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。
本节目录下这四页上印着三组题,共 17 道,逐题全做。第 55 页(page-0060)那一组 5 道印在
「2.1.2 两条直线平行和垂直的判定」这个标题之前 ,练的是上一小节 §2.1.1 倾斜角与斜率;
§2.1.1 自己的页上没印练习,所以这 5 道收在这里。第 57 页(page-0062)那一组 2 道是本节自己的练习。
「习题 2.1」10 道从第 57 页起、接到第 58 页(page-0063),也印在本节目录下,一并收齐。
这三组里没有无唯一解答的开放式作业,所以一道不落。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
全篇反复用到的三条,写在这里,后面不再重复推导:
两点求斜率 :k = y 2 − y 1 x 2 − x 1 k = \dfrac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} k = x 2 − x 1 y 2 − y 1 ,前提是 x 1 ≠ x 2 x_1 \neq x_2 x 1 = x 2 (否则直线竖直、斜率不存在)。
倾斜角与斜率 :k = tan α k = \tan\alpha k = tan α ,α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 。在这个范围内正切值与倾斜角一一对应,
所以由 k k k 反求 α \alpha α 的答案是唯一的;k > 0 k > 0 k > 0 对应锐角,k = 0 k = 0 k = 0 对应 0 ∘ 0^\circ 0 ∘ ,k < 0 k < 0 k < 0 对应钝角。
平行与垂直 :两条不重合 且都有斜率的直线,l 1 ∥ l 2 ⇔ k 1 = k 2 l_1 \parallel l_2 \Leftrightarrow k_1 = k_2 l 1 ∥ l 2 ⇔ k 1 = k 2 ,
l 1 ⊥ l 2 ⇔ k 1 k 2 = − 1 l_1 \perp l_2 \Leftrightarrow k_1k_2 = -1 l 1 ⊥ l 2 ⇔ k 1 k 2 = − 1 。由 k 1 = k 2 k_1 = k_2 k 1 = k 2 只能得到”平行或重合”,要判平行还得再验一次不重合。
练习(第 55 页)第 1 题
已知下列直线的倾斜角,求直线的斜率:
(1) α = 30 ∘ \alpha=30^{\circ} α = 3 0 ∘ ; (2) α = 45 ∘ \alpha=45^{\circ} α = 4 5 ∘ ; (3) α = 2 π 3 \alpha=\frac{2\pi}{3} α = 3 2 π ; (4) α = 3 π 4 \alpha=\frac{3\pi}{4} α = 4 3 π .
四个倾斜角都不等于 90 ∘ 90^\circ 9 0 ∘ ,所以斜率都存在,直接用 k = tan α k = \tan\alpha k = tan α 。
(1) k = tan 30 ∘ = 3 3 k = \tan 30^\circ = \dfrac{\sqrt{3}}{3} k = tan 3 0 ∘ = 3 3 。
(2) k = tan 45 ∘ = 1 k = \tan 45^\circ = 1 k = tan 4 5 ∘ = 1 。
(3) 2 π 3 = 120 ∘ \dfrac{2\pi}{3} = 120^\circ 3 2 π = 12 0 ∘ ,是钝角。用诱导公式
tan 120 ∘ = tan ( 180 ∘ − 60 ∘ ) = − tan 60 ∘ = − 3 \tan 120^\circ = \tan(180^\circ - 60^\circ) = -\tan 60^\circ = -\sqrt{3} tan 12 0 ∘ = tan ( 18 0 ∘ − 6 0 ∘ ) = − tan 6 0 ∘ = − 3 ,即 k = − 3 k = -\sqrt{3} k = − 3 。
(4) 3 π 4 = 135 ∘ \dfrac{3\pi}{4} = 135^\circ 4 3 π = 13 5 ∘ ,tan 135 ∘ = tan ( 180 ∘ − 45 ∘ ) = − tan 45 ∘ = − 1 \tan 135^\circ = \tan(180^\circ - 45^\circ) = -\tan 45^\circ = -1 tan 13 5 ∘ = tan ( 18 0 ∘ − 4 5 ∘ ) = − tan 4 5 ∘ = − 1 ,即 k = − 1 k = -1 k = − 1 。
自检 :(1)(2) 的倾斜角是锐角,算出的斜率为正;(3)(4) 的倾斜角是钝角,算出的斜率为负——
符号与”锐角对应正斜率、钝角对应负斜率”相符。
这道题的关键动作 :钝角的正切先用 tan ( 180 ∘ − θ ) = − tan θ \tan(180^\circ - \theta) = -\tan\theta tan ( 18 0 ∘ − θ ) = − tan θ 化到锐角再查值,
别直接背钝角的正切表。
练习(第 55 页)第 2 题
已知下列直线的斜率,求直线的倾斜角:
(1) k=0; (2) k = 3 k=\sqrt{3} k = 3 ; (3) k = − 3 k=-\sqrt{3} k = − 3 ; (4) k = − 3 3 k=-\frac{\sqrt{3}}{3} k = − 3 3 .
倾斜角 α \alpha α 的取值范围是 [ 0 ∘ , 180 ∘ ) [0^\circ,\ 180^\circ) [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) ,这个范围要先写出来 :正切函数在
[ 0 ∘ , 90 ∘ ) [0^\circ,\ 90^\circ) [ 0 ∘ , 9 0 ∘ ) 与 ( 90 ∘ , 180 ∘ ) (90^\circ,\ 180^\circ) ( 9 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 上分别单调,且前一段的值非负、后一段的值为负,
所以在整个 [ 0 ∘ , 180 ∘ ) [0^\circ,\ 180^\circ) [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 上”正切值 → \to → 倾斜角”是一一对应的,下面每一问的答案都唯一。
(1) tan α = 0 \tan\alpha = 0 tan α = 0 且 α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) ,得 α = 0 ∘ \alpha = 0^\circ α = 0 ∘ 。
(180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 的正切也是 0 0 0 ,但 180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 不在范围内,所以不取。)
(2) tan α = 3 > 0 \tan\alpha = \sqrt{3} > 0 tan α = 3 > 0 ,倾斜角是锐角,α = 60 ∘ \alpha = 60^\circ α = 6 0 ∘ (即 π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π )。
(3) tan α = − 3 < 0 \tan\alpha = -\sqrt{3} < 0 tan α = − 3 < 0 ,倾斜角是钝角。由 tan 60 ∘ = 3 \tan 60^\circ = \sqrt{3} tan 6 0 ∘ = 3 得
tan ( 180 ∘ − 60 ∘ ) = − 3 \tan(180^\circ - 60^\circ) = -\sqrt{3} tan ( 18 0 ∘ − 6 0 ∘ ) = − 3 ,所以 α = 120 ∘ \alpha = 120^\circ α = 12 0 ∘ (即 2 π 3 \dfrac{2\pi}{3} 3 2 π )。
(4) tan α = − 3 3 < 0 \tan\alpha = -\dfrac{\sqrt{3}}{3} < 0 tan α = − 3 3 < 0 ,倾斜角是钝角。由 tan 30 ∘ = 3 3 \tan 30^\circ = \dfrac{\sqrt{3}}{3} tan 3 0 ∘ = 3 3 得
tan ( 180 ∘ − 30 ∘ ) = − 3 3 \tan(180^\circ - 30^\circ) = -\dfrac{\sqrt{3}}{3} tan ( 18 0 ∘ − 3 0 ∘ ) = − 3 3 ,所以 α = 150 ∘ \alpha = 150^\circ α = 15 0 ∘ (即 5 π 6 \dfrac{5\pi}{6} 6 5 π )。
自检 :本题与上一题恰好互逆——(2)(3) 的答案代回上一题的公式,得到的正是题给的斜率。
这道题的关键动作 :由斜率反求倾斜角时,先看符号定锐角还是钝角 ,再在对应的那一段里找角;
负斜率一律先求出 arctan ∣ k ∣ \arctan|k| arctan ∣ k ∣ 对应的锐角,再用 180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 减。
练习(第 55 页)第 3 题
求经过下列两点的直线的斜率,并判断其倾斜角是锐角还是钝角:
(1) C ( 18 , 8 ) C(18, 8) C ( 18 , 8 ) , D ( 4 , − 4 ) D(4, -4) D ( 4 , − 4 ) ;
(2) P ( 0 , 0 ) P(0, 0) P ( 0 , 0 ) , Q ( − 1 , 3 ) Q(-1, 3) Q ( − 1 , 3 ) .
