2.3.2 两点间的距离公式

人教 A 版 · 本节 2 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

这一节只有一条公式:

∣P1P2∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2.|P_1P_2| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}.

它短到不需要”记”,可它是整个解析几何的地基——后面的圆、椭圆、双曲线、抛物线,定义里那句 “到某某的距离”最终都要落到这条式子上翻译成方程。所以这一节真正要学会的不是公式本身, 而是它的三种用法:量一段长、把”等距”这个几何条件变成方程、以及用它做坐标法证明。 课本的例 3 与例 4 恰好演示了后两种。

一、公式:形状与两条自明的推论

∣P1P2∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2|P_1P_2| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}
  • 谁减谁无所谓。 括号里的差被平方了,(x2−x1)2=(x1−x2)2(x_2-x_1)^2 = (x_1-x_2)^2,所以写反顺序不影响结果。 这是这条公式唯一”宽松”的地方,别把它记成”大的减小的”——考场上还要先判断谁大谁小就白费一步。
  • 根号里是两个平方的和,恒非负,所以公式对任意两点都有定义,不需要分类讨论。
  • 原点的特例:把 P1P_1 取成 O(0,0)O(0,0),得 ∣OP∣=x2+y2|OP| = \sqrt{x^2 + y^2}。这个式子你在必修二讲向量的模时 已经见过一次了,这不是巧合——见下一节。

二、两条推导,各自留下一件东西

推导一(课本正文,向量法)

由 P1(x1,y1)P_1(x_1,y_1)、P2(x2,y2)P_2(x_2,y_2) 得 P1P2→=(x2−x1, y2−y1)\overrightarrow{P_1P_2} = (x_2 - x_1,\ y_2 - y_1), 而向量的模的坐标公式给出

∣P1P2→∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2,|\overrightarrow{P_1P_2}| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2},

线段 P1P2P_1P_2 的长度就是这个模。它留下的东西是”点的距离 = 向量的模”这条对应: 以后凡是看见”距离”,都可以立刻换成”某个向量的模”,从而把几何问题交给向量的坐标运算。 本册后面讲空间中两点的距离时,公式原样多一项 (z2−z1)2(z_2-z_1)^2,理由就是这条推导原样再走一遍。

推导二(课本”思考”,勾股定理)

过 P1P_1 作平行于 xx 轴的直线、过 P2P_2 作平行于 yy 轴的直线,两条线交于 Q(x2, y1)Q(x_2,\ y_1)。 于是 P1QP_1Q 是水平线段、QP2QP_2 是竖直线段,二者垂直,

∣P1Q∣=∣x2−x1∣,∣QP2∣=∣y2−y1∣,|P_1Q| = |x_2 - x_1|, \qquad |QP_2| = |y_2 - y_1|,

在直角三角形 P1QP2P_1QP_2 里用勾股定理即得公式。

这条推导有一个课本没写出来的漏洞,值得你自己补上:当 x1=x2x_1 = x_2 或 y1=y2y_1 = y_2 时, P1P_1、QQ、P2P_2 三点里有两点重合,根本没有三角形,勾股定理无从谈起。 这时要单独验证:若 x1=x2x_1 = x_2,两点在同一条竖直线上,距离就是 ∣y2−y1∣|y_2 - y_1|, 而公式给的是 0+(y2−y1)2=∣y2−y1∣\sqrt{0 + (y_2-y_1)^2} = |y_2 - y_1|,一致;y1=y2y_1 = y_2 同理。 补完这两种退化情形,勾股法才算证完。

课本”思考”里那句”与向量法比较,你有什么体会”,答案就在这里: 向量法不需要分类讨论,勾股法需要。 向量的模的公式对零向量、对任何方向都成立, 而”作直角三角形”这个动作预设了三角形存在。这是代数方法相对综合方法的一个典型优势。

三、用法二:把”等距”变成方程

这是本节最值钱的一步,课本例 3 演示了它。

已知 A(−1,2)A(-1,2)、B(2,7)B(2,\sqrt{7}),在 xx 轴上求点 PP 使 ∣PA∣=∣PB∣|PA| = |PB|。设 P(x,0)P(x,0),

