Как найти точку пересечения двух перпендикулярных прямых - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Не такая тривиальная задача, скажу я вам. Всякий раз, когда возникает необходимость посчитать координату пересечения пары прямых, каждая из которых задана парой точек, снова беру блокнот и вывожу пару формул. И всякий раз – блин, ну это уже когда-то было, опять надо что-то делать с параллельными прямыми, опять появляется пакостная строго вертикальна линия, когда на (x₁-x₂) никак не разделить и т.д.

Поэтому – в подборку теории и практики, пригодится, сэкономим блокнот, спасем дерево.

Коэффициенты А, B, C

Все помним со школы формулу:

Тоже самое, но с претензией на образование (некоторые индивидуумы утверждают, что существует такая, и только такая, и никакая другая, формулировка):

Те же фаберже, только сбоку.

В теории надо составить и решить систему уравнений для первой и второй линии, где переменными будут X и Y точки пересечения.

Загвоздка в том, что мы не знаем коэффициенты для обеих линий.

В нашем случае известны координаты двух точек, по которым проходит линия. Поэтому мне, как последователю геометрического агностицизма, более привлекательная следующая формула:

Путем несложных операций приходим к следующей записи:

Глядя на вариант в исполнении высшего образования, получаем следующие формулы для нахождения коэффициентов:

Пока все идет отлично, нигде вероятного деления на ноль не встретилось.

Итак, мы можем легко найти два набора коэффициентов для первой и второй прямых. Переходим к системе уравнений.

Система уравнений

Как правило, подобная система уравнений решается путем выражения одной переменной через другую, подстановкой во второе уравнение, получая таким образом уравнение одной переменной. Далее переменная находится, подставляется, решается. Или определяется, что система решения не имеет.

Но нас интересует метод Крамера. Потому что с помощью этого метода можно получить сразу значения для обеих переменных, без дополнительных телодвижений.

Сразу же запишем метод под нашу систему.

Имеем следующую систему:

Определители будут такими:

Исходя из метода, решение выглядит так:

Ага! Вот и возможное деление на ноль, скажете вы. И правильно! В этой, в высшей степени непозволительной ситуации, когда знаменатель равен нулю, решения нет, прямые либо параллельны, либо совпадают (что, впрочем, частный случай параллельности). В коде, естественно, этот момент надо учитывать.

Практика 1

//*******************************************************

// Нахождение точки пересечения прямых (p1,p2) и (p3,p4)

// Результат — факт пересечения

//*******************************************************

function CrossLines(const p1,p2,p3,p4: TxPoint;

var res: TxPoint): Boolean;

const

Prec = 0.0001;

var

a1, a2: Extended;

b1, b2: Extended;

c1, c2: Extended;

v: Extended;

begin

a1 := p2.y — p1.y;

a2 := p4.y — p3.y;

b1 := p1.x — p2.x;

b2 := p3.x — p4.x;

v := a1*b2 — a2*b1;

Result := (abs(v) > Prec);

if Result then

begin

c1 := p2.x*p1.y — p1.x*p2.y;

c2 := p4.x*p3.y — p3.x*p4.y;

res.X := —(c1*b2 — c2*b1)/v;

res.Y := —(a1*c2 — a2*c1)/v;

end;

Рис.1. Пересечение прямых

Частные случаи

Прямые параллельны: ∆_ab = 0
- (A₁B₂ – B₁A₂ = 0);
Прямые совпадают: ∆_ab = ∆_X = ∆_Y = 0
- (A₁B₂ – B₁A₂ = 0) И (A₁C₂ — A₂C₁ = 0) И (C₁B₂ -B₁C₂ = 0);
Прямые перпендикулярны:
- (A₁ A₂ + B₁ B₂ = 0).

Рис.2. Пересечение перпендикулярных прямых

Рис.3. Параллельные прямые не пересекаются

Принадлежность точки отрезку

В общем случае, чтобы определить принадлежность точки отрезку, надо установить две вещи:

Точка принадлежит прямой, проходящей через конечные точки отрезка. Для этого достаточно подставить значение X и Y в уравнение прямой и проверить получившееся равенство. В нашем случае, этот пункт уже выполнен, т.к. точка пересечения априори принадлежит обеим прямым.
Проверить факт нахождения точки между концами отрезка.

Займемся пунктом 2. Данный факт можно установить двумя способами:

Логически, т.е. (x₁ <= x <= x₂) ИЛИ (x₁ >= x >= x₂). На случай «вертикальности» линии добавить проверку на Y:
- (y₁ <= y <= y₂) ИЛИ (y₁ >= y >= y₂).
Арифметически. Сумма отрезков |x-x₁| + |x-x₂| должна быть равна длине отрезка |x₁-x₂|. Аналогично, на случай «вертикальности» , добавить проверку:
- |y-y₁| + |y-y₂| = |y₁-y₂|

//*****************************************************

// Проверка факта нахождения точки res между

// концами отрезка (p1,p2).

// Решение с помощью условных операторов и

// коэффициентов A=(y2-y1) B=(x1-x2).

// Выступают в качестве параметров, чтобы не тратить

// время на их подсчет, т.к. в вызывающей стороне

// они уже посчитаны

//*****************************************************

function CheckCrossPoint(const p1, p2, res: TxPoint;

const A,B: Extended): Boolean;

begin

Result :=

(((B<0) and (p1.X < res.X) and (p2.X > res.X)) or

((B>0) and (p1.X > res.X) and (p2.X < res.X)) or

((A<0) and (p1.y > res.Y) and (p2.Y < res.Y)) or

((A>0) and (p1.y < res.Y) and (p2.Y > res.Y)));

end;

//*****************************************************

// Проверить факт нахождения точки res между

// концами отрезка (p1,p2)

// Арифметическое решение без коэффициентов

//*****************************************************

function CheckCrossPoint(const p1, p2, res: TxPoint): Boolean;

begin

Result :=

(abs(p2.x—p1.x)>= abs(p2.x—res.x) + abs(p1.x—res.x)) and

(abs(p2.y—p1.y)>= abs(p2.y—res.y) + abs(p1.y—res.y));

end;

Практика показывает, что арифметический способ быстрее примерно в 3 раза. Когда-то я считал, что операции сравнения самые быстрые. Это давно уже не так.

Задача нахождения принадлежности точки P(x,y) отрезку, заданного двумя точками с координатами P1(x1, y1) и P2(x2, y2) подробно рассмотрена в отдельной статье.

Угол пересечения прямых

Угол пересечения прямых — это угол пересечения направляющих векторов. Т.е., взяв уже знакомые ранее точки p₁ и p₂, получим направляющий вектор V(p₁,p₂), и аналогично второй вектор M(p₃,p₄). В теории мы должны вычислить достаточно «затратную» функцию, с корнями, квадратами, дробями и арккосинусом.

Давайте не будем останавливаться на ней, она долгая, нудная и в нашем случае ненужная. Рассмотрим вектор:

Рис.4. Вектор V(p₁,p₂)

α — угол наклона вектора к оси X, который можно найти, как:

α = arctan (A₁ / B₁)

Где расстояния:

A₁ = (y₁ — y₂)

B₁ = (x₂ — x₁)

Что-то знакомое? Да это ни что иное, как коэффициенты в уравнении прямой от образованных фанатов. Может они и правы в своем испепеляющем фанатизме…

Одним словом, коэффициенты (расстояния) у нас уже есть по обеим прямым.

Рис.5. Пересекающиеся вектор V(p₁,p₂) и вектор M(p₃,p₄)

Судя по рисунку, угол между векторами, это сумма углов наклона векторов к оси X. Ммм… не совсем так, на самом деле это разность.

Рис.6. Пересекающиеся векторы в положительной Y

По рисунку явно видно, что угол между векторам это γ = (β — α).

В предыдущем примере все правильно, просто знаки углов разные, т.к. находятся по разные стороны от оси X, а формула работает та же.

