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直线方程、夹角与距离

基础更新于 2026-09-29

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直线的代数表示应与题目给出的几何信息相匹配,尤其要保留竖直直线。

倾斜角与斜率不能跨断点直接比较

直线的倾斜角取 α∈[0,π)\alpha\in[0,\pi);非竖直直线的斜率为 k=tan⁡αk=\tan\alpha,竖直直线的斜率不存在。tan⁡α\tan\alpha 在 [0,π/2)[0,\pi/2) 与 (π/2,π)(\pi/2,\pi) 上分别递增,但不能跨过 π/2\pi/2 排大小。例如 π/3<2π/3\pi/3<2\pi/3,对应斜率却有 3>−3\sqrt3>-\sqrt3。

若斜率 k≤−1k\le-1,则倾斜角属于 (π/2,3π/4](\pi/2,3\pi/4];竖直方向不能因“比任意斜率大”而加进来。由两点求直线时,先看横坐标是否相同;若相同,直接写 x=x0x=x_0,避免分母为零。

直线方程的七种形式

根据给定的点、方向、截距选择方程。表中各项的条件属于公式的一部分。

形式 方程 条件或含义
一般式 Ax+By+C=0Ax+By+C=0 A,BA,B 不全为零
点斜式 y−y0=k(x−x0)y-y_0=k(x-x_0) 斜率存在
斜截式 y=kx+by=kx+b bb 为纵截距
截距式 x/a+y/b=1x/a+y/b=1 ab≠0ab\ne0,不包括过原点及平行坐标轴的线
两点式 (x−x1)/(x2−x1)=(y−y1)/(y2−y1)(x-x_1)/(x_2-x_1)=(y-y_1)/(y_2-y_1) 两分母均非零;通用式为 (x−x1)(y2−y1)=(y−y1)(x2−x1)(x-x_1)(y_2-y_1)=(y-y_1)(x_2-x_1),两点须不同
法线式 xcos⁡θ+ysin⁡θ=px\cos\theta+y\sin\theta=p (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta,\sin\theta) 为单位法向量,原点距离为 ∣p∣\lvert p\rvert
单位方向参数式 x=x0+tcos⁡α, y=y0+tsin⁡αx=x_0+t\cos\alpha,\ y=y_0+t\sin\alpha t∈Rt\in\mathbb R 是沿选定方向的有向距离,非笼统的“向上为正”

参数式与两点式的依据

直线经过 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0)、方向向量为 (u,v)≠(0,0)(u,v)\ne(0,0) 时,任意点的位移是方向向量的实数倍,故

x=x0+tu,y=y0+tv(t∈R).x=x_0+tu,\qquad y=y_0+tv\qquad(t\in\mathbb R).

消去参数得到 v(x−x0)−u(y−y0)=0v(x-x_0)-u(y-y_0)=0。方向向量为单位向量时,tt 恰是沿该方向的有向距离。取 (u,v)=(x2−x1,y2−y1)(u,v)=(x_2-x_1,y_2-y_1) 得无分母的两点式;它也适用于水平、竖直方向,并包含两个端点。不能随意除以含动点坐标的因子,否则可能遗漏端点。

直线的方向与一般方程

平面内直线的一般方程为

Ax+By+C=0,A2+B2>0.Ax+By+C=0,\qquad A^2+B^2>0.

其中 n=(A,B)\mathbf n=(A,B) 是法向量,v=(B,−A)\mathbf v=(B,-A) 是一个方向向量。任取直线上两点,相减其方程得 AΔx+BΔy=0A\Delta x+B\Delta y=0,所以连线方向与 n\mathbf n 垂直。

B≠0B\ne0 时,可化为 y=−(A/B)x−C/By=-(A/B)x-C/B,斜率为 −A/B-A/B;B=0B=0 时为竖直线 x=−C/Ax=-C/A,斜率不存在。一般式同时涵盖这两种情况。

平行、重合与垂直

设两条直线为 Ajx+Bjy+Cj=0A_jx+B_jy+C_j=0,Aj2+Bj2>0A_j^2+B_j^2>0,j=1,2j=1,2。

  • A1B2−A2B1≠0A_1B_2-A_2B_1\ne0:方向不平行,两线有唯一交点。
  • A1B2−A2B1=0A_1B_2-A_2B_1=0:两线平行或重合;还须比较常数项确定是否同一条线。
  • 两线垂直,当且仅当 A1A2+B1B2=0A_1A_2+B_1B_2=0。

若两条斜率都存在,则垂直条件化为 k1k2=−1k_1k_2=-1。水平线与竖直线也垂直,但不能用两个有限斜率的乘积表示。

点到直线的距离及证明

点 P=(x0,y0)P=(x_0,y_0) 到上述直线的距离为

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

取直线上任意一点 Q=(u,v)Q=(u,v),有 Au+Bv=−CAu+Bv=-C。把 QP→\overrightarrow{QP} 投影到单位法向量上,再取绝对值,得

d=∣A(x0−u)+B(y0−v)∣A2+B2=∣Ax0+By0+C∣A2+B2.d=\frac{|A(x_0-u)+B(y_0-v)|}{\sqrt{A^2+B^2}} =\frac{|Ax_0+By_0+C|}{\sqrt{A^2+B^2}}.