∣PA∣=x2+2x+5,∣PB∣=x2−4x+11,|PA| = \sqrt{x^2 + 2x + 5}, \qquad |PB| = \sqrt{x^2 - 4x + 11},

令二者相等。这里可以直接把两边平方,而且是等价变形——因为两边都是算术根、都非负, u=v⇔u=v\sqrt{u} = \sqrt{v} \Leftrightarrow u = v(u,v≥0u,v \geq 0)。这一句要说出来: 平方是不是等价变形,取决于两边的符号,本节因为是距离所以天生安全, 到了后面解含根号的方程就不一定了。

平方之后

x2+2x+5=x2−4x+11,x^2 + 2x + 5 = x^2 - 4x + 11,

两边的 x2x^2 抵消了,剩下一次方程 6x=66x = 6,x=1x = 1。

x2x^2 必然抵消,不是巧合:∣PA∣2−∣PB∣2|PA|^2 - |PB|^2 展开后,x2x^2、y2y^2 这两个二次项来自 PP 自己的坐标,与 AA、BB 无关,两边一模一样。于是——

平面内到两个定点距离相等的点,满足的是一个一次方程。

一次方程的图象是直线,这条直线就是线段 ABAB 的垂直平分线。这条观察后面会被反复调用: §2.4 求圆心(三点等距 → 两条垂直平分线的交点)、§2.5 判断直线与圆的位置关系, 都是它的直接后代。反过来,如果两个距离之和或之差是定值,二次项就抵消不掉, 方程一定是二次的——那正是椭圆与双曲线。

例 3 最后还要回头求 ∣PA∣=(1+1)2+(0−2)2=22|PA| = \sqrt{(1+1)^2 + (0-2)^2} = 2\sqrt{2}。 求出 xx 不等于做完,题目问的是坐标和长度两样东西,漏答是这一类题最常见的失分。

四、用法三:坐标法证几何定理(例 4)

例 4 要证:平行四边形两条对角线的平方和,等于两条邻边的平方和的两倍。 课本给的”分析”其实是坐标法的三步流程,值得单独记住:

  1. 建立适当的平面直角坐标系;
  2. 用坐标表示有关的量,做代数运算;
  3. 把代数结果翻译回几何关系。

三步里最难、也最决定运算量的是第一步。建系的两条实用原则:

  • 让尽量多的坐标是 00。 例 4 取顶点 AA 为原点、边 ABAB 所在直线为 xx 轴, 于是 A(0,0)A(0,0)、B(a,0)B(a,0) 各省掉一个字母。
  • 别把图形放特殊。 设 D(b,c)D(b,c) 而不是 D(0,c)D(0,c):后者等于偷偷假设了 AD⊥ABAD \perp AB, 证的就成了矩形而不是一般的平行四边形。这是坐标法证明里最隐蔽的错误—— 建系可以选,形状不能选。

第三个顶点 CC 的坐标 (a+b, c)(a+b,\ c) 是怎么来的?课本在旁边留了这一问。答案是 AD→=BC→\overrightarrow{AD} = \overrightarrow{BC}(平行四边形对边平行且相等): 设 C(x,y)C(x,y),则 BC→=(x−a, y)\overrightarrow{BC} = (x - a,\ y),AD→=(b, c)\overrightarrow{AD} = (b,\ c), 两者相等给出 x=a+bx = a + b、y=cy = c。

余下是纯代数:

∣AC∣2=(a+b)2+c2,∣BD∣2=(b−a)2+c2,|AC|^2 = (a+b)^2 + c^2, \qquad |BD|^2 = (b-a)^2 + c^2, ∣AB∣2=a2,∣AD∣2=b2+c2,|AB|^2 = a^2, \qquad |AD|^2 = b^2 + c^2,

相加得 ∣AC∣2+∣BD∣2=2(a2+b2+c2)=2(∣AB∣2+∣AD∣2)|AC|^2 + |BD|^2 = 2(a^2 + b^2 + c^2) = 2(|AB|^2 + |AD|^2),翻译回去正是要证的结论。

注意 ∣AB∣2=a2|AB|^2 = a^2 而不是 aa,也不是 ∣a∣2|a|^2 要展开成分类——a2a^2 本身已经非负, 这里不需要绝对值。学生常在这一步写成 ∣AB∣=∣a∣|AB| = |a| 然后纠结 aa 的正负; 只要全程只用到平方,就永远不必讨论符号。这也是”平方和”型命题特别适合坐标法的原因。

