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SHANGHAI MATHEMATICS · SECTION 1.2

学生阅读版 / 沪教版高中数学

直线的方程.

选择性必修第一册
第1章平面直角坐标系中的直线 · 保留教材主线与原题

1 个阅读模块11 个例题38 道练习与习题
1.2

直线的方程

教材与正式教参整合

1 几种特殊形式的直线方程

本章 1.1 节的例 3 中我们证明了与点 共线的点 的坐标一定满足关系式 . 反过来, 也容易验证: 如果点 的坐标满足关系式 , 那么点 一定与点 共线. 这就是说, 经过点 的直线 上的点正好是以方程 的解作为坐标的点. 在这种情况下,我们说 “直线 的方程是 ”,或者说 “方程 表示了直线 ”. 可见,直线 的方程是一个关于 与 的二元一次方程. 本节中我们将看到,任何直线的方程都是关于 与 的二元一次方程,反过来,任何关于 与 的二元一次方程都表示一条直线. 而且, 这个方程实质上是唯一的, 即同一直线的不同方程通过简单变形可以互化. 然而, 不同形式的直线方程关注直线的不同几何要素, 在解决具体问题时也会有各自不同的作用.

(1)直线的点斜式方程

现在我们讨论, 在平面直角坐标系中, 当直线的斜率存在时,如何通过直线上的一个点 和直线的斜率 来求直线的方程.

教材或教参原图

图 1-2-1

如图 1-2-1,在平面直角坐标系中,设 是过点 、斜率为 的直线 上的任意一点. 当点 与点 不重合时,由 ,可得

①

当点 与点 重合时,点 的坐标就是 ,同样满足方程①. 这样,直线 上任意一点的坐标 都满足方程①.

反之,可以证明以方程①的解为坐标的点一定在这条直线 上: 若点 的坐标 满足方程①,即 成立. 当 时,直线 经过点 且斜率 , 于是直线 与 重合,从而点 在 上; 当 时,有 ,点 与点 重合,点 也在 上.


本章 1.1 节中例 3 得到的方程就是一个点斜式方程.


在点斜式方程①中,如果把定点选成直线与 轴的交点 ,那么方程改写为

②

教材或教参原图

图 1-2-2

我们也可以定义直线在 轴上的截距,它就是直线与 轴交点 的横坐标 (图 1-2-2).

如果直线与 轴平行或重合,它的斜率与在 轴上的截距都不存在,但此时直线与 轴垂直,设垂足为 ,那么该直线在 轴上的截距为 ,且直线上所有点的横坐标都是 ,从而直线的方程是 .

例题 1

例 1 求倾斜角是 且在 轴上的截距是 -3 的直线 的点斜式方程.

例题 2

例 2 已知直线 在 轴、 轴上的截距分别为 -2、 4, 求直线 的方程,并判断点 是否在直线 上.

练习 1.2(1)

练习1.2(1) · 1
  1. 求经过点 且斜率为 -1 的直线 的点斜式方程.
练习1.2(1) · 2
  1. 求倾斜角是 且在 轴上的截距为 -1 的直线 的点斜式方程.
练习1.2(1) · 3
  1. 求经过点 且垂直于 轴的直线 的方程.
练习1.2(1) · 4
  1. 已知直线 经过点 且在 轴、 轴上截距相等,求 的方程.

(2)直线的两点式方程

两点确定一条直线, 因此, 只要给定平面内两个点的坐标, 就可以写出过这两点的直线的方程. 如果两点的横坐标或纵坐标相同, 那么这条直线与某条坐标轴平行或重合, 这种情况前面已经讨论过了.

现在考虑经过两点 ,并且不与任一坐标轴平行或重合的直线 ,可知 ,且 ,直线 的斜率是 ,于是该直线的点斜式方程为 , 整理成关于两个坐标对称的形式, 得


这就是本章 1.1 节中例 3 的解题过程。


③


直线的两点式方程也可以写成

它对直线平行或重合于坐标轴的情形也适用.


方程③称为直线的两点式方程.

例题 3

例 3 已知直线 经过点 ,求 的方程.

教材或教参原图

图 1-2-3

例题 4

例 4 如图 1-2-3, 三个顶点的坐标分别为 . 分别求边 所在直线的方程与边 上的中线 所在直线的方程.

例题 5

例 5 已知直线 与 轴、 轴分别交于 两个不同的点且 ,其中 是坐标原点; 又点 在直线 上. 求直线 的方程.

练习 1.2(2)

练习1.2(2) · 1
  1. 求经过点 的直线 的两点式方程.
练习1.2(2) · 2
  1. 已知三个不同的点 都在一条直线 上,求实数 的值和直线 的方程.
练习1.2(2) · 3
  1. 在平面直角坐标系中, 是坐标原点. 已知 两点的坐标分别为 、 ,分别求 的三条边上的中线所在直线的方程.

2 直线的一般式方程

由前面的讨论可以看到, 不管哪种形式的直线方程都是关于 的二元一次方程,因此都可以化为如下二元一次方程的一般形式

④

反过来, 二元一次方程④是否都表示一条直线呢?

例题 6

例 6 在平面直角坐标系中, 根据所给直线方程, 作出相应图形,并求出该直线的斜率和在 轴上的截距:

(1) ;

(2) .

教材或教参原图

图 1-2-4

例题 7

例 7 已知直线 的方程为 ,求证: 无论 取何值时,直线 都经过一个定点,并写出该定点的坐标.

例题 8

例 8 如图 1-2-5,直线 经过平面直角坐标系的第一、第二与第四象限. 求实数 的取值范围.

练习 1.2(3)

练习1.2(3) · 1
  1. 求下列方程所表示直线的斜率与倾斜角:

(1) ; (2) ;

(3) ; (4) .

