Расстояние между точками на координатной плоскости - формулы и расчеты

Формула расстояния между точками на координатной плоскости является основным инструментом, применяемым при решении ряда задач в двумерном пространстве.

Система координат

Прежде чем говорить о расстоянии между точками по координатам, следует ввести систему отчета, в которой каждый геометрический объект можно будет однозначно определять. Для этой цели часто используют декартову систему координат. Она представляет собой взаимно перпендикулярные прямые, на каждой из которых отмечены единичные отрезки. Именно в них определяется положение тел в пространстве, на плоскости или на прямой линии.

Для названных трех случаев декартова система координат отличается количеством осей:

• 3 для определения положения пространственных объектов;
• 2 для фигур на плоскости;
• 1 для вычисления координат точек.

Единичные отрезки на координатных осях в общем случае могут иметь разную длину.

Однако ввиду симметричности пространства и для удобства выполнения практических расчетов применяют, как правило, единичные отрезки равной длины. Каждому из них соответствует единичный вектор.

Понятие о векторе

Чтобы уметь вычислять расстояние от точки до точки по координатам, удобно пользоваться понятием вектора.

Из школьного курса геометрии известно, что под ним принято понимать отрезок, имеющий некоторое определенное направление. Обозначают его в виде прямой линии конечной длины, на конце которой изображена стрелка.

Пользу использования указанного геометрического объекта трудно переоценить. Например, в физике все величины делятся на 2 большие группы:

1. Скаляры.
2. Вектора.

К первым относятся масса, электрический заряд, энергия и другие. Вторая группа более обширная. Здесь следует назвать скорость, ускорение, силу тока, напряженности магнитного и электрического полей, силу любой природы и многие другие.

Характеристики объекта

Как любой геометрический объект, вектор обладает набором математических свойств, которые используются при решении задач. Основные из них:

• a- и b- можно складывать и вычитать, при этом получаются новые вектора;
• вектора a- и b- можно умножать друг на друга, существует возможность выполнить скалярное или векторное умножение, каждый вид операции имеет свой геометрический смысл;
• объект однозначно определяется всего двумя точками независимо от мерности пространства;
• он имеет модуль, который геометрически представляет длину его отрезка.

Для всех свойств существуют определяющие их правила. Например, при осуществлении вычитания вектора a- из b- необходимо соединить концы этих объектов отрезком и направить его к концу a-, тогда получается результирующий вектор разницы.

Умножение a- и b- векторным способом является полезной операцией при определении площадей и объемов фигур. Для ее выполнения следует уметь работать с матрицами второго и третьего порядка, в частности, знать, как рассчитывается детерминант (определитель).

Универсальный способ

Речь идет о координатном представлении нульмерных, одномерных, двумерных и трехмерных геометрических фигур. Параметры точек, треугольников, квадратов, прямых, плоскостей и других более сложных объектов могут быть однозначно выражены в виде наборов чисел, привязанных к соответствующей координатной системе. Поскольку существует задача определения расстояния от точки до точки по координатам, имеет смысл рассмотреть только указанный одномерный объект и вектор.

Точка на плоскости

Этот объект является нульмерным. Для его однозначного определения достаточно знать всего один числовой набор, привязанный к координатной системе. На плоскости имеется всего 2 перпендикулярные оси x и y, поэтому всякая точка будет иметь 2 координаты. Например, A (3; 2), B (-1; 4), C (0; -2), D (0; 0). Первое число здесь означает количество единичных отрезков, которые необходимо отсечь на оси x, второе значение — на оси y. Точка D лежит в начале координат, то есть на пересечении x и y.

В общем случае удобно обозначить произвольную точку Q (x0; y0).

Направленный отрезок в двумерном пространстве

На плоскости координаты направленного отрезка так же, как и точки, представляют собой набор двух чисел. Оба обозначают число отрезков единичной длины, которые следует отложить на каждой оси, чтобы получить проекции вектора на x и y. Например, данные a-(1;-2) означают, что для получения a- следует отложить отрезок 1*i- на оси x и -2*j- на y (два единичных j- в отрицательном направлении оси y). На пересечении этих проекций будет находиться конец a-. Начало его лежит в точке (0; 0).

На плоскости и в трехмерном пространстве всего 2 точки однозначно определяют направленный отрезок. Если его начало переместить в пересечение осей x и y, его конец легко можно найти, вычитая соответствующие координаты точек друг из друга. Следующий простой пример демонстрирует сказанное.

Даны точки A (x1; y1), B (x2; y2), тогда AB- будет иметь координаты:

AB- = B — A = (x2-x1; y2-y1).

Вторая точка показывает место расположения конца AB-.