五、易错清单

按考场上真正丢分的顺序排:

  1. 求完坐标忘了求长度(或反过来)。例 3 那种”求点并求 ∣PA∣|PA|“的两问式问法,漏答一半最常见。
  2. 根号没化到最简。 40\sqrt{40} 要写成 2102\sqrt{10},8\sqrt{8} 要写成 222\sqrt{2}。
  3. 减法里的负号约丢。 −1−(−4)=3-1 - (-4) = 3,不是 −5-5 也不是 −3-3。带负坐标的题,把括号老老实实写出来。
  4. 勾股法忘了退化情形(第二节)。两点共横线或共竖线时没有三角形。
  5. 坐标法建系时把图形放特殊(第四节)。一般平行四边形不能设成 D(0,c)D(0,c)。
  6. 平方时不问两边符号。 本节安全,但把”距离相等两边直接平方”这个动作原样搬到别处会出事, 要养成先说一句”两边非负”的习惯。

六、这一节往后连到哪

页面下方那一段”考过本节的真题”是派生的、也是完整的,这里不重复它,只给一个读的顺序:

  • 先看只需要量长度的题:给出两点或给出直线上的动点,直接代公式。这类题练的是运算不出错。
  • 再看”等距”型的题:题干里出现”到 AA、BB 距离相等""在 xx 轴上求一点使……”, 动作是设点、写两个距离、平方相减。第三节那条”二次项必抵消”能让你提前知道会得到一次方程, 算出二次方程就说明前面错了——这是一个免费的自查点。
  • 最后看坐标法证明题:题面是纯几何命题(中点、垂直、平方和),没有坐标。 这类题的难点全在建系,第四节那两条原则就是全部技巧。

再往后,§2.3.3 用两点间距离公式推出点到直线的距离公式,§2.4 用它把”到定点距离为定值” 写成圆的方程——这一节是那两节的原料。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节目录下这两页上只印着一组「练习」,共 3 道,逐题全做。这一组印在「2.3.2 两点间的距离公式」 这个标题之前(第 72 页,page-0077),练的是上一小节 §2.3.1 两条直线的交点坐标—— 求交点、判位置关系、过交点作直线。§2.3.1 那一小节自己的两页上没有印任何练习, 所以这 3 道题落在这一份里收齐。§2.3.2 自己的练习印在第 74 页上,那一页在 §2.3.3 的目录下, 已经在那一份详解里做过,这里不重复。这两页上也没有「习题 2.3」,那一组印在 §2.3.4 的页上。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

三道题的共同动作是同一个:两条直线的公共点,就是把两个方程当作二元一次方程组解出来的那组解。 “位置关系”这个几何问题,因此完全等价于”方程组有几组解”这个代数问题——

方程组的解两条直线的位置关系
恰有一组相交(交点就是那组解)
无解平行
无穷多组重合

判断解的个数不必真解一遍:对 l1:A1x+B1y+C1=0l_1: A_1x + B_1y + C_1 = 0 与 l2:A2x+B2y+C2=0l_2: A_2x + B_2y + C_2 = 0, 只要系数行列式 D=A1B2−A2B1D = A_1B_2 - A_2B_1 不为 00,方程组就恰有一组解(克拉默法则, 或者直接把消元过程走一遍:消去 yy 后 yy 的系数正是 DD)。所以每道题的第一步都是先算 DD: D≠0D \neq 0 就放心解,D=0D = 0 才需要再分平行与重合。

练习(第 72 页)第 1 题

  1. 求下列两条直线的交点坐标,并画出图形:

(1) l1:2x+3y=12,l2:x−2y=4;l_{1}: 2x + 3y = 12, \quad l_{2}: x - 2y = 4;

(2) l1:x=2,l2:3x+2y−12=0.l_{1}: x = 2, \quad l_{2}: 3x + 2y - 12 = 0.