练习1.2(3) · 2
  1. 求证: 无论实数 取何值,直线 都经过一个定点.
练习1.2(3) · 3
  1. 已知直线 经过平面直角坐标系的第二、第三与第四象限,求实数 的取值范围.
例题 9

例 9 已知点 与 是直线 ( 不同时为零) 上任意两点,且向量 . 求证: 向量 与 垂直.

例 9 中的向量 与直线 上的任意一个向量都垂直. 一般地,与直线上任意一个向量都垂直的非零向量叫做该直线的法向量(normal vector). 于是,例 9 可以总结为如下结论:

以直线 的一般式方程 ( 不同时为零)的一次项系数为坐标的向量 是 的一个法向量.

⑤

例题 10

例10 已知 的三个顶点的坐标分别是 、 与 ,求边 上的高 所在直线的方程.

例题 11

例 11 已知直线 经过点 ,且 是它的一个法向量. 若 与坐标轴围成的三角形的面积是 2,求实数 的值.

练习 1.2(4)

练习1.2(4) · 1
  1. 写出下列直线的一个法向量:

(1) ; (2) ;

(3) ;

(4) .

练习1.2(4) · 2
  1. 已知直线 的方程是 ,它的一个法向量是 . 求实数 的值.
练习1.2(4) · 3
  1. 根据下列条件,求直线 的方程:

(1) 在 轴上的截距为 -1,且 的一个法向量是 ;

(2) 经过点 ,且 上的任何向量都与向量 平行.

习题 1.2

A 组

习题1.2A · 1
  1. 已知直线 经过点 ,倾斜角为 且 . 求直线 的点斜式方程.
习题1.2A · 2
  1. 已知直线 在 轴上的截距为 4,倾斜角为 且 . 求直线 的斜截式方程.
习题1.2A · 3
  1. 求下列直线的斜率与在 两坐标轴上的截距:

(1) ;___

(2) .

习题1.2A · 4
  1. 已知直线 经过点 .

(1)求 的倾斜角的大小;

(2)求 在 轴上的截距.

习题1.2A · 5
  1. 直线 经过点 ,在 轴、 轴上的截距分别为 . 已知 ,求直线 的方程.
习题1.2A · 6
  1. 根据给定条件,求下列直线的两点式方程:

(1)直线 经过点 、 ;

(2)直线 与坐标轴的交点分别为 .

习题1.2A · 7
  1. 已知 的三个顶点的坐标分别为 .

(1)求边 所在直线的方程;

(2)求边 上的中线所在直线的方程.

习题1.2A · 8
  1. 设直线 在 轴与 轴上的截距分别是 与 ,且 与 均不为零. 求证: 直线 的方程可以写成 .
习题1.2A · 9
  1. 一个弹簧在弹性限度内挂 的物体时弹簧长度为 ,挂 物体时弹簧长度为 . 已知在弹性限度内所挂物体的质量 (单位: ) 与弹簧长度 (单位: ) 的关系可以用直线的方程表示,求该直线的方程,并求弹簧自身的长度.
习题1.2A · 10
  1. 在平面直角坐标系中, 作出下列直线, 并求它们的斜率与倾斜角.

(1)

(2)

习题1.2A · 11
  1. 设直线 的方程是 ,在下列条件下,求实数 、 、 满足的条件:

(1) 与 轴、 轴均相交;

(2) 经过第二、第三、第四象限.

习题1.2A · 12
  1. 已知直线 ,根据下列条件,求实数 的值:

(1) 经过点 ;

(2) 在两个坐标轴上的截距相等.

习题1.2A · 13
  1. 已知 两点,求线段 的垂直平分线的点法式方程.
习题1.2A · 14
  1. 已知直线 ,直线 . 若这两条直线的法向量互相垂直,求 的值.

B 组

习题1.2B · 1
  1. 已知平行四边形 中,三个顶点的坐标分别为 . 分别求边 所在直线的方程.
习题1.2B · 2
  1. 已知直线 经过点 ,与 轴、 轴分别交于 两点. 若 ,求直线 的方程.
习题1.2B · 3
  1. 直线 与线段 相交,其中点 为 ,点 为 .

(1)当 时,求 的取值范围;

(2)当 时,求 的取值范围.

习题1.2B · 4
  1. 已知 中,两个顶点的坐标分别为 、 ,点 是此三角形的重心. 求边 所在直线的方程.
习题1.2B · 5
  1. 若 ,且 . 求经过两点 , 的直线 的方程.
习题1.2B · 6
  1. 如图是一个 形的霓虹灯 (灯管宽度忽略不计),每边长都是 , 每相邻两边相交所成的锐角都是 . 试建立适当的平面直角坐标系, 写出此霓虹灯的每条边所在直线在这个坐标系中的方程.

教材或教参原图

(第 6 题)

习题1.2B · 7
  1. 证明: 直线 且不是 的整数倍) 和两坐标轴围成图形的面积是定值.
习题1.2B · 8
  1. 已知直线 .

(1)若直线的斜率 ,求实数 的取值范围;

(2)求证:对任意实数 ,直线 都经过一个定点.

习题1.2B · 9
  1. 已知向量 是直线 的一个法向量,在下列条件下求直线 的方程:

(1)在 轴、 轴上的截距之和为 4 ;

(2)与 轴、 轴围成的三角形面积为 20.

习题1.2B · 10
  1. 已知 (其中 ) 是直线 的一个法向量,试用 表示直线 的倾斜角.
习题1.2B · 11
  1. 我们把与直线上任意两点构成的向量均平行的非零向量称为该直线的方向向量. 求经过点 且以 为方向向量的直线的方程.
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