От теории к практике

Теперь в плане практического применения. Мне нужно точно знать, откуда, куда и в каком направлении этот угол. В теории, углом между прямыми считается наименьший из пары γ и (180-γ). Так вот, нам это не надо. Какой угол получится – такой нам и нужен.

Поэтому, под углом между векторами понимаем угол от вектора V(p1,p2) к вектору M(p3,p4). Если знак угла – отрицательный, понимаем, что он против часовой стрелки, иначе – по часовой стрелке.

Следует заметить, что, зная коэффициенты, для нахождения угла пересечения, координаты уже не нужны. Листинг таков:

//**********************************************************

// Посчитать угол пересечения векторов по коэфф-ам А и B

//**********************************************************

function CalcCrossAngle(const a1,b1: Extended;

const a2,b2: Extended): Extended;

var

c1, c2: Extended;

begin

c1 := ArcTan2(a1,b1);

c2 := ArcTan2(a2,b2);

Result := c2—c1;

if Result < —pi then

Result := 2*pi + Result;

if Result > pi then

Result := Result — 2*pi;

end;

Тут ситуация с вертикальной прямой, т.е. когда теоретически происходит деление на ноль, явно не обрабатывается. Она корректно обрабатывается функцией ArcTan2, которая вернет в этом случае и знак, и 90 градусов.

Рис.7. Пересечение перпендикулярных векторов

Практика 2

В дополнение к функции нахождения точки пересечения, напишем «продвинутую» функцию, которая находит эту точку, определяет нахождение на каждом из отрезков, и определяет угол между направляющими векторами. Или же определяет, что прямые параллельны/совпадают.

//**********************************************************

// Тип пересечения прямых (p1,p2) и (p3,p4)

//**********************************************************

type

TxCrossLineResult = (

xclrEqual = —32// эквивалентны

,xclrParallel = —16// параллельны

,xclrOk = 0 // как минимум пересечение есть

,xclrFirst = 1 // попадает в первый отрезок

,xclrSecond = 2 // попадает во второй отрезок

,xclrBoth = 3 // попадает в оба

,xclrPerpend = 4 // перпендикулярны

// можно найти по маске через AND, но для полноты картины

,xclrFirstP = 5 // перпендикулярны и попадает в первый

,xclrSecondP = 6 // перпендикулярны и попадает в второй

,xclrBothP = 7 // перпендикулярны и попадает в оба

);

//**********************************************************

// Нахождение точки пересечения прямых (p1,p2) и (p3,p4)

// Определяет параллельность, совпадение,

// перпендикулярность, пересечение.

// Определяет, каким отрезкам принадлежит.

// Находит угол(рад.) от (p1,p2) к (p3,p4):

// отрицательное значение — против часовой

// положительное — по часовой

//**********************************************************

function CrossLines(const p1,p2,p3,p4: TxPoint;

var res: TxPoint; var Angle: Extended): TxCrossLineResult;

const

Prec = 0.0001;

var

a1, a2: Extended;

b1, b2: Extended;

c1, c2: Extended;

v: Extended;

begin

Angle := 0;

a1 := p2.y — p1.y;

a2 := p4.y — p3.y;

b1 := p1.x — p2.x;

b2 := p3.x — p4.x;

c1 := p2.x*p1.y — p1.x*p2.y;

c2 := p4.x*p3.y — p3.x*p4.y;

v := a1*b2 — a2*b1;

if abs(v) > Prec then

begin

Result := xclrOk;

res.X := —(c1*b2 — c2*b1)/v;

res.Y := —(a1*c2 — a2*c1)/v;

if CheckCrossPoint(p1,p2,res) then

Result := TxCrossLineResult(Integer(Result) +

Integer(xclrFirst));

if CheckCrossPoint(p3,p4,res) then

Result := TxCrossLineResult(Integer(Result) +

Integer(xclrSecond));

if (abs(a1*a2 + b1*b2) < Prec) then

Result := TxCrossLineResult(Integer(Result) +

Integer(xclrPerpend));

Angle := CalcCrossAngle(a1,b1,a2,b2);

end else

begin

Result := xclrParallel;

if ((abs(c1*b2 — c2*b1) < Prec) and

(abs(a1*c2 — a2*c1) < Prec))

then

Result := xclrEqual;

end;

Исходники

Небольшие комментарии по интерфейсу.

Рис.8. Интерфейс программы

Скачать (219 Кб): Исходники (Delphi XE 7-10)

Скачать (1.14 Мб): Исполняемый файл

При запуске генерируется случайным образом 4 точки, по две на прямую. Точки и отрезки можно перетаскивать мышкой. Также, слева присутствует панель, на которой можно ввести координаты точек или коэффициенты уравнения прямой. При нажатии «Enter» или когда элемент ввода теряет фокус, происходит перерасчет и перерисовка.

Внизу есть 4 кнопки переключения режимов отображения. Начиная со второй, помимо координат точки пересечений в верхнем левом углу будет отображаться текущий угол пересечения между направляющими векторами.

Если точка пересечений попадает в какой-либо из отрезков, соответствующий заголовок линии отрезка станет жирным. На рисунке это зеленая линия 2.

По умолчанию, рабочее поле системы координат имеет размерность [-10..10], которую можно изменить ползунком в нижнем правом углу.

Источник

Пересечение прямых. Точка пересечения двух прямых

Если точка M, является точкой пересечения двух прямых, то она должна принадлежать этим прямым, а ее координаты удовлетворять уравнения этих прямых.

Точка пересечения двух прямых на плоскости

Если система уравнений:

имеет единственное решение, то прямые пересекаются;
имеет бесконечное множество решений, то прямые совпадают;
не имеет решений, то прямые не пересекаются (прямые параллельны между собой)

Решение: Для вычисления координат точки пересечения прямых, решим систему уравнений:

y = 2 x — 1 y = -3 x + 1

Вычтем из первого уравнения второе

y — y = 2 x — 1 — (-3 x + 1) y = -3 x + 1 => 0 = 5 x — 2 y = -3 x + 1

Из первого уравнения найдем значение x

5 x = 2 y = -3 x + 1 => x = 2 5 = 0.4 y = -3 x + 1

Подставим значение x во второе уравнение и найдем значение y

x = 0.4 y = -3·(0.4) + 1 = -1.2 + 1 = -0.2

Ответ. Точка пересечения двух прямых имеет координаты (0.4, -0.2)

Решение: Для вычисления координат точки пересечения прямых, решим систему уравнений:

y = 2 x — 1 x = 2 t + 1 y = t

В первое уравнение подставим значения x и y из второго и третьего уравнений.

t = 2·(2 t + 1) — 1 x = 2 t + 1 y = t => t = 4 t + 1 x = 2 t + 1 y = t =>

-3 t = 1 x = 2 t + 1 y = t => t = — 1 3 x = 2 t + 1 y = t

Подставим значение t во второе и третье уравнение

t = — 1 3 x = 2·(- 1 3 ) + 1 = — 2 3 + 1 = 1 3 y = — 1 3

Ответ. Точка пересечения двух прямых имеет координаты ( 1 3 , — 1 3 )

Решение: Для вычисления координат точки пересечения прямых, решим систему уравнений:

2 x + 3 y = 0 x — 2 3 = y 4

Из второго уравнения выразим y через x

2 x + 3 y = 0 y = 4· x — 2 3

Подставим y в первое уравнение

2 x + 3·4· x — 2 3 = 0 y = 4· x — 2 3 => 2 x + 4·( x — 2) = 0 y = 4· x — 2 3 =>

2 x + 4 x — 8 = 0 y = 4· x — 2 3 => 6 x = 8 y = 4· x — 2 3 =>

x = 8 6 = 4 3 y = 4· x — 2 3 => x = 8 6 = 4 3 y = 4· 4/3 — 2 3 = 4· -2/3 3 = — 8 9

Ответ. Точка пересечения двух прямых имеет координаты ( 4 3 , — 8 9 )

Решение: Обе прямые заданы уравнениями с угловым коэффициентом. Так как k ₁ = k ₂ = 2, то прямые параллельны. Так как эти прямые не совпадают то точек пересечения нет.

