2.3 直线的交点坐标与距离公式

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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。

上一节把直线写成了方程。方程写出来之后,几何问题就可以整个交给代数去做: 两条直线相交不相交、交在哪里,都变成”这个方程组有没有解、解是什么”。 本节的第一小节就把这层翻译建立起来。

在平面几何中,我们对直线作了定性研究。引入平面直角坐标系后,我们用二元一次方程表示直线,直线的方程就是相应直线上每一点的坐标所满足的一个关系式。这样,我们可以通过方程把握直线上的点,进而用代数方法对直线进行定量研究,例如求两条直线的交点坐标,平面内与点、直线相关的距离问题等。

一、交点坐标就是方程组的解

已知两条直线

l1:A1x+B1y+C1=0,l2:A2x+B2y+C2=0\begin{array}{l} l _ {1}: A _ {1} x + B _ {1} y + C _ {1} = 0, \\ l _ {2}: A _ {2} x + B _ {2} y + C _ {2} = 0 \end{array}

相交,它们的交点坐标与直线 l1l_{1},l2l_{2} 的方程有什么关系?你能由此得到求两条相交直线交点坐标的方法吗?

设这两条直线的交点为 PP ,则点 PP 既在直线 l1l_{1} 上,也在直线 l2l_{2} 上.所以点 PP 的坐标既满足直线 l1l_{1} 的方程 A1x+B1y+C1=0A_{1}x + B_{1}y + C_{1} = 0 ,也满足直线 l2l_{2} 的方程 A2x+B2y+C2=0A_{2}x + B_{2}y + C_{2} = 0 ,即点 PP 的坐标是方程组

{A1x+B1y+C1=0,A2x+B2y+C2=0\left\{ \begin{array}{l} A _ {1} x + B _ {1} y + C _ {1} = 0, \\ A _ {2} x + B _ {2} y + C _ {2} = 0 \end{array} \right.

的解. 解这个方程组就可以得到这两条直线的交点坐标.

这段推理只有一句话,但这句话是整章的地基: 点在直线上   ⟺  \iff 点的坐标满足直线的方程。 把它对两条直线各用一次,就得到

点 P 是两条直线的公共点  ⟺  P 的坐标同时满足两个方程\text{点 }P\text{ 是两条直线的公共点}\iff P\text{ 的坐标同时满足两个方程}

  ⟺  P 的坐标是这个二元一次方程组的解\iff P\text{ 的坐标是这个二元一次方程组的解}

于是”求交点”被彻底翻译成了”解方程组”, 不再需要作图,也不再需要任何几何直觉。

二、例 1

例 1 求下列两条直线的交点坐标,并画出图形:

l1:3x+4y−2=0,l2:2x+y+2=0.\begin{array}{l} l _ {1}: 3 x + 4 y - 2 = 0, \\ l _ {2}: 2 x + y + 2 = 0. \end{array}

解:解方程组

{3x+4y−2=0,2x+y+2=0,\left\{ \begin{array}{l} 3 x + 4 y - 2 = 0, \\ 2 x + y + 2 = 0, \end{array} \right.

得

{x=−2,y=2.\left\{ \begin{array}{l} x = - 2, \\ y = 2. \end{array} \right.

所以, l1l_{1} 与 l2l_{2} 的交点是 M(−2,2)M(-2,2) (图2.3-1).

代入验算一遍是好习惯:3×(−2)+4×2−2=−6+8−2=03\times(-2)+4\times 2-2=-6+8-2=0, 2×(−2)+2+2=−4+4=02\times(-2)+2+2=-4+4=0,两个方程都满足,所以 M(−2,2)M(-2,2) 确实是交点。 方程组只要解错一步,交点就整个错掉,而验算只要两次代入。

三、例 2:三种位置关系对应三种解的情况

例 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:x−y=0,l2:3x+3y−10=0;l_{1}: x - y = 0, \quad l_{2}: 3x + 3y - 10 = 0;

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

(3) l1:3x+4y−5=0,l2:6x+8y−10=0.l_{1}: 3x + 4y - 5 = 0, \quad l_{2}: 6x + 8y - 10 = 0.

分析:解直线 l1l_{1},l2l_{2} 的方程组成的方程组,若方程组有唯一解,则 l1l_{1} 与 l2l_{2} 相交,此解就是交点的坐标;若方程组无解,则 l1//l2l_{1} // l_{2};若方程组中的两个方程可化成同一个方程,则 l1l_{1} 与 l2l_{2} 重合。

这段”分析”把对应关系说全了,值得做成一张表:

方程组的解两条直线的位置关系公共点个数
有唯一解相交11 个
无解平行(不重合)00 个
有无穷多解(两方程可化为同一个)重合无穷多

这张表是双向的:既可以由解的情况判断位置关系, 也可以由已知的位置关系反推方程组该有几个解。

三小题的算法

解:(1)解方程组

{x−y=0,3x+3y−10=0,\left\{ \begin{array}{l} x - y = 0, \\ 3 x + 3 y - 1 0 = 0, \end{array} \right.

