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选择性必修第一册 · 第 2 章 直线和圆的方程

2.1 直线的倾斜角与斜率

一条直线有多“斜”?可以用一个角说,也可以用一个数说。有了这个数,两条直线平不平行、垂不垂直,算一算就知道。先从坡道开始。

四段坡道,量了每段“水平走了多远”和“升高了多少”。先判断哪段最陡,作答后再用按钮切换“分开看”与“叠到同一起点”进行比较。

哪一段最陡?

1. 先认识几个词

要用到:任意角和正切 \(\tan\alpha\),以及 \(30^\circ,45^\circ,60^\circ,120^\circ,135^\circ,150^\circ\) 的正切值(回看 5.2);坐标系里两点的坐标差(回看 6.3)。

课本用词:斜率 \(k=\tan\alpha\) 只适用于非竖直直线;竖直线的斜率不存在,判平行或垂直时要单独处理。

伴读直觉微图解:倾斜角、斜率与两线几何位置判定

倾斜角:直线和 \(x\) 轴相交时,从 \(x\) 轴的正方向出发,绕交点逆时针转,转到和直线重合,转过的最小角叫倾斜角,记作 \(\alpha\)。和 \(x\) 轴平行或重合的直线,规定 \(\alpha=0^\circ\)。范围恒为 \(\alpha\in[0^\circ,180^\circ)\)。

例:\(y=x\) 往右上走,\(\alpha=45^\circ\);\(y=-x\) 往右下走,逆时针转 \(135^\circ\),\(\alpha=135^\circ\)(绝非 \(45^\circ\))。

正切与斜率:\(\alpha\ne90^\circ\) 时,定义斜率 \(k=\tan\alpha\)。\(\alpha=90^\circ\) 时 \(\cos 90^\circ=0\),斜率不存在。

例:\(\tan 45^\circ=1\),\(\tan 120^\circ=-\sqrt{3}\);竖直线 \(x=2\) 斜率不存在,切忌称“无穷大”。

存在辨析 倾斜角 \(\alpha\) 恒存在 vs 斜率 \(k\) 的定义域盲区

倾斜角:平面内任何直线都有唯一确定的倾斜角,\(\alpha \in [0^\circ, 180^\circ)\)。水平线 \(\alpha=0^\circ\),竖直线 \(\alpha=90^\circ\)。

斜率:\(k=\tan\alpha\)。只有当 \(\alpha \ne 90^\circ\) 时斜率才存在!竖直线与 \(x\) 轴垂直,斜率不存在。

警惕:做题遇到“设直线方程”时,切忌直接设 \(y=kx+b\),必须优先讨论“斜率不存在(竖直线)”!

关系辨析 斜率相等 vs 两线平行;乘积为 \(-1\) vs 两线垂直

两线平行:若斜率存在,\(l_1\parallel l_2 \iff k_1=k_2\) 且两线不重合!若两线均垂直于 \(x\) 轴且不重合,同样平行。

两线垂直:若斜率均存在,\(l_1\perp l_2 \iff k_1k_2=-1\)。若一条为水平线(\(k=0\))、一条为竖直线(斜率不存在),依然垂直!

口诀:算平行谨防重合漏验,算垂直不忘一横一竖。

两点斜率公式:\(k = \dfrac{\color{#2563eb}{y_2 - y_1}}{\color{#059669}{x_2 - x_1}} = \tan\alpha \quad (x_1 \ne x_2, \alpha \ne 90^\circ)\)
平行与垂直判定:\(l_1\parallel l_2 \iff \color{#2563eb}{k_1 = k_2} \text{(且不重合);}\quad l_1\perp l_2 \iff \color{#dc2626}{k_1 k_2 = -1} \quad (k_1, k_2 \text{ 存在})\)

2. 斜率:倾斜角的正切

倾斜角 \(\alpha\ne90^\circ\) 时,把 \(\tan\alpha\) 叫这条直线的斜率,记作 \(k\)。

\(k=\tan\alpha\)(\(\alpha\ne90^\circ\))。\(\alpha=90^\circ\) 的竖直线,斜率不存在。

为什么用正切:在直线上往右走 \(1\),竖直方向变了多少,就是 \(\tan\alpha\)——这正是坡道里“升高 ÷ 水平”的那个比。\(\alpha\) 在 \(0^\circ\) 到 \(90^\circ\) 之间,直线往右上走,\(k>0\);在 \(90^\circ\) 到 \(180^\circ\) 之间,往右下走,\(k<0\);水平线 \(k=0\)。

例 1(看一遍怎么写)

(1) 倾斜角 \(120^\circ\) 的直线,斜率是多少?(2) 斜率为 \(1\) 的直线,倾斜角是多少?

