2.3.3 点到直线的距离公式

人教 A 版 · 本节 4 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 17 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

原书 page-0079
page-0079
原书 page-0080
page-0080
原书 page-0081
page-0081
原书 page-0082
page-0082

本节的知识树

1 公式 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 17 道

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。

整个第 2 章只有这一条公式在高考里被反复调用:

d=∣Ax0+By0+C∣A2+B2.d = \frac{|Ax_0 + By_0 + C|}{\sqrt{A^2 + B^2}}.

它算的是点 P(x0,y0)P(x_0, y_0) 到直线 l:Ax+By+C=0l: Ax + By + C = 0 的距离。公式本身两秒就能背下来, 考场上的差距不在背,在两件别的事:用之前要不要先改写方程,以及看到什么样的几何条件该想到它。 所以这一节先把公式和它的两条推导讲清楚(推导决定了你信不信它、也决定了你会不会记错分母), 再花大力气讲它在圆锥曲线题里的那几副面孔。

一、公式:一句话读懂它的形状

d=∣Ax0+By0+C∣A2+B2d = \frac{|Ax_0 + By_0 + C|}{\sqrt{A^2 + B^2}}

  • 分子是把点的坐标代进直线方程左边得到的那个数,再取绝对值。点在直线上时它是 00, 距离也就是 00——公式与”点在直线上 ⇔\Leftrightarrow 坐标满足方程”这件事是自洽的。
  • 分母只与直线有关、与点无关,是系数向量 (A,B)(A, B) 的模。它出现在这里的原因见第二节: (A,B)(A, B) 是直线的一个法向量,除以它的模就是把它变成单位向量。

由此立刻得到两条不必单独记的推论:

  • 原点到直线的距离:把 (0,0)(0,0) 代进去,d=∣C∣A2+B2d = \dfrac{|C|}{\sqrt{A^2+B^2}}。
  • 两条平行直线 Ax+By+C1=0Ax+By+C_1 = 0 与 Ax+By+C2=0Ax+By+C_2 = 0 之间的距离:在其中一条上随便取一点代入另一条, 得 d=∣C1−C2∣A2+B2d = \dfrac{|C_1 - C_2|}{\sqrt{A^2+B^2}}。用它的前提是两式的 AA、BB 已经写成完全相同的一对数, 否则要先同乘一个常数配平(这是下一小节 §2.3.4 的正题,这里先记着)。

二、两条推导,各自留下一件有用的东西

课本给了两条,都值得看一遍——不是为了背推导,是因为每条推导都留下一个可复用的观念。

推导一(坐标法):老实求垂足

思路最自然:PP 到 ll 的距离就是垂线段 PQPQ 的长,那就把垂足 QQ 求出来,再用两点间距离公式。 设 A≠0A \neq 0、B≠0B \neq 0,ll 的斜率是 −AB-\frac{A}{B},垂线 PQPQ 的斜率是 BA\frac{B}{A}, 于是 PQPQ 的方程是 Bx−Ay=Bx0−Ay0Bx - Ay = Bx_0 - Ay_0;与 ll 联立解出 QQ 的坐标,代进距离公式化简, 最后得到那条公式。

课本自己在旁边点了一句”思路自然但运算量较大”。它留下的东西是”坐标法”这套流程: 建系 → 用坐标表示几何量 → 代数运算 → 把结果翻译回几何。第 74 页(page-0079)那道 “用坐标法证明直角三角形斜边中点到三顶点等距”的练习考的正是这套流程,与公式本身无关。

推导二(向量投影):分母是怎么来的

设 M(x,y)M(x, y) 是 ll 上任意一点,n\boldsymbol{n} 是与 ll 的方向向量垂直的单位向量,那么 PQ→\overrightarrow{PQ} 就是 PM→\overrightarrow{PM} 在 n\boldsymbol{n} 上的投影向量,于是

∣PQ∣=∣PM→⋅n∣.|PQ| = |\overrightarrow{PM} \cdot \boldsymbol{n}|.

关键一步是找出这个 n\boldsymbol{n}:在 ll 上取两点 P1(x1,y1)P_1(x_1,y_1)、P2(x2,y2)P_2(x_2,y_2), 两式 Ax1+By1+C=0Ax_1+By_1+C=0 与 Ax2+By2+C=0Ax_2+By_2+C=0 相减得

A(x2−x1)+B(y2−y1)=0,A(x_2 - x_1) + B(y_2 - y_1) = 0,

这正是”向量 (A,B)(A,B) 与方向向量 (x2−x1, y2−y1)(x_2-x_1,\, y_2-y_1) 数量积为零”,即 (A,B)(A, B) 垂直于直线。 把它单位化,取 n=1A2+B2(A,B)\boldsymbol{n} = \frac{1}{\sqrt{A^2+B^2}}(A, B),算出

PM→⋅n=1A2+B2(Ax+By−Ax0−By0),\overrightarrow{PM} \cdot \boldsymbol{n} = \frac{1}{\sqrt{A^2+B^2}}\big(Ax + By - Ax_0 - By_0\big),

