Как найти точку пересечения прямых заданных уравнениями. П.6.3.Как найти точку пересечения двух прямых

Комментариев 11

Задача

Найти точку пересечения двух прямых отложенных от двух точек с известными координатами и азимутов от этих точек.

Применение

Для изучения поведения животных часто используют радиотелеметрический метод: исследуемый объект помечается радиопередатчиком, который испускает радиосигнал определенной частоты и далее исследователь при помощи приемника и принимающей антенны следит за перемещениями этого объекта. Одним из возможных способов определения точного местоположения объекта является метод биангуляции. Для этого исследователю требуется взять 2 азимута на исследуемый объект с точек с известными координатами. Местоположение объекта будет соответствовать точке пересечения этих двух азимутов. Координаты точек, с которых засекаются азимуты можно снять с помощью спутникового навигатора (GPS), либо азимуты снимаются с реперных точек, координаты которых известны заранее. Азимут в этом случае – направление на источник наиболее сильного сигнала, исходящего от меченного передатчиком объекта, измеряемое обычно в градусах.

Перед расчетами необходимо точки полученные с помощью GPS перевести в спроецированную систему координат, например соответствующую зону UTM, это можно сделать с помощью DNRGarmin .

Для того чтобы рассчитанное местоположение исследуемого объекта наиболее точно соответствовало реальному положению нужно учитывать следующее:

1) необходимо стараться дождаться момента, чтобы ошибка определения координат в навигаторе была как можно меньше.

2) чтобы угол между азимутами стремился к 90 градусам (по крайней мере, был больше 30 и меньше 150 градусов).

Расстояние, с которого следует снимать азимут, зависит от дальности действия передатчика, при этом применяется эмпирическое правило, что погрешность в определении азимута увеличивается на 1 метр с удалением от исследуемого объекта на каждые 10 м. Т.о. при снятии азимута с расстоянием до объекта 100 м погрешность составит 10 м. Однако, это правило применимо на ровной открытой местности. Следует учитывать, что неровности рельефа и древесно-кустарниковая растительность экранируют и отражают сигнал. Следует избегать нахождения в непосредственной близости от исследуемого объекта, т.к. во-первых, слишком сильный сигнал затруднит определение точного азимута, а, во-вторых, в некоторых случаях будет невозможно рассчитать точку пересечения из-за того, что второй азимут будет проходить за точкой снятия первого азимута. Временной интервал между снятием пары азимутов должен быть минимизирован, но, конечно, зависит от подвижности исследуемого животного.

Решение

Задача решается с помощью простейшей геометрии и решения системы уравнений.
Для начала из точки и азимута получаем уравнение прямой, для этого:

Из уравнения общего вида:

ax + by + c = 0

при условии, что b<>0 получаем

y = kx + d , где k=-(a/b) , d=-(c/b)

таким образом, получаем

k=tan(a)
d=y-tan(a)*x
b=1

k1x + d1 = y
k2x + d2 = y

Получаем координаты X и Y общей точки двух прямых (точки пересечения).

В уравнении необходимо предусмотреть два особых случая, когда прямые параллельны (k1=k2).

Так как мы имеем дело не с векторами и не с лучами, то есть у линий нет начала и конца, то так же необходимо предусмотреть случай пересечения прямых вне области интереса, т.н. ложное пересечение. Решение этой задачи достигается измерением азимута из ложной точки a3 на точку 2, если азимут a3 = a2, то пересечение ложное, обратный азимут от полученной точки обратно на исходные 2 не должен быть равен одному из исходных азимутов.

Необходимая процедура на языке Avenue выглядит так:

a1rad = (90-a1)*pi/180
a2rad = (90-a2)*pi/180 "в случае если линия параллельна оси абсцисс
if ((a1 = 0) or (a1 = 180)) then
l1a = 1
l1b = 0
l1c = x1
else
l1a = -(a1rad.tan)
l1b = 1
l1c = y1 - (a1rad.tan*x1)
end
if ((a2 = 0) or (a2 = 180)) then
l2a = 1
l2b = 0
l2c = x2
else
l2a = -(a2rad.tan)
l2b = 1
l2c = y2 - (a2rad.tan*x2)
end
D1 = l1a*l2b
D2 = l2a*l1b
D3 = D1 - D2
"Если линии параллельны, в поле результата записываются несуществующие значения
if (D3 = 0) then
resX = 9999
resY = 9999
else resX = ((l1c*l2b) - (l2c*l1b))/D3
resY = ((l1a*l2c) - (l2a*l1c))/D3 end

Чтобы найти координаты точки пересечения графиков функций нужно приравнять обе функции друг к другу, перенести в левую часть все члена, содержащие $ x $, а в правую остальные и найти корни, полученного уравнения.
Второй способ заключается в том, что нужно составить систему уравнений и решить её путём подстановки одной функции в другую
Третий способ подразумевает графическое построение функций и визуальное определение точки пересечения.