(1) 两点的横坐标 18 ≠ 4 18 \neq 4 18 = 4 ,所以斜率存在,
k C D = 8 − ( − 4 ) 18 − 4 = 12 14 = 6 7 . k_{CD} = \frac{8 - (-4)}{18 - 4} = \frac{12}{14} = \frac{6}{7}. k C D = 18 − 4 8 − ( − 4 ) = 14 12 = 7 6 .
k > 0 k > 0 k > 0 ,所以倾斜角是锐角 。
(2) 两点的横坐标 0 ≠ − 1 0 \neq -1 0 = − 1 ,斜率存在,
k P Q = 3 − 0 − 1 − 0 = 3 − 1 = − 3. k_{PQ} = \frac{3 - 0}{-1 - 0} = \frac{3}{-1} = -3. k P Q = − 1 − 0 3 − 0 = − 1 3 = − 3.
k < 0 k < 0 k < 0 ,所以倾斜角是钝角 。
自检 :两点的次序换一下结果不变。(1) 里若写成 − 4 − 8 4 − 18 = − 12 − 14 = 6 7 \dfrac{-4-8}{4-18} = \dfrac{-12}{-14} = \dfrac{6}{7} 4 − 18 − 4 − 8 = − 14 − 12 = 7 6 ,
一致;(2) 里 0 − 3 0 − ( − 1 ) = − 3 1 = − 3 \dfrac{0-3}{0-(-1)} = \dfrac{-3}{1} = -3 0 − ( − 1 ) 0 − 3 = 1 − 3 = − 3 ,也一致。分子分母的相减次序必须一致 ,
一个用 y 2 − y 1 y_2 - y_1 y 2 − y 1 、另一个用 x 1 − x 2 x_1 - x_2 x 1 − x 2 就会把符号弄反——这是这类题最常见的错。
练习(第 55 页)第 4 题
已知 a , b , c a, b, c a , b , c 是两两不等的实数,求经过下列两点的直线的倾斜角:(1) A ( a , c ) , B ( b , c ) A(a, c), B(b, c) A ( a , c ) , B ( b , c ) ; (2) C ( a , b ) , D ( a , c ) C(a, b), D(a, c) C ( a , b ) , D ( a , c ) ; (3) P ( b , b + c ) , Q ( a , c + a ) P(b, b + c), Q(a, c + a) P ( b , b + c ) , Q ( a , c + a ) .
“两两不等”这个条件在三小问里各用一次,先记住:a ≠ b a \neq b a = b ,b ≠ c b \neq c b = c ,a ≠ c a \neq c a = c 。
(1) A ( a , c ) A(a,\ c) A ( a , c ) 与 B ( b , c ) B(b,\ c) B ( b , c ) 的纵坐标相同 ,都是 c c c ;又 a ≠ b a \neq b a = b ,两点确实不重合。
横坐标不同,斜率存在,
k A B = c − c a − b = 0. k_{AB} = \frac{c - c}{a - b} = 0. k A B = a − b c − c = 0.
(这里用到 a − b ≠ 0 a - b \neq 0 a − b = 0 。)tan α = 0 \tan\alpha = 0 tan α = 0 且 α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) ,
所以倾斜角是 0 ∘ 0^\circ 0 ∘ 。几何上:这是一条平行于 x x x 轴的水平直线。
(2) C ( a , b ) C(a,\ b) C ( a , b ) 与 D ( a , c ) D(a,\ c) D ( a , c ) 的横坐标相同 ,都是 a a a ;又 b ≠ c b \neq c b = c ,两点不重合。
横坐标相同意味着 x 2 − x 1 = 0 x_2 - x_1 = 0 x 2 − x 1 = 0 ,斜率公式的前提不成立,斜率不存在 ,不能套 k = tan α k = \tan\alpha k = tan α 。
这是一条竖直直线(平行于 y y y 轴),倾斜角是 90 ∘ 90^\circ 9 0 ∘ 。
(3) 两点的横坐标是 b b b 与 a a a ,由 a ≠ b a \neq b a = b 知它们不同,斜率存在,
k P Q = ( b + c ) − ( c + a ) b − a = b − a b − a = 1. k_{PQ} = \frac{(b + c) - (c + a)}{b - a} = \frac{b - a}{b - a} = 1. k P Q = b − a ( b + c ) − ( c + a ) = b − a b − a = 1.
(约分用到 b − a ≠ 0 b - a \neq 0 b − a = 0 。)tan α = 1 \tan\alpha = 1 tan α = 1 且 α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) ,
所以倾斜角是 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ 。
自检 :第 (3) 问的结果与 c c c 无关——把 c c c 换成任何数,两个纵坐标同时平移,直线只是上下挪,
倾斜角不变。这与算出来的 k = 1 k = 1 k = 1 里 c c c 被消掉是一回事。
这道题的关键动作 :先看两点的横坐标是否相同 。相同就是竖直线、倾斜角 90 ∘ 90^\circ 9 0 ∘ 、斜率不存在;
不同才动用斜率公式。第 (2) 问就是专门考这一条的。
练习(第 55 页)第 5 题
经过 A ( 0 , 2 ) A(0, 2) A ( 0 , 2 ) , B ( − 1 , 0 ) B(-1, 0) B ( − 1 , 0 ) 两点的直线的方向向量为 ( 1 , k ) (1, k) ( 1 , k ) , 求 k k k 的值.
方向向量写成 ( 1 , k ) (1,\ k) ( 1 , k ) ,第一个分量是 1 1 1 、不为零,说明这条直线不竖直 ;
此时它的斜率就等于纵横两个分量之比 k 1 = k \dfrac{k}{1} = k 1 k = k 。所以题目里的 k k k 就是这条直线的斜率。
(为什么”分量之比 = 斜率”:方向向量 ( 1 , k ) (1,\ k) ( 1 , k ) 表示沿直线横向走 1 1 1 、纵向就走 k k k ,
而斜率的定义正是纵向增量与横向增量之比。)
先验前提:A ( 0 , 2 ) A(0,\ 2) A ( 0 , 2 ) 与 B ( − 1 , 0 ) B(-1,\ 0) B ( − 1 , 0 ) 的横坐标 0 ≠ − 1 0 \neq -1 0 = − 1 ,直线确实不竖直,与 ( 1 , k ) (1,\ k) ( 1 , k ) 这个形式相容。
于是
k = k A B = 2 − 0 0 − ( − 1 ) = 2 1 = 2. k = k_{AB} = \frac{2 - 0}{0 - (-1)} = \frac{2}{1} = 2. k = k A B = 0 − ( − 1 ) 2 − 0 = 1 2 = 2.
自检 :取 k = 2 k = 2 k = 2 ,方向向量是 ( 1 , 2 ) (1,\ 2) ( 1 , 2 ) 。从 B ( − 1 , 0 ) B(-1,\ 0) B ( − 1 , 0 ) 出发沿它走一步到 ( 0 , 2 ) (0,\ 2) ( 0 , 2 ) ,正是 A A A 。方向向量没取错。
练习(第 57 页)第 1 题
判断下列各对直线是否平行或垂直:
(1) 经过 A ( 2 , 3 ) A(2, 3) A ( 2 , 3 ) , B ( − 1 , 0 ) B(-1, 0) B ( − 1 , 0 ) 两点的直线 l 1 l_{1} l 1 ,与经过点 P ( 1 , 0 ) P(1, 0) P ( 1 , 0 ) 且斜率为 1 的直线 l 2 l_{2} l 2 ;
(2) 经过 C ( 3 , 1 ) C(3, 1) C ( 3 , 1 ) , D ( − 2 , 0 ) D(-2, 0) D ( − 2 , 0 ) 两点的直线 l 3 l_{3} l 3 ,与经过点 M ( 1 , − 4 ) M(1, -4) M ( 1 , − 4 ) 且斜率为 -5 的直线 l 4 l_{4} l 4 .
(1) A A A 、B B B 的横坐标 2 ≠ − 1 2 \neq -1 2 = − 1 ,l 1 l_1 l 1 的斜率存在,
k 1 = 3 − 0 2 − ( − 1 ) = 3 3 = 1. k_1 = \frac{3 - 0}{2 - (-1)} = \frac{3}{3} = 1. k 1 = 2 − ( − 1 ) 3 − 0 = 3 3 = 1.
而 k 2 = 1 k_2 = 1 k 2 = 1 ,两者相等。但 k 1 = k 2 k_1 = k_2 k 1 = k 2 只说明 l 1 l_1 l 1 与 l 2 l_2 l 2 平行或重合,还要排除重合。
l 1 l_1 l 1 过 B ( − 1 , 0 ) B(-1,\ 0) B ( − 1 , 0 ) 且斜率为 1 1 1 ,方程是 y − 0 = 1 ⋅ ( x − ( − 1 ) ) y - 0 = 1 \cdot \big(x - (-1)\big) y − 0 = 1 ⋅ ( x − ( − 1 ) ) ,即 y = x + 1 y = x + 1 y = x + 1 。
把 l 2 l_2 l 2 上的点 P ( 1 , 0 ) P(1,\ 0) P ( 1 , 0 ) 代进去:右边 = 1 + 1 = 2 ≠ 0 = 1 + 1 = 2 \neq 0 = 1 + 1 = 2 = 0 ,所以 P P P 不在 l 1 l_1 l 1 上,
两条直线不重合。
结论:l 1 ∥ l 2 l_1 \parallel l_2 l 1 ∥ l 2 。(顺带:k 1 k 2 = 1 ≠ − 1 k_1k_2 = 1 \neq -1 k 1 k 2 = 1 = − 1 ,不垂直。)
(2) C C C 、D D D 的横坐标 3 ≠ − 2 3 \neq -2 3 = − 2 ,l 3 l_3 l 3 的斜率存在,
k 3 = 1 − 0 3 − ( − 2 ) = 1 5 . k_3 = \frac{1 - 0}{3 - (-2)} = \frac{1}{5}. k 3 = 3 − ( − 2 ) 1 − 0 = 5 1 .