再用 MM 在 ll 上(Ax+By=−CAx + By = -C)代入,取绝对值就得到公式。

它留下的东西是 (A,B)(A, B) 这个法向量。 这是本节最值钱的一句话: 一般式方程 Ax+By+C=0Ax+By+C=0 的系数对 (A,B)(A,B) 就是它的一个法向量。 记住它, 分母 A2+B2\sqrt{A^2+B^2} 就不再是一串要背的符号,而是”把法向量单位化”的必然结果—— 你再也不会把它错记成 A2+B2+C2\sqrt{A^2+B^2+C^2} 或 A2+B2A^2+B^2。

关于 A=0A = 0 或 B=0B = 0

推导一里假设了 A≠0A \neq 0 且 B≠0B \neq 0(要用斜率)。课本随后说”可以验证,当 A=0A=0,或 B=0B=0 时, 上述公式仍然成立”。这句话要自己验一遍,不然公式的适用范围就是含糊的:

  • B=0B = 0 时 l:Ax+C=0l: Ax + C = 0,即竖直线 x=−CAx = -\frac{C}{A},点到它的距离是 ∣x0+CA∣=∣Ax0+C∣∣A∣\left|x_0 + \frac{C}{A}\right| = \frac{|Ax_0 + C|}{|A|},而公式给出 ∣Ax0+C∣A2=∣Ax0+C∣∣A∣\frac{|Ax_0 + C|}{\sqrt{A^2}} = \frac{|Ax_0+C|}{|A|},一致;
  • A=0A = 0 时同理(水平线)。

所以公式对任何一般式方程都成立,只要 AA、BB 不同时为零(同时为零就不是直线了)。 推导二其实压根不需要分这两种情形——它没用斜率。

三、用它之前的那一步:先化成一般式

课本例 5 是专门为这件事出的:求点 P(−1,2)P(-1,2) 到直线 l:3x=2l: 3x = 2 的距离。

3x=23x = 2 不是一般式。要先写成 3x−2=03x - 2 = 0,读出 A=3A = 3、B=0B = 0、C=−2C = -2,才能代入:

d=∣3×(−1)−2∣32+02=53.d = \frac{|3 \times (-1) - 2|}{\sqrt{3^2 + 0^2}} = \frac{5}{3}.

三条最常见的”没化就代”:

  1. 等号右边不是 00(3x=23x = 2、y=2x+1y = 2x + 1、x=yx = y)——移到左边去。
  2. 写成了斜截式或点斜式(y−1=2(x−3)y - 1 = 2(x - 3))——展开并移项成 2x−y−5=02x - y - 5 = 0。
  3. 漏掉了缺项的系数是 00——3x−2=03x - 2 = 0 里 B=0B = 0,分母是 32+02=3\sqrt{3^2 + 0^2} = 3,不是 3\sqrt{3}。

顺带一提,例 5 旁边的问号问”直线 ll 有什么特性?由此你能给出简便解法吗”——3x−2=03x - 2 = 0 是竖直线 x=23x = \frac{2}{3},点 PP 的横坐标是 −1-1,横向距离直接是 ∣23−(−1)∣=53\left|\frac{2}{3} - (-1)\right| = \frac{5}{3}。 竖直线与水平线不必套公式,看横(纵)坐标差即可,这在填空题上省时间。

四、它在题目里的三副面孔

这条公式在高考里几乎不以”求点到直线的距离”这种原样出现。认出它的三种伪装比背公式重要得多。

面孔一:三角形的高(进而是面积)。 课本例 6 就是范本——求 △ABC\triangle ABC 的面积, 先用两点间距离公式量出底 ∣AB∣|AB|,再把”ABAB 边上的高”翻译成”点 CC 到直线 ABAB 的距离”, 一乘一半就是面积。“高”这个词是触发器:一旦题目里出现三角形面积、平行四边形面积、 点到某条边的距离,就该往这条公式上想。

面孔二:圆与直线的位置关系。 判断直线与圆相交/相切/相离, 只看圆心到直线的距离 dd 与半径 rr 的大小;求弦长用 ∣AB∣=2r2−d2|AB| = 2\sqrt{r^2 - d^2}; 求切线就是让 d=rd = r 列方程。整个 §2.5 都建立在这条公式上。

面孔三:把”距离等于某个值”变成一个方程。 第 77 页(page-0082)练习第 3 题就是最小的样板: 已知点到 l:4x−3y+C=0l: 4x - 3y + C = 0 的距离为 11,求 CC。把公式写出来、去分母、解绝对值方程,两个解。 “距离已知、直线里带参数”这种题一定要留意绝对值带来的两解——直线可以在点的两侧各摆一条。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. 没化成一般式就代系数(见第三节)。
  2. 分母写错:是 A2+B2\sqrt{A^2+B^2},不是 A2+B2A^2+B^2,也不带 CC。用第二节那句”(A,B)(A,B) 是法向量、 要单位化”来记,就不会错。
  3. 分子忘了绝对值,算出负距离。距离恒非负。
  4. 解含参方程时漏掉一个解。 ∣X∣=k (k>0)|X| = k\ (k>0) 给出 X=kX = k 与 X=−kX = -k 两支。
  5. 两平行线间距离没先配平系数。 3x+4y−1=03x+4y-1=0 与 6x+8y+5=06x+8y+5=0 不能直接用 ∣−1−5∣/5|{-1}-5|/5, 要先把第二条化成 3x+4y+52=03x+4y+\frac{5}{2}=0,再算 ∣−1−52∣5=710\dfrac{\left|-1-\frac{5}{2}\right|}{5} = \dfrac{7}{10}。
  6. 点在直线上时不敢写 00。 代进去分子就是 00,距离就是 00,这是正确答案,不是”算错了”。