Решим также эту задачу используя систему уравнений:

y = 2 x — 1 y = 2 x + 1

Вычтем из первого уравнения второе

y — y = 2 x — 1 — (2 x + 1) y = -3 x + 1 => 0 = -2 y = -3 x + 1

В первом уравнении получили противоречие (0 ≠ -2), значит система не имеет решений — отсутствуют точки пересечения прямых (прямые параллельны).

Ответ. Прямые не пересекаются (прямые параллельны).

Решение: Подставим координаты точки N в уравнения прямых.

Ответ. Так как оба уравнения превратились в тождества, то точка N — точка пересечения этих прямых.

Точка пересечения двух прямых в пространстве

Если система уравнений:

имеет единственное решение, то прямые пересекаются;
имеет бесконечное множество решений, то прямые совпадают;
не имеет решений, то прямые не пересекаются (прямые параллельны или скрещиваются между собой)

Решение: Составим систему уравнений

x — 1 = a y — 1 = a z — 1 = a x — 3 -2 = b 2 — y = b z = b => x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 x — 3 -2 = b 2 — y = b z = b =>

Подставим значения x , y , z из 1, 2, 3 уравнений в 4, 5, 6 уравнения

x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a + 1 — 3 -2 = b 2 — ( a + 1) = b a + 1 = b => x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a — 2 -2 = b 1 — a = b a + 1 = b

К шестому уравнению добавим пятое уравнение

x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a — 2 -2 = b 1 — a = b a + 1 + (1 — a ) = b + b => x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a — 2 -2 = b 1 — a = b b = 1

Подставим значение b в четвертое и пятое уравнения

x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a — 2 -2 = 1 1 — a = 1 b = 1 => x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a — 2 = -2 a = 0 b = 1 =>

x = a + 1 y = a + 1 z = a + 1 a = 0 a = 0 b = 1 => x = 0 + 1 = 1 y = 0 + 1 = 1 z = 0 + 1 = 1 a = 0 a = 0 b = 1

Ответ. Прямые пересекаются в точке с координатами (1, 1, 1).

Решение: Составим систему уравнений заменив во втором уравнении параметр t на a

x = 2 t — 3 y = t z = — t + 2 x = a + 1 y = 3 a — 2 z = 3

Подставим значения x , y , z из 1, 2, 3 уравнений в 4, 5, 6 уравнения

x = 2 t — 3 y = t z = — t + 2 2 t — 3 = a + 1 t = 3 a — 2 — t + 2 = 3 => x = 2 t — 3 y = t z = — t + 2 2 t = a + 4 t = 3 a — 2 t = -1 =>

Подставим значение t из шестого уравнения в остальные уравнения

x = 2·(-1) — 3 y = (-1) z = -(-1) + 2 2·(-1) = a + 4 -1 = 3 a — 2 t = -1 => x = -5 y = -1 z = 3 a = -6 a = 1 3 t = -1

Ответ. Так как -6 ≠ 1 3 , то прямые не пересекаются.

Пересечение прямых, угол и координаты пересечения

IP76 > Пересечение прямых, угол и координаты пересечения

Поэтому – в подборку теории и практики, пригодится, сэкономим блокнот, спасем дерево.

Коэффициенты А, B, C

Все помним со школы формулу:

Те же фаберже, только сбоку.

Загвоздка в том, что мы не знаем коэффициенты для обеих линий.

Путем несложных операций приходим к следующей записи:

Глядя на вариант в исполнении высшего образования, получаем следующие формулы для нахождения коэффициентов:

Пока все идет отлично, нигде вероятного деления на ноль не встретилось.

Система уравнений

Сразу же запишем метод под нашу систему.

Имеем следующую систему:

Исходя из метода, решение выглядит так:

Практика 1

Частные случаи

Прямые параллельны: ∆_ab = 0
- (A₁B₂ – B₁A₂ = 0);
Прямые совпадают: ∆_ab = ∆_X = ∆_Y = 0
- (A₁B₂ – B₁A₂ = 0) И (A₁C₂ — A₂C₁ = 0) И (C₁B₂ -B₁C₂ = 0);
Прямые перпендикулярны:
- (A₁ A₂ + B₁ B₂ = 0).

Рис.2. Пересечение перпендикулярных прямых Рис.3. Параллельные прямые не пересекаются

Принадлежность точки отрезку

В общем случае, чтобы определить принадлежность точки отрезку, надо установить две вещи:

Точка принадлежит прямой, проходящей через конечные точки отрезка. Для этого достаточно подставить значение X и Y в уравнение прямой и проверить получившееся равенство. В нашем случае, этот пункт уже выполнен, т.к. точка пересечения априори принадлежит обеим прямым.
Проверить факт нахождения точки между концами отрезка.

Займемся пунктом 2. Данный факт можно установить двумя способами:

Логически, т.е. (x₁ = x >= x₂). На случай «вертикальности» линии добавить проверку на Y:
- (y₁ = y >= y₂).
Арифметически. Сумма отрезков |x-x₁| + |x-x₂| должна быть равна длине отрезка |x₁-x₂|. Аналогично, на случай «вертикальности» , добавить проверку:
- |y-y₁| + |y-y₂| = |y₁-y₂|

Угол пересечения прямых

Давайте не будем останавливаться на ней, она долгая, нудная и в нашем случае ненужная. Рассмотрим вектор:

Рис.4. Вектор V(p₁,p₂)

α — угол наклона вектора к оси X, который можно найти, как:

Одним словом, коэффициенты (расстояния) у нас уже есть по обеим прямым.

Рис.5. Пересекающиеся вектор V(p₁,p₂) и вектор M(p₃,p₄)

Рис.6. Пересекающиеся векторы в положительной Y

По рисунку явно видно, что угол между векторам это γ = (β — α).

От теории к практике

Координаты точки пересечения двух прямых — примеры нахождения

Для того, чтобы решить геометрическую задачу методом координат, необходима точка пересечения, координаты которой используются при решении. Возникает ситуация, когда требуется искать координаты пересечения двух прямых на плоскости или определить координаты тех же прямых в пространстве. Данная статья рассматривает случаи нахождения координат точек, где пересекаются заданные прямые.

Точка пересечения двух прямых – определение

Необходимо дать определение точкам пересечения двух прямых.

Раздел взаимного расположения прямых на плоскости показывает, что они могут совпадать , быть параллельными, пересекаться в одной общей точке или скрещивающимися. Две прямые, находящиеся в пространстве, называют пересекающимися, если они имеют одну общую точку.

Определение точки пересечения прямых звучит так:

Точка, в которой пересекаются две прямые, называют их точкой пересечения. Иначе говоря, что точка пересекающихся прямых и есть точка пересечения.

Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Нахождение координат точки пересечения двух прямых на плоскости

Перед нахождением координат точки пересечения двух прямых, необходимо рассмотреть предлагаемый ниже пример.

Если на плоскости имеется система координат О х у , то задаются две прямые a и b . Прямой a соответствует общее уравнение вида A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 , для прямой b — A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 . Тогда M 0 ( x 0 , y 0 ) является некоторой точкой плоскости необходимо выявить , будет ли точка М 0 являться точкой пересечения этих прямых.

Чтобы решить поставленную задачу, необходимо придерживаться определения. Тогда прямые должны пересекаться в точке, координаты которой являются решением заданных уравнений A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 и A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 . Значит, координаты точки пересечения подставляются во все заданные уравнения. Если они при подстановке дают верное тождество, тогда M 0 ( x 0 , y 0 ) считается их точкой пересечения.

Даны две пересекающиеся прямые 5 x — 2 y — 16 = 0 и 2 x — 5 y — 19 = 0 . Будет ли точка М 0 с координатами ( 2 , — 3 ) являться точкой пересечения.

