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定比分点公式

我什么都布吉岛 发布时间:2020-11-09 11:12:42 ,浏览量:5

一、关于这个公式的名称

和两点间的中点公式一样,定比分点公式是一种给出中点坐标的公式。定比分点应该理解为:“固定比例分割点的坐标公式”,中点公式是他的一种特殊情况。我们可以用它寻找三角形的内心、质心和外心。它是在一个线段中按照固定比例将线段分为两部分。在二维坐标系下: 1 截点公式(Section Formula)的翻译其实更加好理解,就是一个点将线段截成两段。该公式可以告知任何一个固定比例的点在坐标系的位置。

二、 λ \lambda λ是一个不为负一实数

λ ∈ ( − ∞ , − 1 ) ⋃ ( − 1 , + ∞ ) \lambda\in(-\infty,-1)\bigcup(-1,+\infty) λ∈(−∞,−1)⋃(−1,+∞),当 λ = 1 \lambda=1 λ=1时,截点公式变成中点公式。

三、证明

已知两点, A ( x 1 , y 1 , z 1 ) A(x_1,y_1,z_1) A(x1​,y1​,z1​)和 B ( x 2 , y 2 , z 2 ) B(x_2,y_2,z_2) B(x2​,y2​,z2​)以及实数 λ ≠ − 1 \lambda\ne-1 λ=−1在直线 A B AB AB中求点 M M M,使 A M → = λ M B → (1) \overrightarrow{AM}=\lambda\overrightarrow{MB}\tag{1} AM =λMB (1) 1 解:如上图,由于 A M → = O M → − O A → , M B → = O B → − O M → \overrightarrow{AM}=\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{OA},\overrightarrow{MB}=\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OM} AM =OM −OA ,MB =OB −OM 因此, O M → − O A → = λ ( O B → − O M → ) \overrightarrow{OM}-\overrightarrow{OA}=\lambda(\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OM}) OM −OA =λ(OB −OM ) 从而, O M → = 1 1 + λ ( O A → + λ O B → ) \overrightarrow{OM}=\frac{1}{1+\lambda}(\overrightarrow{OA}+\lambda\overrightarrow{OB}) OM =1+λ1​(OA +λOB ). 代入 O A → \overrightarrow{OA} OA 和 O B → \overrightarrow{OB} OB 的坐标,(即 A A A B B B点的坐标),可得: O M → = ( x 1 + λ x 2 1 + λ , y 1 + λ y 2 1 + λ , z 1 + λ z 2 1 + λ ) (2) \overrightarrow{OM}=(\frac{x_1+\lambda x_2}{1+\lambda},\frac{y_1+\lambda y_2}{1+\lambda},\frac{z_1+\lambda z_2}{1+\lambda})\tag{2} OM =(1+λx1​+λx2​​,1+λy1​+λy2​​,1+λz1​+λz2​​)(2)

扩展: λ \lambda λ决定分点位置

λ \lambda λ是不为 − 1 -1 −1的所有实数,它可以表示与线段 A B AB AB共线的所有坐标。

  • λ ∈ [ 0 , + ∞ ] \lambda\in[0,+\infty] λ∈[0,+∞], M M M在线段内,即内分点。
  • λ ∈ ( − ∞ , − 1 ) ⋃ ( − 1 , 0 ) \lambda\in(-\infty,-1)\bigcup(-1,0) λ∈(−∞,−1)⋃(−1,0),在线段外,即外分点。(不等于负一的负数)

可以证明,当 λ ∈ ( − ∞ , − 1 ) \lambda\in(-\infty,-1) λ∈(−∞,−1)是正向点(起点指向终点的延长外分点);当 λ ∈ ( − 1 , 0 ) \lambda\in(-1,0) λ∈(−1,0)是反向点(终点指向起点的延长外分点)。特别的,在线段 A B AB AB上:

  • 当 λ = 1 \lambda=1 λ=1时, M M M是线段 A B AB AB的中间点;
  • 当 λ = 0 \lambda=0 λ=0时, M M M是线段 A B AB AB的起点( A A A)
  • 当 λ → + ∞ \lambda\rightarrow +\infty λ→+∞, M M M是线段 A B AB AB的终点( B B B)

λ \lambda λ参数含义不太直观,令: u = λ 1 + λ ( λ ≠ − 1 ) (3) u=\frac{\lambda}{1+\lambda}\quad (\lambda\ne-1)\tag{3} u=1+λλ​(λ=−1)(3) 可以证明, u u u可以表示线段 A M AM AM占整段 A B AB AB运行的百分比,它将线段 A B AB AB分为比例为 u : u − 1 u:u-1 u:u−1两部分,百分比与 λ \lambda λ系数的转换: λ = u 1 − u ( u ≠ 1 ) λ = 0 ( u = 1 ) \begin{aligned} &\lambda=\frac{u}{1-u}\quad (u\ne1)\\ &\lambda=0\quad (u=1)\\ \end{aligned} ​λ=1−uu​(u=1)λ=0(u=1)​将 ( 3 ) (3) (3) 代入 ( 2 ) (2) (2) 有: O M → = ( ( 1 − u ) x 1 + u x 2 , ( 1 − u ) x 2 + u y 2 , ( 1 − u ) z 1 + u z 2 ) = ( 1 − u ) O A → + u O B → (4) \begin{aligned} \overrightarrow{OM}&=((1-u)x_1+ux_2,(1-u)x2+uy_2,(1-u)z_1+uz_2)\\ &=(1-u)\overrightarrow{OA}+u\overrightarrow{OB} \end{aligned}\tag{4} OM ​=((1−u)x1​+ux2​,(1−u)x2+uy2​,(1−u)z1​+uz2​)=(1−u)OA +uOB ​(4)形式变得较为简洁,更重要的是, u u u参数的几何含义更加明显。

  • u ∈ ( − ∞ , 0 ) u\in(-\infty,0) u∈(−∞,0),M在线段 A B AB AB左侧;
  • u ∈ [ 0 , 1 ] u\in[0,1] u∈[0,1],M在线段 A B AB AB上;
  • u ∈ ( 1 , + ∞ ) u\in(1,+\infty) u∈(1,+∞),M在线段 A B AB AB右侧。

参数 u u u的值越大,越靠近向量 A B AB AB右侧。重要的是, u u u是全体实数,不同于之前 λ ≠ − 1 \lambda\ne-1 λ=−1。

【20230307】修改了几个明显错误的地方。

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