因此距离与所选 QQ 无关。分子为零时点在直线上,距离为零。

一般式下的平行、重合与夹角

设两直线为 Aix+Biy+Ci=0A_ix+B_iy+C_i=0,i=1,2i=1,2,各自的法向量非零。记

D=A1B2−A2B1.D=A_1B_2-A_2B_1.

D≠0D\ne0 时相交;D=0D=0 时平行或重合。重合当且仅当另外两个式子 A1C2−A2C1A_1C_2-A_2C_1、B1C2−B2C1B_1C_2-B_2C_1 也都为零;平行不重合则要求这两个式子至少一个非零。

例如 y=0y=0 与 y=1y=1 平行,虽然 A1C2−A2C1=0A_1C_2-A_2C_1=0,却有 B1C2−B2C1≠0B_1C_2-B_2C_1\ne0。因此不能只用前一个非零条件作为一般式的完整平行判据。

较小夹角 θ∈[0,π/2]\theta\in[0,\pi/2] 满足

cos⁡θ=∣A1A2+B1B2∣A12+B12A22+B22.\cos\theta=\frac{|A_1A_2+B_1B_2|}{\sqrt{A_1^2+B_1^2}\sqrt{A_2^2+B_2^2}}.

两斜率存在且 1+k1k2≠01+k_1k_2\ne0 时,tan⁡θ=∣(k2−k1)/(1+k1k2)∣\tan\theta=|(k_2-k_1)/(1+k_1k_2)|。分母为零表示垂直,夹角为 π/2\pi/2。有向转角的正切可不加绝对值,但它只确定模 π\pi 的角,需要另行约定方向。

法线式与有向距离

取单位法向量 (cos⁡α,sin⁡α)(\cos\alpha,\sin\alpha),则直线可写

xcos⁡α+ysin⁡α=p.x\cos\alpha+y\sin\alpha=p.

两侧同乘 −1-1 可使 p≥0p\ge0,此时 pp 是原点到直线的距离。最近点为 (pcos⁡α,psin⁡α)(p\cos\alpha,p\sin\alpha):它在直线上,且原点到它的方向垂直于直线。

给定 Ax+By+C=0Ax+By+C=0,先除以 A2+B2\sqrt{A^2+B^2},必要时改变符号,即可得到法线式。点 (u,v)(u,v) 的有向距离为 ucos⁡α+vsin⁡α−pu\cos\alpha+v\sin\alpha-p,通常距离取其绝对值。若 p=0p=0,两个相反单位法向量都可选,方向并不唯一。

两点距离、平行线距离与半平面

直角坐标系中,两点 P1(x1,y1),P2(x2,y2)P_1(x_1,y_1),P_2(x_2,y_2) 的距离由勾股定理给出:

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

两条平行线先将法向量化为相同的非零向量 (A,B)(A,B),写为 Ax+By+C1=0Ax+By+C_1=0 和 Ax+By+C2=0Ax+By+C_2=0,则

d=∣C1−C2∣A2+B2.d=\frac{|C_1-C_2|}{\sqrt{A^2+B^2}}.

证明:任取第一条线上的点 (u,v)(u,v),代入点线距离公式,利用 Au+Bv=−C1Au+Bv=-C_1 即得。C1=C2C_1=C_2 时两线重合,距离为零。

Ax+By+C>0Ax+By+C>0 与 Ax+By+C<0Ax+By+C<0 表示边界直线两侧的开半平面,改为非严格不等式则包含边界。若 B>0B>0,正号对应直线上方;若 B<0B<0,方向相反;若 B=0B=0,应比较左右。其依据是将不等式解成 yy 或 xx 的范围,并在除以负数时反向。

点关于一般直线的反射公式

设直线 l:Ax+By+C=0l:Ax+By+C=0,A2+B2>0A^2+B^2>0,点 P=(u,v)P=(u,v)。垂足沿法向量 (A,B)(A,B) 移动,可设 H=P−t(A,B)H=P-t(A,B)。代入直线得

t=Au+Bv+CA2+B2.t=\frac{Au+Bv+C}{A^2+B^2}.

由于 HH 是 PP 与其对称点 P′P' 的中点,

P′=P−2Au+Bv+CA2+B2(A,B).P'=P-2\frac{Au+Bv+C}{A^2+B^2}(A,B).

例如点 (3,1)(3,1) 关于 x+y−2=0x+y-2=0 的对称点为 (1,−1)(1,-1)。其连线斜率为 11,垂直于原直线,且中点 (2,0)(2,0) 在原直线上。这两个几何条件也是复核结果的方法。关于 yy 轴的对称点为 (−u,v)(-u,v),第二坐标不变。

例

点 (1,2)(1,2) 到 3x+4y−6=03x+4y-6=0 的距离为 ∣3+8−6∣/5=1|3+8-6|/5=1。过该点且垂直原直线的直线方向为 (3,4)(3,4),方程为 4(x−1)−3(y−2)=04(x-1)-3(y-2)=0。

易错点

两直线夹角通常取较小的非负角,可用单位方向向量内积的绝对值求余弦。方向相反的向量不表示两条直线夹角为 π\pi。

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先修:数量积、夹角与投影 · 方程、方程组与换元。

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