{x=53,y=53.\left\{ \begin{array}{l} x = \frac {5}{3}, \\ y = \frac {5}{3}. \end{array} \right.

所以, l1l_{1} 与 l2l_{2} 相交,交点是 M(53,53)M\left(\frac{5}{3},\frac{5}{3}\right)

(2) 解方程组

{3x−y+4=0,6x−2y−1=0,(1◯)\left\{ \begin{array}{l} 3 x - y + 4 = 0, \\ 6 x - 2 y - 1 = 0, \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{1}}}

①×2-②得9=0,矛盾,这个方程组无解,所以 l1l_{1} 与 l2l_{2} 无公共点, l1//l2l_{1}//l_{2} .

(3) 解方程组

{3x+4y−5=0,6x+8y−10=0,(1◯)\left\{ \begin{array}{l} 3 x + 4 y - 5 = 0, \\ 6 x + 8 y - 1 0 = 0, \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{1}}}

①×2得 6x+8y−10=06x+8y-10=0 .

①和②可以化成同一个方程,即①和②表示同一条直线, l1l_{1} 与 l2l_{2} 重合.

转写里的编号被 OCR 弄乱了:第 (2)、(3) 两小题的方程组都被打上了 1◯\text{\textcircled{1}}, 而本该标在第二个方程上的 2◯\text{\textcircled{2}} 掉成了单独一行。 按扫描页应读作:方程组里上面那个方程是 1◯\text{\textcircled{1}}、下面那个是 2◯\text{\textcircled{2}}, 后文的”①×2−②”才对得上。

三小题分别演示了三种结局:

  • (1) 唯一解:解得 x=y=53x=y=\dfrac53,两直线相交于 M(53,53)M\left(\dfrac53,\dfrac53\right);
  • (2) 无解:①×2\times2 减 ② 得到 9=09=0,这是一个恒假的等式, 说明方程组无解,两直线没有公共点,即平行;
  • (3) 无穷多解:①×2\times2 恰好就是 ②,两个方程根本是同一个, 所以两直线重合。

第 (2) 小题里出现”9=09=0 矛盾”时不要慌,它不是算错, 恰恰是”无解”这一结论的标志。

同理,第 (3) 小题消元后得到"0=00=0"也不是白算,它标志着两个方程等价。

四、思考:用斜率判断和解方程组,各有什么长短

思考

你能用直线的斜率判断上述各对直线的位置关系吗?比较用斜率判断和解方程组这两种方法,你有什么体会?

先把三小题用斜率各判一遍(都先化成斜截式):

l1l_1l2l_2结论
(1)y=xy=x,k1=1k_1=1y=−x+103y=-x+\dfrac{10}3,k2=−1k_2=-1k1≠k2k_1\neq k_2,相交
(2)y=3x+4y=3x+4,k1=3k_1=3,b1=4b_1=4y=3x−12y=3x-\dfrac12,k2=3k_2=3,b2=−12b_2=-\dfrac12斜率相等、截距不等,平行
(3)y=−34x+54y=-\dfrac34x+\dfrac54y=−34x+54y=-\dfrac34x+\dfrac54斜率、截距都相等,重合

结论与解方程组完全一致。两种方法的体会可以归成三条:

  • 斜率法快,但有盲区。它要求两条直线都有斜率; 一旦出现与 xx 轴垂直的直线(方程形如 x=cx=c),斜率不存在, 必须把这种情况单独拿出来讨论。解方程组没有这个例外。
  • 斜率法只回答”什么关系”,不回答”交在哪里”。 判断出相交之后,还是得回头解方程组求交点。
  • 解方程组是通法,斜率法是快法。 只问位置关系、且两条直线都不竖直时,用斜率一眼就能看出来; 要交点坐标、或者不能保证斜率存在时,老老实实解方程组。

还有一条更省事的系数判据,对 l1:A1x+B1y+C1=0l_1:A_1x+B_1y+C_1=0、l2:A2x+B2y+C2=0l_2:A_2x+B_2y+C_2=0:

A1B2−A2B1≠0 ⟹ 相交A_1B_2-A_2B_1\neq 0\ \Longrightarrow\ \text{相交}

它是方程组系数行列式不为零的说法,好处是不需要讨论斜率存不存在。 当 A1B2−A2B1=0A_1B_2-A_2B_1=0 时再比 CC:能整体成比例就重合,否则平行。 用它验一下第 (2) 小题:3×(−2)−6×(−1)=−6+6=03\times(-2)-6\times(-1)=-6+6=0, 而 3×(−1)−6×4=−3−24≠03\times(-1)-6\times 4=-3-24\neq 0,所以平行,与前面一致。