六、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方「考过本节的真题」那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,都经由公式 点到直线的距离公式 连过来。这里给一个读的顺序,它同时也是这条公式的难度阶梯:

  • 先做 2025 年第 7 题(圆上到直线距离为 11 的点恰好 22 个)。它是第四节”面孔二”的正面考法: 把”圆上有几个点到 ll 的距离为 11“翻译成”圆心到 ll 的距离 dd 落在哪个区间”,一条不等式就完事。 这道题练的是把点数问题换成一个 dd 的取值范围。
  • 接着看 2015 年第 14 题(圆盘上 ∣2x+y−2∣+∣6−x−3y∣|2x+y-2|+|6-x-3y| 的最小值)。它把这条公式当符号探测器用: 圆心到 x+3y=6x+3y=6 的距离是 610≈1.90>1\dfrac{6}{\sqrt{10}}\approx 1.90>1,整个圆盘落在这条直线同一侧, 于是 6−x−3y6-x-3y 不变号,那个绝对值是假的、直接脱掉;而圆心到 2x+y−2=02x+y-2=0 的距离 25≈0.894<1\dfrac{2}{\sqrt 5}\approx 0.894<1,这条线割进圆盘,两侧符号相反,那个绝对值就非分区不可。 同一条公式,这里回答的不是”距离多少”,而是”变不变号”——dd 与 rr 比一次大小, 就决定了后面是写一个式子还是写两个式子。
  • 再做 2019 年第 12 题(直线与圆相切于给定点,求圆心与半径)与 2020 年第 15 题 (一条直线同时与两个等半径的圆相切)。这两道用的是反过来的读法:d=rd = r 是已知条件, 未知的是圆心或直线本身,于是距离公式变成一个待解的方程(15 题要联立两个)。
  • 然后是 2023 年第 6 题(圆外一点的两条切线的夹角)。切线的条件仍是 d=rd = r, 但要的不是参数而是角,得先由 dd 与 rr 算出半角的正弦。
  • 2018 年第 9 题(∣a−b∣|a-b| 的最小值)是一次伪装:bb 的终点在一个圆上、aa 的终点在两条射线上, 两个点集的最短距离等于圆心到射线的距离减去半径,那个”圆心到射线的距离”正是本节的公式。 认出圆来,是这道题唯一的坎。
  • 最后是 2024 年第 11 题(丝带曲线四命题逐项判)、2024 年第 16 题(椭圆上两点、面积为 99 反求直线 ll)与 2021 年第 16 题、2022 年第 16 题(圆锥曲线里的切线条件与到渐近线的距离)。 前两道是第四节的”面孔一”:面积 == 底 ×\times 高 ÷2\div 2,而高就是点到直线的距离; 16 题还要反过来由面积定出 ll 的截距,正是第五节第 4 条说的两解情形。 后两道是这一节的上限:公式本身仍是那一条,难在你得先意识到”到切线的距离""到渐近线的距离” 是可以直接卡住参数的一个量。

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。

本节目录下这四页上共印着两组「练习」,合计 6 道,逐题全做。第 74 页(page-0079)那一组 3 道印在 「2.3.3 点到直线的距离公式」这个标题之前,练的是上一小节的两点间距离公式与坐标法;它与本节同页同目录, 而两点间距离公式又正是本节公式的推导起点(课本推导一就是先求垂足再量 ∣PQ∣|PQ|),所以一并收在这里。 第 77 页(page-0082)那一组 3 道是本节自己的练习。这四页上没有「习题 2.3」——那一组印在 §2.3.4 的页上, 归它自己那一节。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 74 页)第 1 题

  1. 求下列两点间的距离: (1) A(6,0)A(6, 0) , B(−2,0)B(-2, 0) ; (2) C(0,−4)C(0, -4) , D(0,−1)D(0, -1) ; (3) P(6,0)P(6, 0) , Q(0,−2)Q(0, -2) ; (4) M(2,1)M(2, 1) , N(5,−1)N(5, -1) .

四小问都用两点间的距离公式

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

前两问的两点分别在同一条坐标轴上,可以直接看坐标差;这里两种算法各写一遍,互相印证。

(1) A(6,0)A(6,0) 与 B(−2,0)B(-2,0) 的纵坐标都是 00,两点都在 xx 轴上,

∣AB∣=(−2−6)2+(0−0)2=64=8.|AB| = \sqrt{(-2-6)^2 + (0-0)^2} = \sqrt{64} = 8.