Чтобы пересечение прямых было действительным, необходимо, чтобы координаты точки М 0 удовлетворяли уравнениям прямых. Это проверяется при помощи их подстановки. Получаем, что

5 · 2 — 2 · ( — 3 ) — 16 = 0 ⇔ 0 = 0 2 · 2 — 5 · ( — 3 ) — 19 = 0 ⇔ 0 = 0

Оба равенства верные, значит М 0 ( 2 , — 3 ) является точкой пересечения заданных прямых.

Изобразим данное решение на координатной прямой рисунка, приведенного ниже.

Ответ: заданная точка с координатами ( 2 , — 3 ) будет являться точкой пересечения заданных прямых.

Пересекутся ли прямые 5 x + 3 y — 1 = 0 и 7 x — 2 y + 11 = 0 в точке M 0 ( 2 , — 3 ) ?

Для решения задачи необходимо подставить координаты точки во все уравнения. Получим, что

5 · 2 + 3 · ( — 3 ) — 1 = 0 ⇔ 0 = 0 7 · 2 — 2 · ( — 3 ) + 11 = 0 ⇔ 31 = 0

Второе равенство не является верным, значит, что заданная точка не принадлежит прямой 7 x — 2 y + 11 = 0 . Отсюда имеем, что точка М 0 не точка пересечения прямых.

Чертеж наглядно показывает, что М 0 — это не точка пересечения прямых. Они имеют общую точку с координатами ( — 1 , 2 ) .

Ответ: точка с координатами ( 2 , — 3 ) не является точкой пересечения заданных прямых.

Переходим к нахождению координат точек пересечения двух прямых при помощи заданных уравнений на плоскости.

Задаются две пересекающиеся прямые a и b уравнениями вида A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 и A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 , расположенных в О х у . При обозначении точки пересечения М 0 получим, что следует продолжить поиск координат по уравнениям A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 и A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 .

Из определения очевидно, что М 0 является общей точкой пересечения прямых. В этом случае ее координаты должны удовлетворять уравнениям A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 и A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 . Иными словами это и есть решение полученной системы A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 .

Значит, для нахождения координат точки пересечения , необходимо все уравнения добавить в систему и решить ее.

Заданы две прямые x — 9 y + 14 = 0 и 5 x — 2 y — 16 = 0 на плоскости. необходимо найти их пересечение.

Данные по условию уравнения необходимо собрать в систему, после чего получим x — 9 y + 14 = 0 5 x — 2 y — 16 = 0 . Чтобы решить его, разрешается первое уравнение относительно x , подставляется выражение во второе:

x — 9 y + 14 = 0 5 x — 2 y — 16 = 0 ⇔ x = 9 y — 14 5 x — 2 y — 16 = 0 ⇔ ⇔ x = 9 y — 14 5 · 9 y — 14 — 2 y — 16 = 0 ⇔ x = 9 y — 14 43 y — 86 = 0 ⇔ ⇔ x = 9 y — 14 y = 2 ⇔ x = 9 · 2 — 14 y = 2 ⇔ x = 4 y = 2

Получившиеся числа являются координатами, которые необходимо было найти.

Ответ: M 0 ( 4 , 2 ) является точкой пересечения прямых x — 9 y + 14 = 0 и 5 x — 2 y — 16 = 0 .

Поиск координат сводится к решению системы линейных уравнений. Если по условию дан другой вид уравнения, тогда следует привести его к нормальному виду.

Определить координаты точек пересечения прямых x — 5 = y — 4 — 3 и x = 4 + 9 · λ y = 2 + λ , λ ∈ R .

Для начала необходимо привести уравнения к общему виду. Тогда получаем, что x = 4 + 9 · λ y = 2 + λ , λ ∈ R преобразуется таким образом:

x = 4 + 9 · λ y = 2 + λ ⇔ λ = x — 4 9 λ = y — 2 1 ⇔ x — 4 9 = y — 2 1 ⇔ ⇔ 1 · ( x — 4 ) = 9 · ( y — 2 ) ⇔ x — 9 y + 14 = 0

После чего беремся за уравнение канонического вида x — 5 = y — 4 — 3 и преобразуем. Получаем, что

x — 5 = y — 4 — 3 ⇔ — 3 · x = — 5 · y — 4 ⇔ 3 x — 5 y + 20 = 0

Отсюда имеем, что координаты – это точка пересечения

x — 9 y + 14 = 0 3 x — 5 y + 20 = 0 ⇔ x — 9 y = — 14 3 x — 5 y = — 20

Применим метод Крамера для нахождения координат:

∆ = 1 — 9 3 — 5 = 1 · ( — 5 ) — ( — 9 ) · 3 = 22 ∆ x = — 14 — 9 — 20 — 5 = — 14 · ( — 5 ) — ( — 9 ) · ( — 20 ) = — 110 ⇒ x = ∆ x ∆ = — 110 22 = — 5 ∆ y = 1 — 14 3 — 20 = 1 · ( — 20 ) — ( — 14 ) · 3 = 22 ⇒ y = ∆ y ∆ = 22 22 = 1

Ответ: M 0 ( — 5 , 1 ) .

Имеется еще способ для нахождения координат точки пересечения прямых, находящихся на плоскости. Он применим, когда одна из прямых задается параметрическими уравнениями, имеющими вид x = x 1 + a x · λ y = y 1 + a y · λ , λ ∈ R . Тогда вместо значения x подставляется x = x 1 + a x · λ и y = y 1 + a y · λ , где получим λ = λ 0 , соответствующее точке пересечения, имеющей координаты x 1 + a x · λ 0 , y 1 + a y · λ 0 .

Определить координаты точки пересечения прямой x = 4 + 9 · λ y = 2 + λ , λ ∈ R и x — 5 = y — 4 — 3 .

Необходимо выполнить подстановку в x — 5 = y — 4 — 3 выражением x = 4 + 9 · λ , y = 2 + λ , тогда получим:

4 + 9 · λ — 5 = 2 + λ — 4 — 3

При решении получаем, что λ = — 1 . Отсюда следует, что имеется точка пересечения между прямыми x = 4 + 9 · λ y = 2 + λ , λ ∈ R и x — 5 = y — 4 — 3 . Для вычисления координат необходимо подставить выражение λ = — 1 в параметрическое уравнение. Тогда получаем, что x = 4 + 9 · ( — 1 ) y = 2 + ( — 1 ) ⇔ x = — 5 y = 1 .

Ответ: M 0 ( — 5 , 1 ) .

Для полного понимания темы, необходимо знать некоторые нюансы.

Предварительно необходимо понять расположение прямых. При их пересечении мы найдем координаты, в других случаях решения существовать не будет. Чтобы не делать эту проверку, можно составлять систему вида A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 A 2 x + B 2 + C 2 = 0 При наличии решения делаем вывод о том, что прямые пересекаются. Если решение отсутствует, то они параллельны. Когда система имеет бесконечное множество решений, тогда говорят, что они совпадают.

Даны прямые x 3 + y — 4 = 1 и y = 4 3 x — 4 . Определить, имеют ли они общую точку.

Упрощая заданные уравнения, получаем 1 3 x — 1 4 y — 1 = 0 и 4 3 x — y — 4 = 0 .

Следует собрать уравнения в систему для последующего решения:

1 3 x — 1 4 y — 1 = 0 1 3 x — y — 4 = 0 ⇔ 1 3 x — 1 4 y = 1 4 3 x — y = 4

Отсюда видно, что уравнения выражаются друг через друга, тогда получим бесконечное множество решений. Тогда уравнения x 3 + y — 4 = 1 и y = 4 3 x — 4 определяют одну и ту же прямую. Поэтому нет точек пересечения.

Ответ: заданные уравнения определяют одну и ту же прямую.

Найти координаты точки пересекающихся прямых 2 x + ( 2 — 3 ) y + 7 = 0 и 2 3 + 2 x — 7 y — 1 = 0 .