(1) 把两个方程写成一般式:l1:2x+3y−12=0l_1: 2x + 3y - 12 = 0,l2:x−2y−4=0l_2: x - 2y - 4 = 0, 于是 A1=2A_1 = 2、B1=3B_1 = 3、A2=1A_2 = 1、B2=−2B_2 = -2。

先验前提:

D=A1B2−A2B1=2×(−2)−1×3=−7≠0,D = A_1B_2 - A_2B_1 = 2 \times (-2) - 1 \times 3 = -7 \neq 0,

所以两条直线相交于唯一一点,下面解出来的那组解就是交点。

由 l2l_2 得 x=2y+4x = 2y + 4,代入 l1l_1:

2(2y+4)+3y=12 ⟹ 4y+8+3y=12 ⟹ 7y=4 ⟹ y=47.2(2y + 4) + 3y = 12 \ \Longrightarrow\ 4y + 8 + 3y = 12 \ \Longrightarrow\ 7y = 4 \ \Longrightarrow\ y = \frac{4}{7}.

回代得

x=2×47+4=87+287=367.x = 2 \times \frac{4}{7} + 4 = \frac{8}{7} + \frac{28}{7} = \frac{36}{7}.

所以交点是 (367, 47)\left(\dfrac{36}{7},\ \dfrac{4}{7}\right)。

自检(把结果代回两个原方程,两个都要代):

2×367+3×47=72+127=847=12,367−2×47=36−87=287=4.2 \times \frac{36}{7} + 3 \times \frac{4}{7} = \frac{72 + 12}{7} = \frac{84}{7} = 12, \qquad \frac{36}{7} - 2 \times \frac{4}{7} = \frac{36 - 8}{7} = \frac{28}{7} = 4.

两式都成立,交点没算错。

画图。 每条直线只要两个点就画得出来,取截距最省事:

  • l1:2x+3y=12l_1: 2x + 3y = 12 过 (6, 0)(6,\ 0)(令 y=0y=0)与 (0, 4)(0,\ 4)(令 x=0x=0);
  • l2:x−2y=4l_2: x - 2y = 4 过 (4, 0)(4,\ 0)(令 y=0y=0)与 (0, −2)(0,\ -2)(令 x=0x=0)。

各连一条直线,两条线在第一象限相交,交点 (367, 47)≈(5.14, 0.57)\left(\dfrac{36}{7},\ \dfrac{4}{7}\right) \approx (5.14,\ 0.57)—— 横坐标在 (4,0)(4,0) 与 (6,0)(6,0) 之间、纵坐标略高于 xx 轴,图上的位置与算出来的坐标对得上, 这也是一次几何自检。

(2) l1:x=2l_1: x = 2 是一条竖直线,斜率不存在,所以这一问不能用”两个斜率比一比”的办法, 必须回到方程组。把它写成一般式 l1:x+0⋅y−2=0l_1: x + 0 \cdot y - 2 = 0,l2:3x+2y−12=0l_2: 3x + 2y - 12 = 0, 于是 A1=1A_1 = 1、B1=0B_1 = 0、A2=3A_2 = 3、B2=2B_2 = 2,

D=1×2−3×0=2≠0,D = 1 \times 2 - 3 \times 0 = 2 \neq 0,

相交于唯一一点。

把 x=2x = 2 代入 l2l_2:

3×2+2y−12=0 ⟹ 2y=6 ⟹ y=3.3 \times 2 + 2y - 12 = 0 \ \Longrightarrow\ 2y = 6 \ \Longrightarrow\ y = 3.

交点是 (2, 3)(2,\ 3)。

自检:(2,3)(2,3) 显然满足 x=2x = 2;又 3×2+2×3−12=6+6−12=03\times 2 + 2\times 3 - 12 = 6 + 6 - 12 = 0,也满足 l2l_2。

画图。 l1l_1 是过 (2,0)(2,0) 且平行于 yy 轴的竖直线;l2:3x+2y=12l_2: 3x + 2y = 12 过 (4, 0)(4,\ 0) 与 (0, 6)(0,\ 6)。 两条线交在 (2,3)(2,3),正好是 l2l_2 上那两个截距点连线的中点——因为 x=2x = 2 是 xx 从 00 到 44 的中点, 而 l2l_2 上 yy 随 xx 线性变化,所以 yy 也取 00 与 66 的中点 33。图与算的一致。

这道题的关键动作:竖直线 x=kx = k 没有斜率,判位置关系与求交点一律回到方程组, “竖直线”只是”其中一个方程特别简单”而已,代入法一步就消掉一个未知数。