直接看横坐标差也是 ∣6−(−2)∣=8|6 - (-2)| = 8,一致。

(2) C(0,−4)C(0,-4) 与 D(0,−1)D(0,-1) 的横坐标都是 00,两点都在 yy 轴上,

∣CD∣=(0−0)2+(−1−(−4))2=32=3.|CD| = \sqrt{(0-0)^2 + \big(-1-(-4)\big)^2} = \sqrt{3^2} = 3.

纵坐标差 ∣−1−(−4)∣=3|-1 - (-4)| = 3,一致。注意 −1−(−4)=3-1 - (-4) = 3 是正的,别把两个负号约丢一个。

(3) P(6,0)P(6,0),Q(0,−2)Q(0,-2),

∣PQ∣=(0−6)2+(−2−0)2=36+4=40=210.|PQ| = \sqrt{(0-6)^2 + (-2-0)^2} = \sqrt{36 + 4} = \sqrt{40} = 2\sqrt{10}.

40=4×10=210\sqrt{40} = \sqrt{4 \times 10} = 2\sqrt{10},根号要化到最简。

(4) M(2,1)M(2,1),N(5,−1)N(5,-1),

∣MN∣=(5−2)2+(−1−1)2=9+4=13.|MN| = \sqrt{(5-2)^2 + (-1-1)^2} = \sqrt{9 + 4} = \sqrt{13}.

1313 无平方因数,13\sqrt{13} 已是最简。

公式里两个差谁减谁都行,横、纵两处也不必用同一个方向——平方之后符号被彻底吃掉, (x2−x1)2+(y1−y2)2(x_2-x_1)^2 + (y_1-y_2)^2 与 (x2−x1)2+(y2−y1)2(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2 是同一个数。真正要盯住的只有两条: 每一项都必须平方(漏了平方就成了坐标差之和,那是另一回事),以及同一个差里的两个坐标要取自同一对点 (别把 AA 的横坐标和 CC 的横坐标凑一块)。

练习(第 74 页)第 2 题

  1. 已知 A(a,−5)A(a, -5) 与 B(0,10)B(0, 10) 两点间的距离是 17,求 aa 的值.

把距离公式列成关于 aa 的方程:

∣AB∣=(0−a)2+(10−(−5))2=a2+225=17.|AB| = \sqrt{(0-a)^2 + \big(10-(-5)\big)^2} = \sqrt{a^2 + 225} = 17.

因为等号两边都非负,平方是同解变形:

a2+225=289  ⟹  a2=64  ⟹  a=±8.a^2 + 225 = 289 \;\Longrightarrow\; a^2 = 64 \;\Longrightarrow\; a = \pm 8.

两个值都要取。 AA 的横坐标是 88 还是 −8-8,对应的两个点关于 yy 轴对称,到 B(0,10)B(0,10) 的距离相同, 题目没有别的条件把其中一个排掉。所以 a=8a = 8 或 a=−8a = -8。

回代核一遍:a=8a = 8 时 64+225=289=17\sqrt{64 + 225} = \sqrt{289} = 17;a=−8a = -8 时 (−8)2+225=289=17\sqrt{(-8)^2 + 225} = \sqrt{289} = 17。两个都对。

只写 a=8a = 8 是这道题唯一的错法:a2=64a^2 = 64 的解不是 a=8a = 8,是 a=±8a = \pm 8。

练习(第 74 页)第 3 题

  1. 用坐标法证明:直角三角形斜边的中点到三个顶点的距离相等.

证明。 坐标法的第一步是建系,而建系是可以挑的:距离在平移、旋转下都不改变, 所以把这个直角三角形先摆到一个方便的位置,不损失一般性。

设 △ABC\triangle ABC 中 ∠C=90∘\angle C = 90^\circ。以直角顶点 CC 为原点、两条直角边所在直线为坐标轴 建立平面直角坐标系(这总办得到:两条直角边本来就互相垂直)。于是可设

C(0, 0),A(a, 0),B(0, b),a≠0,  b≠0.C(0,\, 0), \qquad A(a,\, 0), \qquad B(0,\, b), \qquad a \neq 0,\; b \neq 0.

(aa、bb 是两条直角边的长度带上方向的记法;a≠0a \neq 0、b≠0b \neq 0 是”三角形不退化”这个前提, 下面用不到它们的符号,所以不必再分正负讨论。)

斜边是 ABAB,它的中点

M(a+02, 0+b2)=M(a2, b2).M\left(\frac{a+0}{2},\, \frac{0+b}{2}\right) = M\left(\frac{a}{2},\, \frac{b}{2}\right).

三段距离逐个算:

∣MA∣=(a−a2)2+(0−b2)2=a24+b24=12a2+b2;|MA| = \sqrt{\left(a - \frac{a}{2}\right)^2 + \left(0 - \frac{b}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{a^2}{4} + \frac{b^2}{4}} = \frac{1}{2}\sqrt{a^2 + b^2}; ∣MB∣=(0−a2)2+(b−b2)2=a24+b24=12a2+b2;|MB| = \sqrt{\left(0 - \frac{a}{2}\right)^2 + \left(b - \frac{b}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{a^2}{4} + \frac{b^2}{4}} = \frac{1}{2}\sqrt{a^2 + b^2}; ∣MC∣=(0−a2)2+(0−b2)2=a24+b24=12a2+b2.|MC| = \sqrt{\left(0 - \frac{a}{2}\right)^2 + \left(0 - \frac{b}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{a^2}{4} + \frac{b^2}{4}} = \frac{1}{2}\sqrt{a^2 + b^2}.

