszert (pl. a Cramer-szabály szerint) megoldva: x 42 4 = 1 3 / = y 3 42 = 4 1 / = Back Doc Doc 6

7 1.2. Mintafeladat. Tükrözzük az X = (4, 5) pontot a 3x + 4y = 5 egyenletű l egyenesre! 2. Megoldás. A feladatot most a tengelyes tükrözés vektorgeometriai alakja, azaz az (6) X = X 2 X P, n n formula alapján oldjuk meg, ld. (1). A tengelyen egy pontot úgy kaphatunk, hogy a tengely egyenletében x vagy y helyére beírunk egy számot és a másik koordinátát kifejezzük. Pl. x = 1 esetén y = 2, így P = (1, 2), X P = (3, 7) l egy normálvektora n = (3, 4). n = = 5, tehát l egyik egységnyi hosszúságú normálvektora n = (3/5, 4/5). Így X P, n = = Koordinátánként behelyettesítve (6)-ba: x = = y = = Back Doc Doc 7

8 1.3. Mintafeladat. Tükrözzük az X = (4, 5) pontot a 3x + 4y = 0 egyenesre! Megoldás. Mivel a tengely átmegy az origón, ezért a (2) mátrix alak is használható: Először meghatározzuk a tengely irányszögét: 8 Az ábra alapján sin α = 3/5, cos α = 4/5, így sin 2α = 2 sin α cos α = 24/25, cos 2α = cos 2 α sin 2 α = 7/25. Behelyettesítve (2)-be x = = y = = Back Doc Doc

9 1.4. Mintafeladat. Tükrözzük az X = (4, 5) pontot a 3x + 4y = 5 egyenletű l egyenesre! 9 3. Megoldás. Az 1.4 mintafeladatot most (3) alapján (TTT szabály) oldjuk meg. Az egyenessel párhuzamos, de az origón áthaladó egyenes egyenlete 3x + 4y = 0. Ez megegyezik az előző feladatban szereplő egyenessel, így a ref(α) mátrixot ismerjük, a tengely egy pontja P = (1, 2), X P = (3, 7). A TTT formula szerint: ( x y ) = ( 7/25 24/25 24/25 7/25 ) ( 3 7 ) + ( 1 2 ) = ( 122/25 171/25 ).

10 1.5. Mintafeladat. Tükrözzük a 4x + 3y = 2 egyenletű e egyenesre az y = 2x + 1 egyenletű f egyenest! 10 Megoldás. Az inverz leképezés elve: X ρ e (f ) ρ 1 e (X) f. Tengelyes tükrözésre ρ 1 e = ρ e, tehát X ρ e (f ) ρ e (X) f. Az előző mintafeladatok valamelyike alapján kiszámítjuk ρ e leképezés analitikus szabályát. Ez azt jelenti, hogy nem egy konkrét pont, hanem az általános X = (x, y) pont tükörképét számítjuk ki. Ha ez a lépés nem megy önállóan (de csak akkor), ugorjunk a következő oldalra. Az eredmény x 7x 24y + 16 = 25 y 24x + 7y + 12 =. 25 Az inverz leképezés elve alapján (x, y ) kielégíti f egyenletét: 24x + 7y + 12 = 2 25 rendezve kapjuk a végeredményt: 7x 24y x + 55y = ,

11 Útmutatás. A 4x + 3y = 2 egyenesre történő tükrözés analitikus szabályát mindhárom tanult módszer alapján kiszámíthatjuk. Itt a vektorgeometriai formulát követjük. Az egyenes egyik normálvektora (4, 3), ennek hossza 5, így az egyenesre merőleges egyik egységvektor n = (4/5, 3/5). Egy egyenesre illeszkedő pont pl. P = (2, 2). Az (1) vektorgeometriai alakba helyettesítünk be. X P, n = 4 5 (x 2) + 3 4x + 3y 2 (y + 2) =, 5 5 így (koordinátánként behelyettesítve): x 4x + 3y 2 = x 2 5 y = y 2 4x + 3y = 7x 24y x + 7y + 12 =