而 k 4 = − 5 k_4 = -5 k 4 = − 5 ,于是
k 3 k 4 = 1 5 × ( − 5 ) = − 1 , k_3k_4 = \frac{1}{5} \times (-5) = -1, k 3 k 4 = 5 1 × ( − 5 ) = − 1 ,
所以 l 3 ⊥ l 4 l_3 \perp l_4 l 3 ⊥ l 4 。(两条斜率不等,自然也不平行。)
这道题的关键动作 :判平行要多做一步排除重合,判垂直不用 ——因为两条重合的直线斜率之积是 k 2 ≥ 0 k^2 \geq 0 k 2 ≥ 0 ,
永远不等于 − 1 -1 − 1 ,k 1 k 2 = − 1 k_1k_2 = -1 k 1 k 2 = − 1 本身就蕴含了不重合。
练习(第 57 页)第 2 题
试确定 m m m 的值,使过 A ( m , 1 ) A(m, 1) A ( m , 1 ) ,B ( − 1 , m ) B(-1, m) B ( − 1 , m ) 两点的直线与过 P ( 1 , 2 ) P(1, 2) P ( 1 , 2 ) ,Q ( − 5 , 0 ) Q(-5, 0) Q ( − 5 , 0 ) 两点的直线:
(1) 平行;(2) 垂直.
先把已知的那条直线算清楚。P P P 、Q Q Q 的横坐标 1 ≠ − 5 1 \neq -5 1 = − 5 ,斜率存在,
k P Q = 2 − 0 1 − ( − 5 ) = 2 6 = 1 3 . k_{PQ} = \frac{2 - 0}{1 - (-5)} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}. k P Q = 1 − ( − 5 ) 2 − 0 = 6 2 = 3 1 .
直线 P Q PQ P Q 过 Q ( − 5 , 0 ) Q(-5,\ 0) Q ( − 5 , 0 ) ,方程是 y = 1 3 ( x + 5 ) y = \dfrac{1}{3}(x + 5) y = 3 1 ( x + 5 ) 。
再看直线 A B AB A B 。A ( m , 1 ) A(m,\ 1) A ( m , 1 ) 、B ( − 1 , m ) B(-1,\ m) B ( − 1 , m ) 的横坐标分别是 m m m 与 − 1 -1 − 1 ,必须先讨论 m = − 1 m = -1 m = − 1 :
若 m = − 1 m = -1 m = − 1 ,两点是 A ( − 1 , 1 ) A(-1,\ 1) A ( − 1 , 1 ) 与 B ( − 1 , − 1 ) B(-1,\ -1) B ( − 1 , − 1 ) ,横坐标相同、纵坐标不同,
A B AB A B 是竖直直线 x = − 1 x = -1 x = − 1 ,斜率不存在。竖直线只与水平线平行或垂直,
而 P Q PQ P Q 的斜率是 1 3 \dfrac{1}{3} 3 1 ,既不是”不存在”也不是 0 0 0 ,所以此时 A B AB A B 与 P Q PQ P Q 既不平行也不垂直。
m = − 1 m = -1 m = − 1 在两问里都要舍去。
若 m ≠ − 1 m \neq -1 m = − 1 ,斜率存在,
k A B = 1 − m m − ( − 1 ) = 1 − m m + 1 . k_{AB} = \frac{1 - m}{m - (-1)} = \frac{1 - m}{m + 1}. k A B = m − ( − 1 ) 1 − m = m + 1 1 − m .
(1) 平行。 令 k A B = k P Q k_{AB} = k_{PQ} k A B = k P Q :
1 − m m + 1 = 1 3 ⟹ 3 ( 1 − m ) = m + 1 ⟹ 3 − 3 m = m + 1 ⟹ 4 m = 2 ⟹ m = 1 2 . \frac{1 - m}{m + 1} = \frac{1}{3} \ \Longrightarrow\ 3(1 - m) = m + 1 \ \Longrightarrow\ 3 - 3m = m + 1 \ \Longrightarrow\ 4m = 2 \ \Longrightarrow\ m = \frac{1}{2}. m + 1 1 − m = 3 1 ⟹ 3 ( 1 − m ) = m + 1 ⟹ 3 − 3 m = m + 1 ⟹ 4 m = 2 ⟹ m = 2 1 .
(交叉相乘用到 m + 1 ≠ 0 m + 1 \neq 0 m + 1 = 0 ,这已经在上面的分类里保证了。)
还要排除重合。 取 m = 1 2 m = \dfrac{1}{2} m = 2 1 ,则 A ( 1 2 , 1 ) A\left(\dfrac{1}{2},\ 1\right) A ( 2 1 , 1 ) 。
把它代入 P Q PQ P Q 的方程右边:1 3 ( 1 2 + 5 ) = 1 3 × 11 2 = 11 6 ≠ 1 \dfrac{1}{3}\left(\dfrac{1}{2} + 5\right) = \dfrac{1}{3} \times \dfrac{11}{2} = \dfrac{11}{6} \neq 1 3 1 ( 2 1 + 5 ) = 3 1 × 2 11 = 6 11 = 1 ,
所以 A A A 不在 P Q PQ P Q 上,两条直线不重合。
综上,m = 1 2 m = \dfrac{1}{2} m = 2 1 。
(2) 垂直。 令 k A B ⋅ k P Q = − 1 k_{AB} \cdot k_{PQ} = -1 k A B ⋅ k P Q = − 1 ,即 k A B = − 3 k_{AB} = -3 k A B = − 3 :
1 − m m + 1 = − 3 ⟹ 1 − m = − 3 ( m + 1 ) = − 3 m − 3 ⟹ 2 m = − 4 ⟹ m = − 2. \frac{1 - m}{m + 1} = -3 \ \Longrightarrow\ 1 - m = -3(m + 1) = -3m - 3 \ \Longrightarrow\ 2m = -4 \ \Longrightarrow\ m = -2. m + 1 1 − m = − 3 ⟹ 1 − m = − 3 ( m + 1 ) = − 3 m − 3 ⟹ 2 m = − 4 ⟹ m = − 2.
m = − 2 ≠ − 1 m = -2 \neq -1 m = − 2 = − 1 ,与前提相容。
自检 :m = − 2 m = -2 m = − 2 时 A ( − 2 , 1 ) A(-2,\ 1) A ( − 2 , 1 ) 、B ( − 1 , − 2 ) B(-1,\ -2) B ( − 1 , − 2 ) ,
k A B = 1 − ( − 2 ) − 2 − ( − 1 ) = 3 − 1 = − 3 k_{AB} = \dfrac{1 - (-2)}{-2 - (-1)} = \dfrac{3}{-1} = -3 k A B = − 2 − ( − 1 ) 1 − ( − 2 ) = − 1 3 = − 3 ,
k A B ⋅ k P Q = − 3 × 1 3 = − 1 k_{AB} \cdot k_{PQ} = -3 \times \dfrac{1}{3} = -1 k A B ⋅ k P Q = − 3 × 3 1 = − 1 ,确实垂直。
综上,m = − 2 m = -2 m = − 2 。
习题 2.1 第 1 题
已知直线斜率的绝对值等于1,求直线的倾斜角.
∣ k ∣ = 1 |k| = 1 ∣ k ∣ = 1 给出两个可能:k = 1 k = 1 k = 1 或 k = − 1 k = -1 k = − 1 ,两种都要写 。
设倾斜角为 α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 。
k = 1 > 0 k = 1 > 0 k = 1 > 0 ,倾斜角是锐角,由 tan α = 1 \tan\alpha = 1 tan α = 1 得 α = 45 ∘ \alpha = 45^\circ α = 4 5 ∘ ;
k = − 1 < 0 k = -1 < 0 k = − 1 < 0 ,倾斜角是钝角,由 tan α = − 1 \tan\alpha = -1 tan α = − 1 与 tan ( 180 ∘ − 45 ∘ ) = − 1 \tan(180^\circ - 45^\circ) = -1 tan ( 18 0 ∘ − 4 5 ∘ ) = − 1 得 α = 135 ∘ \alpha = 135^\circ α = 13 5 ∘ 。
所以倾斜角是 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ 或 135 ∘ 135^\circ 13 5 ∘ 。
这道题的关键动作 :绝对值等于一个正数,必然是两个值 ,漏掉负的那一支就丢一半答案。
习题 2.1 第 2 题
已知四边形 A B C D ABCD A B C D 的四个顶点是 A ( 2 , 3 ) A(2, 3) A ( 2 , 3 ) , B ( 1 , − 1 ) B(1, -1) B ( 1 , − 1 ) , C ( − 1 , − 2 ) C(-1, -2) C ( − 1 , − 2 ) , D ( − 2 , 2 ) D(-2, 2) D ( − 2 , 2 ) , 求四边形 A B C D ABCD A B C D 的四条边所在直线的斜率.
