观察
- 只拖 B,从 A 的右边拖到左边。箭头 AB 旁边标的数值,符号什么时候变?
- 把三点排成 A、C、B 的顺序(C 夹在中间)。这时 BC 是往回走的,AB+BC 还等于 AC 吗?
- 三个点在数轴上一共有 6 种前后顺序。把它们都试一遍——灯有没有灭过?
- 让 A 和 C 重合。AB+BC 等于多少?这句话用“去了又回来”怎么说?
在一条规定了正方向的直线(有向直线,或叫轴)上,规定了起点和终点的线段叫有向线段,记作 AB。它的长度连同表示方向的正负号,叫做它的数值,记作 AB;它的长度记作 ∣AB∣。和轴同向,数值为正;反向,数值为负。于是
AB=−BA,AB+BA=0,∣AB∣=∣BA∣.
而在数轴上,有一个“永远对”的算法:
AB=xB−xA(终点坐标减起点坐标)
先猜后证
数轴上 A、B、C 的坐标分别是 4、−1、6。不画图,AB+BC 等于多少?
先选定答案,才能看到结论。
✓ 猜对了!✗ 和你想的不一样——这正是值得停一下的地方。
直接按定义算:AB=−1−4=−5,BC=6−(−1)=7,相加得 2。
而 AC=6−4=2。先往左走 5、再往右走 7,净效果就是往右走 2——不管中间怎么绕,只看起点和终点。
B 在最左边:箭头 AB 往回走,箭头 BC 又把它“补”了回来。
为什么:沙尔公式
在平面几何里,“AB+BC=AC”只在 B 夹在 A、C 之间时才对。有了方向,它对任何顺序都对。这叫有向线段的加法定理,也叫沙尔(Chasles)公式。
证明:数轴上任意三点都有 AB + BC = AC
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先看最顺的情形 A、B、C 从左到右排好,三段都和轴同向,数值就是长度。这时 AB+BC=AC 就是“部分之和等于整体”。
5+2=7
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关键一步:数值 = 终点坐标 − 起点坐标
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相加,中间项消掉
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换个顺序检验:B 跑到最左边
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推广:一串首尾相接的有向线段
数值之比:λ
数值可以相除。P 是直线 P1P2 上一点,比值
λ=PP2P1P
叫做点 P 分有向线段 P1P2 所成的比。注意顺序:从起点 P1 到分点 P,再从分点 P 到终点 P2。P 在 P1、P2 之间时,两段同向,λ>0,叫内分点;在外面时,两段反向,λ<0,叫外分点。
拖 P,或者直接拨 λ。下面的 λ 尺上,红圈标出的那个值始终没有三角形去过。
由 λ=x2−xx−x1 解出 x:
x=1+λx1+λx2(λ=−1)
先猜后证
P1、P2 固定。让 P 沿着轴一直往右跑,跑到非常非常远。λ 会越来越接近哪个数?
先选定答案,才能看到结论。
✓ 猜对了!✗ 和你想的不一样——这正是值得停一下的地方。
P 很远时,P1P 和 PP2 的长度几乎一样,而方向相反(一个向右,一个向左),所以比值接近 −1。
比如 P1=−2,P2=2,P=100 时,λ=−98102≈−1.04;P=1000 时,λ=−9981002≈−1.004。往左跑也一样,只是从另一侧逼近 −1。
可它永远等不到 −1:那需要 P1P=P2P,即 P1=P2。这就是分点公式里分母 1+λ 不能为 0 的几何原因。
如果去掉方向
结论:AB+BC=AC 对任意三点成立 ← 还成立吗?
去掉方向,只看长度:上面这个位置是 A=−4、B=3、C=0,
∣AB∣+∣BC∣=7+3=10,而 ∣AC∣=4。长度的等式只在 B 夹在中间时才成立,
写几何证明时就得分情况讨论:B 在中间、A 在中间、C 在中间……
有向线段把这些情况一次全包了。这就是解析几何的第一个好处:一个公式,不用画图分类。
练一练
数轴上 A、B 的坐标分别是 −3 和 4。求数值 BA。
提示 · 第一步起点是 B(坐标 4),终点是 A(坐标 −3)。
完整解答BA=−3−4=−7。它的长度 ∣BA∣=7,负号说明方向与轴相反。
数轴上有四点 A、B、C、D,已知 AB=3,BC=−7,CD=2。求 DA。
提示 · 方向从 A 出发,经过 B、C、D,再回到 A,一共走了多少?
提示 · 方法用沙尔公式:AB+BC+CD+DA=AA=0。
完整解答DA=−(3−7+2)=2。不需要知道四点的坐标,也不需要知道它们的先后顺序。
数轴上 P1、P2 的坐标分别是 −1 和 5。点 P 分 P1P2 所成的比 λ=−3。求 P 的坐标。
提示 · 方向λ 是负的,P 在线段内还是线段外?
提示 · 方法代公式 x=1+λx1+λx2。
提示 · 第一步x=1+(−3)−1+(−3)×5=−2−16。
完整解答x=8。检验:P1P=8−(−1)=9,PP2=5−8=−3,−39=−3。P 在 P2 的外侧。
数轴上 P1、P2 的坐标分别是 0 和 6。求所有满足 ∣P1P∣=2∣PP2∣ 的点 P 的坐标。(用逗号隔开。)
提示 · 方向长度相等的条件里没有方向。换成数值,P1P 与 PP2 的比可能是哪些数?
提示 · 方法∣P1P∣=2∣PP2∣ 等价于 λ=2 或 λ=−2,分别用分点公式。
提示 · 第一步λ=2:x=30+2×6=4,这是内分点。
完整解答λ=−2:x=1−20−2×6=12,这是外分点。验算:∣P1P∣=12,∣PP2∣=6。所以 P 的坐标是 4 或 12。只用长度列方程的话,很容易漏掉外分点。