По условию возможно такое, прямые не будут пересекаться. Необходимо составить систему уравнений и решать. Для решения необходимо использовать метод Гаусса, так как с его помощью есть возможность проверить уравнение на совместимость. Получаем систему вида:

2 x + ( 2 — 3 ) y + 7 = 0 2 ( 3 + 2 ) x — 7 y — 1 = 0 ⇔ 2 x + ( 2 — 3 ) y = — 7 2 ( 3 + 2 ) x — 7 y = 1 ⇔ ⇔ 2 x + 2 — 3 y = — 7 2 ( 3 + 2 ) x — 7 y + ( 2 x + ( 2 — 3 ) y ) · ( — ( 3 + 2 ) ) = 1 + — 7 · ( — ( 3 + 2 ) ) ⇔ ⇔ 2 x + ( 2 — 3 ) y = — 7 0 = 22 — 7 2

Получили неверное равенство, значит система не имеет решений. Делаем вывод, что прямые являются параллельными. Точек пересечения нет.

Второй способ решения.

Для начала нужно определить наличие пересечения прямых.

n 1 → = ( 2 , 2 — 3 ) является нормальным вектором прямой 2 x + ( 2 — 3 ) y + 7 = 0 , тогда вектор n 2 → = ( 2 ( 3 + 2 ) , — 7 — нормальный вектор для прямой 2 3 + 2 x — 7 y — 1 = 0 .

Необходимо выполнить проверку коллинеарности векторов n 1 → = ( 2 , 2 — 3 ) и n 2 → = ( 2 ( 3 + 2 ) , — 7 ) . Получим равенство вида 2 2 ( 3 + 2 ) = 2 — 3 — 7 . Оно верное, потому как 2 2 3 + 2 — 2 — 3 — 7 = 7 + 2 — 3 ( 3 + 2 ) 7 ( 3 + 2 ) = 7 — 7 7 ( 3 + 2 ) = 0 . Отсюда следует, что векторы коллинеарны. Значит, прямые являются параллельными и не имеют точек пересечения.

Ответ: точек пересечения нет, прямые параллельны.

Найти координаты пересечения заданных прямых 2 x — 1 = 0 и y = 5 4 x — 2 .

Для решения составляем систему уравнений. Получаем

2 x — 1 = 0 5 4 x — y — 2 = 0 ⇔ 2 x = 1 5 4 x — y = 2

Найдем определитель основной матрицы. Для этого 2 0 5 4 — 1 = 2 · ( — 1 ) — 0 · 5 4 = — 2 . Так как он не равен нулю, система имеет 1 решение. Отсюда следует, что прямые пересекаются. Решим систему для нахождения координат точек пересечения:

2 x = 1 5 4 x — y = 2 ⇔ x = 1 2 4 5 x — y = 2 ⇔ x = 1 2 5 4 · 1 2 — y = 2 ⇔ x = 1 2 y = — 11 8

Получили, что точка пересечения заданных прямых имеет координаты M 0 ( 1 2 , — 11 8 ) .

Ответ: M 0 ( 1 2 , — 11 8 ) .

Нахождения координат точки пересечения двух прямых в пространстве

Таким же образом находятся точки пересечения прямых пространства.

Когда заданы прямые a и b в координатной плоскости О х у z уравнениями пересекающихся плоскостей, то имеется прямая a , которая может быть определена при помощи заданной системы A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 1 = 0 а прямая b — A 3 x + B 3 y + C 3 z + D 3 = 0 A 4 x + B 4 y + C 4 z + D 4 = 0 .

Когда точка М 0 является точкой пересечения прямых, тогда ее координаты должны быть решениями обоих уравнений. Получим линейные уравнения в системе:

A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 A 3 x + B 3 y + C 3 z + D 3 = 0 A 4 x + B 4 y + C 4 z + D 4 = 0

Рассмотрим подобные задания на примерах.

Найти координаты точки пересечения заданных прямых x — 1 = 0 y + 2 z + 3 = 0 и 3 x + 2 y + 3 = 0 4 x — 2 z — 4 = 0

Составляем систему x — 1 = 0 y + 2 z + 3 = 0 3 x + 2 y + 3 = 0 4 x — 2 z — 4 = 0 и решим ее. Чтобы найти координаты, необходимо решать через матрицу. Тогда получим основную матрицу вида A = 1 0 0 0 1 2 3 2 0 4 0 — 2 и расширенную T = 1 0 0 1 0 1 2 — 3 4 0 — 2 4 . Определяем ранг матрицы по Гауссу.

1 = 1 ≠ 0 , 1 0 0 1 = 1 ≠ 0 , 1 0 0 0 1 2 3 2 0 = — 4 ≠ 0 , 1 0 0 1 0 1 2 — 3 3 2 0 — 3 4 0 — 2 4 = 0

Отсюда следует, что ранг расширенной матрицы имеет значение 3 . Тогда система уравнений x — 1 = 0 y + 2 z + 3 = 0 3 x + 2 y + 3 = 0 4 x — 27 — 4 = 0 в результате дает только одно решение.

Базисный минор имеет определитель 1 0 0 0 1 2 3 2 0 = — 4 ≠ 0 , тогда последнее уравнение не подходит. Получим, что x — 1 = 0 y + 2 z + 3 = 0 3 x + 2 y + 3 = 0 4 x — 2 z — 4 = 0 ⇔ x = 1 y + 2 z = — 3 3 x + 2 y — 3 . Решение системы x = 1 y + 2 z = — 3 3 x + 2 y = — 3 ⇔ x = 1 y + 2 z = — 3 3 · 1 + 2 y = — 3 ⇔ x = 1 y + 2 z = — 3 y = — 3 ⇔ ⇔ x = 1 — 3 + 2 z = — 3 y = — 3 ⇔ x = 1 z = 0 y = — 3 .

Значит, имеем, что точка пересечения x — 1 = 0 y + 2 z + 3 = 0 и 3 x + 2 y + 3 = 0 4 x — 2 z — 4 = 0 имеет координаты ( 1 , — 3 , 0 ) .

Ответ: ( 1 , — 3 , 0 ) .

Система вида A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 A 3 x + B 3 y + C 3 z + D 3 = 0 A 4 x + B 4 y + C 4 z + D 4 = 0 имеет только одно решение. Значит, прямые a и b пересекаются.

В остальных случаях уравнение не имеет решения, то есть и общих точек тоже. То есть невозможно найти точку с координатами, так как ее нет.

Поэтому система вида A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 A 3 x + B 3 y + C 3 z + D 3 = 0 A 4 x + B 4 y + C 4 z + D 4 = 0 решается методом Гаусса. При ее несовместимости прямые не являются пересекающимися. Если решений бесконечное множество, то они совпадают.

Можно произвести решение при помощи вычисления основного и расширенного ранга матрицы, после чего применить теорему Кронекера-Капелли. Получим одно, множество или полное отсутствие решений.

Заданы уравнения прямых x + 2 y — 3 z — 4 = 0 2 x — y + 5 = 0 и x — 3 z = 0 3 x — 2 y + 2 z — 1 = 0 . Найти точку пересечения.

Для начала составим систему уравнений. Получим, что x + 2 y — 3 z — 4 = 0 2 x — y + 5 = 0 x — 3 z = 0 3 x — 2 y + 2 z — 1 = 0 . решаем ее методом Гаусса:

1 2 — 3 4 2 — 1 0 — 5 1 0 — 3 0 3 — 2 2 1

1 2 — 3 4 0 — 5 6 — 13 0 — 2 0 — 4 0 — 8 11 — 11

1 2 — 3 4 0 — 5 6 — 13 0 0 — 12 5 6 5 0 0 7 5 — 159 5

1 2 — 3 4 0 — 5 6 — 13 0 0 — 12 5 6 5 0 0 0 311 10

Очевидно, что система не имеет решений, значит прямые не пересекаются. Точки пересечения нет.

Ответ: нет точки пересечения.

Если прямые заданы при помощи кононических или параметрических уравнений, нужно привести к виду уравнений пересекающихся плоскостей, после чего найти координаты.

Заданы две прямые x = — 3 — λ y = — 3 · λ z = — 2 + 3 · λ , λ ∈ R и x 2 = y — 3 0 = z 5 в О х у z . Найти точку пересечения.