12 2. gyakorlat 12 Forgatás a síkban

13 13 FELHASZNÁLT ISMERETEK elforgatás az origó körül (mátrix alak): (7) σ α : R 2 R 2, X rot(α)x, ahol α a forgatás szöge és ( cos α rot(α) = sin α ) sin α cos α elforgatás tetszőleges pon körül (TFT): (8) σ (C,α) : R 2 R 2, X rot(α)(x C) + C, ahol C a forgatás középpontja és α a forgatás szöge (jegyzet: 1.3)

14 AZ ALÁBBI TÍPUSFELADATOKAT KELL KÉSZSÉG SZINTEN ISMERNIE: 14 pont elforgatása pont (speciálisan az origó) körül a síkban egyenes elforgatása pont körül a síkban valódi elforgatás centrumának megkeresése

15 2.1. Mintafeladat. Forgassuk el az X = ( 2, 1) pontot az origó körül α = π/3 szöggel! 15 Bizonyítás. Mivel a forgatás középpontja az origó, elegendő a (7) képletbe behelyettesíteni: ( ) ( ) ( ) x cos π sin π 2 = y 3 3 sin π cos π x = cos π 3 ( 2) sin π 3 1 = y = sin π 3 ( 2) + cos π 3 1 =

16 2.2. Mintafeladat. Forgassuk el az X = ( 2, 1) pontot a C = (1, 1) pont körül α = π/3 szöggel! 16 Megoldás. A (8) TFT szabályt alkalmazzuk. X C = ( 3, 0). ( ) ( ) ( ) ( ) x cos π sin π 3 1 = y 3 3 sin π cos π +, x = ( 3) = y = 2 ( 3) =

17 2.3. Mintafeladat. Forgassuk el a 3x + 2y = 1 egyenletű l egyenest a C = (1, 1) pont körül α = π/3 szöggel! 17 Megoldás. Az inverz leképezés elvét alkalmazzuk: X σ (C,α) (l) σ 1 (C,α) (X) l. Mivel σ 1 (C,α) = σ (C, α), így a σ 1 (C,α) leképezés analitikus szabálya: ( ) ( x cos ( ) π sin ( ) ) ( ) ( ) π = y 3 3 sin ( ) π cos ( x 1 1 ) π +, y x = (x 1) + 2 (y 1) + 1 = x + 2 y y = 2 (x 1) (y 1) + 1 = 2 2 x y (x, y ) kielégíti a 3x + 2y = 1 egyenletet: ( x + 2 y + 1 ) ( x y ) 3 = 1. 2 Hozzuk az eredményt egyszerűbb alakra!

18 2.4. Mintafeladat. Legyen F(X) = rot(α)x + b, ahol α = π/6, b = (2, 1). F egy forgatás. Határozzuk meg a centrumát! 18 Megoldás. Az F leképezés fixpontját keressük, azaz olyan X pontot, melyre F(X) = X: ( ) ( ) ( ) ( ) x cos π sin π x 2 = 6 6 y sin π cos π + y A mátrix műveleteket elvégezve az alábbi lineáris egyenletrendszert kapjuk: (2 3)x + y = 4 x + (2 3)y = 2. Az egyenletrendszer megoldása 3 x = 2, y = ( 3 Tehát a centrum C =, ).

19 3. gyakorlat 19 Affin transzformációk a síkban

20 20 FELHASZNÁLT ISMERETEK affin transzformáció mátrix alakja: A GL(2) (a transzformáció lineáris része), b R 2 (az eltoló vektor), F : R 2 R 2, X AX + b speciális affin ( transzformációk: ) A O(2): izometria a ±b A =, (det A 0): hasonlóság b a egyenes képe: A P + L(v) egyenes képe F(P) + L(Av) az affin transzformáció fixpontjai: az (9) (A I)X = b inhomogén lineáris egyenletrendszer megoldás halmaza az affin transzformáció inverze: (10) X A 1 X A 1 b alaptétel: Háromszög és képe az affin transzformációt egyértelműen meghatározza.