Случай двух линейных функций

Рассмотрим две линейные функции $ f(x) = k_1 x+m_1 $ и $ g(x) = k_2 x + m_2 $. Эти функции называются прямыми. Построить их достаточно легко, нужно взять любые два значения $ x_1 $ и $ x_2 $ и найти $ f(x_1) $ и $ (x_2) $. Затем повторить тоже самое и с функцией $ g(x) $. Далее визуально найти координату точки пересечения графиков функций.

Следует знать, что линейные функции имеют только одну точку пересечения и только тогда, когда $ k_1 \neq k_2 $. Иначе, в случае $ k_1=k_2 $ функции параллельны друг другу, так как $ k $ - это коэффициент угла наклона. Если $ k_1 \neq k_2 $, но $ m_1=m_2 $, тогда точкой пересечения будет $ M(0;m) $. Это правило желательно запомнить для ускоренного решения задач.

Пример 1
Пусть даны $ f(x) = 2x-5 $ и $ g(x)=x+3 $. Найти координаты точки пересечения графиков функций.
Решение
Как это сделать? Так как представлены две линейные функции, то первым делом смотрим на коэффициент угла наклона обеих функций $ k_1 = 2 $ и $ k_2 = 1 $. Замечаем, что $ k_1 \neq k_2 $, поэтому существует одна точка пересечения. Найдём её с помощью уравнения $ f(x)=g(x) $: $$ 2x-5 = x+3 $$ Переносим слагаемые с $ x $ в левую часть, а остальные в правую: $$ 2x - x = 3+5 $$ Получили $ x=8 $ абциссу точки пересечения графиков, а теперь найдём ординату. Для этого подставим $ x = 8 $ в любое из уравнений хоть в $ f(x) $, либо в $ g(x) $: $$ f(8) = 2\cdot 8 - 5 = 16 - 5 = 11 $$ Итак, $ M (8;11) $ - является точкой пересечения графиков двух линейных функций. Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя!
Ответ
$$ M (8;11) $$

Случай двух нелинейных функций

Пример 3
Найти координаты точки пересечения графиков функций: $ f(x)=x^2-2x+1 $ и $ g(x)=x^2+1 $
Решение
Как быть с двумя нелинейными функциями? Алгоритм простой: приравниваем уравнения друг к другу и находим корни: $$ x^2-2x+1=x^2+1 $$ Разносим по разным сторонам уравнения члены с $ x $ и без него: $$ x^2-2x-x^2=1-1 $$ Найдена абцисса искомой точки, но её недостаточно. Ещё нехватает ординаты $ y $. Подставляем $ x = 0 $ в любое из двух уравнений условия задачи. Например: $$ f(0)=0^2-2\cdot 0 + 1 = 1 $$ $ M (0;1) $ - точка пересечения графиков функций
Ответ
$$ M (0;1) $$

Пусть даны две прямые и требуется найти их точку пересечения. Так как эта точка принадлежит каждой из двух данных прямых, то ее координаты должны удовлетворять как уравнению первой прямой, так и уравнению второй прямой.

Таким образом, для того чтобы найти координаты точки пересечения двух прямых, следует решить систему уравнений

Пример 1. Найти точку пересечения прямых и

Решение. Координаты искомой точки пересечения мы найдем, решив систему уравнений

Точка пересечения М имеет координаты

Покажем, как построить прямую по ее уравнению. Для построения прямой достаточно знать две ее точки. Чтобы построить каждую из этих точек, мы задаемся произвольным значением одной из ее координат, а затем из уравнения находим соответствующее значение другой координаты.

Если в общем уравнении прямой оба коэффициента при текущих координатах не равны нулю , то для построения этой прямой лучше всего находить точки ее пересечения с осями координат.

Пример 2. Построить прямую .

Решение. Находим точку пересечения данной прямой с осью абсцисс. Для этого решаем совместно их уравнения:

и получаем . Таким образом, найдена точка М (3; 0) пересечения данной прямой с осью абсцисс (рис. 40).

Решая затем совместно уравнение данной прямой и уравнение оси ординат

мы находим точку пересечения прямой с осью ординат. Наконец, строим прямую по ее двум точкам М и

Если две прямые не параллельны, то они неукоснительно пересекутся в одной точке. Обнаружить координаты точки пересечения 2-х прямых дозволено как графическим, так и арифметическим методом, в зависимости от того, какие данные предоставляет задача.

Вам понадобится

– две прямые на чертеже;
– уравнения 2-х прямых.

Инструкция

1. Если прямые теснее начерчены на графике, обнаружьте решение графическим методом. Для этого продолжите обе либо одну из прямых так, дабы они пересеклись. После этого подметьте точку пересечения и опустите из нее перпендикуляр на ось абсцисс (как водится, ох).