四边形 A B C D ABCD A B C D 的四条边是 A B AB A B 、B C BC B C 、C D CD C D 、D A DA D A (A C AC A C 与 B D BD B D 是对角线,不是边,别算错对象)。
四条边的两个端点横坐标都不相同,所以四个斜率都存在。
k A B = 3 − ( − 1 ) 2 − 1 = 4 1 = 4 , k_{AB} = \frac{3 - (-1)}{2 - 1} = \frac{4}{1} = 4, k A B = 2 − 1 3 − ( − 1 ) = 1 4 = 4 ,
k B C = − 1 − ( − 2 ) 1 − ( − 1 ) = 1 2 , k_{BC} = \frac{-1 - (-2)}{1 - (-1)} = \frac{1}{2}, k B C = 1 − ( − 1 ) − 1 − ( − 2 ) = 2 1 ,
k C D = − 2 − 2 − 1 − ( − 2 ) = − 4 1 = − 4 , k_{CD} = \frac{-2 - 2}{-1 - (-2)} = \frac{-4}{1} = -4, k C D = − 1 − ( − 2 ) − 2 − 2 = 1 − 4 = − 4 ,
k D A = 2 − 3 − 2 − 2 = − 1 − 4 = 1 4 . k_{DA} = \frac{2 - 3}{-2 - 2} = \frac{-1}{-4} = \frac{1}{4}. k D A = − 2 − 2 2 − 3 = − 4 − 1 = 4 1 .
自检 :四个斜率两两不等,特别是 k A B ≠ k C D k_{AB} \neq k_{CD} k A B = k C D 、k B C ≠ k D A k_{BC} \neq k_{DA} k B C = k D A ,
所以这个四边形两组对边都不平行——它不是平行四边形,只是一个一般的四边形。
另外 k A B k B C = 4 × 1 2 = 2 ≠ − 1 k_{AB}k_{BC} = 4 \times \dfrac{1}{2} = 2 \neq -1 k A B k B C = 4 × 2 1 = 2 = − 1 ,∠ A B C \angle ABC ∠ A B C 也不是直角。
这道题的关键动作 :按顶点顺序认边。A → B → C → D → A A \to B \to C \to D \to A A → B → C → D → A 走一圈,走过的四条线段才是边。
习题 2.1 第 3 题
m m m 为何值时,(1)经过 A ( − m , 6 ) A(-m, 6) A ( − m , 6 ) ,B ( 1 , 3 m ) B(1, 3m) B ( 1 , 3 m ) 两点的直线的斜率是12?
(2) 经过 A ( m , 2 ) A(m, 2) A ( m , 2 ) , B ( − m , − 2 m − 1 ) B(-m, -2m-1) B ( − m , − 2 m − 1 ) 两点的直线的倾斜角是 60 ∘ 60^{\circ} 6 0 ∘ ?
(1) 要谈斜率,先要斜率存在,即两点横坐标不同:− m ≠ 1 -m \neq 1 − m = 1 ,也就是 m ≠ − 1 m \neq -1 m = − 1 。
在这个前提下
k A B = 6 − 3 m − m − 1 . k_{AB} = \frac{6 - 3m}{-m - 1}. k A B = − m − 1 6 − 3 m .
令它等于 12 12 12 :
6 − 3 m − m − 1 = 12 ⟹ 6 − 3 m = 12 ( − m − 1 ) = − 12 m − 12 , \frac{6 - 3m}{-m - 1} = 12 \ \Longrightarrow\ 6 - 3m = 12(-m - 1) = -12m - 12, − m − 1 6 − 3 m = 12 ⟹ 6 − 3 m = 12 ( − m − 1 ) = − 12 m − 12 ,
6 − 3 m + 12 m + 12 = 0 ⟹ 9 m + 18 = 0 ⟹ m = − 2. 6 - 3m + 12m + 12 = 0 \ \Longrightarrow\ 9m + 18 = 0 \ \Longrightarrow\ m = -2. 6 − 3 m + 12 m + 12 = 0 ⟹ 9 m + 18 = 0 ⟹ m = − 2.
m = − 2 ≠ − 1 m = -2 \neq -1 m = − 2 = − 1 ,前提满足。
自检 :m = − 2 m = -2 m = − 2 时 A ( 2 , 6 ) A(2,\ 6) A ( 2 , 6 ) 、B ( 1 , − 6 ) B(1,\ -6) B ( 1 , − 6 ) ,k = 6 − ( − 6 ) 2 − 1 = 12 k = \dfrac{6 - (-6)}{2 - 1} = 12 k = 2 − 1 6 − ( − 6 ) = 12 ,对。
(2) 倾斜角 60 ∘ 60^\circ 6 0 ∘ 对应斜率 k = tan 60 ∘ = 3 k = \tan 60^\circ = \sqrt{3} k = tan 6 0 ∘ = 3 。
先要斜率存在:两点横坐标 m m m 与 − m -m − m 不同,即 m ≠ − m m \neq -m m = − m ,也就是 m ≠ 0 \boldsymbol{m \neq 0} m = 0 。
(若 m = 0 m = 0 m = 0 ,两点是 A ( 0 , 2 ) A(0,\ 2) A ( 0 , 2 ) 与 B ( 0 , − 1 ) B(0,\ -1) B ( 0 , − 1 ) ,直线竖直、倾斜角是 90 ∘ 90^\circ 9 0 ∘ ,不合题意。)
在 m ≠ 0 m \neq 0 m = 0 的前提下
k A B = 2 − ( − 2 m − 1 ) m − ( − m ) = 2 m + 3 2 m . k_{AB} = \frac{2 - (-2m - 1)}{m - (-m)} = \frac{2m + 3}{2m}. k A B = m − ( − m ) 2 − ( − 2 m − 1 ) = 2 m 2 m + 3 .
令它等于 3 \sqrt{3} 3 :
2 m + 3 2 m = 3 ⟹ 2 m + 3 = 2 3 m ⟹ 3 = 2 3 m − 2 m = 2 ( 3 − 1 ) m , \frac{2m + 3}{2m} = \sqrt{3} \ \Longrightarrow\ 2m + 3 = 2\sqrt{3}\,m \ \Longrightarrow\ 3 = 2\sqrt{3}\,m - 2m = 2(\sqrt{3} - 1)m, 2 m 2 m + 3 = 3 ⟹ 2 m + 3 = 2 3 m ⟹ 3 = 2 3 m − 2 m = 2 ( 3 − 1 ) m ,
m = 3 2 ( 3 − 1 ) . m = \frac{3}{2(\sqrt{3} - 1)}. m = 2 ( 3 − 1 ) 3 .
分母有理化(分子分母同乘 3 + 1 \sqrt{3} + 1 3 + 1 ,注意 ( 3 − 1 ) ( 3 + 1 ) = 3 − 1 = 2 (\sqrt{3}-1)(\sqrt{3}+1) = 3 - 1 = 2 ( 3 − 1 ) ( 3 + 1 ) = 3 − 1 = 2 ):
m = 3 ( 3 + 1 ) 2 × 2 = 3 3 + 3 4 . m = \frac{3(\sqrt{3} + 1)}{2 \times 2} = \frac{3\sqrt{3} + 3}{4}. m = 2 × 2 3 ( 3 + 1 ) = 4 3 3 + 3 .
m ≠ 0 m \neq 0 m = 0 ,前提满足。
自检 :m = 3 3 + 3 4 ≈ 3 × 1.7321 + 3 4 ≈ 8.1962 4 ≈ 2.0490 m = \dfrac{3\sqrt{3} + 3}{4} \approx \dfrac{3 \times 1.7321 + 3}{4} \approx \dfrac{8.1962}{4} \approx 2.0490 m = 4 3 3 + 3 ≈ 4 3 × 1.7321 + 3 ≈ 4 8.1962 ≈ 2.0490 。
于是 2 m + 3 ≈ 7.0981 2m + 3 \approx 7.0981 2 m + 3 ≈ 7.0981 、2 m ≈ 4.0981 2m \approx 4.0981 2 m ≈ 4.0981 ,比值 ≈ 1.7321 ≈ 3 \approx 1.7321 \approx \sqrt{3} ≈ 1.7321 ≈ 3 ,与 tan 60 ∘ \tan 60^\circ tan 6 0 ∘ 相符。
习题 2.1 第 4 题
已知 A ( 1 , 2 ) , B ( − 1 , 0 ) , C ( 3 , 4 ) A(1, 2), B(-1, 0), C(3, 4) A ( 1 , 2 ) , B ( − 1 , 0 ) , C ( 3 , 4 ) 三点,这三点是否在同一条直线上?为什么?