Формула дистанции

Имея полученные представления и знания о свойствах точек и векторов, можно перейти к вопросу нахождения формулы расстояния. Согласно геометрическому определению, под дистанцией между двумя точками понимают длину отрезка, который их соединяет. Эта величина также равна модулю вектора, построенного на нульмерных объектах.

Длину направленного отрезка на плоскости определить просто: необходимо возвести в квадрат каждую его координату, сложить полученные значения, и взять квадратный корень из результирующей суммы. Для вектора a- (x; y) длина будет равна следующей величине:

|a-| = (x ² + y ² )^0,5.

Возведение суммы в степень 0,5 эквивалентно взятию из нее квадратного корня.

Поскольку определение координат вектора по соответствующим значениям точек известно, можно получить следующую простую формулу для A (x1; y1) и B (x2; y2):

|AB-| = ((x2-x1)^2 + (y2-y1)^2)^0,5.

В трехмерном пространстве соответствующее выражение будет иметь подобную форму, только добавится третья координата z.

Расстояние между Q и прямой

Полученные знания можно с легкостью применять для решения разнообразных задач по геометрии. Часто приходится находить дистанцию между точкой и прямой. Определить эту величину можно, если знать направляющий вектор прямой. Предположим, что он имеет следующие координаты: a- (x1; y1). Прямая проходит через A (x2; y2). Точка задается так: Q (x0; y0).

В параметрическом виде прямая записывается следующим образом:

(x;y) = (x2;y2) + t*(x1;y1).

Здесь t — параметр, который может принимать любое действительное число. Это выражение позволяет записать равенство (1):

(x-x2)/x1 = (y-y2)/y1 (1).

Пусть точка P (x;y) является проекцией Q (x0;y0) на прямую, тогда расстояние PQ является искомой дистанцией, которую следует найти по условию задачи. Поскольку вектора PQ- и a- перпендикулярны друг другу, их скалярное произведение будет равно нулю (угол между векторами равен 90 градусов, его косинус равен нулю). Исходя из этих рассуждений, можно записать выражение (2):

(x-x0)*x1 + (y-y0)*y1 = 0 (2).

Поскольку имеющиеся равенства (1) и (2) содержат 2 неизвестные переменные, объединение их в систему и решение ее позволит определить точку P (x;y). Зная ее координаты и используя формулу дистанции между двумя точками на плоскости, можно получить искомое расстояние PQ.

Пример задачи

Применить полученные знания поможет простая геометрическая проблема. Имеется прямая, которая задана на плоскости в виде следующего общего выражения:

y = -3*x + 1.

Необходимо найти расстояние от нее до точки Q (2; -2).

Пусть проекцией точки Q на прямую будет нульмерный объект P (x;y). Координаты P должны удовлетворять записанному уравнению.

Чтобы определить направляющий вектор, достаточно взять 2 любые точки на прямой. Подставляя в выражение произвольные значения x, можно определить эти точки A, B и вместе с ними направляющий вектор AB-:

x=0; y=1 ==> A (0;1);

x=1; y=-2 ==> B (1;-2);

AB- = (1;-3).

Вектор QP-, который пересекает прямую под прямым углом, должен подчиняться следующему уравнению (свойство скалярного произведения):

(QP-*AB-) = (x-2)*1 + (y+2)*(-3) = 0.

В это выражение нужно подставить значение y из уравнения прямой.

Получается:

x-2−3*(-3*x + 1)-6=0 ==>

10*x-11=0 ==>

x = 1,1;

y = -3*1,1 + 1 = -2,3.

Таким образом, значение координат проекции Q на прямую равны: P (1,1; -2,3). Остается применить формулу для дистанции между P и Q, чтобы получить ответ на поставленную задачу:

|PQ-| = ((1,1−2)^2+(-2,3+2)^2)^0,5 = 0,95.

Рассчитанное значение округлено до сотых долей и выражается в единицах единичных векторов координатной системы.

При решении подобных задач для сокращения последующих вычислений рекомендуется проверять принадлежность точки прямой, для чего следует подставить координаты в уравнение. Если этот факт подтверждается, искомое расстояние равно нулю.

Углы треугольника

Польза от использования формулы дистанции между точками на плоскости наглядно показывается на примере решения задач на нахождение углов фигур. Пусть нужно определить все углы треугольника, который построен на вершинах A (x1;y1), B (x2;y2), C (x3;y3).

На первый взгляд сложная задача решается легко, если вспомнить о понятии векторного произведения. Например, для векторов AB- и AC- записывается оно так:

|[AB-*AC-]| = |AB-|*|AC-|*sin (A).

Произведение [AB-*AC-] является вектором, который находится как детерминант матрицы третьего порядка. Его модуль, а также длины |AB-| и |AC-| вычисляются по формуле расстояния между двумя точками.

Чтобы определить угол при вершине A треугольника, остается взять функцию арксинуса от отношения векторного произведения к произведению длин сторон AB и AC.