(每一步都用了 a2+b24=a2+b22\sqrt{\frac{a^2+b^2}{4}} = \frac{\sqrt{a^2+b^2}}{2},这里 4=2>0\sqrt{4} = 2 > 0, 不需要绝对值。)

三者都等于 12a2+b2\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2},即

∣MA∣=∣MB∣=∣MC∣,|MA| = |MB| = |MC|,

也就是斜边中点到三个顶点的距离相等。证毕。

顺带读出一条结论:这个公共值 12a2+b2\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2} 恰好是斜边 ∣AB∣|AB| 的一半 (∣AB∣=a2+b2|AB| = \sqrt{a^2+b^2})。所以这道题证的其实是初中那条”直角三角形斜边上的中线等于斜边的一半”, 而 MM 就是它外接圆的圆心、ABAB 是直径。

这道题的关键动作:建系时把直角顶点放到原点、直角边放到坐标轴上。这样两个顶点各有一个坐标为 00, 后面三次开方里的式子完全相同,一眼就能看出相等;若随手把三角形斜着摆,同样能证出来,但要多算十几步。

练习(第 77 页)第 1 题

  1. 求原点到下列直线的距离:

(1) l:3x+2y−26=0;l: 3x + 2y - 26 = 0; (2) l: x = y.

原点到直线的距离,就是把 (x0,y0)=(0,0)(x_0, y_0) = (0, 0) 代进点到直线的距离公式:

d=∣A⋅0+B⋅0+C∣A2+B2=∣C∣A2+B2.d = \frac{|A \cdot 0 + B \cdot 0 + C|}{\sqrt{A^2+B^2}} = \frac{|C|}{\sqrt{A^2+B^2}}.

(1) l:3x+2y−26=0l: 3x + 2y - 26 = 0 已是一般式,A=3A = 3,B=2B = 2,C=−26C = -26,

d=∣−26∣32+22=2613=261313=213.d = \frac{|-26|}{\sqrt{3^2 + 2^2}} = \frac{26}{\sqrt{13}} = \frac{26\sqrt{13}}{13} = 2\sqrt{13}.

(分母有理化:2613=261313=213\frac{26}{\sqrt{13}} = \frac{26\sqrt{13}}{13} = 2\sqrt{13}。)

(2) l:x=yl: x = y 不是一般式,先移项写成

x−y=0,x - y = 0,

于是 A=1A = 1,B=−1B = -1,C=0C = 0,

d=∣0∣12+(−1)2=02=0.d = \frac{|0|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2}} = \frac{0}{\sqrt{2}} = 0.

d=0d = 0 是正确答案,不是算错:x=yx = y 这条直线过原点(把 (0,0)(0,0) 代进方程,0=00 = 0 成立), 点在直线上时距离当然是 00。这一小问的意义正在这里——公式对”点在直线上”这种情形照样成立。

练习(第 77 页)第 2 题

  1. 求下列点到直线的距离:

(1) A(−2,3)A(-2, 3), l:3x+4y+3=0l: 3x + 4y + 3 = 0;

(2) B(1,0)B(1,0), l:3x+y−3=0l: \sqrt{3} x + y - \sqrt{3} = 0;

(3) C(1,−2)C(1, -2), l:4x+3y=0l: 4x + 3y = 0.

三小问的直线都已经是一般式(等号右边是 00),直接代

d=∣ax0+by0+c∣a2+b2(l:ax+by+c=0,  点 (x0,y0)).d = \frac{|ax_0 + by_0 + c|}{\sqrt{a^2+b^2}} \qquad \big(l: ax + by + c = 0,\ \ \text{点 } (x_0, y_0)\big).

这里刻意把系数写成小写的 aa、bb、cc:这三小问的点分别叫 AA、BB、CC,再用大写就分不清 "AA"说的是点还是 xx 的系数了。

(1) 点 (x0,y0)=(−2,3)(x_0, y_0) = (-2, 3),直线 3x+4y+3=03x+4y+3=0 的系数 a=3a = 3、b=4b = 4、c=3c = 3:

d=∣3×(−2)+4×3+3∣32+42=∣−6+12+3∣25=95.d = \frac{|3 \times (-2) + 4 \times 3 + 3|}{\sqrt{3^2+4^2}} = \frac{|-6+12+3|}{\sqrt{25}} = \frac{9}{5}.