(1) \(k=\tan120^\circ=-\tan60^\circ=-\sqrt3\)。

(2) 要 \(\tan\alpha=1\),且 \(0^\circ\le\alpha<180^\circ\)。在这个范围里只有 \(\alpha=45^\circ\)(\(225^\circ\) 的正切也是 \(1\),但不在范围里)。所以 \(\alpha=45^\circ\)。

自己试试:倾斜角为 \(150^\circ\) 的直线,斜率是?

B。\(\tan150^\circ=-\tan30^\circ=-\dfrac{\sqrt3}{3}\)。\(150^\circ\) 比 \(90^\circ\) 大,直线往右下走,斜率一定是负的,A 不对;C 是 \(\tan120^\circ\),把 \(30^\circ\) 和 \(60^\circ\) 记混了。

3. 已知两点,求斜率

直线过 \(P_1(x_1,y_1)\)、\(P_2(x_2,y_2)\),从 \(P_1\) 走到 \(P_2\),横向走了 \(x_2-x_1\),竖向走了 \(y_2-y_1\)。两者的比就是斜率:

\(k=\dfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\),要求 \(x_1\ne x_2\)。

两个点谁当 \(P_1\) 都行:分子分母同时变号,比不变。但分子、分母里的点要同一个顺序。

例 2

求过 \(A(-1,3)\)、\(B(2,0)\) 的直线的斜率和倾斜角。

\(x_1=-1\ne2=x_2\),可以用公式:\(k=\dfrac{0-3}{2-(-1)}=\dfrac{-3}{3}=-1\)。

要 \(\tan\alpha=-1\),\(0^\circ\le\alpha<180^\circ\),得 \(\alpha=135^\circ\)。检查:从 \(A\) 到 \(B\) 往右走、往下降,确实是往右下走的直线。

自己试试:过 \(P(2,-1)\)、\(Q(-1,5)\) 的直线,斜率是?

B。\(k=\dfrac{5-(-1)}{-1-2}=\dfrac{6}{-3}=-2\)。选 A 的同学分子用了 \(Q\) 减 \(P\)、分母用了 \(P\) 减 \(Q\),顺序没对齐;选 C 是把横纵坐标的差上下放反了。

4. 用斜率判断平行

两条直线平行,它们的倾斜角相等;倾斜角都不是 \(90^\circ\) 时,正切也相等,就是斜率相等。反过来,斜率相等则倾斜角相等,两条线方向一样——但方向一样的可能是同一条线。

两条直线斜率都存在且不重合:\(l_1\parallel l_2\iff k_1=k_2\)。
两条都是竖直线且不重合,也平行。

三点共线:\(A\)、\(B\)、\(C\) 横坐标两两不同时,“\(AB\) 的斜率 \(=AC\) 的斜率”就说明三点在同一条线上(两条线方向一样又都过 \(A\),只能重合)。例 3 查重合用的就是这个。

例 3

\(l_1\) 过 \(A(0,1)\)、\(B(2,5)\),\(l_2\) 过 \(C(1,0)\)、\(D(3,4)\)。\(l_1\) 与 \(l_2\) 平行吗?

\(k_1=\dfrac{5-1}{2-0}=2\),\(k_2=\dfrac{4-0}{3-1}=2\),斜率相等。

再排除重合:看 \(C\) 在不在 \(l_1\) 上。\(A\)、\(C\) 连线的斜率 \(\dfrac{0-1}{1-0}=-1\ne2\),所以 \(C\) 不在 \(l_1\) 上,两条线不重合。结论:\(l_1\parallel l_2\)。

自己试试:\(l_1\) 过 \((0,0)\)、\((2,2)\),\(l_2\) 过 \((0,3)\)、\((3,6)\)。两条直线是?