Задаем прямые уравнениями двух пересекающихся плоскостей. Получаем, что

x = — 3 — λ y = — 3 · λ z = — 2 + 3 · λ ⇔ λ = x + 3 — 1 λ = y — 3 λ = z + 2 3 ⇔ x + 3 — 1 = y — 3 = z + 2 3 ⇔ ⇔ x + 3 — 1 = y — 3 x + 3 — 1 = z + 2 3 ⇔ 3 x — y + 9 = 0 3 x + z + 11 = 0 x 2 = y — 3 0 = z 5 ⇔ y — 3 = 0 x 2 = z 5 ⇔ y — 3 = 0 5 x — 2 z = 0

Находим координаты 3 x — y + 9 = 0 3 x + z + 11 = 0 y — 3 = 0 5 x — 2 z = 0 , для этого посчитаем ранги матрицы. Ранг матрицы равен 3 , а базисный минор 3 — 1 0 3 0 1 0 1 0 = — 3 ≠ 0 , значит, что из системы необходимо исключить последнее уравнение. Получаем, что

3 x — y + 9 = 0 3 x + z + 11 = 0 y — 3 = 0 5 x — 2 z = 0 ⇔ 3 x — y + 9 = 0 3 x + z + 11 = 0 y — 3 = 0

Решим систему методом Крамер. Получаем, что x = — 2 y = 3 z = — 5 . Отсюда получаем, что пересечение заданных прямых дает точку с координатами ( — 2 , 3 , — 5 ) .

источники:

Пересечение прямых, угол и координаты пересечения

http://zaochnik.com/spravochnik/matematika/prjamaja-ploskost/koordinaty-tochki-peresechenija-dvuh-prjamyh-prime/

Источник

Сообщения без ответов | Активные темы

Найти координату пересечения перпендикулярных прямых

Модераторы: Prokop, mad_math

Автор

Сообщение

oxuyan

Заголовок сообщения: Найти координату пересечения перпендикулярных прямых

Добавлено: 22 июн 2011, 12:02

Начинающий

Зарегистрирован:
06 июн 2011, 09:29
Сообщений: 8
Cпасибо сказано: 3
Спасибо получено:
0 раз в 0 сообщении
Очков репутации: 1

Здравствуйте,

Есть две параллельные прямые и их уравнения известны.

a1x + b1y + c1 = 0
a2x + b2y + c2 = 0

Есть точка m1(x1, y1) на первой прямой. Координаты x1, y1 тоже известны.

Нужно найти коодинаты точки m2(x2, y2) на второй прямой, если известно, что через точки м1 и м2 проходит прямая, перпендикулярная этим параллельным прямым.

Подскажите, пожалуйста, формулу для нахождения координат точки М2

Вернуться к началу

oxuyan

Заголовок сообщения: Re: Найти координату пересечения перпендикулярных прямых

Добавлено: 22 июн 2011, 12:51

Если можно, поподробнее. Я к сожалению сильно подзабыл школьную геометрию и сейчас только восстанавливаю эти знания.

Я получил одно уравнение

k2parallel = -(a2 / b2)
k3perpendikular = (y2 — y1) / (x2 — x1)
(y2 — y1) / (x2 — x1) = — (1 / (-(a2 / b2)))

(y2 — y1) / (x2 — x1) = b2 / a2 (при неизвестных x2 и y2)

Объясните и покажите, пожалуйста, другое, если можно.

Вернуться к началу

mad_math

Заголовок сообщения: Re: Найти координату пересечения перпендикулярных прямых

Добавлено: 22 июн 2011, 14:00

коэффициенты при [math]x[/math] и [math]y[/math] данных прямых будут координатами направляющего(параллельного) вектора перпендикулярной им прямой. уравнение прямой, проходящей через данную точку параллельно данному вектору:
[math]frac{x-x_1}{a_1}=frac{y-y_1}{b_1}[/math] или [math]frac{x-x_1}{a_2}=frac{y-y_1}{b_2}[/math] это уже как вам удобнее.
затем решаете систему двух уравнений:
[math]b_2(x-x_1)-a_2(y-y_1)=0[/math]
[math]a_2x+b_2y+c_2=0[/math]
решением этой системы и будут координаты искомой точки.
но это уже не школьная геометрия, а аналитическая.
если только школьный курс использовать, то перпендикулярная прямая будет иметь уравнение:
[math]y=frac{b_1}{a_1}x+c_3[/math], где [math]c_3[/math] неизвестно. его нужно найти, подставив в это уравнение координаты точки [math]m_1(x_1;y_1)[/math]
когда найдёте, приравниваете:
[math]frac{b_1}{a_1}x+c_3=-frac{a_2}{b_2}x-frac{c_2}{b_2}[/math], откуда находите [math]x[/math] и подставив либо в уравнение перпендикулярной прямой, либо в [math]a_2x+b_2y+c_2=0[/math] находите [math]y[/math]. это и будут координаты искомой точки.

Вернуться к началу

За это сообщение пользователю mad_math «Спасибо» сказали:
Alexdemath, oxuyan, pewpimkin

oxuyan

Заголовок сообщения: Re: Найти координату пересечения перпендикулярных прямых

Добавлено: 23 июн 2011, 09:05

Вернуться к началу

Похожие темы	Автор	Ответы	Просмотры	Последнее сообщение
Найти координаты точки пересечения прямых в форуме Аналитическая геометрия и Векторная алгебра	guymontag	1	498	28 ноя 2015, 19:34
Найти точку пересечения двух прямых в форуме Аналитическая геометрия и Векторная алгебра	Anies	4	579	19 янв 2016, 08:44
Проверить решение (Найти точку пересечения прямых) в форуме Аналитическая геометрия и Векторная алгебра	dencil	2	487	12 ноя 2016, 20:24
Найти точку пересечения двух прямых(декартова система) в форуме Аналитическая геометрия и Векторная алгебра	AndreiT	2	318	07 апр 2018, 16:43
Точка пересечения прямых в форуме Аналитическая геометрия и Векторная алгебра	Ketuzed	10	430	13 янв 2018, 22:41
Конфигурации пересечения прямых на плоскости в форуме Комбинаторика и Теория вероятностей	Volodislavir	1	146	18 дек 2021, 15:43
Точка пересечения прямых, содержащих биссектриссы в форуме Геометрия	sfanter	1	274	07 июл 2014, 18:25
Найдите геометрическое место точек пересечения прямых в форуме Геометрия	Petya	0	655	07 сен 2013, 10:37
Ax=b , найти одну координату х в форуме Численные методы	Ish_2	0	344	20 фев 2014, 15:24
Найти координату вершины треугольника в форуме Геометрия	Kara4un	2	469	05 апр 2015, 10:50

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 4

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group

Вы можете создать форум бесплатно PHPBB3 на Getbb.Ru, Также возможно сделать готовый форум PHPBB2 на Mybb2.ru

Русская поддержка phpBB

Источник

Как построить прямую, параллельную данной?

Пример

Прямая
задана уравнением
.
Составить уравнение параллельной
прямой, которая проходит через точку
.

Решение:
Обозначим неизвестную прямую буквой
.

Прямая
проходит
через точку
.
А если прямые параллельны, то очевидно,
что направляющий вектор прямой c
подойдёт и для
построения прямой d.

Направляющий
вектор берем из уравнения
:

Уравнение
прямой
составим
по точке
и
направляющему вектору
:

Ответ:

Иллюстрация
примера:

Как найти точку пересечения двух прямых?

Если
прямые
пересекаются
в точке
,
то её координаты являются решением
СЛАУ:

Как
найти точку пересечения прямых? Решить
систему.

Геометрический
смысл системы двух линейных уравнений
с двумя неизвестными –
это две пересекающиеся (чаще всего)
прямые на плоскости.

Пример

Найти
точку пересечения прямых

Решение:
Существуют два способа решения –
графический и аналитический.

