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点到直线距离公式的另外几种推导方法
“点到直线的距离公式”是新课标人教版必修2数学的重点内容,教材在推到公式之后给出“请研究一下,如何用其它方法推导上面的距离公式”的伏笔,因此,笔者给出另外几种推导方法,供大家参考。
1 点到直线的距离公式
在平面直角坐标系中,已知点P(x0,y0),直线l:Ax+By+C=0(A﹒B≠0).设点P(x0,y0)到直线l的距离为d,则
设点外一点,如何求它到该直线的距离?
解:设过点且与已知直线垂直的直线为,垂足为,点到点距离为,则
y
0
P0
D
d
x
即,直线外一已知点到已知直线的距离公式为:
当A=0或B=0,上面的公式依然适用。当然,也可以不用上面的距离公式,即当A=0且B≠0时,直线l:y=-,d==;当A≠0,B=0时,
直线l:x=-,d==
图1
证法二:如图1,过作直线∥,设直线和分别交轴于点、,过M作直线于点,则就等于点P到直线的距离,记为.
设直线的方程为,由于点在直线上,, .
直线:.
令,得;
在直线:中,
令,得.
.
设直线的倾斜角为,则,且,
说明:在证法二中,先将点到直线距离转化成过点的且与平行的直线与的距离,并通过特殊位置——轴上的线段的长,利用三角函数解决了问题,体现化斜为直的思想.当然,也可以对证法二进行适当的变化来证明点到直线的距离公式,由兴趣的读者不妨去试一试.
2 公式的另外几种推导方法
方法1 利用直角三角形的面积公式
A﹒B≠0,∴ 直线l必与两坐标轴相交,如图1,
作PM‖x轴交直线l于M,作PN‖y轴交直线l于N,
作PQ⊥l于Q,则d =∣PQ∣,d 既是点P到直线l的距
离,又是Rt△MPN的高.∴d= (※)
设M(x1,y0),N(x0,y2),∵ M、N∈l,易求出x1=,y2=.
∴∣PM∣=∣x1-x0∣=∣∣……①
∣PN∣=∣y2-y0∣=∣∣……②
∣MN∣==﹒∣Ax0+By0+C∣……③
将①②③代入(※)得:d= (A2+B2≠0).
方法2 利用两点间的距离公式
教材指出,由PQ⊥l可知直线PQ的斜率为,可求出PQ所在直线的方程,从而可求出交点P的坐标,再用两点间的距离公式求∣PQ∣。“这种方法思路自然,但运算较繁”,可是,如果在推导过程中注意运算技巧,也并不繁琐!
方法2—1 如图1,设Q(a,b),则d=∣PQ∣=,易得直线PQ的方程为y-y0= (x-x0),即Bx-Ay=Bx0-Ay0.从而有,
解之,a=,∴ a-x0=-,b-y0=-
∴ d=∣PQ∣== (A2+B2≠0).
方法2—2 如图1,由方法2—1 有
由(1)2+(2)2得:(A2+B2)(a-x0)2+(A2+B2)(b-y0)2=(Ax0+By0+C)2,
∴ (a-x0)2+(b-y0)2=,
∴ d=∣PQ∣== (A2+B2≠0).
方法3 利用换元法
在方法2—2中,设b-y0=B t, a-x0=A t,代入(1)得(A2+B2) t=-(Ax0+By0+C)
∴ t=,
∴ d =∣PQ∣==
= (A2+B2≠0). y
方法4 利用向量法 l
显然,直线l的法向量=(A,B),设P1(x1,y1)是 x
直线l上与Q不重合的任意一点,当<,>为锐角时,
d=∣PQ∣=cos(如图2); 图2
当<,>为钝角时, l y
d=∣PQ∣=cos(-)
= -cos=∣cos∣(如图3). x
∴无论直线l的法向量=(A,B)的方向如何,均有
d=∣PQ∣=∣cos∣.又∵﹒=, 图3
∴ d =
==
又∵P1(x1,y1)在直线上,∴Ax1+By1+C=0代入上式,得d= (A2+B2≠0)。
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