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- 2021-05-13 发布
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第9章 解析几何
学案42 直线与方程
导学目标: 1.在平面直角坐标系中,结合具体图形,确定直线位置的几何要素.2.理解直线的倾斜角和斜率的概念,掌握过两点的直线斜率的计算公式.3.掌握确定直线位置的几何要素,掌握直线方程的几种形式,了解斜截式与一次函数的关系.
自主梳理
1.直线的倾斜角与斜率
(1)在平面直角坐标系中,对于一条与x轴相交的直线,把x轴所在的直线绕着交点按__________方向旋转到和直线重合时所转过的____________称为这条直线的倾斜角.当直线l与x轴平行或重合时,规定它的倾斜角为__________.
(2)倾斜角的范围为________________.
(3)倾斜角与斜率的关系:α≠90°时,k=________,倾斜角是90°的直线斜率________.
(4)过两点的直线的斜率公式:
经过两点P1(x1,y1),P2(x2,y2) (x1≠x2)的直线的斜率公式为k=______________________.
2.直线方程的五种基本形式
名称
方程
适用范围
点斜式
不含直线x=x0
斜截式
不含垂直于x轴的直线
两点式
不含直线x=x1 (x1≠x2)和直线y=y1(y1≠y2)
截距式
不含垂直于坐标轴和过原点的直线
一般式
平面直角坐标系内的直线都适用
自我检测
1.若A(-2,3),B(3,-2),C三点共线,则m的值为________.
2.直线l与两条直线x-y-7=0,y=1分别交于P、Q两点,线段PQ的中点为(1,-1),则直线l的斜率为__________________________________________________________.
3.下列四个命题中,假命题是________(填序号).
①经过定点P(x0,y0)的直线不一定都可以用方程y-y0=k(x-x0)表示;
②经过两个不同的点P1(x1,y1)、P2(x2,y2)的直线都可以用方程(y-y1)(x2-x1)=(x-x1)(y2-y1)来表示;
③与两条坐标轴都相交的直线不一定可以用方程+=1表示;
④经过点Q(0,b)的直线都可以表示为y=kx+b.
4.如果A·C<0,且B·C<0,那么直线Ax+By+C=0不通过第________象限.
5.已知直线l的方向向量与向量a=(1,2)垂直,且直线l过点A(1,1),则直线l的方程为______________.
探究点一 倾斜角与斜率
例1 已知两点A(-1,-5)、B(3,-2),直线l的倾斜角是直线AB倾斜角的一半,求l的斜率.
变式迁移1 直线xsin α-y+1=0的倾斜角的变化范围是______________.
探究点二 直线的方程
例2 过点M(0,1)作直线,使它被两直线l1:x-3y+10=0,l2:2x+y-8=0所截得的线段恰好被M所平分,求此直线方程.
变式迁移2 求适合下列条件的直线方程:
(1)经过点P(3,2)且在两坐标轴上的截距相等;
(2)经过点A(-1,-3),倾斜角等于直线y=3x的倾斜角的2倍.
探究点三 直线方程的应用
例3 过点P(2,1)的直线l交x轴、y轴正半轴于A、B两点,求使:
(1)△AOB面积最小时l的方程;
(2)PA·PB最小时l的方程.
变式迁移3 为了绿化城市,拟在矩形区域ABCD内建一个矩形草坪(如图),另外△EFA内部有一文物保护区不能占用,经测量AB=100 m,BC=80 m,AE=30 m,AF=20 m,应如何设计才能使草坪面积最大?
数形结合思想
例 (14分)已知实数x,y满足y=x2-2x+2(-1≤x≤1).
试求的最大值与最小值.
【答题模板】
解 由的几何意义可知,它表示经过定点P(-2,-3)与曲线段AB上任一点(x,y)的直线的斜率k,[4分]
由图可知:
kPA≤k≤kPB,由已知可得:A(1,1),B(-1,5),
∴≤k≤8,[10分]
故的最大值为8,最小值为.[14分]
【突破思维障碍】
解决这类问题的关键是弄清楚所求代数式的几何意义,借助数形结合,将求最值问题转化为求斜率取值范围问题,简化了运算过程,收到事半功倍的效果.
1.要正确理解倾斜角的定义,明确倾斜角的范围为0°≤α<180°,熟记斜率公式k=,该公式与两点顺序无关.已知两点坐标(x1≠x2),根据该公式可以求出经过两点的直线斜率,而
x1=x2,y1≠y2时,直线斜率不存在,此时直线的倾斜角为90°.
2.当直线没有斜率(x1=x2)或斜率为0(y1=y2)时,不能用两点式=求直线方程,但都可以写成(x2-
x1)(y-y1)=(y2-y1)(x-x1)的形式.直线方程的点斜式、斜截式、两点式、截距式都可以化成一般式,但是有些直线的一般式方程不能化成点斜式、斜截式、两点式或截距式.