(2) 点 (x0,y0)=(1,0)(x_0, y_0) = (1, 0),直线 3x+y−3=0\sqrt{3}x + y - \sqrt{3} = 0 的系数 a=3a = \sqrt{3}、b=1b = 1、 c=−3c = -\sqrt{3}。分母 (3)2+12=3+1=2\sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3+1} = 2(根号系数照样先平方, (3)2=3(\sqrt{3})^2 = 3):

d=∣3×1+1×0−3∣2=∣0∣2=0.d = \frac{|\sqrt{3} \times 1 + 1 \times 0 - \sqrt{3}|}{2} = \frac{|0|}{2} = 0.

分子为 00 说明点正好落在这条直线上(把 (1,0)(1,0) 代回方程:3×1+0−3=0\sqrt{3} \times 1 + 0 - \sqrt{3} = 0, 成立)。点在直线上时距离就是 00,这是正确答案,不是算错。

(3) 点 (x0,y0)=(1,−2)(x_0, y_0) = (1, -2),直线 4x+3y=04x + 3y = 0 的系数 a=4a = 4、b=3b = 3, 常数项缺省即 c=0c = 0(缺常数项不影响公式可用):

d=∣4×1+3×(−2)+0∣42+32=∣4−6∣5=25.d = \frac{|4 \times 1 + 3 \times (-2) + 0|}{\sqrt{4^2+3^2}} = \frac{|4 - 6|}{5} = \frac{2}{5}.

分子里的 ∣−2∣=2|-2| = 2——别把负号带出绝对值,距离恒非负。

练习(第 77 页)第 3 题

  1. 已知点 P(−1,2)P(-1, 2) 到直线 l:4x−3y+C=0l: 4x - 3y + C = 0 的距离为 1,求 CC 的值.

这一次距离是已知的、直线里带一个参数,所以把公式当方程列出来解。

ll 中 A=4A = 4、B=−3B = -3(常数项就叫 CC,与公式里的记号同名,代的时候看清位置), 分母 42+(−3)2=25=5\sqrt{4^2 + (-3)^2} = \sqrt{25} = 5,它是一个与 CC 无关的正数,可以直接乘过去。 由题设

∣4×(−1)−3×2+C∣5=1  ⟹  ∣C−10∣=5.\frac{|4 \times (-1) - 3 \times 2 + C|}{5} = 1 \;\Longrightarrow\; |C - 10| = 5.

(分子里 −4−6+C=C−10-4 - 6 + C = C - 10。)

绝对值方程 ∣X∣=5|X| = 5 有两支:

C−10=5  ⟹  C=15,C−10=−5  ⟹  C=5.C - 10 = 5 \;\Longrightarrow\; C = 15, \qquad\qquad C - 10 = -5 \;\Longrightarrow\; C = 5.

两个值都要留:4x−3y+15=04x - 3y + 15 = 0 与 4x−3y+5=04x - 3y + 5 = 0 是两条平行直线,分别在 PP 的两侧, 到 PP 的距离都是 11。而且无论 CC 取哪个值,AA、BB 都不同时为零,ll 始终是一条直线, 没有需要排除的取值。

回代核一遍:

  • C=15C = 15:∣4(−1)−3(2)+15∣5=∣5∣5=1\dfrac{|4(-1) - 3(2) + 15|}{5} = \dfrac{|5|}{5} = 1 ✓
  • C=5C = 5:∣4(−1)−3(2)+5∣5=∣−5∣5=1\dfrac{|4(-1) - 3(2) + 5|}{5} = \dfrac{|-5|}{5} = 1 ✓

顺带核一条几何事实:这两条平行线之间的距离是 ∣15−5∣5=2\dfrac{|15-5|}{5} = 2,正好等于 2×12 \times 1, 与”PP 夹在两条线正中间”相符。

这道题的关键动作:距离已知 + 直线含参 ⇒\Rightarrow 去分母得绝对值方程 ⇒\Rightarrow 拆两支。 只解出一个 CC 是最常见的失分。

原书转写(OCR,供核对)

共 4 页· 默认折起

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。

思考

在“平面向量及其应用”的学习中,我们用“向量法”证明过这个命题。你能回忆一下证明过程吗?比较“坐标法”和“向量法”,你有什么体会?

上述利用“坐标法”解决平面几何问题的基本步骤可以概括为

第一步:建立坐标系,用坐标表示有关的量第二步:进行有关代数运算

第三步:把代数运算的结果“翻译”成几何结论

思考

根据例 4 的条件,你是否还有其他建立坐标系的方法?你能说说建立适当坐标系对证明的重要性吗?

练习

  1. 求下列两点间的距离: (1) A(6,0)A(6, 0) , B(−2,0)B(-2, 0) ; (2) C(0,−4)C(0, -4) , D(0,−1)D(0, -1) ; (3) P(6,0)P(6, 0) , Q(0,−2)Q(0, -2) ; (4) M(2,1)M(2, 1) , N(5,−1)N(5, -1) .

  2. 已知 A(a,−5)A(a, -5) 与 B(0,10)B(0, 10) 两点间的距离是 17,求 aa 的值.

  3. 用坐标法证明:直角三角形斜边的中点到三个顶点的距离相等.

2.3.3 点到直线的距离公式

探究

如图2.3-5,已知点 P(x0,y0)P(x_0, y_0),直线 l:Ax+By+C=0l: Ax + By + C = 0,如何求点 PP 到直线 ll 的距离?