A。\(k_1=\dfrac{2-0}{2-0}=1\),\(k_2=\dfrac{6-3}{3-0}=1\)。\((0,3)\) 不在 \(l_1\) 上(\(l_1\) 上横坐标为 \(0\) 的点是原点),不重合,所以平行。常见的漏洞:算出 \(k_1=k_2\) 就写“平行”,忘了查重合——这题碰巧对了,练一练里有一道碰不巧的。

方向向量:直线上任取两个不同点 \(P_1\)、\(P_2\),\(\overrightarrow{P_1P_2}=(x_2-x_1,y_2-y_1)\) 叫它的一个方向向量。斜率存在时,\((1,k)\) 也是方向向量。竖直线的方向向量是 \((0,1)\),用方向向量判断平行、垂直,竖直线不用单独处理。

5. 用斜率判断垂直

斜率为 \(k\) 的直线,往右走 \(1\)、往上走 \(k\),方向可以用向量 \((1,k)\) 表示。两条直线垂直,就是两个方向向量垂直,数量积为 \(0\):\((1,k_1)\cdot(1,k_2)=1+k_1k_2=0\)。

两条直线斜率都存在:\(l_1\perp l_2\iff k_1k_2=-1\)。
一条竖直、一条水平:也垂直(这时没法写 \(k_1k_2\))。

例 4

\(l_1\) 的斜率是 \(2\),\(l_2\) 过 \(O(0,0)\)、\(M(2,-1)\)。两条直线垂直吗?

\(k_2=\dfrac{-1-0}{2-0}=-\dfrac12\),\(k_1k_2=2\times\left(-\dfrac12\right)=-1\),所以 \(l_1\perp l_2\)。

自己试试:\(l_1\) 的斜率是 \(-3\),\(l_2\perp l_1\),\(l_2\) 的斜率是?

B。\(-3\cdot k_2=-1\),\(k_2=\dfrac13\)。垂直的斜率是“倒数再变号”:选 C 只取了倒数,选 A 只变了号,选 D 是平行时的斜率。

6. 三步破题思维链:直线倾斜角与斜率解题标准动作

1
👀 第一眼破题信号

① 看到两点、倾斜角或斜率,或问平行、垂直 → 想到先检查是否为竖直直线。
② 斜率存在 → 想到用斜率相等或乘积为 \(-1\);竖直情形 → 想到改用方向或倾斜角判断。

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🔧 第二步套公式/方法

① 斜率存在时,套用两点斜率公式 \(k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\) 与 \(k=\tan\alpha\) 进行角与斜率互化;
② 平行问题列出方程 \(k_1=k_2\);垂直问题列出方程 \(k_1k_2=-1\);
③ 若斜率可能不存在,必须对直线的垂直情况单独讨论(一条竖直、一条水平即垂直;两条皆竖直且横截距不等即平行)。

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🛡️ 第三步必查防坑结论

① 平行解得参数后,必须代回原方程验证两线是否重合,重合解坚决剔除!
② 倾斜角趋近 \(90^\circ\) 时,左侧斜率趋于 \(+\infty\),右侧趋于 \(-\infty\);\(90^\circ\) 处斜率无定义,不能把两侧合成一个递增区间。

7. 三大翻车现场与反例辨析

翻车现场 1:竖直线盲目套公式导致分母为 0
❌ 求过 \((2,1)\) 与 \((2,5)\) 的斜率,列式 \(k=\frac{5-1}{2-2}\) 算得“无穷大”
✔ 两点横坐标相等,直线为竖直线 \(x=2\),倾斜角为 \(90^\circ\),斜率不存在
翻车现场 2:解得平行参数却遗漏重合检验
❌ 解得 \(k_1=k_2\) 得出参数 \(m=1\),直接写平行,未核验截距导致两线重合
✔ 代入 \(m=1\) 发现两线完全重合,平行要求不重合,该解必须舍去
翻车现场 3:误认“倾斜角越大斜率越大”
❌ 认为 \(\alpha \in [30^\circ, 120^\circ]\) 时斜率范围对应为 \([\tan 30^\circ, \tan 120^\circ]\) 即 \([\frac{\sqrt3}{3}, -\sqrt3]\)
✔ 正切在 \(90^\circ\) 处间断:斜率范围应为 \((-\infty, -\sqrt3] \cup [\frac{\sqrt3}{3}, +\infty)\)
反例微图解:正切函数跨越 \(90^\circ\) 的间断突变
正切在两个区间\([0^\circ,90^\circ)\)、\((90^\circ,180^\circ)\)内分别严格递增,且都无界。\(90^\circ\)处没有函数值,左右单侧极限分别为正无穷、负无穷;右支趋近\(180^\circ\)时趋于0,但倾斜角不取\(180^\circ\)。图仅裁切显示窗口,未改变函数值。