Графический
способ состоит в том, чтобы просто
начертить данные прямые и узнать точку
пересечения непосредственно из
чертежа:

Получилась
точка
.
Для проверки следует подставить её
координаты в каждое уравнение прямой,
они должны подойти и там, и там. Иными
словами, координаты точки
являются
решением системы
.

Точку
пересечения
целесообразнее
искать аналитическим методом. Решим
систему:

Ответ:

Как построить прямую, перпендикулярную данной?

Пример

Прямая
задана уравнением
.
Составить уравнение перпендикулярной
прямой
,
проходящей через точку
.

Решение:
По условию известно, что
.
Надо найти направляющий вектор прямой

Из
уравнения
находим
вектор нормали:
,
который будет направляющим вектором
прямой
.

Уравнение
прямой
составим
по точке
и
направляющему вектору
:

Ответ:

Расстояние от точки до прямой

Расстояние
от точки до прямой – это длина
перпендикулярного отрезка.

Расстояние
в геометрии традиционно обозначают
греческой буквой «ро», например:
–
расстояние от точки «эм» до прямой «дэ».

Расстояние
от точки
до
прямой
выражается
формулой

Пример

Найти
расстояние от точки
до
прямой

Решение:

Ответ:

Как найти угол между двумя прямыми?

Существуют
две формулы.

Первый
способ.

Рассмотрим
две прямые, заданные уравнениями в общем
виде:

Если
прямые не
перпендикулярны, то
угол
между
ними можно вычислить с помощью формулы:

Рассмотрим
знаменатель – это скалярное произведение
направляющих векторов прямых:

Если
,
то знаменатель формулы обращается в
ноль, а векторы будут ортогональны и
прямые перпендикулярны. Именно поэтому
сделана оговорка о неперпендикулярности
прямых в формулировке.

Второй
способ.

Если
прямые заданы уравнениями с угловым
коэффициентом
и не
перпендикулярны,
то угол
между
ними можно найти с помощью формулы:

Условие
перпендикулярности прямых выражается
равенством
,
откуда следует полезная взаимосвязь
угловых коэффициентов перпендикулярных
прямых:
,
которая используется в некоторых
задачах.

Пример

Найти
угол между прямыми

Решение первым
способом

Решение
удобно оформить в два этапа:

1)
Вычислим скалярное произведение
направляющих векторов прямых:

,
значит, прямые не перпендикулярны.

2)
Угол между прямыми найдём по формуле:

С
помощью обратной функции легко найти
и сам угол. При этом используем нечётность
арктангенса:

Ответ:

Решение
вторым способом

Алгоритм
решения похож на предыдущий пункт. Но
сначала перепишем прямые в нужном
виде:

Таким
образом, угловые коэффициенты:

1)
Проверим, будут ли прямые перпендикулярны:

,
значит, прямые не перпендикулярны.

2)
Используем формулу:

Ответ:

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Перпендикулярные прямые

29 июня 2022

Перпендикулярные прямые — это просто две прямые, которые пересекаются под углом 90°:

Перпендикулярные прямые встречаются в огромном количестве задач. Прямоугольные треугольники, координаты и даже клеточки в вашей тетради — это всё перпендикулярные прямые. Поэтому разберёмся с ними.

Урок состоит из пяти частей:

Краткая вводная.
Определение перпендикулярных прямых.
Свойства перпендикулярных прямых.
Простые задачи.
Злые задачи.:)

Начнём с краткой вводной: что уже нужно знать про прямые и углы в данному моменту.

1. Кратная вводная

Для работы с перпендикулярными прямыми нам потребуются два вида углов: смежные и вертикальные.

1.1.Смежные углы

Определение. Два угла называются смежными, если одна сторона у них общая, а две другие являются продолжением друг друга.

Вот пример смежных углов с общей стороной $MN$:

Основное свойство таких углов: их сумма всегда равна 180°:

[angle 1+angle 2={180}^circ ]

Таким образом, зная один смежный угол, мы тут же найдём другой.

1.2. Вертикальные углы

Определение. Углы, которые образуются при пересечении двух прямых и лежат напротив друг друга, называются вертикальными.

На самом деле на пересечении двух прямых возникает сразу две пары таких углов:

Вертикальные углы всегда равны — и это их главное свойство. На рисунке мы видим, что $angle 1=angle 3$ и $angle 2=angle 4$.

1.3. Какие бывают углы

И вообще, нам пока известны четыре типа углов: острый, прямой, тупой и развёрнутый.

Интересное свойство прямого угла: если при пересечении двух прямых возник прямой угол, то все остальные углы (вертикальные, смежные с ним) тоже будут прямыми. И вот тут мы переходим к основной теме урока.

2. Определение перпендикулярных прямых

Определение. Если при пересечении двух прямых возникло четыре прямых угла, такие прямые называются перпендикулярными.

Мы уже знаем, что достаточно найти на таком пересечении всего один угол в 90 градусов — остальные три угла станут прямыми автоматически:

Перпендикулярные прямые обозначают значком «$bot $»: $ABbot CD$, $abot b$ и т.д.

Часто в задачах рассматриваются не все прямые, а лишь отрезки, лежащие на этих прямых

3. Свойства перпендикулярных прямых

Сначала разберём два «стандартных» свойства, которые вы найдёте в любом учебнике геометрии 7-го класса. А затем — одно «нестандартное», но именно оно чаще всего и встречается в настоящих задачах.

3.1. Теорема о двух прямых, перпендикулярных третьей

Теорема 1. Две прямые, перпендикулярные к третьей, не пересекаются.

Прямая $ABbot EF$ и прямая $MNbot EF$. Следовательно, прямые $AB$ и $MN$ не пересекаются. Проще говоря, они параллельны (см. урок «Параллельные прямые»).

3.2. Теорема о прямой, перпендикулярной данной

Теорема 2. Через каждую точку прямой можно провести прямую, перпендикулярную данной, и притом только одну.

Доказательство этой теоремы состоит из двух частей: сначала докажем, что такую прямую провести можно, а затем — что она единственная.

Прямая, перпендикулярная данной, строится очень просто. Рассмотрим прямую $a$, на которой отмечена точка $M$:

Отложим от луча $MK$ угол, равный 90°. В любую сторону: в верхнюю полуплоскость или нижнюю — не имеет значения. Получим луч $MN$:

Наконец, продолжим луч $MN$ в противоположную другую сторону (т.е. построим дополнительный луч). Получим искомую прямую $MNbot a$:

Единственность такого построения следует либо из аксиомы о том, что нужный угол можно отложить в нужном направлении одним и только одним способом, либо из предыдущей теоремы о двух прямых, перпендикулярных данной. В самом деле, пусть есть ещё одна прямая $ML$, которая, как и $MN$, перпендикулярна прямой $a$:

Поскольку $MNbot a$ и $MLbot a$, по предыдущей теореме эти прямые не пересекаются. Что противоречит нашему построению, в котором у прямых $MN$ и $ML$ есть общая точка $M$. Следовательно, прямые $MN$ и $ML$ совпадают, что и требовалось доказать.

3.3. Важное свойство прямого угла

Две теоремы, которые мы рассмотрели выше, редко встречаются в реальных примерах. Зато сейчас мы рассмотрим свойство, которое действительно помогает решать многие задачи. Звучит оно очень просто:

Теорема 3. Если прямой угол разделить на две части, то сумма этих новых углов равна 90°. Другими словами, если один угол равен $alpha $, то другой равен ${90}^circ -alpha $:

Это утверждение может показаться очевидным. И оно действительно является таковым. Однако деление прямого угла на части встречается в задачах настолько часто, что я не мог не упомянуть об этом.

Кроме того, начинающие ученики часто не замечают такие углы на чертежах. Поэтому сейчас мы будем отрабатывать эту теорему на реальных задачах.

4. Простые задачи

Начнём с простых задач.

Задача 1. На рисунке $ABbot MN$, $angle NOT={37}^circ $, $angle BOT+angle NOS={125}^circ $. Найдите углы $MOS$ и $SOT$.