图2.3-5

点 PP 到直线 ll 的距离,就是从点 PP 到直线 ll 的垂线段 PQPQ 的长度,其中 QQ 是垂足(图2.3-5)。因此,求出垂足 QQ 的坐标,利用两点间的距离公式求出 ∣PQ∣|PQ|,就可以得到

点 P 到直线 l 的距离.

设 A≠0,B≠0A \neq 0, B \neq 0. 由 PQ⊥lPQ \perp l, 以及直线 ll 的斜率为 −AB-\frac{A}{B}, 可得 ll 的垂线 PQPQ 的斜率为 BA\frac{B}{A}, 因此, 垂线 PQPQ 的方程为 y−y0=BA(x−x0)y - y_0 = \frac{B}{A} (x - x_0), 即 Bx−Ay=Bx0−Ay0Bx - Ay = Bx_0 - Ay_0.

解方程组

{Ax+By+C=0,Bx−Ay=Bx0−Ay0,(1◯)\left\{ \begin{array}{l} A x + B y + C = 0, \\ B x - A y = B x _ {0} - A y _ {0}, \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{1}}}

得直线 ll 与 PQPQ 的交点坐标,即垂足 QQ 的坐标为

(B2x0−ABy0−ACA2+B2,−ABx0+A2y0−BCA2+B2).\Big (\frac {B ^ {2} x _ {0} - A B y _ {0} - A C}{A ^ {2} + B ^ {2}}, \frac {- A B x _ {0} + A ^ {2} y _ {0} - B C}{A ^ {2} + B ^ {2}} \Big).

于是

∣PQ∣=(B2x0−ABy0−ACA2+B2−x0)2+(−ABx0+A2y0−BCA2+B2−y0)2=(Ax0+By0+C)2A2+B2=∣Ax0+By0+C∣A2+B2\begin{array}{r l} \mid P Q \mid & = \sqrt {\left(\frac {B ^ {2} x _ {0} - A B y _ {0} - A C}{A ^ {2} + B ^ {2}} - x _ {0}\right) ^ {2} + \left(\frac {- A B x _ {0} + A ^ {2} y _ {0} - B C}{A ^ {2} + B ^ {2}} - y _ {0}\right) ^ {2}} \\ & = \sqrt {\frac {(A x _ {0} + B y _ {0} + C) ^ {2}}{A ^ {2} + B ^ {2}}} = \frac {\mid A x _ {0} + B y _ {0} + C \mid}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}} \end{array}

因此,点 P(x0,y0)P(x_0, y_0) 到直线 l:Ax+By+C=0l: Ax + By + C = 0 的距离

d=∣Ax0+By0+C∣A2+B2.d = \frac {\mid A x _ {0} + B y _ {0} + C \mid}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}}.

可以验证,当 A=0A = 0 ,或 B=0B = 0 时,上述公式仍然成立.

思考

上述方法中,我们根据点到直线距离的定义,将点到直线的距离转化为两点之间的距离,思路自然但运算量较大。反思求解过程,你发现引起复杂运算的原因了吗?由此能否给出简化运算的方法?

在上述方法中,若设垂足 QQ 的坐标为 (x,y)(x, y),则

∣PQ∣=(x−x0)2+(y−y0)2.(2◯)| P Q | = \sqrt {(x - x _ {0}) ^ {2} + (y - y _ {0}) ^ {2}}.\tag{\text{\textcircled{2}}}

对于②式,你能给出它的几何意义吗?结合方程组①,能否直接求出 (x−x0)2+(y−y0)2(x-x_{0})^{2}+(y-y_{0})^{2} ,进而求出 ∣PQ∣|PQ| 呢?请你试一试!

探究

我们知道,向量是解决距离、角度问题的有力工具。能否用向量方法求点到直线的距离?

如图 2.3-6,点 P 到直线 l 的距离,就是向量 PQ→\overrightarrow{PQ} 的模.

设 M(x,y)M(x, y) 是直线 ll 上的任意一点,n\pmb{n} 是与直线 ll 的方向向量垂直的单位向量,则 PQ→\overrightarrow{PQ} 是 PM→\overrightarrow{PM} 在 n\pmb{n} 上的投影向量,∣PQ→∣=∣PM→⋅n∣|\overrightarrow{PQ}| = |\overrightarrow{PM} \cdot \pmb{n}|.

图2.3-6

思考

如何利用直线 ll 的方程得到与 ll 的方向向量垂直的单位向量 n\pmb{n}?