3.使用直线方程时,一定要注意限制条件以免解题过程中丢解,如点斜式的使用条件是直线必须有斜率,截距式的使用条件是截距存在且不为零,两点式的使用条件是直线不与坐标轴垂直.
(满分:90分)
一、填空题(每小题6分,共48分)
1.已知直线l经过A(2,1)、B(1,m2) (m∈R)两点,那么直线l的倾斜角的取值范围是__________________.
2.若直线l:y=kx-与直线2x+3y-6=0的交点位于第一象限,则直线l的倾斜角的取值范围是________.
3.点P(x,y)在经过A(3,0),B(1,1)两点的直线上,那么2x+4y的最小值是________.
4.(2011·淮安期末)点A(a+b,ab)在第一象限内,则直线bx+ay-ab=0一定不经过第________象限.
5.经过点P(2,-1),且在y轴上的截距等于它在x轴上的截距的2倍的直线l的方程为________.
6.过两点A(m2+2,m2-3),B(3-m-m2,2m)的直线l的倾斜角为45°,则m=________.
7.过点P(-1,2),且方向向量为a=(-1,2)的直线方程为______________.
8.(2011·上海)若直线l过点(3,4),且(1,2)是它的一个法向量,则直线l的方程为________.
二、解答题(共42分)
9.(14分)已知两点A(-1,2),B(m,3),求:
(1)直线AB的斜率k;
(2)求直线AB的方程;
(3)已知实数m∈,求直线AB的倾斜角α的范围.
10.(14分)已知线段PQ两端点的坐标分别为(-1,1)、(2,2),若直线l:x+my+m=0与线段PQ有交点,求m的范围.
11.(14分)已知直线l:kx-y+1+2k=0 (k∈R).
(1)证明:直线l过定点;
(2)若直线不经过第四象限,求k的取值范围;
(3)若直线l交x轴负半轴于A,交y轴正半轴于B,△AOB的面积为S,求S的最小值并求此时直线l的方程.
学案42 直线与方程
答案
自主梳理
1.(1)逆时针 最小正角 0° (2)0°≤α<180° (3)tan α 不存在 (4) 2.y-y0=k(x-x0) y=kx+b = +=1 Ax+By+C=0(A、B不全为0)
自我检测
1. 2.- 3.④ 4.三 5.x+2y-3=0
课堂活动区
例1 解题导引 斜率与倾斜角常与三角函数联系,本题需要挖掘隐含条件,判断角的范围.关键是熟练掌握好根据三角函数值确定角的范围这一类题型.
解 设直线l的倾斜角为α,则直线AB的倾斜角为2α,
由题意可知:tan 2α==,∴=.
整理得3tan2α+8tan α-3=0.
解得tan α=或tan α=-3,∵tan 2α=>0,
∴0°<2α<90°,∴0°<α<45°,∴tan α>0,
故直线l的斜率为.
变式迁移1 ∪
解析 直线xsin α-y+1=0的斜率是k=sin α,
又∵-1≤sin α≤1,∴-1≤k≤1.
当0≤k≤1时,倾斜角的范围是,
当-1≤k<0时,倾斜角的范围是.
例2 解题导引 (1)对直线问题,要特别注意斜率不存在的情况.
(2)求直线方程常用方法——待定系数法.
待定系数法就是根据所求的具体直线设出方程,然后按照它们满足的条件求出参数.
解 方法一 过点M且与x轴垂直的直线是y轴,它和两已知直线的交点分别是和(0,8),
显然不满足中点是点M(0,1)的条件.
故可设所求直线方程为y=kx+1,与两已知直线l1、l2分别交于A、B两点,联立方程组
①
②
由①解得xA=,由②解得xB=.
∵点M平分线段AB,∴xA+xB=2xM,
即+=0,解得k=-.
故所求直线方程为x+4y-4=0.
方法二 设所求直线与已知直线l1、l2分别交于A、B两点.
∵点B在直线l2:2x+y-8=0上,故可设B(t,8-2t).
又M(0,1)是AB的中点,
由中点坐标公式,得A(-t,2t-6).
∵A点在直线l1:x-3y+10=0上,
∴(-t)-3(2t-6)+10=0,解得t=4.
∴B(4,0),A(-4,2),
故所求直线方程为x+4y-4=0.
变式迁移2 解 (1)方法一 设直线l在x,y轴上的截距均为a,
若a=0,即l过点(0,0)和(3,2),
∴l的方程为y=x,即2x-3y=0.
若a≠0,则设l的方程为+=1,
∵l过点(3,2),∴+=1,
∴a=5,∴l的方程为x+y-5=0,
综上可知,直线l的方程为2x-3y=0或x+y-5=0.
方法二 由题意知,所求直线的斜率k存在且k≠0,设直线方程为y-2=k(x-3),
令y=0,得x=3-,令x=0,得y=2-3k,
由已知3-=2-3k,
解得k=-1或k=,
∴直线l的方程为:y-2=-(x-3)或y-2=(x-3),
即x+y-5=0或2x-3y=0.