21 AZ ALÁBBI TÍPUSFELADATOKAT KELL KÉSZSÉG SZINTEN ISMERNIE: 21 izometria, hasonlóság felismerése affin transzformáció mátrix alakjából pont képének meghatározása a transzformáció fixpontjainak meghatározása a transzformáció fixegyeneseinek meghatározása (*) a transzformáció inverzének meghatározása egyenes (alakzat) képének meghatározása affin transzformáció analitikus felírása, ha ismert egy háromszög és a képe

22 Az affin transzformáció algebrai megadására többféle, egymással ekvivalens formát alkalmazhatunk: 1. megadjuk transzformáció lineáris részét és eltoló vektorát: ( ) a b GL(2), (e, f ) R 2 ; c d 2. megadjuk a transzformáció analitikus szabályát: x = ax + by + e, y = cx + dy + f ; 3. megadjuk a transzformáció homogén reprezentációját: a b e c d f GL(3)

23 3.1. Mintafeladat. Legyen F : R 2 R 2, X F(X), ( ) ( ) F(X) = X F affin transzformáció-e? 2. F izometria-e? 3. Határozzuk meg az (4, 2) pont képét! 23 Megoldás. 1. A transzformáció lineáris része ( ) 4 1 A =. 2 1 det A = 2 0, tehát az F leképezés affin leképezés. 2. A nem ortogonális mátrix, tehát F nem izometria. (Miért? Ha önállóan nem tudja a választ, akkor a következő oldalon találja az útmutatást.) 3. ( ) ( ) ( ) ( ) =

24 Útmutatás. Egy ortogonális mátrix determinánsa szükségképpen ±1. Így azt, hogy A nem ortogonális mátrix, már onnan is látjuk, hogy determinánsa 2. Az előbbi állítás visszafele nem igaz, egy ±1 determinánsú mátrix nem feltétlenül ortogonális mátrix. Másik megoldásként kiszámíthatjuk A inverzét, A 1 = 1 2 ( ) A t. Innen ismét látjuk, hogy A nem ortogonális mátrix. 24

25 3.2. Mintafeladat. Legyen F : R 2 R 2, X F(X), ( ) ( ) F(x) = X Határozzuk meg a transzformáció fixpontjait! 25 Megoldás. Olyan (x, y) pontokat keresünk, amelyre ( ) ( ) ( ) ( ) 4 1 x 2 x + =. 2 1 y 1 y Azaz a fixpontok komponensei kielégítik az ( ) ( ) ( ) 3 1 x 2 = 2 0 y 1 inhomogén lineáris egyenletrendszert. (Ez nem más, mint a (9) egyenletrendszer. Jelen esetben ez az egyenletrendszer megoldható és a megoldás egyértelmű: x = 1 2, y = 7 2 azaz a transzformáció egyetlen fixpontja (1/2, 7/2).

26 3.3. Mintafeladat. Legyen x = 2x + 4y + 2 y = 3x 3y 2 Határozzuk meg a transzformáció fixpontjait! 26 Megoldás. Olyan (x, y) pontokat keresünk, amelyre Azaz x = 2x + 4y + 2 y = 3x 3y 2. 3x 4y = 2 3x + 4y = 2. A két egyenlet arányos, azaz (pl.) a második egyenlet elhagyható, így a fixpontok (és csakis azok) kielégítik a egyenletet. 3x 4y = 2

27 3.4. Mintafeladat. Legyen F : R 2 R 2, X F(X), ( ) ( ) F(x) = X Határozzuk meg a transzformáció inverzét! 27 Megoldás. A (10) képletbe helyettesítünk be: ( ) ( A 1 1/2 1/2 =, A 1 1/2 1/2 b = Tehát az inverz transzformáció: ( ) ( x 1/2 1/2 y 1 2 ) ( ) x y ) ( ) 2 1 ( ) 3/2 =. 4 ( ) 3/2 +. 4