设 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_{1}(x_{1},y_{1}), P_{2}(x_{2},y_{2}) 是直线 l:Ax+By+C=0l: Ax + By + C = 0 上的任意两点,则 P1P2→=(x2−x1,y2−y1)\overrightarrow{P_1P_2} = (x_2 - x_1, y_2 - y_1) 是直线 ll 的方向向量。把 Ax1+By1+C=0,Ax2+By2+C=0Ax_{1} + By_{1} + C = 0, Ax_{2} + By_{2} + C = 0 两式相减,得 A(x2−x1)+B(y2−y1)=0A(x_{2} - x_{1}) + B(y_{2} - y_{1}) = 0。由平面向量的数量积运算可知,向量 (A,B)(A, B) 与向量 (x2−x1,y2−y1)(x_{2} - x_{1}, y_{2} - y_{1}) 垂直。向量 1A2+B2(A,B)\frac{1}{\sqrt{A^2 + B^2}} (A, B) 就是与直线 ll 的方向向量垂直的一个单位向量。我们取 n=1A2+B2(A,B)n = \frac{1}{\sqrt{A^2 + B^2}} (A, B),从而

PM→⋅n=(x−x0,y−y0)⋅1A2+B2(A,B)=1A2+B2[A(x−x0)+B(y−y0)]=1A2+B2(Ax+By−Ax0−By0).\begin{array}{r l} \overrightarrow {P M} \cdot \boldsymbol {n} & = (x - x _ {0}, y - y _ {0}) \cdot \frac {1}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}} (A, B) \\ & = \frac {1}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}} [ A (x - x _ {0}) + B (y - y _ {0}) ] \\ & = \frac {1}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}} (A x + B y - A x _ {0} - B y _ {0}). \end{array}

因为点 M(x,y)M(x, y) 在直线 ll 上,所以 Ax+By+C=0Ax + By + C = 0。所以 Ax+By=−CAx + By = -C。代入上式,得

PM→⋅n=1A2+B2(−Ax0−By0−C).\overrightarrow {P M} \cdot \boldsymbol {n} = \frac {1}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}} (- A x _ {0} - B y _ {0} - C).

因此

∣PQ∣=∣PQ→∣=∣PM→⋅n∣=∣Ax0+By0+C∣A2+B2.| P Q | = | \overrightarrow {P Q} | = | \overrightarrow {P M} \cdot n | = \frac {| A x _ {0} + B y _ {0} + C |}{\sqrt {A ^ {2} + B ^ {2}}}.

思考

比较上述两种方法,第一种方法从定义出发,把问题转化为求两点间的距离,通过代数运算得到结果,思路自然;第二种方法利用向量投影,通过向量运算求出结果,简化了运算。除了上述两种方法,你还有其他推导方法吗?

例 5 求点 P(−1,2)P(-1, 2) 到直线 l: 3x=2 的距离.

分析:将直线 l 的方程写成 3x-2=0,再用点到直线的距离公式求解.

解:点 P(−1,2)P(-1, 2) 到直线 l:3x−2=0l: 3x - 2 = 0 的距离

直线 ll 有什么特性?由此你能给出简便解法吗?

d=∣3×(−1)−2∣32+02=53.d = \frac {\mid 3 \times (- 1) - 2 \mid}{\sqrt {3 ^ {2} + 0 ^ {2}}} = \frac {5}{3}.

例 6 已知 △ABC\triangle ABC 的三个顶点分别是 A(1,3)A(1,3), B(3,1)B(3,1), C(−1,0)C(-1,0), 求 △ABC\triangle ABC 的面积.

分析:由三角形面积公式可知,只要利用距离公式求出边 AB 的长和边 AB 上的高即可.

解:如图2.3-7,设边 ABAB 上的高为 hh ,则

S△ABC=12∣AB∣h.S _ {\triangle A B C} = \frac {1}{2} \left| A B \right| h.

图2.3-7

∣AB∣=(3−1)2+(1−3)2=22.| A B | = \sqrt {(3 - 1) ^ {2} + (1 - 3) ^ {2}} = 2 \sqrt {2}.

边 AB 上的高 h 就是点 C 到直线 AB 的距离.

边 ABAB 所在直线 ll 的方程为

y−31−3=x−13−1,\frac {y - 3}{1 - 3} = \frac {x - 1}{3 - 1},

即 x+y−4=0x + y - 4 = 0

点 C(−1,0)C(-1,0) 到直线 l:x+y−4=0l: x + y - 4 = 0 的距离

h=∣−1+0−4∣12+12=52.h = \frac {\mid - 1 + 0 - 4 \mid}{\sqrt {1 ^ {2} + 1 ^ {2}}} = \frac {5}{\sqrt {2}}.

你还有其他解法吗?

因此, S△ABC=12×22×52=5.S_{\triangle ABC} = \frac{1}{2}\times 2\sqrt{2}\times \frac{5}{\sqrt{2}} = 5.

练习

  1. 求原点到下列直线的距离:

(1) l:3x+2y−26=0;l: 3x + 2y - 26 = 0; (2) l: x = y.

  1. 求下列点到直线的距离:

(1) A(−2,3)A(-2, 3), l:3x+4y+3=0l: 3x + 4y + 3 = 0;

(2) B(1,0)B(1,0), l:3x+y−3=0l: \sqrt{3} x + y - \sqrt{3} = 0;

(3) C(1,−2)C(1, -2), l:4x+3y=0l: 4x + 3y = 0.

  1. 已知点 P(−1,2)P(-1, 2) 到直线 l:4x−3y+C=0l: 4x - 3y + C = 0 的距离为 1,求 CC 的值.