结论:三点共线。
理由分两步,两步缺一不可。
第一步:算两条直线的斜率。 A A A 、B B B 的横坐标 1 ≠ − 1 1 \neq -1 1 = − 1 ,A A A 、C C C 的横坐标 1 ≠ 3 1 \neq 3 1 = 3 ,两个斜率都存在,
k A B = 2 − 0 1 − ( − 1 ) = 2 2 = 1 , k A C = 4 − 2 3 − 1 = 2 2 = 1. k_{AB} = \frac{2 - 0}{1 - (-1)} = \frac{2}{2} = 1, \qquad k_{AC} = \frac{4 - 2}{3 - 1} = \frac{2}{2} = 1. k A B = 1 − ( − 1 ) 2 − 0 = 2 2 = 1 , k A C = 3 − 1 4 − 2 = 2 2 = 1.
第二步:由”斜率相等 + 有公共点”得共线。 k A B = k A C k_{AB} = k_{AC} k A B = k A C 说明直线 A B AB A B 与直线 A C AC A C 平行或重合;
而这两条直线都经过点 A A A 、有公共点,平行的两条直线没有公共点,所以只能是重合 。
于是 B B B 、C C C 都在同一条直线上,A A A 、B B B 、C C C 三点共线。
这道题的关键动作 :证三点共线要用同一个点出发 的两条直线(这里都从 A A A 出发),
“斜率相等”才升级成”重合”。若算的是 k A B k_{AB} k A B 与 k C D k_{CD} k C D 这种没有公共点的两条,斜率相等只能说平行。
自检 :直线 A B AB A B 过 B ( − 1 , 0 ) B(-1,\ 0) B ( − 1 , 0 ) 、斜率 1 1 1 ,方程是 y = x + 1 y = x + 1 y = x + 1 。
把 C ( 3 , 4 ) C(3,\ 4) C ( 3 , 4 ) 代入:3 + 1 = 4 3 + 1 = 4 3 + 1 = 4 ,成立,C C C 确实在这条直线上。
习题 2.1 第 5 题
判断下列不同的直线 l 1 l_{1} l 1 与 l 2 l_{2} l 2 是否平行:
(1) l 1 l_{1} l 1 的斜率为2,l 2 l_{2} l 2 经过 A ( 1 , 2 ) A(1,2) A ( 1 , 2 ) ,B ( 4 , 8 ) B(4,8) B ( 4 , 8 ) 两点;
(2) l 1 l_{1} l 1 经过 P ( 3 , 3 ) P(3,3) P ( 3 , 3 ) , Q ( − 5 , 3 ) Q(-5,3) Q ( − 5 , 3 ) 两点, l 2 l_{2} l 2 平行于 x x x 轴, 但不经过 P P P , Q Q Q 两点;
(3) l 1 l_{1} l 1 经过 M ( − 1 , 0 ) M(-1,0) M ( − 1 , 0 ) , N ( − 5 , − 2 ) N(-5,-2) N ( − 5 , − 2 ) 两点, l 2 l_{2} l 2 经过 R ( − 4 , 3 ) R(-4,3) R ( − 4 , 3 ) , S ( 0 , 5 ) S(0,5) S ( 0 , 5 ) 两点.
题面已经声明这是两条不同的直线 ,也就是重合已被排除,所以三小问都只需比斜率——
这正是上一节里”由 k 1 = k 2 k_1 = k_2 k 1 = k 2 只能得平行或重合”的那一步在这里被题面替我们做掉了。
(1) A A A 、B B B 的横坐标 1 ≠ 4 1 \neq 4 1 = 4 ,l 2 l_2 l 2 的斜率存在,
k 2 = 8 − 2 4 − 1 = 6 3 = 2. k_2 = \frac{8 - 2}{4 - 1} = \frac{6}{3} = 2. k 2 = 4 − 1 8 − 2 = 3 6 = 2.
k 1 = 2 = k 2 k_1 = 2 = k_2 k 1 = 2 = k 2 ,两条直线又不重合,所以 l 1 ∥ l 2 l_1 \parallel l_2 l 1 ∥ l 2 。
(2) P ( 3 , 3 ) P(3,\ 3) P ( 3 , 3 ) 与 Q ( − 5 , 3 ) Q(-5,\ 3) Q ( − 5 , 3 ) 的纵坐标都是 3 3 3 、横坐标不同,所以
k 1 = 3 − 3 3 − ( − 5 ) = 0 , k_1 = \frac{3 - 3}{3 - (-5)} = 0, k 1 = 3 − ( − 5 ) 3 − 3 = 0 ,
l 1 l_1 l 1 是水平直线 y = 3 y = 3 y = 3 。l 2 l_2 l 2 平行于 x x x 轴,也是水平直线,k 2 = 0 k_2 = 0 k 2 = 0 。
两者斜率相等;题面又说 l 2 l_2 l 2 不经过 P P P 、Q Q Q ,而 P P P 、Q Q Q 在 l 1 l_1 l 1 上,所以两条直线不重合。
所以 l 1 ∥ l 2 l_1 \parallel l_2 l 1 ∥ l 2 。
(3) 两条直线的端点横坐标都不同,斜率都存在,
k 1 = 0 − ( − 2 ) − 1 − ( − 5 ) = 2 4 = 1 2 , k 2 = 5 − 3 0 − ( − 4 ) = 2 4 = 1 2 . k_1 = \frac{0 - (-2)}{-1 - (-5)} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}, \qquad
k_2 = \frac{5 - 3}{0 - (-4)} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}. k 1 = − 1 − ( − 5 ) 0 − ( − 2 ) = 4 2 = 2 1 , k 2 = 0 − ( − 4 ) 5 − 3 = 4 2 = 2 1 .
k 1 = k 2 k_1 = k_2 k 1 = k 2 ,两条直线不重合,所以 l 1 ∥ l 2 l_1 \parallel l_2 l 1 ∥ l 2 。
补一次不重合的验算 (题面已保证,这里只是自检):l 1 l_1 l 1 过 M ( − 1 , 0 ) M(-1,\ 0) M ( − 1 , 0 ) 、斜率 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 ,
方程是 y = 1 2 ( x + 1 ) y = \dfrac{1}{2}(x + 1) y = 2 1 ( x + 1 ) 。把 R ( − 4 , 3 ) R(-4,\ 3) R ( − 4 , 3 ) 代入右边得 1 2 × ( − 3 ) = − 3 2 ≠ 3 \dfrac{1}{2} \times (-3) = -\dfrac{3}{2} \neq 3 2 1 × ( − 3 ) = − 2 3 = 3 ,
R R R 不在 l 1 l_1 l 1 上,确实是两条不同的直线。
习题 2.1 第 6 题
判断下列直线 l 1 l_{1} l 1 与 l 2 l_{2} l 2 是否垂直:
(1) l 1 l_{1} l 1 的斜率为 − 2 3 -\frac{2}{3} − 3 2 , l 2 l_{2} l 2 经过点 A ( 1 , 1 ) A(1, 1) A ( 1 , 1 ) , B ( 0 , − 1 2 ) B\left(0, -\frac{1}{2}\right) B ( 0 , − 2 1 ) ;
(2) l 1 l_{1} l 1 的倾斜角为 45 ∘ 45^{\circ} 4 5 ∘ , l 2 l_{2} l 2 经过 P ( − 2 , − 1 ) P(-2, -1) P ( − 2 , − 1 ) , Q ( 3 , − 6 ) Q(3, -6) Q ( 3 , − 6 ) 两点;
(3) l 1 l_{1} l 1 经过 M ( 1 , 0 ) M(1,0) M ( 1 , 0 ) , N ( 4 , − 5 ) N(4,-5) N ( 4 , − 5 ) 两点, l 2 l_{2} l 2 经过 R ( − 6 , 0 ) R(-6,0) R ( − 6 , 0 ) , S ( − 1 , 3 ) S(-1,3) S ( − 1 , 3 ) 两点.