28 3.5. Mintafeladat. Legyen F : R 2 R 2, X F(X), ( ) ( ) F(x) = X Határozzuk meg az y = 2x + 1 egyenes képét! 28 Megoldás. Az inverz leképezés elvét alkalmazzuk: X F(e) F 1 (X) e. Az előző feladat alapján X = (x, y) ősképe x = 1 2 x 1 2 y 3 2 y = x + 2y + 4. Az inverz leképezés elve szerint (x, y ) kielégíti az y = 2x+1 egyenletet, azaz ( 1 x + 2y + 4 = 2 2 x 1 2 y 3 ) Rendezve a 2x 3y = 6 egyenletet kapjuk.

29 3.6. Mintafeladat (*). Legyen F : R 2 R 2, X F(X), ( ) ( ) F(x) = X Határozzuk meg a transzformáció fixegyeneseit. 29 Megoldás. ( Az X) 0 +L(v) fixegyenes v irányvektora a lineáris rész sajátvektora. A =, A karakterisztikus egyenlete (1 λ) 2 4 = 0; a saját értékek λ 1 = 3, λ 2 = 1; a hozzájuk tartozó egy-egy sajátvektor v 1 = (1, 1), v 2 = (1, 1). (F(X 0 ) X 0 ) v. Ha X 0 = (x, y), akkor F(X 0 ) X 0 = (2y + 1, 2x 1). v 1 = (1, 1) esetén azt kapjuk, hogy 2y + 1 = 2x 1, azaz y = x 1, ez az egyik fixegyenes egyenlete. v 2 = (1, 1) esetén azt kapjuk, hogy 2y + 1 = 2x + 1, azaz y = x, ez a másik fixegyenes egyenlete. A 3.5. mintafeladat alapján ellenőrizzük, hogy ezeknek az egyeneseknek a képe valóban önmaga.

30 30 1 a Mintafeladat (*). Határozzuk meg a GL(3), a 0 homogén reprezentánsú affin transzformáció fixelemeit! (Nyírás.) Megoldás. A fixpontok a ( ) 0 a alapmátrixú homogén lineáris egyenletrendszer (azaz ay = 0) megoldásai. Innen y = 0, x R, azaz a fixpontok halmaza az x-tengely. Ez egyben azt is jelenti, hogy az x-tengely fixegyenes (ráadásul pontonként fix). A fixegyenesek irányvektorai a lineáris rész sajátvektorai. A sajátértékek a 1 λ a 0 1 λ = 0 = (1 λ)2 = 0 karakterisztikus egyenlet megoldásai, azaz λ 1 = λ 2 = 1. Az ehhez tartozó sajátalteret (1, 0) generálja. (F(X 0 ) X 0 ) v. Legyen X 0 = (x, y), ekkor F(X 0 ) X 0 = (ay, 0). Ez a vektor mindig párhuzamos az (1, 0) vektorral, azaz minden olyan egyenes, amely párhuzamos az x tengellyel, fixegyenes.

31 31 1 a Mintafeladat (*). Határozzuk meg a 0 b 0 GL(3), a 0, b 0, b 1 homogén reprezentánsú affin transzformáció fixelemeit! (Ferde affinitás.) Megoldás. A fixpontokat az ay = 0, (b 1)y = 0 egyenletrendszer megoldáshalmaza, azaz y = 0 adja. A fixpontok halmaza tehát az x-tengely. A lineáris rész karakterisztikus egyenlete (1 λ)(b λ) = 0, a sajátértékek λ 1 = 1 és λ 2 = b. A λ 1 = 1 sajátértékhez tartozó invariáns alteret (1, 0) generálja. A korábban már megismert módszer szerint ez az y = 0 egyenest adja fixegyenesnek. (Erről tudjuk, hogy pontonként fix.) A λ 2 = b sajátértékhez tartozó invariáns alteret (a, b 1) generálja. Ha a fixegyenes egy pontja X 0 = (x, y), akkor F(X 0 ) X 0 = (ay, (b 1)y) = y(a, b 1), amely tetszőleges y-ra páruzamos az (a, b 1) vektorral. Így minden (a, b 1) irányvektorú egyenes fixegyenes.

