解析几何中的中点公式

在解析几何中,中点公式为我们提供了一种方法,可以在已知线段起点和终点坐标(即 (x1, y1) 和 (x2, y2))的情况下,找到该线段的中点。中点将线段平分为两个相等的部分,也就是说,中点分割线段的两个部分的长度之比为 1:1。

对于笛卡尔坐标系中的线段 AB,假设点 A 的 x 轴坐标为 x1,y 轴坐标为 y1;同理,点 B 的 x 轴坐标为 x2,y 轴坐标为 y2。那么,该线段的中点将表示为 (xm, ym)。

中点 (xm, ym) 的公式如下:

示例: 求端点为 (5, 6) 和 (-3, 4) 的线段的中点坐标。
解决方案:

如我们所知,线段的中点由以下公式给出:

中点 = ((x1 + x2)/2, (y1 + y2)/2)

这里 (x1, y1) = (5, 6) 且 (x2, y2) = (-3, 4)。

中点 = ((5+(-3))/2, (6+4)/2)

⇒ 中点 = (2/2, 10/2)

⇒ 中点 = (1, 5)

公式推导

让我们设 P(x1,y1) 和 Q(x2,y2) 为坐标平面中给定直线的两个端点,R(x,y) 为该直线上的点,它以 m1:m2 的比例分割 PQ,即:

PR/RQ = m1/m2 . . .(1)

作 PM、QN 和 RL 垂直于 x 轴,并过 R 点作一条平行于 x 轴的直线,分别交 MP 于 S 点,交 NQ 于 T 点。

因此,从图中我们可以看出:

SR = ML = OL – OM = x – x1

此外,

PS = MS – MP = x – x1

根据几何相似性,

ΔSPR ~ ΔTQR

因此,

PR/RQ = SR/RT = m1/m2

⇒ (x – x1)/(x2 – x) = m1/m2

⇒ m2(x – x1) = m1(x2 – x)

⇒ m2x – m2x1 = m1x2 – m1x

⇒ x(m1 + m2) = m1x2 + m2x1

⇒ x = (m1x2 + m2x1)/(m1 + m2)

对于 y 轴坐标,我们有:

RT = LN = ON – OL = y2 – y

且 RL = LS – RS = y – y1

由于 ΔSPR ~ ΔTQR,我们有:

RT/SR = RQ/PR

⇒ RT/SR = m2/m1

⇒ (y2 – y)/(y – y1) = m2/m1

⇒ m1(y2 – y) = m2(y – y1)

⇒ m1y2 – m1y = m2y – m2y1

⇒ y(m1 + m2) = m1y2 + m2y1

⇒ y = (m1y2 + m2y1)/(m1 + m2)

因此,R 点的坐标为:

R = ( (m1x2 + m2x1)/(m1 + m2), (m1y2 + m2y1)/(m1 + m2) )

质心公式

质心公式用于寻找多边形的中心点,数学上对于三角形和四边形,其公式如下:

顶点为 (x1, y1), (x2, y2), 和 (x3, y3) 的三角形,其质心坐标为:

质心 = ( (x1 + x2 + x3)/3, (y1 + y2 + y3)/3 )

顶点为 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), 和 (x4, y4) 的四边形,其质心坐标为:

质心 = ( (x1 + x2 + x3 + x4)/4, (y1 + y2 + y3 + y4)/4 )

示例问题

问题 1: 让中点为 M(x, y)。如果 A(3, 4) 和 B(7, 8) 是给定线段的端点,且 C 是线段 AB 的中点。求 C 的坐标。
解决方案:

使用中点公式,

C = ( (x1 + x2)/2, (y1 + y2)/2 )

⇒ C = ( (3 + 7)/2, (4 + 8)/2 )

⇒ C = ( 5, 6 )

因此,线段 AB 的中点为 (5, 6)。

问题 2: 使用距离公式

(注:此处原文未完,通常指代使用距离公式验证中点性质或计算距离)

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