① 拖两个点,看倾斜角和斜率

拖动 \(A\)、\(B\)(或选中后按方向键,每次一格),直线跟着变。金色角是倾斜角 \(\alpha\),三角形两条直角边是横向差 \(\Delta x\)、竖向差 \(\Delta y\)。把 \(B\) 拖到 \(A\) 正上方看看。

② 进阶:两条直线,平行、垂直还是重合

\(l_1\) 过 \(A\)、\(B\)(绿),\(l_2\) 过 \(C\)、\(D\)(金棕)。四个点都能拖、都能用方向键。试着摆出平行、垂直、重合,也试试一条竖直、一条水平。下面的按钮直接摆好一种。

从易到难排好了。前两道直接用,中间三道是最常见的错,最后一道是挑战。

直接用

1. 过 \(A(-2,1)\)、\(B(1,4)\) 的直线,斜率和倾斜角是?

A。\(k=\dfrac{4-1}{1-(-2)}=\dfrac33=1\),\(\tan\alpha=1\) 且 \(0^\circ\le\alpha<180^\circ\),\(\alpha=45^\circ\)。B 的角和斜率对不上(\(\tan135^\circ=-1\));D 只算了 \(4-1\),忘了除以横向差。

2. 直线 \(l_1\) 的斜率是 \(2\),\(l_2\) 过 \(P(1,1)\)、\(Q(3,a)\)。\(l_1\perp l_2\),则 \(a=\)?

A。\(P\)、\(Q\) 横坐标不同,\(k_2=\dfrac{a-1}{3-1}=\dfrac{a-1}{2}\)。垂直要 \(2\cdot\dfrac{a-1}{2}=-1\),\(a-1=-1\),\(a=0\)。选 C 的同学按平行算了(\(\dfrac{a-1}{2}=2\))。

易错

3. 下面说法正确的是?

C。A 错:竖直线倾斜角 \(90^\circ\),没有斜率——每条直线都有倾斜角,不一定有斜率。B 错:要 \(x_1\ne x_2\),比如 \((2,1)\)、\((2,5)\) 分母是 \(0\)。D 错:\(30^\circ\) 的斜率约 \(0.58\),\(120^\circ\) 的斜率约 \(-1.73\),角大了斜率反而小。

4. \(l_1\) 过 \(A(0,1)\)、\(B(1,3)\),\(l_2\) 过 \(C(2,5)\)、\(D(3,7)\)。\(l_1\) 与 \(l_2\) 的关系是?

B。\(k_1=\dfrac{3-1}{1-0}=2\),\(k_2=\dfrac{7-5}{3-2}=2\),斜率相等。但 \(A\)、\(C\) 连线的斜率 \(\dfrac{5-1}{2-0}=2\),也是 \(2\),说明 \(C\) 在 \(l_1\) 上:四个点在同一条线上,是重合,不是平行。斜率相等只说明方向一样,还要排除重合。在“动手”②里点“重合”看一看。

5. \(l_1\) 过 \((2,1)\)、\((2,5)\),\(l_2\) 过 \((-1,3)\)、\((4,3)\)。\(l_1\) 与 \(l_2\) 的关系是?

B。\(l_1\) 横坐标都是 \(2\),是竖直线;\(l_2\) 纵坐标都是 \(3\),是水平线。一竖一横,垂直。\(k_1k_2=-1\) 只管两条都有斜率的情形,算不了它不代表不垂直,要先看有没有竖直线。

挑战

6. \(l_1\) 过 \(A(m,1)\)、\(B(-1,m)\),\(l_2\) 过 \(P(1,2)\)、\(Q(-5,0)\)。\(l_1\parallel l_2\),则 \(m=\)?

A。\(k_2=\dfrac{0-2}{-5-1}=\dfrac13\),\(l_2\) 有斜率,所以 \(l_1\) 也得有:\(m\ne-1\)(\(m=-1\) 时 \(A(-1,1)\)、\(B(-1,-1)\) 竖直,不可能和 \(l_2\) 平行,C 错在这里)。

\(k_1=\dfrac{m-1}{-1-m}=\dfrac13\),交叉相乘 \(3m-3=-1-m\),\(m=\dfrac12\)。再排除重合:\(A\left(\dfrac12,1\right)\),\(P\)、\(A\) 连线斜率 \(\dfrac{1-2}{\frac12-1}=2\ne\dfrac13\),\(A\) 不在 \(l_2\) 上,确实平行。选 B 的同学按垂直列了式(\(\dfrac{m-1}{-1-m}=-3\))。

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