32 3.9. Mintafeladat. Határozzuk meg az x 2 + y 2 = 1 egyenletű k kör képét a b 0 GL(3), b 1 homogén reprezentánsú merőleges affinitásnál Megoldás. A transzformáció lineáris része A = 32 ( ) 1 0. Az inverz leké- 0 b pezés elvét ( alkalmazzuk: ) P k F 1 (P) = A 1 P k. A =, A 1 (x, y) t = (x, y/b), így a képalakzat egyenlete 0 1/b x 2 + y 2 /b 2 = 1. Ez egy ellipszis egyenlete, nagytengelye 1, kistengelye b.

33 3.10. Mintafeladat. Írjuk föl azt az affin transzformációt, amely az O = (0, 0), E 1 = (1, 0), E 2 = (0, 1) pontokat rendre a P, Q, R pontokba viszi, ahol (P, Q, R) nem kollineárisak! Legyen P = (3, 2), Q = (5, 8), R = (7, 3). ( a Megoldás. Legyen a keresett F transzformáció lineáris része A = c az eltoló vektor (e, f ). A feltétel szerint: P = F(0, 0) = (e, f ) = (e, f ) = P, Q = F(1, 0) = (a, c) + (e, f ) = (a, c) = Q P, R = F(0, 1) = (b, d) + (e, f ) = (b, d) = R P. A konkrét adatokkal: (e, f ) = (3, 2), (a, c) = (5, 8) (3, 2) = (2, 6), (b, d) = (7, 3) (3, 2) = (4, 1). 33 ) b, d Így a transzformáció: x = 2x + 4y + 3, y = 6x + y + 2. (A feladatba való visszahelyettesítéssel ellenőrizzünk!) Back Doc Doc

34 3.11. Mintafeladat. Írjuk föl azt az affin transzformációt, amely a P, Q, R pontokat rendre a P, Q, R pontokba viszi! 34 Megoldás. A megoldás algoritmusa: 1. F 1 : (O, E 1, E 2 ) (P, Q, R) az előző mintafeladat alapján 2. F 2 : (O, E 1, E 2 ) (P, Q, R ) az előző mintafeladat alapján 3. F 1 1 a 3.4. mintafeladat alapján 4. F 2 F 1 1 adja a keresett transzformációt. Back Doc Doc

35 3.12. Mintafeladat. Írjuk föl azt az affin transzformációt, amely a (2, 3), (1, 6), (3, 1) pontokat rendre a (1, 2), (2, 1), ( 3, 5) pontokba viszi! Megoldás. A mintafeladat algoritmusát követjük. Az algoritmus első három lépése korábban már előfordult feladatokban, itt csak végeredményt adunk meg F 1 (X) = ( ) ( ) X ( ) ( ) F 2 (X) = X ( 1 (X) = 4 3 F 1 ) ( ) 1 11 X ( ) ( ) F 2 F 1 1 (X) = X Az utolsó lépéshez útmutatást talál a következő oldalon. 35

36 Útmutatás. F = F 2 F 1 1 (( (X) = ) ( )) = F 2 X + = ( ) (( ) ( )) = X ( ) ( ) ( = X ( ) ( ) = X ( ) 1 + = 2 ) = 36