练习(第 72 页)第 2 题

  1. 判断下列各对直线的位置关系. 如果相交, 求出交点的坐标:

(1) l1:2x−3y=7l_{1}: 2x - 3y = 7 , l2:4x+2y=1l_{2}: 4x + 2y = 1 ;

(2) l1:2x−6y+4=0,l2:y=x3+23;l_{1}: 2x - 6y + 4 = 0, \quad l_{2}: y = \frac{x}{3} + \frac{2}{3};

(3) l1:(2−1)x+y=3,l2:x+(2+1)y=2.l_{1}:(\sqrt{2}-1)x+y=3,\quad l_{2}:x+(\sqrt{2}+1)y=2.

(1) A1=2A_1 = 2、B1=−3B_1 = -3、A2=4A_2 = 4、B2=2B_2 = 2,

D=2×2−4×(−3)=4+12=16≠0,D = 2 \times 2 - 4 \times (-3) = 4 + 12 = 16 \neq 0,

所以两条直线相交,且交点唯一。

解方程组。把 l1l_1 两边乘 22 得 4x−6y=144x - 6y = 14,与 l2:4x+2y=1l_2: 4x + 2y = 1 相减(用 l2l_2 减去它):

(4x+2y)−(4x−6y)=1−14 ⟹ 8y=−13 ⟹ y=−138.(4x + 2y) - (4x - 6y) = 1 - 14 \ \Longrightarrow\ 8y = -13 \ \Longrightarrow\ y = -\frac{13}{8}.

代回 l1l_1:

2x=7+3y=7−398=56−398=178 ⟹ x=1716.2x = 7 + 3y = 7 - \frac{39}{8} = \frac{56 - 39}{8} = \frac{17}{8} \ \Longrightarrow\ x = \frac{17}{16}.

交点是 (1716, −138)\left(\dfrac{17}{16},\ -\dfrac{13}{8}\right)。

自检:2×1716−3×(−138)=178+398=568=72 \times \dfrac{17}{16} - 3 \times \left(-\dfrac{13}{8}\right) = \dfrac{17}{8} + \dfrac{39}{8} = \dfrac{56}{8} = 7, 4×1716+2×(−138)=174−134=14 \times \dfrac{17}{16} + 2 \times \left(-\dfrac{13}{8}\right) = \dfrac{17}{4} - \dfrac{13}{4} = 1。两式都对。

(2) l2l_2 是斜截式,先化成一般式再比系数。两边乘 33:

3y=x+2 ⟹ x−3y+2=0.3y = x + 2 \ \Longrightarrow\ x - 3y + 2 = 0.

于是 l1:2x−6y+4=0l_1: 2x - 6y + 4 = 0,l2:x−3y+2=0l_2: x - 3y + 2 = 0。

D=2×(−3)−1×(−6)=−6+6=0,D = 2 \times (-3) - 1 \times (-6) = -6 + 6 = 0,

D=0D = 0,所以不相交,只可能是平行或重合,要再分一次。

注意 2x−6y+4=2(x−3y+2)2x - 6y + 4 = 2(x - 3y + 2):l1l_1 的方程就是 l2l_2 的方程两边同乘非零常数 22 得来的。 方程两边同乘非零常数不改变解集,所以两个方程的解集完全相同,两条直线重合。

(等价的说法:在 l2l_2 上任取一点,例如令 x=1x = 1 得 y=13+23=1y = \dfrac{1}{3} + \dfrac{2}{3} = 1, 点 (1,1)(1,1) 在 l2l_2 上;代入 l1l_1:2×1−6×1+4=02 \times 1 - 6 \times 1 + 4 = 0,也在 l1l_1 上。 D=0D = 0 已排除相交,而两条不相交的直线若还有公共点,就只能重合。)

题目说”如果相交,求出交点的坐标”——这一问不相交,不必求交点。 但也不能答”无公共点”:重合的两条直线公共点有无穷多个,位置关系是”重合”而不是”平行”, 这是这一小问唯一的陷阱。

(3) A1=2−1A_1 = \sqrt{2} - 1、B1=1B_1 = 1、A2=1A_2 = 1、B2=2+1B_2 = \sqrt{2} + 1,

D=(2−1)(2+1)−1×1=(2−1)−1=0.D = (\sqrt{2} - 1)(\sqrt{2} + 1) - 1 \times 1 = (2 - 1) - 1 = 0.