2. При помощи шкалы делений, подмеченных на оси, обнаружьте значение х для этой точки. Если она находится на позитивном направлении оси (справа от нулевой отметки), то ее значение будет правильным, в отвратном случае – негативным.

3. Верно также обнаружьте ординату точки пересечения. Если проекция точки расположена выше нулевой отметки – она правильная, если ниже – негативная. Запишите координаты точки в виде (х, у) – это и есть решение задачи.

4. Если прямые заданы в виде формул у=kх+b, вы можете также решить задачу графическим методом: начертите прямые на координатной сетке и обнаружьте решение описанным выше методом.

5. Испробуйте обнаружить решение задачи, применяя данные формулы. Для этого составьте из этих уравнений систему и решите ее. Если уравнения даны в виде у=kх+b, примитивно приравняйте обе части с х и обнаружьте х. После этого подставьте значение х в одно из уравнений и обнаружьте у.

6. Дозволено обнаружить решение методом Крамера. В таком случае приведите уравнения к виду А1х+В1у+С1=0 и А2х+В2у+С2=0. Согласно формуле Крамера х=-(С1В2-С2В1)/(А1В2-А2В1), а у=-(А1C2-А2С1)/(А1В2-А2В1). Обратите внимание, если знаменатель равен нулю, то прямые параллельны либо совпадают и, соответственно, не пересекаются.

7. Если вам даны прямые в пространстве в каноническом виде, перед тем, как начать поиск решения, проверьте, не параллельны ли прямые. Для этого оцените показатели перед t, если они пропорциональны, скажем, x=-1+3t, y=7+2t, z=2+t и x=-1+6t, y=-1+4t, z=-5+2t, то прямые параллельны. Помимо того, прямые могут скрещиваться, в этом случае система не будет иметь решения.

8. Если вы узнали, что прямые пересекаются, обнаружьте точку их пересечения. Вначале приравняйте переменные из различных прямых, условно заменив t на u для первой прямой и на v для 2-й прямой. Скажем, если вам даны прямые x=t-1, y=2t+1, z=t+2 и x=t+1, y=t+1, z=2t+8 вы получите выражения типа u-1=v+1, 2u+1=v+1, u+2=2v+8.

9. Выразите из одного уравнения u, подставьте в другое и обнаружьте v (в данной задаче u=-2,v=-4). Сейчас, дабы обнаружить точку пересечения, подставьте полученные значения взамен t (без разницы, в первое либо второе уравнение) и получите координаты точки x=-3, y=-3, z=0.

Для рассмотрения 2-х пересекающихся прямых довольно рассмотрения их в плоскости, так как две пересекающиеся прямые лежат в одной плоскости. Зная уравнения этих прямых , дозволено обнаружить координату их точки пересечения .

Вам понадобится

уравнения прямых

Инструкция

1. В декартовых координатах всеобщее уравнение прямой выглидит так: Ax+By+C = 0. Пускай две прямые пересекаются. Уравнение первой прямой имеет вид Ax+By+C = 0, 2-й прямой – Dx+Ey+F = 0. Все показатели (A, B, C, D, E, F) обязаны быть заданы.Дабы обнаружить точку пересечения этих прямых надобно решить систему этих 2-х линейных уравнений.

2. Для решения первое уравнение комфортно умножить на E, а второе – на B. В итоге уравнения будут иметь вид: AEx+BEy+CE = 0, DBx+EBy+FB = 0. Позже вычитания второго уравнения из первого, получится: (AE-DB)x = FB-CE. Отсель, x = (FB-CE)/(AE-DB).По аналогии первое уравнение начальной системы дозволено умножить на D, второе – на A, после этого вновь из первого вычесть второго. В итоге, y = (CD-FA)/(AE-DB).Полученные значения x и y и будут координатами точки пересечения прямых .

3. Уравнения прямых также могут записываться через угловой показатель k, равный тангенсу угла наклона прямой. В этом случае уравнение прямой имеет вид y = kx+b. Пускай сейчас уравнение первой прямой – y = k1*x+b1, а 2-й прямой – y = k2*x+b2.

4. Если приравнять правые части этих 2-х уравнений, то получится: k1*x+b1 = k2*x+b2. Отсель легко получить, что x = (b1-b2)/(k2-k1). Позже подстановки этого значения x в всякое из уравнений, получится: y = (k2*b1-k1*b2)/(k2-k1). Значения x и y будут задавать координаты точки пересечения прямых .В случае, если две прямые параллельны либо сопадают, то они не имеют всеобщих точек либо имеют безмерно много всеобщих точек соответственно. В этих случаях k1 = k2, знаменатели для координат точек пересечения будут обращаться в нуль, следственно, система не будет иметь классического решения.Система может иметь только одно классическое решение, что безусловно, потому что две несовпадающие и не параллельные друг другу прямые могут иметь только одну точку пересечения .

Видео по теме