37 4. gyakorlat 37 Számolás homogén koordinátákkal

38 AZ ALÁBBI TÍPUSFELADATOKAT KELL KÉSZSÉG SZINTEN ISMERNIE: 38 A homogén koordináták módszerével az alábbi problémák megoldása: két pontra illeszkedő egyenes egyenlete két egyenes metszéspontja egyenes végtelen távoli pontjának meghatározása adott ponton keresztül adott egyenessel (affin) párhuzamos egyenes egyenlete eldönteni, hogy három pont kollineáris-e eldönteni, hogy három egyenes egy pontra illeszkedik-e

39 4.1. Mintafeladat. Írjuk fel a 1. P = (1, 3), Q = ( 1, 2) 2. P = [ 1, 2, 0], Q = ( 1, 2) 3. P = [2, 4, 2], Q = [1, 0, 1] pontokra illeszkedő egyenes egyenletét a homogén koordináták módszerével. Ahol szükséges, ott az alaphalmaz a Descartes-sík projektív lezártja. 39 Megoldás. 1. P = [1, 3, 1], Q = [ 1, 2, 1], így a keresett [u] egyenesre e 1 e 2 e 3 u = = ( 5, 2, 1) Tehát a keresett egyenes egyenlete 5x + 2y + 1 = A feladatnak csak a Descartes-sík projekív lezártján van értelme. u = (2, 1, 0), az egyenlet 2x + y = x = 1.

40 4.2. Mintafeladat. Határozzuk meg az 1. x + 2y 3 = 0, 2x + 4y 3 = 0 2. x 1 + 2x 2 3x 3 = 0, x + y + 1 = 0 3. [1, 1, 1], [0, 0, 1] egyenesek metszéspontját a homogén koordináták módszerével. Ahol szükséges, ott az alaphalmaz a Descartes-sík projektív lezártja. Megoldás. 1. A keresett metszéspont homogén koordinátáira e 1 e 2 e = (6, 3, 0), azaz a két egyenes a Descartes-sík projektív lezártján a [2, 1, 0] végtelen távoli pontban metszi egymást. (Az egyenesek a Descartes-síkon párhuzamosak.) 2. A metszéspont [5, 4, 1] = ( 5, 4). 3. [1, 1, 0] (Mivel a második egyenes a végtelen távoli egyenes, ezért azt is mondhatjuk, hogy az x + y + 1 = 0 egyenes végtelen távoli pontja [1, 1, 0]). 40

41 4.3. Mintafeladat. Határozzuk meg a P = (2, 1) pontra illeszkedő, és a x + 2y 3 = 0 egyenletű e egyenessel párhuzamos egyenes egyenletét! 41 Megoldás. A P pont nem illeszkedik a megadott egyenesre. A koordinátasík projektív lezártján a feladatot úgy fogalmazhatjuk át, hogy az e egyenes végtelen távoli pontját kössük össze a megadott ponttal. e homogén koordinátái [1, 2, 3], e végtelen távoli pontjának koordinátáit jelölje [x 1, x 2, 0]. Az illeszkedési feltétel x 1 + 2x 2 = 0. Az egyenlet egy nem triviális megoldása ( 2, 1), így az e végtelen távoli pontja U = [ 2, 1, 0]. U-t a P-vel összekötő egyenest a tanult módon határozzuk meg: e 1 e 2 e = ( 1, 2, 4), azaz a keresett egyenlet x + 2y 4 = 0. Ellenőrizzük a megoldás!

42 4.4. Mintafeladat. Határozzuk meg az x+2y 3 = 0 és 2x+4y 3 = 0 egyenletű egyenesek metszéspontját az origóval összekötő egyenes egyenletét! 42 Megoldás. A megadott két egyenes párhuzamos, így a feladatot a Descartessík projektív lezártján értelmezzük. A két egyenes metszéspontja a 4.2. feladat alapján [2, 1, 0], tehát e keresett egyenes homogén koordinátái e 1 e 2 e = ( 1, 2, 0) Így az egyenes egyenlete x + 2y = 0. Ellenőrzés. A három egyenes valóban egy ponra illeszkedik, mert =