(这里用了平方差公式 (2−1)(2+1)=(2)2−12=2−1=1(\sqrt{2}-1)(\sqrt{2}+1) = (\sqrt{2})^2 - 1^2 = 2 - 1 = 1。)

D=0D = 0,同样只可能平行或重合。取 l1l_1 上一个具体点来分辨:令 x=0x = 0,由 l1l_1 得 y=3y = 3, 所以 (0, 3)(0,\ 3) 在 l1l_1 上。把它代入 l2l_2 的左边:

0+(2+1)×3=32+3.0 + (\sqrt{2} + 1) \times 3 = 3\sqrt{2} + 3.

因为 2>1\sqrt{2} > 1,所以 32+3>6>23\sqrt{2} + 3 > 6 > 2,即 32+3≠23\sqrt{2} + 3 \neq 2,点 (0,3)(0,3) 不在 l2l_2 上。 于是两条直线有不相同的点集、又不相交,位置关系是平行。

另一条自检的路(不用取点):把 l1l_1 两边同乘 2+1\sqrt{2} + 1,

(2−1)(2+1)x+(2+1)y=3(2+1),(\sqrt{2}-1)(\sqrt{2}+1)x + (\sqrt{2}+1)y = 3(\sqrt{2}+1),

即 x+(2+1)y=32+3x + (\sqrt{2}+1)y = 3\sqrt{2} + 3。它与 l2:x+(2+1)y=2l_2: x + (\sqrt{2}+1)y = 2 左边完全相同、右边不同, 两式不可能同时成立,方程组无解——平行。两条路结论一致。

这道题的关键动作:先算 DD 判”相不相交”,D=0D = 0 时再用”取一点代另一式”分平行与重合。 第 (3) 小问的系数带根号,DD 要靠平方差公式化简才看得出是 00;若只用小数估一估 (2−1≈0.414\sqrt{2} - 1 \approx 0.414,12+1≈0.414\dfrac{1}{\sqrt{2}+1} \approx 0.414)会看着”差不多相等”而下不了判断—— 带无理数的系数一定要精确化简,不能靠近似值下结论。

练习(第 72 页)第 3 题

  1. 直线 ll 经过原点,且经过直线 2x−2y−1=02x - 2y - 1 = 0 与直线 6x−4y+1=06x - 4y + 1 = 0 的交点,求直线 ll 的方程.

先验两个前提。

前提一:那两条直线真的有交点。 记 l1:2x−2y−1=0l_1: 2x - 2y - 1 = 0,l2:6x−4y+1=0l_2: 6x - 4y + 1 = 0,

D=2×(−4)−6×(−2)=−8+12=4≠0,D = 2 \times (-4) - 6 \times (-2) = -8 + 12 = 4 \neq 0,

所以 l1l_1 与 l2l_2 相交于唯一一点,记作 MM。

前提二:MM 不是原点。 把 (0,0)(0,0) 代入 l1l_1 的左边得 2×0−2×0−1=−1≠02\times 0 - 2\times 0 - 1 = -1 \neq 0, 原点不在 l1l_1 上,所以 M≠OM \neq O。这一步不能省:两点重合的话”过这两点的直线”就不唯一, 题目也就没有唯一答案。

求 MM。 由 l1l_1 得 4x−4y=24x - 4y = 2;用 l2l_2 的 6x−4y=−16x - 4y = -1 减去它:

(6x−4y)−(4x−4y)=−1−2 ⟹ 2x=−3 ⟹ x=−32.(6x - 4y) - (4x - 4y) = -1 - 2 \ \Longrightarrow\ 2x = -3 \ \Longrightarrow\ x = -\frac{3}{2}.

