BSc: AnalyticGeometry
Аналитическая геометрия
- Квалификация выпускника: бакалавр
- Направление подготовки: 09.03.01 - “Информатика и вычислительная техника”
- Направленность (профиль) образовательной программы: Математические основы ИИ
- Программу разработал(а): Конюхов И.В.
1. Краткая характеристика дисциплины
Вводный курс аналитической геометрии и линейной алгебры. Во время изучения курса студенты знакомятся с фундаментальными принципами векторной алгебры и ее приложениями при решении геометрических задач, различными типами уравнений прямых и плоскостей, конических сечений и квадратичных поверхностей, преобразованиями в плоскости и в пространстве. Также приводится введение в матрицы и определители как фундаментальные понятия линейной алгебры. Отличительной особенностью курса является наглядная демонстрация изучаемых концепций с помощью исходных кодов программ на языке Python с одновременной визуализацией результатов с использованием библиотеки Matplotlib. Материалы курса оформлены в виде интерактивных презентаций Jupyter Notebooks.
2. Перечень планируемых результатов обучения
- Целью освоения дисциплины является:
- формирование базовых знаний аналитической геометрии и линейной алгебры для дальнейшего использования в других областях математического знания и дисциплинах естественнонаучного содержания;
- формирование математической культуры, исследовательских навыков и способности применять эти знания на практике.
- Задачами дисциплины являются:
- формирование у обучающихся базовых знаний по аналитической геометрии;
- формирование умений логически мыслить, проводить доказательства основных утверждений, устанавливать логические связи между понятиями;
- формирование умений и навыков применять полученные знания для решения геометрических задач, самостоятельного анализа полученных результатов.
- формирование умений и навыков записи и обработки базовых математических выражений с помощью языка программирования Python.
Общая характеристика результата обучения по дисциплине
- Знания:
- основных определений векторной алгебры;
- видов систем координат, способов перехода от одной системы координат к другой;
- скалярного, векторного, смешанного произведения;
- уравнений прямых на плоскости и в пространстве, уравнений плоскости в пространстве;
- канонические уравнения кривых второго порядка;
- канонические уравнения поверхностей второго порядка.
- Умения:
- решать простейшие задачи аналитической геометрии методом координат;
- использовать векторную алгебру для решения задач;
- использовать различные виды уравнений прямых и плоскостей для решения задач;
- определять вид кривых и поверхностей второго порядка по их каноническим уравнениям и рисовать эскизы их графиков;
- исследовать свойства геометрических объектов по заданному уравнению.
- Навыки (владения):
- математическим аппаратом аналитической геометрии, аналитическими методами исследования геометрических объектов,
- записи и обработки математических выражений, визуализации результатов расчетов с использованием языка Python.
3. Структура и содержание дисциплины
№ п/п |
Наименование раздела дисциплины |
Содержание дисциплины по темам |
1. | Векторная алгебра | - Направленные отрезки и векторы, линейные операции над ними. Свойства линейных операций. - Коллинеарность и компланарность векторов. - Линейно зависимые и независимые системы векторов. Связь линейной зависимости с коллинеарностью и компланарностью векторов. - Базис, координаты вектора в базисе. - Действия с векторами в координатах. |
2. | Матричная алгебра | - Матрицы и алгебраические операции с матрицами. Элементарные преобразования матриц. - Обратная матрица. - Определитель матрицы и его свойства. Миноры, алгебраические дополнения. Определитель произведения матриц. - Критерий обратимости. Формула для элементов обратной матрицы. |
3. | Системы координат, ориентация на плоскости и в пространстве | - Определения общей декартовой и прямоугольной(ортонормированной) системы координат. Матрица перехода и ее основное свойство.
Изменение координат вектора при замене базиса. Изменение координат точки при переходе к новой системе координат. Формулы перехода от одной прямоугольной системы координат на плоскости к другой. |
4. | Прямые и плоскости | - Векторные и координатные формы уравнения прямой на плоскости в пространстве. - Условия параллельности (или совпадения), перпендикулярности прямых на плоскости, заданных в координатной форме. - Условия параллельности и перпендикулярности двух прямых в пространстве. - Расстояние от точки до прямой на плоскости и в пространстве. Расстояние между двумя прямыми в пространстве. - Векторные и координатные формы уравнения плоскости. - Условия параллельности (или совпадения) плоскостей, заданных в координатной форме. - Расстояние от точки до плоскости в пространстве и расстояние между параллельными плоскостями. - Условия параллельности и перпендикулярности прямой и плоскости. Прямая как линия пересечения двух плоскостей. - Общий перпендикуляр двух скрещивающихся прямых. |
5. | Кривые второго порядка | - Алгебраические линии второго порядка на плоскости, их классификация. - Приведение уравнения линии второго порядка к каноническому виду. - Центр линии второго порядка, центральные и нецентральные линии. - Ортогональные инварианты |
6. | Поверхности второго порядка | - Эллипс,гипербола и парабола,их свойства. Касательные к эллипсу, гиперболе и параболе. - Уравнения эллипса, гиперболы и параболы в полярной системе координат. Цилиндрические и конические поверхности. Поверхности вращения. |
7. | Преобразования на плоскости и в пространстве | - Отображения и преобразования плоскости. Произведение(композиция) отображений. Взаимно однозначное отображение, обратное отображение. - Линейные преобразования плоскости. Координатное представление линейных преобразований плоскости. - Аффинные преобразования плоскости и их основные свойства. |
4. Методические и оценочные материалы
Задания для практических занятий:
№ п/п |
Наименование раздела дисциплины (модуля) |
Перечень рассматриваемых тем (вопросов) |
1. | Векторная алгебра |
|
2. | Матричная алгебра |
|
3. | Системы координат, ориентация на плоскости и в пространстве |
(a) векторов и ; (b) векторов и .
