1. 前言
  2. 定义
    1. [[#定义#更严谨的定义|更严谨的定义]]
  3. 点
    1. [[#点#坐标|坐标]]
    2. [[#点#两点间距离公式|两点间距离公式]]
    3. [[#点#中点坐标公式|中点坐标公式]]
  4. 直线
    1. [[#直线#表达式|表达式]]
    2. [[#直线#特殊直线|特殊直线]]
    3. [[#直线#两直线的位置关系|两直线的位置关系]]
    4. [[#直线#点到直线距离公式|点到直线距离公式]]
  5. 例题
    1. [[#例题#T1|T1]]
    2. [[#例题#T2|T2]]
    3. [[#例题#T3|T3]]
    4. [[#例题#T4|T4]]
    5. [[#例题#T5|T5]]
    6. [[#例题#T6|T6]]

前言

作为一名热衷于建系法解初中几何题的小蒟蒻,碰到没有直角的时候就无能为力了。如果强行建系,需要算三角函数,计算量很大。因此,笔者选择引入平面斜角坐标系,使计算更为简便。

由于本文范围是初中几何,所以很多内容不涉及平面向量。事实上,用平面向量证明一些结论是更简便的。

定义

平面斜角坐标系是以平面中两条不共线的直线为 轴, 轴,建立的平面坐标系。

  • 原点: 轴与 轴的交点,下文记作点 。
  • 斜角: 轴与 轴的夹角,下文记作 。要求 。

更严谨的定义

在平面内取两不共线单位向量 与一定点 ,以点 为基底 的起点,以 为原点,基底 为坐标轴建系,记作 。其中, 为 夹角且 。

点

坐标

思考一下平面直角坐标系中获取点坐标的方式,我们作两条垂线,实质是作一个矩形。

类似地,平面斜角坐标系中,对于点 ,作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。则 。

如果用向量定义可以更简便:点 ,则 。

两点间距离公式

结论:对于点 ,记 ,则

证明

如图,作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。记 与 交于点 , 与 交于点 。

由坐标的定义得:,所以 。

由平行四边形的定义,易证四边形 都是平行四边形,所以 。

又因为 ,所以 ,又因为 ,所以 。

在 中,由余弦定理得

即

所以

中点坐标公式

结论:中点坐标公式不变。即对于点 ,则其中点 。

证明

如图,作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。记 与 交于点 , 与 交于点 , 与 交于点 , 与 交于点 。

易证明四边形 是平行四边形,其中 ,。

因为 是 中点,所以 。

在 中,由平行线分线段成比例得 。又易证四边形 都是平行四边形,所以 。同理 。

由坐标定义得:,则 ,所以 。同理 。所以 。

扩展:定比等分点公式

若 ,则

证明类似,都是作平行后利用平行线分线段成比例,读者自证不难。

直线

表达式

列表——描点——作图,可以发现直线的表达式不变,还是 。

将 代入得 ,所以直线与 轴同样交于 。同理直线与 轴交于 。

推一下点斜式。设 ,则

易得 的表达式为 。可以发现点斜式并没有发生变化。于是, 仍为 。

特殊直线

与坐标轴平行的直线

显然为 或 。

与坐标轴垂直的直线

结论:

证明

如图,设点 ,过点 作 于点 , 于点 。作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。

则 ,四边形 是平行四边形。

由坐标定义得 ,则在两直角三角形中易得 ,。

所以 ,,即 。

所以 ,。

坐标轴角平分线

结论:一、三象限角平分线为 ;二、四象限角平分线为 。

证明

这里只证一、三象限角平分线为 ,其他同理。

如图,取直线 上的一点 ,作 ,交 于点 ;作 ,交 于点 。

由坐标定义得,,且易证四边形 为平行四边形,所以四边形 为菱形,即 。

又因为 ,所以 ,所以 ,即 是一、三象限角平分线。

两直线的位置关系

设两直线 的表达式分别为 与 ,则

平行

结论: 且 。

证明

两直线平行,即两直线无交点,当且仅当方程组 无解,故 且 。

垂直

结论:。

注意:两直线垂直时,若 ,则 。这是可以直接得出的。

直线夹角

  • 直线 与 轴夹角的正切值为 。
  • 与 夹角的正切值为 。

点到直线距离公式

若 ,则其到直线 的距离为

例题

其实真正解题不需要记那么多结论,记住两点间距离公式、中点坐标公式、垂直斜率关系就够了。

T1

笔者当年八下期末的 T22-3。

如图,在 中,,点 为 中点,直线 等分 的周长,直接写出线段 的长。

这道题的传统做法是过 作平行线利用三角形中位线解题,但思维难度不小,没见过的考场 90min 很难想出来。这里可以使用平面斜角坐标系。

我们以 为原点,直线 为 轴,直线 为 轴建立 的平面斜角坐标系。

解 易得 ,则 。

因为 是 中点,所以

又因为直线 等分 的周长且 ,故 ,设 ,解得 ,所以 。

所以

应用两点间距离公式

T2

2024 年 SX 中考 T15。

如图,在平行四边形 中 为对角线, 于点 , 是 延长线上一点,。线段 的延长线交于点 ,若 ,求 的长。

由题易得 。

设 ,则 。此时 ,故 。

于是以 为原点, 为 轴, 为 轴建立平面斜角坐标系,。由 可解得 。所以 ,即 。

T3

2024 年 NJ 联合体二模 T16。

如图,在平行四边形 中,,点 是边 上一点且 ,点 在边 上,将四边形 沿 折叠,若点 恰好落在边 ,求 的长。

这道题用几何法要画很多辅助线并且解一堆三角形。我们直接抓住折叠的本质,即 的中垂线过点 。如图。

以点 为原点, 为 轴, 为 轴,建立 的平面斜角坐标系。易得 。设 ,其中 。

此时 的中点为 ,与 应用点斜式可得 。顺便可得 。

由 得

解得 。所以 或 。

T4

这是笔者周练三的 T15,暂未找到出处。

如图,在 中,,点 为 中点,过点 作 的垂线,交 延长线于点 ,求 的长。

如果直接做的话需要解三个三角形,以 为原点建系不太好直接做,我们以 为原点, 为 轴, 为 轴建立平面斜角坐标系。

则 ,所以 。

由 得

解得 。代入 得 ,与 联立解得 。

所以

应用两点间距离公式

T5

练习册上的一个题,也找不到出处。

如图,在平行四边形 中,,取边 的中点 ,在边 上取点 ,使 ,连接 ,求 的长。

本题作为倍长中线的例题,但这题建斜系是很快的。以 为原点, 为 轴, 为 轴,建立 的平面斜角坐标系,易得 ,故 ,联立得 。

所以 。

T6

2024 四川达州 T25-3。

如图,四边形 为平行四边形,对角线 交于点 ,点 为 中点,点 为 中点,连接 ,若 ,直接写出 的长度。

这题几何法是构造两个中位线,非常巧妙,但不一定能想出来。可以建斜系解题,不过计算量稍大。

几何法:连接 ,取 中点 ,连接 ,由 为 中位线, 为 中位线,可得 且 ,所以四边形 为平行四边形。由平行四边形恒等式得 ,即 。

在平行四边形 中,由平行四边形恒等式得

解得 。在 中,由余弦定理得

以 为原点, 为 轴, 为 轴建立平面斜角坐标系,。

易得 ,可得 ,所以 。

所以

应用两点间距离公式