三小问里两条直线的斜率都存在,所以都能用 l 1 ⊥ l 2 ⇔ k 1 k 2 = − 1 l_1 \perp l_2 \Leftrightarrow k_1k_2 = -1 l 1 ⊥ l 2 ⇔ k 1 k 2 = − 1 。
(1) A A A 、B B B 的横坐标 1 ≠ 0 1 \neq 0 1 = 0 ,
k 2 = 1 − ( − 1 2 ) 1 − 0 = 3 2 1 = 3 2 . k_2 = \frac{1 - \left(-\dfrac{1}{2}\right)}{1 - 0} = \frac{\dfrac{3}{2}}{1} = \frac{3}{2}. k 2 = 1 − 0 1 − ( − 2 1 ) = 1 2 3 = 2 3 .
k 1 k 2 = − 2 3 × 3 2 = − 1 , k_1k_2 = -\frac{2}{3} \times \frac{3}{2} = -1, k 1 k 2 = − 3 2 × 2 3 = − 1 ,
所以 l 1 ⊥ l 2 l_1 \perp l_2 l 1 ⊥ l 2 。
(2) l 1 l_1 l 1 的倾斜角是 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ ,k 1 = tan 45 ∘ = 1 k_1 = \tan 45^\circ = 1 k 1 = tan 4 5 ∘ = 1 。P P P 、Q Q Q 的横坐标 − 2 ≠ 3 -2 \neq 3 − 2 = 3 ,
k 2 = − 1 − ( − 6 ) − 2 − 3 = 5 − 5 = − 1. k_2 = \frac{-1 - (-6)}{-2 - 3} = \frac{5}{-5} = -1. k 2 = − 2 − 3 − 1 − ( − 6 ) = − 5 5 = − 1.
k 1 k 2 = 1 × ( − 1 ) = − 1 , k_1k_2 = 1 \times (-1) = -1, k 1 k 2 = 1 × ( − 1 ) = − 1 ,
所以 l 1 ⊥ l 2 l_1 \perp l_2 l 1 ⊥ l 2 。
(3) 两条直线的端点横坐标都不同,
k 1 = 0 − ( − 5 ) 1 − 4 = 5 − 3 = − 5 3 , k 2 = 3 − 0 − 1 − ( − 6 ) = 3 5 . k_1 = \frac{0 - (-5)}{1 - 4} = \frac{5}{-3} = -\frac{5}{3}, \qquad
k_2 = \frac{3 - 0}{-1 - (-6)} = \frac{3}{5}. k 1 = 1 − 4 0 − ( − 5 ) = − 3 5 = − 3 5 , k 2 = − 1 − ( − 6 ) 3 − 0 = 5 3 .
k 1 k 2 = − 5 3 × 3 5 = − 1 , k_1k_2 = -\frac{5}{3} \times \frac{3}{5} = -1, k 1 k 2 = − 3 5 × 5 3 = − 1 ,
所以 l 1 ⊥ l 2 l_1 \perp l_2 l 1 ⊥ l 2 。
自检 :三问的答案都是”垂直”,看着可疑,但三次乘积各自算出来都恰好是 − 1 -1 − 1 ,
而且三对斜率互为负倒数 (− 2 3 -\dfrac{2}{3} − 3 2 与 3 2 \dfrac{3}{2} 2 3 、1 1 1 与 − 1 -1 − 1 、− 5 3 -\dfrac{5}{3} − 3 5 与 3 5 \dfrac{3}{5} 5 3 ),
这正是 k 1 k 2 = − 1 k_1k_2 = -1 k 1 k 2 = − 1 的等价说法,结果可信。
习题 2.1 第 7 题
过 A ( m 2 + 2 , m 2 − 3 ) A(m^2 + 2, m^2 - 3) A ( m 2 + 2 , m 2 − 3 ) , B ( 3 − m − m 2 , 2 m ) B(3 - m - m^2, 2m) B ( 3 − m − m 2 , 2 m ) 两点的直线 l l l 的倾斜角为 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ , 求 m m m 的值.
倾斜角 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ 对应斜率 k = tan 45 ∘ = 1 k = \tan 45^\circ = 1 k = tan 4 5 ∘ = 1 。斜率存在意味着 A A A 、B B B 的横坐标不同 ,
先把这个前提写成式子:
x A − x B = ( m 2 + 2 ) − ( 3 − m − m 2 ) = m 2 + 2 − 3 + m + m 2 = 2 m 2 + m − 1 ≠ 0. x_A - x_B = (m^2 + 2) - (3 - m - m^2) = m^2 + 2 - 3 + m + m^2 = 2m^2 + m - 1 \neq 0. x A − x B = ( m 2 + 2 ) − ( 3 − m − m 2 ) = m 2 + 2 − 3 + m + m 2 = 2 m 2 + m − 1 = 0.
因式分解 2 m 2 + m − 1 = ( 2 m − 1 ) ( m + 1 ) 2m^2 + m - 1 = (2m - 1)(m + 1) 2 m 2 + m − 1 = ( 2 m − 1 ) ( m + 1 ) ,所以前提是 m ≠ 1 2 m \neq \dfrac{1}{2} m = 2 1 且 m ≠ − 1 m \neq -1 m = − 1 。
纵坐标之差
y A − y B = ( m 2 − 3 ) − 2 m = m 2 − 2 m − 3. y_A - y_B = (m^2 - 3) - 2m = m^2 - 2m - 3. y A − y B = ( m 2 − 3 ) − 2 m = m 2 − 2 m − 3.
令斜率等于 1 1 1 :
m 2 − 2 m − 3 2 m 2 + m − 1 = 1 ⟹ m 2 − 2 m − 3 = 2 m 2 + m − 1 , \frac{m^2 - 2m - 3}{2m^2 + m - 1} = 1 \ \Longrightarrow\ m^2 - 2m - 3 = 2m^2 + m - 1, 2 m 2 + m − 1 m 2 − 2 m − 3 = 1 ⟹ m 2 − 2 m − 3 = 2 m 2 + m − 1 ,
0 = m 2 + 3 m + 2 = ( m + 1 ) ( m + 2 ) ⟹ m = − 1 或 m = − 2. 0 = m^2 + 3m + 2 = (m + 1)(m + 2) \ \Longrightarrow\ m = -1 \ \text{或}\ m = -2. 0 = m 2 + 3 m + 2 = ( m + 1 ) ( m + 2 ) ⟹ m = − 1 或 m = − 2.
回头验前提,这一步不能省。
m = − 1 m = -1 m = − 1 :横坐标之差 2 m 2 + m − 1 = 2 − 1 − 1 = 0 2m^2 + m - 1 = 2 - 1 - 1 = 0 2 m 2 + m − 1 = 2 − 1 − 1 = 0 ,要舍去 。
舍去的理由还可以说得更具体:m = − 1 m = -1 m = − 1 时 A ( 1 + 2 , 1 − 3 ) = A ( 3 , − 2 ) A(1 + 2,\ 1 - 3) = A(3,\ -2) A ( 1 + 2 , 1 − 3 ) = A ( 3 , − 2 ) ,
B ( 3 + 1 − 1 , − 2 ) = B ( 3 , − 2 ) B(3 + 1 - 1,\ -2) = B(3,\ -2) B ( 3 + 1 − 1 , − 2 ) = B ( 3 , − 2 ) ,A A A 与 B B B 是同一个点 ,根本谈不上”过 A A A 、B B B 两点的直线”。
m = − 2 m = -2 m = − 2 :2 m 2 + m − 1 = 8 − 2 − 1 = 5 ≠ 0 2m^2 + m - 1 = 8 - 2 - 1 = 5 \neq 0 2 m 2 + m − 1 = 8 − 2 − 1 = 5 = 0 ,前提满足,保留。
所以 m = − 2 m = -2 m = − 2 。
自检 :m = − 2 m = -2 m = − 2 时 A ( 4 + 2 , 4 − 3 ) = A ( 6 , 1 ) A(4 + 2,\ 4 - 3) = A(6,\ 1) A ( 4 + 2 , 4 − 3 ) = A ( 6 , 1 ) ,B ( 3 + 2 − 4 , − 4 ) = B ( 1 , − 4 ) B(3 + 2 - 4,\ -4) = B(1,\ -4) B ( 3 + 2 − 4 , − 4 ) = B ( 1 , − 4 ) ,
k = 1 − ( − 4 ) 6 − 1 = 5 5 = 1 = tan 45 ∘ , k = \frac{1 - (-4)}{6 - 1} = \frac{5}{5} = 1 = \tan 45^\circ, k = 6 − 1 1 − ( − 4 ) = 5 5 = 1 = tan 4 5 ∘ ,
倾斜角确实是 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ 。
这道题的关键动作 :把”斜率存在”写成关于参数的不等式,解完方程再回来验 。
这道题的两个根里恰好有一个被前提筛掉,如果不验就会多答一个。
习题 2.1 第 8 题
经过点 P ( 0 , − 1 ) P(0, -1) P ( 0 , − 1 ) 作直线 l l l ,若直线 l l l 与连接 A ( 1 , − 2 ) A(1, -2) A ( 1 , − 2 ) ,B ( 2 , 1 ) B(2, 1) B ( 2 , 1 ) 两点的线段总有公共点,求直线 l l l 的倾斜角 α \alpha α 与斜率 k k k 的取值范围,并说明理由.