43 4.5. Mintafeladat. Határozzuk meg α értékét úgy, hogy a (2, 1), [1, 1, 0], [1, 0, α] pontok kollineárisak legyenek. 43 Megoldás. A kollinearitás feltétele homogén koordinátákkal = 0 = α = α

44 5. gyakorlat 44 Másodrendű görbék projektív geometriája

45 AZ ALÁBBI TÍPUSFELADATOKAT KELL KÉSZSÉG SZINTEN ISMERNIE: 45 másodrendű görbe projektív osztályának meghatározása másodrendű görbe végtelen távoli pontjának meghatározása érintő, speciálisan aszimptota egyenletének felírása a görbe valamely pontjában érintőpár egyenletének felírása külső pontból

46 46 FELHASZNÁLT ISMERETEK valós szimmetrikus mátrix normál formája: diag(1,..., 1, 1,..., 1, 0,..., 0). Elemi sor- és a megfelelő oszlopátalakításokkal érhető el a normál forma. érintő a görbe pontjában: Az x t Mx = 0 másodrendű görbe (amely nem egyenes vagy egyenespár) érintője a [p] pontjában p t Mx = 0. pontból húzott érintőpár: Az x t Mx = 0 másodrendű görbe (amely nem egyenes vagy egyenespár) [p] pontból húzott érintőpárjának egyenlete (p t Mx) 2 = (x t Mx) (p t Mx).

47 5.1. Mintafeladat. Határozzuk meg, melyik projektív osztályba tartozik az alábbi másodrendű görbe: 3x 2 4xy 2y 3 + 3x 12y 7 47 Megoldás. A görbe mátrixa 3 2 3/ /2 6 7 Elemi sor- és a megfelelő oszlopátalakításokkal: 3 0 3/ / / /3 0 3/ / /4 A görbe mátrixának normál formája diag(1, 1, 1), azaz a görbe valós körrel projektív ekvivalens.

48 5.2. Mintafeladat. Keressük meg a 2x 2 + xy 3 = 0 másodrendű görbe végtelen távoli pontjait! 48 Megoldás. A görbe egyenlete homogén koordinátákkal: ( ) 2 ( ) ( ) x1 x1 x = 0. x 3 x3 2 -el szorozva mindkét oldalt: A görbe végtelen távoli pontjára x 3 x 3 2x x 1 x 2 3x 2 3 = 0. x 1 (2x 1 + x 2 ) = 0, x 3 = 0 következik. Ennek az egyenletrendszernek (nem triviális) megoldásai [0, 1, 0] vagy [1, 2, 0].

49 5.3. Mintafeladat. Írjuk föl a 3x xy + 3y 2 2x 14y 13 = 0 görbe aszimptotáinak egyenletét! Megoldás. A görbe mátrixa: A görbe végtelen távoli pontjait a 3x x 1x 2 + 3x2 2 = 0 egyenlet (mely x 1 /x 2 -re másodfokú) megoldásaiként kapjuk. Az egyenlet nem triviális megoldásai 1 x x 2 = 1 és x 1 3 x 2 = 3, így a görbe végtelen távoli pontjai [ 1, 3, 0] és [ 3, 1, 0]. Az aszimptoták egyenlete: x ( 1, 3, 0) y = 0 = 6x + 2y 10 = x ( 3, 1, 0) y = 0 = 2x + 6y + 2 =

50 5.4. Mintafeladat. Írjuk föl az x 2 + 2y 2 = 1 ellipszis (1, 1) pontra illeszkedő érintőpárjának egyenletét! Megoldás. A görbe mátrixa: M = (x, y, 1)M 1 = x + 2y 1, (1, 1, 1)M 1 = 2, 1 1 Így az érintőpár egyenlete: Rendezve és faktorizálva: (x + 2y 1) 2 = (x 2 + 2y 2 1) 2. (x 1)(x 4y + 3) = 0, azaz az érintők egyenlete x = 1, x 4y + 3 = 0. 50