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直线到直线的距离公式推导过程

来源 :华课网校 2024-08-11 18:46:23

直线到直线的距离,是指在平面直角坐标系中,两条不相交的直线间的最短距离。在数学中,我们可以通过推导公式来计算这个距离。

假设有两条直线分别为L1和L2,它们的方程分别为y1 = k1x1 + b1和y2 = k2x2 + b2。其中,k1和k2为斜率,b1和b2为截距。为了方便计算,可以将两条直线的方程转化为一般式,即Ax + By + C = 0。

对于L1,它的一般式为A1x + B1y + C1 = 0,其中A1 = -k1,B1 = 1,C1 = -b1。同理,对于L2,它的一般式为A2x + B2y + C2 = 0,其中A2 = -k2,B2 = 1,C2 = -b2。

假设两条直线的距离为d,那么可以假设在L1上任取一点P(x1, y1),在L2上任取一点Q(x2, y2),则有以下三条线段:

1. PQ的长度为d;

2. 点P到L2的距离为h1;

3. 点Q到L1的距离为h2。

利用向量的知识,可以知道向量PQ在L2上的投影为d*cosθ,其中θ为PQ与L2的夹角。同理,向量PQ在L1上的投影为d*cosθ',其中θ'为PQ与L1的夹角。

因此,h1 = PQ在L2上的投影 = d*cosθ,h2 = PQ在L1上的投影 = d*cosθ'。

根据两个点到一条直线的距离公式,可以得到:

h1 = |A2x1 + B2y1 + C2| / √(A2^2 + B2^2)

h2 = |A1x2 + B1y2 + C1| / √(A1^2 + B1^2)

将h1和h2带入上面的公式,可以得到:

d*cosθ = |A2x1 + B2y1 + C2| / √(A2^2 + B2^2)

d*cosθ' = |A1x2 + B1y2 + C1| / √(A1^2 + B1^2)

由于θ和θ'是互补角,即θ + θ' = 90度,因此有cosθ = sinθ',cosθ' = sinθ。

将上式中的cosθ和cosθ'替换为sinθ'和sinθ,可以得到:

d*sinθ' = |A2x1 + B2y1 + C2| / √(A2^2 + B2^2)

d*sinθ = |A1x2 + B1y2 + C1| / √(A1^2 + B1^2)

将上式中的sinθ'和sinθ代入,可以得到:

d = |(A2x1 + B2y1 + C2) - (A1x2 + B1y2 + C1)| / √(A1^2 + B1^2)

这就是直线到直线的距离公式的推导过程。通过这个公式,我们可以计算出两条直线之间的最短距离,这对于很多数学和工程问题都有着重要的应用。

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