代回 l1l_1:2×(−32)−2y−1=02 \times \left(-\dfrac{3}{2}\right) - 2y - 1 = 0,即 −3−2y−1=0-3 - 2y - 1 = 0,y=−2y = -2。 所以 M(−32, −2)M\left(-\dfrac{3}{2},\ -2\right)。

自检:6×(−32)−4×(−2)+1=−9+8+1=06 \times \left(-\dfrac{3}{2}\right) - 4 \times (-2) + 1 = -9 + 8 + 1 = 0,MM 确实在 l2l_2 上。

求 ll。 ll 过 O(0,0)O(0,0) 与 M(−32, −2)M\left(-\dfrac{3}{2},\ -2\right),两点横坐标不同(−32≠0-\dfrac{3}{2} \neq 0), 所以 ll 有斜率,

k=−2−0−32−0=−2−32=43.k = \frac{-2 - 0}{-\dfrac{3}{2} - 0} = \frac{-2}{-\dfrac{3}{2}} = \frac{4}{3}.

又 ll 过原点,纵截距为 00,故

l: y=43x,即4x−3y=0.l:\ y = \frac{4}{3}x, \qquad \text{即}\quad 4x - 3y = 0.

第二条路(不必先求交点)。 把 l1l_1 与 l2l_2 的左边相加:

(2x−2y−1)+(6x−4y+1)=8x−6y.(2x - 2y - 1) + (6x - 4y + 1) = 8x - 6y.

交点 MM 同时满足 2x−2y−1=02x - 2y - 1 = 0 与 6x−4y+1=06x - 4y + 1 = 0,两式相加得 MM 满足 8x−6y=08x - 6y = 0。 而原点显然也满足 8x−6y=08x - 6y = 0。88 与 −6-6 不全为零,所以 8x−6y=08x - 6y = 0 是一条直线; 它同时过 OO 与 MM,而过两个不同点的直线只有一条,所以它就是 ll。约去公因数 22 得

l: 4x−3y=0,l:\ 4x - 3y = 0,

与第一条路的结果一致。常数项恰好抵消是这条捷径能用上的原因: −1-1 与 +1+1 相加为 00,得到的方程自动过原点。

这道题的关键动作:题目给的是”过某两条直线的交点”,标准做法是先把交点解出来当成一个普通的点; 但只要注意到两个方程的某个线性组合恰好满足附加条件(这里是”过原点”即常数项为 00), 就能跳过求交点这一步。两条路都要会——捷径不是每次都有,而通法永远在。

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练习

  1. 求下列两条直线的交点坐标,并画出图形: (1) l1:2x+3y=12,l2:x−2y=4;l_{1}: 2x + 3y = 12, \quad l_{2}: x - 2y = 4; (2) l1:x=2,l2:3x+2y−12=0.l_{1}: x = 2, \quad l_{2}: 3x + 2y - 12 = 0.

  2. 判断下列各对直线的位置关系. 如果相交, 求出交点的坐标: (1) l1:2x−3y=7l_{1}: 2x - 3y = 7 , l2:4x+2y=1l_{2}: 4x + 2y = 1 ; (2) l1:2x−6y+4=0,l2:y=x3+23;l_{1}: 2x - 6y + 4 = 0, \quad l_{2}: y = \frac{x}{3} + \frac{2}{3}; (3) l1:(2−1)x+y=3,l2:x+(2+1)y=2.l_{1}:(\sqrt{2}-1)x+y=3,\quad l_{2}:x+(\sqrt{2}+1)y=2.

  3. 直线 ll 经过原点,且经过直线 2x−2y−1=02x - 2y - 1 = 0 与直线 6x−4y+1=06x - 4y + 1 = 0 的交点,求直线 ll 的方程.

2.3.2 两点间的距离公式

我们知道,在各种几何量中,直线段的长度是最基本的。因此,在解析几何中,最基本的公式自然是用平面内两点的坐标表示这两点间距离的公式。

探究

如图2.3-2,已知平面内两点 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_{1}(x_{1},y_{1}), P_{2}(x_{2},y_{2}) 如何求 P1,P2P_{1}, P_{2} 间的距离 ∣P1P2∣|P_{1}P_{2}|?

图2.3-2

我们用平面向量的知识来解决. 如图 2.3-3, 由点 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_{1}(x_{1}, y_{1}), P_{2}(x_{2}, y_{2}), 得 P1P2→=(x2−x1,y2−y1)\overrightarrow{P_{1}P_{2}} = (x_{2} - x_{1}, y_{2} - y_{1}). 于是,

∣P1P2→∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2.| \overrightarrow {P _ {1} P _ {2}} | = \sqrt {(x _ {2} - x _ {1}) ^ {2} + (y _ {2} - y _ {1}) ^ {2}}.