(а) Найдите площадь этого треугольника.
|
4. | Прямые и плоскости |
(a) ;
|
5. | Кривые второго порядка |
(a) ;
(a) параллельно линии ; |
6. | Поверхности второго порядка | |
7. | Преобразования на плоскости и в пространстве |
Текущий контроль успеваемости обучающихся по дисциплине:
№ п/п |
Наименование раздела дисциплины |
Форма текущего контроля |
Материалы текущего контроля |
1. | Векторная алгебра | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное) - Какие вектора называются коллинеарными? |
2. | Матричная алгебра | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - В чем разница между матрицами и определителями? |
3. | Системы координат, ориентация на плоскости и в пространстве | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - Как выполнить сдвиг вектора? |
4. | Прямые и плоскости | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - Как представить линию в векторной форме? |
5. | Кривые второго порядка | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - Сформулируйте каноническое уравнение данной кривой. |
6. | Поверхности второго порядка | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - Каков тип квадрической поверхности, заданной определенным уравнением? |
7. | Преобразования на плоскости и в пространстве | Проверка выполнения домашних заданий; Тестирование (письменное или компьютерное); Проверка разработки отдельных частей кода программного продукта |
Тестирование (письменное или компьютерное): - Что такое линейное преобразование? |
Контрольные вопросы для подготовки к промежуточной аттестации:
№ п/п |
Наименование раздела дисциплины (модуля) |
Вопросы |
1. | Векторная алгебра |
- Операции над векторами |
2. | Матричная алгебра |
- Операции над матрицами. |
3. | Системы координат, ориентация на плоскости и в пространстве |
- Векторные пространства. Основные концепции. |
4. | Прямые и плоскости |
- Прямые на плоскости и в пространстве. Уравнения прямых. |
5. | Кривые второго порядка |
- Определите тип заданной кривой с использованием метода инварианта. |
6. | Поверхности второго порядка |
- Определите тип квадратичной поверхности, заданной определенным уравнением. |
7. | Преобразования на плоскости и в пространстве |
- Запишите преобразование поворота. |
Вопросы/Задания к промежуточной аттестации в устной/письменной форме:
- Сложение векторов. Умножение вектора на число. Свойства операций.
- Линейная зависимость векторов. Теорема о линейной зависимости коллинеарных векторов (с доказательством).
- Базис. Разложение вектора по базису. Координаты вектора.
- Теорема о координатах линейной комбинации векторов (с доказательством).
- Скалярное произведение векторов. Определение, свойства.
- Скалярное произведение векторов в координатах ортонормированного базиса (вывод).
- Проекция вектора на прямую.
- Векторное произведение. Определение, свойства.
- Смешанное произведение. Определение, свойства.
- Координаты точки. Декартова система координат на плоскости.
- Полярная система координат. Сферическая система координат. Цилиндрическая система координат.
- Преобразование координат. Параллельный перенос ПДСК на плоскости.
- Преобразование координат. Поворот ПДСК на плоскости.
- Координаты середины отрезка (вывод).
- Условие коллинеарности трёх точек (вывод).
- Расстояние между двумя точками (вывод).
- Деление отрезка в данном отношении.
- Задание прямой двумя точками.
- Параметрическое уравнение прямой.
- Задание прямой точкой и вектором нормали.
- Уравнение прямой в отрезках.
- Уравнение прямой с угловым коэффициентом.
- Исследование общего уравнения прямой.
- Взаимное расположение двух прямых на плоскости – параллельность, совпадение, пересечение.
- Угол между прямыми на плоскости.
- Расстояние от точки до прямой. Отклонение точки от прямой.
- Способы задания плоскости.
- Исследование общего уравнения плоскости.
- Взаимное расположение двух плоскостей в пространстве.
- Взаимное расположение трёх плоскостей в пространстве (плоскости имеют одну общую точку; пересекаются по одной прямой; две плоскости параллельны, третья их пересекает; плоскости параллельны; совпадающие плоскости).