五、常见错法

  • 由”方程组解出矛盾”就说题目错了。得到 9=09=0 是正常结论, 它说明两直线平行。
  • 用斜率判断时忘了斜率可能不存在。x=1x=1 与 x=2x=2 是平行的, 但两条都没有斜率,套”斜率相等”会漏掉。
  • 只比斜率就断定平行。斜率相等还可能重合,必须再比截距 (或看两个方程是否成比例)。
  • 求出交点不代回验算。二元一次方程组的验算只要两次代入,成本极低。
  • 把”方程组的解”和”交点”当成两回事。它们是同一个东西的两种说法, 这正是解析几何的起点。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

2.3 直线的交点坐标与距离公式

在平面几何中,我们对直线作了定性研究。引入平面直角坐标系后,我们用二元一次方程表示直线,直线的方程就是相应直线上每一点的坐标所满足的一个关系式。这样,我们可以通过方程把握直线上的点,进而用代数方法对直线进行定量研究,例如求两条直线的交点坐标,平面内与点、直线相关的距离问题等。

2.3.1 两条直线的交点坐标

思考

已知两条直线

l1:A1x+B1y+C1=0,l2:A2x+B2y+C2=0\begin{array}{l} l _ {1}: A _ {1} x + B _ {1} y + C _ {1} = 0, \\ l _ {2}: A _ {2} x + B _ {2} y + C _ {2} = 0 \end{array}

相交,它们的交点坐标与直线 l1l_{1},l2l_{2} 的方程有什么关系?你能由此得到求两条相交直线交点坐标的方法吗?

设这两条直线的交点为 PP ,则点 PP 既在直线 l1l_{1} 上,也在直线 l2l_{2} 上.所以点 PP 的坐标既满足直线 l1l_{1} 的方程 A1x+B1y+C1=0A_{1}x + B_{1}y + C_{1} = 0 ,也满足直线 l2l_{2} 的方程 A2x+B2y+C2=0A_{2}x + B_{2}y + C_{2} = 0 ,即点 PP 的坐标是方程组

{A1x+B1y+C1=0,A2x+B2y+C2=0\left\{ \begin{array}{l} A _ {1} x + B _ {1} y + C _ {1} = 0, \\ A _ {2} x + B _ {2} y + C _ {2} = 0 \end{array} \right.

的解. 解这个方程组就可以得到这两条直线的交点坐标.

例 1 求下列两条直线的交点坐标,并画出图形:

l1:3x+4y−2=0,l2:2x+y+2=0.\begin{array}{l} l _ {1}: 3 x + 4 y - 2 = 0, \\ l _ {2}: 2 x + y + 2 = 0. \end{array}

解:解方程组

{3x+4y−2=0,2x+y+2=0,\left\{ \begin{array}{l} 3 x + 4 y - 2 = 0, \\ 2 x + y + 2 = 0, \end{array} \right.

得

{x=−2,y=2.\left\{ \begin{array}{l} x = - 2, \\ y = 2. \end{array} \right.

所以, l1l_{1} 与 l2l_{2} 的交点是 M(−2,2)M(-2,2) (图2.3-1).

例 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:x−y=0,l2:3x+3y−10=0;l_{1}: x - y = 0, \quad l_{2}: 3x + 3y - 10 = 0;

图2.3-1

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

(3) l1:3x+4y−5=0,l2:6x+8y−10=0.l_{1}: 3x + 4y - 5 = 0, \quad l_{2}: 6x + 8y - 10 = 0.

分析:解直线 l1l_{1},l2l_{2} 的方程组成的方程组,若方程组有唯一解,则 l1l_{1} 与 l2l_{2} 相交,此解就是交点的坐标;若方程组无解,则 l1//l2l_{1} // l_{2};若方程组中的两个方程可化成同一个方程,则 l1l_{1} 与 l2l_{2} 重合。

解:(1)解方程组

{x−y=0,3x+3y−10=0,\left\{ \begin{array}{l} x - y = 0, \\ 3 x + 3 y - 1 0 = 0, \end{array} \right.

得

{x=53,y=53.\left\{ \begin{array}{l} x = \frac {5}{3}, \\ y = \frac {5}{3}. \end{array} \right.

所以, l1l_{1} 与 l2l_{2} 相交,交点是 M(53,53)M\left(\frac{5}{3},\frac{5}{3}\right)

(2) 解方程组

{3x−y+4=0,6x−2y−1=0,(1◯)\left\{ \begin{array}{l} 3 x - y + 4 = 0, \\ 6 x - 2 y - 1 = 0, \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{1}}}

②

①×2-②得9=0,矛盾,这个方程组无解,所以 l1l_{1} 与 l2l_{2} 无公共点, l1//l2l_{1}//l_{2} .

(3) 解方程组

{3x+4y−5=0,6x+8y−10=0,(1◯)\left\{ \begin{array}{l} 3 x + 4 y - 5 = 0, \\ 6 x + 8 y - 1 0 = 0, \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{1}}}

②

①×2得 6x+8y−10=06x+8y-10=0 .

①和②可以化成同一个方程,即①和②表示同一条直线, l1l_{1} 与 l2l_{2} 重合.

思考

你能用直线的斜率判断上述各对直线的位置关系吗?比较用斜率判断和解方程组这两种方法,你有什么体会?