Решение. Пусть $angle NOS=x$. Тогда из равенства

[angle BOT+angle NOS={125}^circ ]

получаем, что $angle BOT={125}^circ -x$. С другой стороны, углы $BOT$ и $NOT$ в сумме дают 90°. Потому

[begin{align}{125}^circ -x+{37}^circ &={90}^circ \ x&={72}^circ end{align}]

Теперь мы можем найти угол $SOT$:

[begin{align}angle SOT &=angle NOS+angle NOT= \ &={72}^circ +{37}^circ = \ &={109}^circ end{align}]

Кроме того, углы $MOS$ и $NOS$ — смежные, поэтому их сумма равна 180°. Отсюда получаем:

[begin{align}angle MOS&={180}^circ -angle NOS= \ &={180}^circ -{72}^circ = \ &={108}^circ end{align}]

Оба требуемых угла найдены. Задача решена.

Задача 2. Дан угол $AMC$, равный 140°. Внутри этого угла проведены лучи $MN$ и $MK$, причём $MNbot MC$ и $MKbot MA$. Найдите угол $KMN$.

Решение. Заметим, что угол $AMC$ составлен из углов $AMN$ и $CMN$, причём $angle CMN={90}^circ $ по условию. Найдём угол $AMN$:

[begin{align}angle AMN &=angle AMC-angle NMC= \ &={140}^circ -{90}^circ = \ &={50}^circ end{align}]

Точно так же найдём угол $CMK$, который вместе с углом прямым $AMK$ образует исходный угол $AMC$:

[begin{align}angle CMK &=angle AMC-angle AMN= \ &={140}^circ -{90}^circ = \ &={50}^circ end{align}]

Осталось найти искомый угол $KMN$:

[begin{align}angle KMN &=angle AMC-angle AMN-angle CMK= \ &={140}^circ -{50}^circ -{50}^circ = \ &={40}^circ end{align}]

Готово! Мы нашли нужный угол. Он равен 40 градусов.

Задача 3. Прямые $a$, $b$ и $c$ пересекаются в одной точке. Известно, что $abot b$ и $angle 1={36}^circ $. Найдите углы 2, 3 и 4.

Решение. Углы 1 и 3 — вертикальные, поэтому они равны:

[angle 3=angle 1={36}^circ ]

Кроме того, углы 1 и 2 вместе образуют прямой угол, поэтому их сумма равна 90 градусов:

[begin{align}angle 1+angle 2 &={90}^circ \ angle 2 &={90}^circ -angle 1= \ &={90}^circ -{36}^circ = \ &={54}^circ end{align}]

Наконец, углы 2 и 4 — тоже вертикальные, поэтому они тоже равны:

[angle 4=angle 2={54}^circ ]

Итого мы нашли все требуемые углы. Они равны 54, 36 и 54 градуса.

Задача 4. На рисунке угол $AMC$ — развёрнутый, луч $MBbot AC$, угол $KMN={90}^circ $. Докажите, что $angle BMN=angle CMK$.

Решение. Пусть $angle BMK=x$. Тогда, поскольку $ACbot MB$, углы $BMK$ и $CMK$ в сумме дают 90°. Отсюда получаем, что

[angle CMK={90}^circ -x]

С другой стороны, по условию задачи угол $NMK$ — прямой. Этот угол состоит из углов $BMN$ и $BMK$, поэтому

[angle BMN={90}^circ -x]

Видим, что углы $CMK$ и $BMN$ равны одной и той же величине: ${90}^circ -x$. Следовательно, эти углы равны, что и требовалось доказать.

5. Злые задачи

Деление задач на простые и сложные весьма условно. Часто «сложными» называют многошаговые задачи и доказательства.

Задача 5. Дан угол $AMB$, равный 64°. Из вершины этого угла проведены лучи $MC$ и $MD$, причём $MCbot MA$ и $MDbot MB$. Кроме того, полученный тупой угол $AMD$ содержит в себе лучи $MB$ и $MC$, которые деля этот угол на три части. Найдите углы $CMD$ и $AMD$.

Решение. Эта задача похожа на задачу 2. Взгляните на чертёж:

Поскольку угол $AMC$ — прямой, можем найти угол $BMC$:

[begin{align}angle BMC &={90}^circ -angle AMB= \ &={90}^circ -{64}^circ \ &={26}^circend{align}]

С другой стороны, угол $BMD$ — тоже прямой, поэтому можем найти угол $CMD$:

[begin{align}angle CMD &={90}^circ -angle BMC= \ &={90}^circ -{26}^circ = \ &={64}^circend{align}]

Вновь, как и в задаче 2, получили, что углы $AMB$ и $DMC$ равны. Но это не относится к делу. Найдём угол $AMD$, представив его как сумму углов $AMB$ и $BMD$:

[begin{align}angle AMD &=angle AMB+angle BMD= \ &={64}^circ +{90}^circ = \ &={154}^circ end{align}]

Задача 6. Дан прямой угол $AMB$. Луч $MC$ делит этот угол на два острых угла: $AMC$ и $BMC$. Угол между биссектрисами углов $AMC$ и $AMB$ равен 18°. Найдите углы $AMC$ и $BMC$.

Решение. Вот это уже довольно интересная задача. Взгляните на чертёж:

Красным цветом обозначена биссектриса прямого угла $AMB$. Она разбивает этого угол на два маленьких угла по 45°.

Синим цветом обозначена биссектриса искомого угла $AMC$. Обозначим половинки этого угла за $x$ (имеется в виду, что каждая из половин угла $AMC$ содержит по $x$ градусов).

Но тогда угол между биссектрисами — это часть угла между стороной $MA$ прямого угла $AMB$ и биссектрисой этого же угла. Откуда получаем уравнение

[begin{align}{45}^circ &=x+{18}^circ \ x &={45}^circ -{18}^circ ={27}^circ end{align}]

Но тогда угол $AMC$ будет вдвое больше:

[angle AMC=2x={54}^circ ]

А угол $BMC$, который дополняет $angle AMC$ до прямого, можно найти по формуле

[begin{align}angle BMC &={90}^circ -angle AMC= \ &={90}^circ -{54}^circ ={36}^circend{align}]

Итого искомые углы равны 54 и 36 градусов.

Задача 7. Два равных тупых угла имеют общую сторону. Две другие стороны этих углов взаимно перпендикулярны. Найдите величину тупого угла.

Решение. Пусть два равных тупых угла содержат по $x$ градусов. Вместе с прямым углом (т.е. углом в 90 градусов) они образуют полный поворот, т.е. 360 градусов. Получаем уравнение:

[begin{align}2x+{90}^circ&={360}^circ\ 2x &={270}^circ \ x &={135}^circend{align}]

Задача 8. Из вершины развёрнутого угла проведены два луча, которые делят этот угол на три равные части. Докажите, что биссектриса среднего угла перпендикулярна сторонам развёрнутого угла.

Доказательство. Обозначим развёрнутый угол как $AOD$, а дополнительные лучи — $OB$ и $OC$. Биссектриса угла $BOC$ — это луч $MO$ (отмечен красным цветом).

Поскольку углы $AOB$, $BOC$ и $COD$ равны и в сумме образуют развёрнутый угол, их градусные меры также равны и составляют треть от 180°:

[angle AOB=angle BOC=angle COD={60}^circ ]

Кроме того, поскольку $OM$ — биссектриса, то углы $BOM$ и $COM$ равны между собой:

[angle BOM=angle COM={30}^circ ]

Однако угол $AOM$ составлен из углов $AOB$ и $BOM$, поэтому

[begin{align}angle AOM &=angle AOB+angle BOM= \ &={60}^circ +{30}^circ ={90}^circ end{align}]

Получили, что $OMbot AD$, что и требовалось доказать.

Смотрите также:

Что такое вертикальные углы
Что такое смежные углы
Комбинаторика в задаче B6: легкий тест
Задача B15 — исследование функции с помощью производной
Координаты вершин правильного тетраэдра
Задача B4: обмен валют в трех различных банках

Источник