第一步:先把竖直的那条排掉。 过 P ( 0 , − 1 ) P(0,\ -1) P ( 0 , − 1 ) 的竖直直线是 x = 0 x = 0 x = 0 。
线段 A B AB A B 上的点,横坐标介于 1 1 1 与 2 2 2 之间,恒有 x ≥ 1 > 0 x \geq 1 > 0 x ≥ 1 > 0 ,所以 x = 0 x = 0 x = 0 与线段 A B AB A B 没有公共点。
于是符合条件的 l l l 一定有斜率,可以设 l : y = k x − 1 l: y = kx - 1 l : y = k x − 1 (它过 P ( 0 , − 1 ) P(0,\ -1) P ( 0 , − 1 ) )。
第二步:把”有公共点”翻译成 k k k 的条件。 线段 A B AB A B 上的点可以写成
( x , y ) = ( 1 + t , − 2 + 3 t ) , t ∈ [ 0 , 1 ] (x,\ y) = (1 + t,\ -2 + 3t), \qquad t \in [0,\ 1] ( x , y ) = ( 1 + t , − 2 + 3 t ) , t ∈ [ 0 , 1 ]
(t = 0 t = 0 t = 0 给出 A ( 1 , − 2 ) A(1,\ -2) A ( 1 , − 2 ) ,t = 1 t = 1 t = 1 给出 B ( 2 , 1 ) B(2,\ 1) B ( 2 , 1 ) ;横坐标从 1 1 1 增到 2 2 2 、纵坐标从 − 2 -2 − 2 增到 1 1 1 ,
正是线段 A B AB A B )。这个点在 l l l 上当且仅当
− 2 + 3 t = k ( 1 + t ) − 1 ⟹ 3 t − 1 = k ( 1 + t ) . -2 + 3t = k(1 + t) - 1 \ \Longrightarrow\ 3t - 1 = k(1 + t). − 2 + 3 t = k ( 1 + t ) − 1 ⟹ 3 t − 1 = k ( 1 + t ) .
因为 t ∈ [ 0 , 1 ] t \in [0,\ 1] t ∈ [ 0 , 1 ] 时 1 + t ≥ 1 > 0 1 + t \geq 1 > 0 1 + t ≥ 1 > 0 ,可以两边同除,得
k = g ( t ) : = 3 t − 1 1 + t . k = g(t) := \frac{3t - 1}{1 + t}. k = g ( t ) := 1 + t 3 t − 1 .
所以”l l l 与线段 A B AB A B 有公共点"⇔ \Leftrightarrow ⇔ "k k k 落在 g g g 在 [ 0 , 1 ] [0,\ 1] [ 0 , 1 ] 上的值域里”。
第三步:求 g g g 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的值域。 把它化成分离常数的形式:
g ( t ) = 3 ( 1 + t ) − 4 1 + t = 3 − 4 1 + t . g(t) = \frac{3(1 + t) - 4}{1 + t} = 3 - \frac{4}{1 + t}. g ( t ) = 1 + t 3 ( 1 + t ) − 4 = 3 − 1 + t 4 .
t t t 从 0 0 0 增到 1 1 1 时 1 + t 1 + t 1 + t 从 1 1 1 增到 2 2 2 ,4 1 + t \dfrac{4}{1+t} 1 + t 4 从 4 4 4 减到 2 2 2 ,
于是 g ( t ) g(t) g ( t ) 从 3 − 4 = − 1 3 - 4 = -1 3 − 4 = − 1 单调递增 到 3 − 2 = 1 3 - 2 = 1 3 − 2 = 1 。g g g 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上连续,
所以值域恰好是 [ − 1 , 1 ] [-1,\ 1] [ − 1 , 1 ] 。
结论(斜率) :k ∈ [ − 1 , 1 ] k \in [-1,\ 1] k ∈ [ − 1 , 1 ] 。
第四步:把 k k k 的范围翻译成倾斜角的范围。 α ∈ [ 0 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 且 tan α = k \tan\alpha = k tan α = k 。
k ∈ [ 0 , 1 ] k \in [0,\ 1] k ∈ [ 0 , 1 ] 对应 α ∈ [ 0 ∘ , 45 ∘ ] \alpha \in [0^\circ,\ 45^\circ] α ∈ [ 0 ∘ , 4 5 ∘ ] (正切在 [ 0 ∘ , 90 ∘ ) [0^\circ,\ 90^\circ) [ 0 ∘ , 9 0 ∘ ) 上递增,tan 0 ∘ = 0 \tan 0^\circ = 0 tan 0 ∘ = 0 ,tan 45 ∘ = 1 \tan 45^\circ = 1 tan 4 5 ∘ = 1 );
k ∈ [ − 1 , 0 ) k \in [-1,\ 0) k ∈ [ − 1 , 0 ) 对应 α ∈ [ 135 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [135^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 13 5 ∘ , 18 0 ∘ ) (正切在 ( 90 ∘ , 180 ∘ ) (90^\circ,\ 180^\circ) ( 9 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 上递增,
tan 135 ∘ = − 1 \tan 135^\circ = -1 tan 13 5 ∘ = − 1 ,且 α → 180 ∘ \alpha \to 180^\circ α → 18 0 ∘ 时 tan α → 0 − \tan\alpha \to 0^- tan α → 0 − )。
结论(倾斜角) :α ∈ [ 0 ∘ , 45 ∘ ] ∪ [ 135 ∘ , 180 ∘ ) \alpha \in [0^\circ,\ 45^\circ] \cup [135^\circ,\ 180^\circ) α ∈ [ 0 ∘ , 4 5 ∘ ] ∪ [ 13 5 ∘ , 18 0 ∘ ) ,
即 α ∈ [ 0 , π 4 ] ∪ [ 3 π 4 , π ) \alpha \in \left[0,\ \dfrac{\pi}{4}\right] \cup \left[\dfrac{3\pi}{4},\ \pi\right) α ∈ [ 0 , 4 π ] ∪ [ 4 3 π , π ) 。
自检 :端点对得上——k P A = − 1 − ( − 2 ) 0 − 1 = 1 − 1 = − 1 k_{PA} = \dfrac{-1 - (-2)}{0 - 1} = \dfrac{1}{-1} = -1 k P A = 0 − 1 − 1 − ( − 2 ) = − 1 1 = − 1 ,
k P B = − 1 − 1 0 − 2 = − 2 − 2 = 1 k_{PB} = \dfrac{-1 - 1}{0 - 2} = \dfrac{-2}{-2} = 1 k P B = 0 − 2 − 1 − 1 = − 2 − 2 = 1 ,正是范围的两个端点,
它们分别是”l l l 恰好过 A A A “与”l l l 恰好过 B B B “这两条边界情形,都算有公共点,所以端点取得到,用闭区间。
这道题的关键动作 :倾斜角的范围不是 把 k k k 的区间直接套上 arctan \arctan arctan 就完事——
k k k 的区间跨过了 0 0 0 ,而倾斜角在 k k k 由正变负时是从 45 ∘ 45^\circ 4 5 ∘ 那一头”跳”到 180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 那一头的。
必须按 k ≥ 0 k \geq 0 k ≥ 0 与 k < 0 k < 0 k < 0 分两段翻译,答案是两个区间的并,不是一个区间。
习题 2.1 第 9 题
已知点 M ( 2 , 2 ) M(2, 2) M ( 2 , 2 ) 和 N ( 5 , − 2 ) N(5, -2) N ( 5 , − 2 ) ,点 P P P 在 x x x 轴上,且 ∠ M P N \angle MPN ∠ M P N 为直角,求点 P P P 的坐标.
设 P ( x , 0 ) P(x,\ 0) P ( x , 0 ) 。∠ M P N \angle MPN ∠ M P N 是以 P P P 为顶点的角,它是直角当且仅当 P M → ⊥ P N → \overrightarrow{PM} \perp \overrightarrow{PN} P M ⊥ P N 。
用向量做,可以完全免掉”斜率存不存在”的分类 :
P M → = ( 2 − x , 2 ) , P N → = ( 5 − x , − 2 ) . \overrightarrow{PM} = (2 - x,\ 2), \qquad \overrightarrow{PN} = (5 - x,\ -2). P M = ( 2 − x , 2 ) , P N = ( 5 − x , − 2 ) .
先确认这两个向量都不是零向量:它们的纵坐标分别是 2 2 2 与 − 2 -2 − 2 ,都不为 0 0 0 ,
所以无论 x x x 取什么值,P P P 都不与 M M M 或 N N N 重合,∠ M P N \angle MPN ∠ M P N 总是有定义的。
于是”两向量垂直”与”数量积为零”等价:
P M → ⋅ P N → = ( 2 − x ) ( 5 − x ) + 2 × ( − 2 ) = 0 , \overrightarrow{PM} \cdot \overrightarrow{PN} = (2 - x)(5 - x) + 2 \times (-2) = 0, P M ⋅ P N = ( 2 − x ) ( 5 − x ) + 2 × ( − 2 ) = 0 ,
( 2 − x ) ( 5 − x ) = 4 ⟹ 10 − 7 x + x 2 = 4 ⟹ x 2 − 7 x + 6 = 0 , (2 - x)(5 - x) = 4 \ \Longrightarrow\ 10 - 7x + x^2 = 4 \ \Longrightarrow\ x^2 - 7x + 6 = 0, ( 2 − x ) ( 5 − x ) = 4 ⟹ 10 − 7 x + x 2 = 4 ⟹ x 2 − 7 x + 6 = 0 ,
( x − 1 ) ( x − 6 ) = 0 ⟹ x = 1 或 x = 6. (x - 1)(x - 6) = 0 \ \Longrightarrow\ x = 1 \ \text{或}\ x = 6. ( x − 1 ) ( x − 6 ) = 0 ⟹ x = 1 或 x = 6.