- Способы задания прямой в пространстве. Взаимное расположение двух прямых в пространстве.
- Взаимное расположение прямой и плоскости. Угол между прямой и плоскостью.
- Метрические задачи в пространстве (расстояние от точки до плоскости, расстояние от точки до прямой, расстояние между двумя прямыми).
- Эллипс. Определение, вывод уравнения, свойства.
- Гипербола. Определение, вывод уравнения, свойства.
- Парабола. Определение, вывод уравнения, свойства.
- Эллиптический цилиндр, гиперболический цилиндр, параболический цилиндр.
- Эллипсоид.
- Однополостный гиперболоид. Двуполостный гиперболоид.
- Эллиптический параболоид. Гиперболический параболоид.
- Линейные преобразования. Примеры. Свойства.
- Аффинные отображения. Уравнения аффинных отображений. Изоморфизм аффинных пространств.
- Группа аффинных преобразований аффинного пространства. Инвариант группы аффинных преобразований.
Перечень учебно-методического обеспечения дисциплины
Список основной литературы:
- Умнов А.Е. Аналитическая геометрия и линейная алгебра. М.: МФТИ, 2011. 544 с.
- Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. – 10-е изд., испр. – М. : Физматлит, 2005. – 304 с.
- Сборник задач по аналитической геометрии и линейной алгебре : учебное пособие / Л. А. Беклемишева, Д. В. Беклемишев, А. Ю. Петрович, И. А. Чубаров. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2017. — 496 с. — ISBN 978-5-8114-0861-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/97281 (дата обращения: 25.03.2024). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
Список дополнительной литературы:
- Шарипов Р.А. Курс линейной алгебры и многомерной геометрии. Учебное пособие для вузов / Издание Башкирского университета - Уфа, 1996. - 146 с.
- Кайгородов. В.Р. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. Казань. 201 с.
Необходимое программное обеспечение:
- Интегрированная среда разработки с поддержкой языка Python, например, Microsoft VS Code.
- Jupyter Notebooks
Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
Вид учебных занятий/деятельности |
Деятельность обучающегося |
Лекция | Написание конспекта лекций: кратко, схематично, последовательно фиксировать основные положения лекции, выводы, формулировки, обобщения; помечать важные мысли, выделять ключевые слова, термины. Обозначить вопросы, термины или другой материал, который вызывает трудности, пометить и попытаться найти ответ в рекомендуемой литературе. Если самостоятельно не удается разобраться в материале, необходимо сформулировать вопрос и задать преподавателю на консультации, во время семинарского (практического) занятия. |
Практические (лабораторные) занятия | Практические занятия предназначены прежде всего для разбора отдельных сложных положений, тренировки аналитических навыков, а также для развития коммуникационных навыков. Поэтому на практических занятиях необходимо участвовать в тех формах обсуждения материала, которые предлагает преподаватель: отвечать на вопросы преподавателя, дополнять ответы других студентов, приводить примеры, задавать вопросы другим выступающим, обсуждать вопросы и выполнять задания в группах. Работа на практических занятиях подразумевает домашнюю подготовку и активную умственную работу на самом занятии. Работа на практических занятиях в форме устного опроса заключается прежде всего в тренировке навыков применять теоретические положения к самому разнообразному материалу. В ходе практических занятий студенты работают в группах для обсуждения предлагаемых вопросов. |
Самостоятельная работа | Самостоятельная работа состоит из следующих частей: 1) чтение учебной, справочной, научной литературы; 2) повторение материала лекций; 3) составление планов устных выступлений; 4) подготовка презентаций. При чтении учебной литературы нужно разграничивать для себя материал на отдельные проблемы, концепции, идеи. Учебную литературу можно найти в электронных библиотечных системах, на которые подписан АНО Университет Иннополис. |
Разработка отдельных частей кода | Разработать часть кода, исходя из поставленной задачи и рекомендаций преподавателя. При выполнении работы рекомендуется обращаться к материалам лекций и семинарских (практических) занятий. Если возникают затруднения, необходимо проконсультироваться с преподавателем. |
Выполнение домашних заданий и групповых проектов | Для выполнения домашних заданий и групповых проектов необходимо получить формулировку задания от преподавателя и убедиться в понимании задания. При выполнение домашних заданий и групповых проектов необходимо проработать материалы лекций, основной и дополнительной литературы по заданной теме. |
Тестирование (устное/письменное) | При подготовке к тестированию необходимо проработать материалы лекций, семинаров, основной и дополнительной литературы по заданной теме. Основная цель тестирования – показать уровень сформированности знаний по конкретной теме или ее части. |
Методы и технологии обучения, способствующие формированию компетенции
Методы и технологии обучения, способствующие формированию компетенции |
Информационно-коммуникационная технология, проектная технология, технология проблемного обучения, кейс-технология, традиционные технологии, модульные технологии |