由此得到 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_{1}(x_{1},y_{1}),P_{2}(x_{2},y_{2}) 两点间的距离公式

∣P1P2∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2.| P _ {1} P _ {2} | = \sqrt {(x _ {2} - x _ {1}) ^ {2} + (y _ {2} - y _ {1}) ^ {2}}.

特别地,原点 O(0,0)O(0,0) 与任一点 P(x,y)P(x,y) 间的距离

∣OP∣=x2+y2.| O P | = \sqrt {x ^ {2} + y ^ {2}}.

图2.3-3

思考

你能利用 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_{1}(x_{1},y_{1}),P_{2}(x_{2},y_{2}) 构造直角三角形,再用勾股定理推导两点间距离公式吗?与向量法比较,你有什么体会?

例3 已知点 A(−1,2)A(-1, 2), B(2,7)B(2, \sqrt{7}), 在 xx 轴上求一点 PP, 使 ∣PA∣=∣PB∣|PA| = |PB|, 并求 ∣PA∣|PA| 的值.

解:设所求点为 P(x,0)P(x,0) ,则

∣PA∣=(x+1)2+(0−2)2=x2+2x+5,| P A | = \sqrt {(x + 1) ^ {2} + (0 - 2) ^ {2}} = \sqrt {x ^ {2} + 2 x + 5},

∣PB∣=(x−2)2+(0−7)2=x2−4x+11.| P B | = \sqrt {(x - 2) ^ {2} + (0 - \sqrt {7}) ^ {2}} = \sqrt {x ^ {2} - 4 x + 1 1}.

由 ∣PA∣=∣PB∣|PA| = |PB|,得

x2+2x+5=x2−4x+11.x ^ {2} + 2 x + 5 = x ^ {2} - 4 x + 1 1.

解得 x=1.

所以,所求点为 P(1,0)P(1,0),且

∣PA∣=(1+1)2+(0−2)2=22.| P A | = \sqrt {(1 + 1) ^ {2} + (0 - 2) ^ {2}} = 2 \sqrt {2}.

例 4 用坐标法证明:平行四边形两条对角线的平方和等于两条邻边的平方和的两倍.

分析:首先要建立适当的平面直角坐标系,用坐标表示有关的量,然后进行代数运算,最后把代数运算的结果“翻译”成几何关系.

图2.3-4

证明:如图 2.3-4,四边形 ABCD 是平行四边形.以顶点 A 为原点,边 AB 所在直线为 x 轴,建立如图所示的平面直角坐标系.

在□ABCD中,点A的坐标是 (0,0)(0,0) ,设点B的坐标为 (a,0)(a,0) ,点D的坐标为 (b,c)(b,c) ,由平行四边形的性质,得点C的坐标为 (a+b,c)(a+b,c) .

如何由平行四边形的性质,得到点 C 的坐标为 (a+b,c)(a+b, c) ?

由两点间的距离公式,得

∣AC∣2=(a+b)2+c2,∣BD∣2=(b−a)2+c2,∣AB∣2=a2,∣AD∣2=b2+c2.| A C | ^ {2} = (a + b) ^ {2} + c ^ {2}, \quad | B D | ^ {2} = (b - a) ^ {2} + c ^ {2}, \quad | A B | ^ {2} = a ^ {2}, \quad | A D | ^ {2} = b ^ {2} + c ^ {2}.

所以

∣AC∣2+∣BD∣2=2(a2+b2+c2),| A C | ^ {2} + | B D | ^ {2} = 2 (a ^ {2} + b ^ {2} + c ^ {2}),

所以

∣AB∣2+∣AD∣2=a2+b2+c2.| A B | ^ {2} + | A D | ^ {2} = a ^ {2} + b ^ {2} + c ^ {2}.

∣AC∣2+∣BD∣2=2(∣AB∣2+∣AD∣2),| A C | ^ {2} + | B D | ^ {2} = 2 (| A B | ^ {2} + | A D | ^ {2}),

即平行四边形两条对角线的平方和等于两条邻边的平方和的两倍.