所以 P ( 1 , 0 ) P(1,\ 0) P ( 1 , 0 ) 或 P ( 6 , 0 ) P(6,\ 0) P ( 6 , 0 ) ,两个都要答 。
自检 (用斜率再核一遍):
P ( 1 , 0 ) P(1,\ 0) P ( 1 , 0 ) :k P M = 2 − 0 2 − 1 = 2 k_{PM} = \dfrac{2 - 0}{2 - 1} = 2 k P M = 2 − 1 2 − 0 = 2 ,k P N = − 2 − 0 5 − 1 = − 1 2 k_{PN} = \dfrac{-2 - 0}{5 - 1} = -\dfrac{1}{2} k P N = 5 − 1 − 2 − 0 = − 2 1 ,
乘积 = − 1 = -1 = − 1 ,垂直;
P ( 6 , 0 ) P(6,\ 0) P ( 6 , 0 ) :k P M = 2 − 0 2 − 6 = − 1 2 k_{PM} = \dfrac{2 - 0}{2 - 6} = -\dfrac{1}{2} k P M = 2 − 6 2 − 0 = − 2 1 ,k P N = − 2 − 0 5 − 6 = 2 k_{PN} = \dfrac{-2 - 0}{5 - 6} = 2 k P N = 5 − 6 − 2 − 0 = 2 ,
乘积 = − 1 = -1 = − 1 ,垂直。
若坚持用斜率法,必须补两句分类 :x = 2 x = 2 x = 2 时 P M PM P M 竖直,此时要求 P N PN P N 水平,
但 N N N 的纵坐标 − 2 ≠ 0 -2 \neq 0 − 2 = 0 ,P N PN P N 不水平,不合;x = 5 x = 5 x = 5 时 P N PN P N 竖直,同理要求 P M PM P M 水平,
而 M M M 的纵坐标 2 ≠ 0 2 \neq 0 2 = 0 ,也不合。排除这两个值之后再用 k P M k P N = − 1 k_{PM}k_{PN} = -1 k P M k P N = − 1 ,
得到的方程与上面完全一样。这就是向量法的好处:它对竖直方向没有偏见。
习题 2.1 第 10 题
已知四边形 A B C D ABCD A B C D 的四个顶点是 A ( 2 , 2 + 2 2 ) A(2, 2 + 2\sqrt{2}) A ( 2 , 2 + 2 2 ) ,B ( − 2 , 2 ) B(-2, 2) B ( − 2 , 2 ) ,C ( 0 , 2 − 2 2 ) C(0, 2 - 2\sqrt{2}) C ( 0 , 2 − 2 2 ) ,D ( 4 , 2 ) D(4, 2) D ( 4 , 2 ) ,求证:四边形 A B C D ABCD A B C D 为矩形.
证明思路 :先证两组对边分别平行(平行四边形),再证有一个内角是直角(矩形)。
四条边是 A B AB A B 、B C BC B C 、C D CD C D 、D A DA D A 。四条边的两端横坐标都不同(分别是 2 2 2 与 − 2 -2 − 2 、− 2 -2 − 2 与 0 0 0 、
0 0 0 与 4 4 4 、4 4 4 与 2 2 2 ),所以四个斜率都存在。
第一步:算四条边的斜率。
k A B = ( 2 + 2 2 ) − 2 2 − ( − 2 ) = 2 2 4 = 2 2 , k_{AB} = \frac{(2 + 2\sqrt{2}) - 2}{2 - (-2)} = \frac{2\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}, k A B = 2 − ( − 2 ) ( 2 + 2 2 ) − 2 = 4 2 2 = 2 2 ,
k B C = 2 − ( 2 − 2 2 ) − 2 − 0 = 2 2 − 2 = − 2 , k_{BC} = \frac{2 - (2 - 2\sqrt{2})}{-2 - 0} = \frac{2\sqrt{2}}{-2} = -\sqrt{2}, k B C = − 2 − 0 2 − ( 2 − 2 2 ) = − 2 2 2 = − 2 ,
k C D = ( 2 − 2 2 ) − 2 0 − 4 = − 2 2 − 4 = 2 2 , k_{CD} = \frac{(2 - 2\sqrt{2}) - 2}{0 - 4} = \frac{-2\sqrt{2}}{-4} = \frac{\sqrt{2}}{2}, k C D = 0 − 4 ( 2 − 2 2 ) − 2 = − 4 − 2 2 = 2 2 ,
k D A = 2 − ( 2 + 2 2 ) 4 − 2 = − 2 2 2 = − 2 . k_{DA} = \frac{2 - (2 + 2\sqrt{2})}{4 - 2} = \frac{-2\sqrt{2}}{2} = -\sqrt{2}. k D A = 4 − 2 2 − ( 2 + 2 2 ) = 2 − 2 2 = − 2 .
第二步:两组对边分别平行。 k A B = k C D = 2 2 k_{AB} = k_{CD} = \dfrac{\sqrt{2}}{2} k A B = k C D = 2 2 ,k B C = k D A = − 2 k_{BC} = k_{DA} = -\sqrt{2} k B C = k D A = − 2 。
斜率相等只给出”平行或重合”,还要排除重合。这里排除得很干净:
k A B = 2 2 ≠ − 2 = k B C k_{AB} = \dfrac{\sqrt{2}}{2} \neq -\sqrt{2} = k_{BC} k A B = 2 2 = − 2 = k B C ,说明 A A A 、B B B 、C C C 不共线;
同理 B B B 、C C C 、D D D 不共线。四个顶点既然构成四边形、任意相邻三点不共线,
直线 A B AB A B 与直线 C D CD C D 就不可能重合(若重合,A A A 、B B B 、C C C 、D D D 全在一条直线上)。
于是 A B ∥ C D AB \parallel CD A B ∥ C D ,B C ∥ D A BC \parallel DA B C ∥ D A ,四边形 A B C D ABCD A B C D 是平行四边形 。
第三步:有一个内角是直角。
k A B ⋅ k B C = 2 2 × ( − 2 ) = − 2 2 = − 1 , k_{AB} \cdot k_{BC} = \frac{\sqrt{2}}{2} \times (-\sqrt{2}) = -\frac{2}{2} = -1, k A B ⋅ k B C = 2 2 × ( − 2 ) = − 2 2 = − 1 ,
所以 A B ⊥ B C AB \perp BC A B ⊥ B C ,即 ∠ A B C = 90 ∘ \angle ABC = 90^\circ ∠ A B C = 9 0 ∘ 。
结论 :四边形 A B C D ABCD A B C D 是有一个内角为直角的平行四边形,即矩形 。证毕。
自检 (用两点间的距离公式核对边长,矩形的对边应当相等):
∣ A B ∣ = ( 2 + 2 ) 2 + ( ( 2 + 2 2 ) − 2 ) 2 = 16 + 8 = 24 = 2 6 , |AB| = \sqrt{(2 + 2)^2 + \big((2 + 2\sqrt{2}) - 2\big)^2} = \sqrt{16 + 8} = \sqrt{24} = 2\sqrt{6}, ∣ A B ∣ = ( 2 + 2 ) 2 + ( ( 2 + 2 2 ) − 2 ) 2 = 16 + 8 = 24 = 2 6 ,
∣ C D ∣ = ( 0 − 4 ) 2 + ( ( 2 − 2 2 ) − 2 ) 2 = 16 + 8 = 2 6 , |CD| = \sqrt{(0 - 4)^2 + \big((2 - 2\sqrt{2}) - 2\big)^2} = \sqrt{16 + 8} = 2\sqrt{6}, ∣ C D ∣ = ( 0 − 4 ) 2 + ( ( 2 − 2 2 ) − 2 ) 2 = 16 + 8 = 2 6 ,
∣ B C ∣ = ( − 2 − 0 ) 2 + ( 2 − ( 2 − 2 2 ) ) 2 = 4 + 8 = 12 = 2 3 , |BC| = \sqrt{(-2 - 0)^2 + \big(2 - (2 - 2\sqrt{2})\big)^2} = \sqrt{4 + 8} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3}, ∣ B C ∣ = ( − 2 − 0 ) 2 + ( 2 − ( 2 − 2 2 ) ) 2 = 4 + 8 = 12 = 2 3 ,
∣ D A ∣ = ( 4 − 2 ) 2 + ( 2 − ( 2 + 2 2 ) ) 2 = 4 + 8 = 2 3 . |DA| = \sqrt{(4 - 2)^2 + \big(2 - (2 + 2\sqrt{2})\big)^2} = \sqrt{4 + 8} = 2\sqrt{3}. ∣ D A ∣ = ( 4 − 2 ) 2 + ( 2 − ( 2 + 2 2 ) ) 2 = 4 + 8 = 2 3 .
对边相等,与”平行四边形”相符;邻边 2 6 ≠ 2 3 2\sqrt{6} \neq 2\sqrt{3} 2 6 = 2 3 ,所以它是矩形而不是正方形 。
这道题的关键动作 :矩形 = 平行四边形 + 一个直角,两步都要证 。
只证两组对边平行只能得平行四边形,只证一个直角连四边形是不是平行四边形都不知道。