(2)由已知:设直线y=3x的倾斜角为α,
则所求直线的倾斜角为2α.
∵tan α=3,∴tan 2α==-.
又直线经过点A(-1,-3),
因此所求直线方程为y+3=-(x+1),
即3x+4y+15=0.
例3 解题导引 先设出A、B所在的直线方程,再求出A、B两点的坐标,表示出△ABO的面积,然后利用相关的数学知识求最值.
确定直线方程可分为两个类型:一是根据题目条件确定点和斜率或确定两点,进而套用直线方程的几种形式,写出方程,此法称直接法;二是利用直线在题目中具有的某些性质,先设出方程(含参数或待定系数),再确定参数值,然后写出方程,这种方法称为间接法.
解 设直线的方程为+=1 (a>2,b>1),
由已知可得+=1.
(1)∵2 ≤+=1,∴ab≥8.
∴S△AOB=ab≥4.
当且仅当==,
即a=4,b=2时,S△AOB取最小值4,
此时直线l的方程为+=1,
即x+2y-4=0.
(2)由+=1,得ab-a-2b=0,变形得(a-2)(b-1)=2,
PA·PB=·
=
≥.
当且仅当a-2=1,b-1=2,
即a=3,b=3时,PA·PB取最小值4.
此时直线l的方程为x+y-3=0.
变式迁移3 解 如图所示建立直角坐标系,则E(30,0),F(0,20),
∴线段EF的方程为+=1(0≤x≤30).
在线段EF上取点P(m,n),
作PQ⊥BC于点Q,PR⊥CD于点R,
设矩形PQCR的面积为S,
则S=PQ·PR=(100-m)(80-n).
又+=1(0≤m≤30),
∴n=20(1-).
∴S=(100-m)(80-20+m)
=-(m-5)2+(0≤m≤30).
∴当m=5时,S有最大值,
这时==5.
所以当矩形草坪的两边在BC、CD上,一个顶点在线段EF上,且这个顶点分EF成5∶1时,草坪面积最大.
课后练习区
1.∪ 2. 3.4
4.三
解析 由已知得即a>0,b>0.
由bx+ay-ab=0知y=-x+b.
∴该直线的斜率k<0且在y轴上的截距b>0,故该直线一定不经过第三象限.
5.2x+y-3=0或x+2y=0
解析 当截距不等于零时,设l的方程+=1,
∵点P在l上,∴-=1,则a=.
∴l的方程为2x+y=3.当截距等于零时,设l的方程为y=kx,又点P在l上,
∴k=-.∴x+2y=0.
综上,所求直线l的方程为2x+y=3或x+2y=0.
6.-2
解析 由题意得:=1,
解得:m=-2或m=-1.
又m2+2≠3-m-m2,
∴m≠-1且m≠,
∴m=-2.
7.2x+y=0
解析 由已知方向向量得直线斜率k=-2,∴由点斜式方程得2x+y=0.
8.x+2y-11=0
解析 由题意可得直线l的斜率k=-,
∴直线l的方程是y-4=-(x-3),
即x+2y-11=0.
9.解 (1)当m=-1时,
直线AB的斜率不存在;(1分)
当m≠-1时,k=.(3分)
(2)当m=-1时,AB的方程为x=-1,(5分)
当m≠-1时,AB的方程为y-2=(x+1),
即y=+.(7分)
∴直线AB的方程为x=-1或y=+.
(8分)
(3)①当m=-1时,α=;(10分)
②当m≠-1时,
∵k=∈(-∞,-]∪,
∴α∈∪.(13分)
综合①②,知直线AB的倾斜角
α∈.(14分)
10.
解 方法一 直线x+my+m=0恒过A(0,-1)点.(4分)
kAP==-2,
kAQ==,(8分)
则-≥或-≤-2,
∴-≤m≤且m≠0.(12分)
又m=0时直线x+my+m=0与线段PQ有交点,(13分)
∴所求m的范围是-≤m≤.(14分)
方法二 过P、Q两点的直线方程为
y-1=(x+1).(5分)
即y=x+,代入x+my+m=0,
整理得:x=-,由已知-1≤-≤2,(12分)
解得:-≤m≤.(14分)
11.(1)证明 直线l的方程是:k(x+2)+(1-y)=0,
令,解之得,
∴无论k取何值,直线总经过定点(-2,1).(4分)
(2)解 由方程知,当k≠0时直线在x轴上的截距为-,在y轴上的截距为1+2k,要使直线不经过第四象限,则必须有,解之得k>0;(7分)
当k=0时,直线为y=1,符合题意,故k≥0.(9分)
(3)解 由l的方程,得A,
B(0,1+2k).依题意得
解得k>0.(11分)
∵S=·OA·OB=··|1+2k|
=·=≥×(2×2+4)=4,
“=”成立的条件是k>0且4k=,即k=,∴Smin=4,此时l:x-2y+4=0.(14分)