Расстояние между параллельными прямыми по уравнениям

Расстояние между прямыми на плоскости онлайн

С помощю этого онлайн калькулятора можно найти расстояние между прямыми на плоскости. Дается подробное решение с пояснениями. Для вычисления расстояния между прямыми, задайте вид уравнения прямых («канонический», «параметрический» или «общий»), введите коэффициенты уравнений прямых в ячейки и нажимайте на кнопку «Решить».

Предупреждение

Инструкция ввода данных. Числа вводятся в виде целых чисел (примеры: 487, 5, -7623 и т.д.), десятичных чисел (напр. 67., 102.54 и т.д.) или дробей. Дробь нужно набирать в виде a/b, где a и b (b>0) целые или десятичные числа. Примеры 45/5, 6.6/76.4, -7/6.7 и т.д.

Расстояние между прямыми на плоскости − теория, примеры и решения

• Содержание
• 1. Расстояние между прямыми в каноническом виде.
• 2. Расстояние между прямыми в общем виде.

1. Расстояние между прямыми в каноническом виде.

Пусть задана декартова прямоугольная система координат Oxy и пусть в этой системе координат заданы прямые L₁ и L₂:

.

(1)

,

(2)

Прямые (1) и (2) могут совпадать, быть паралленьными или пересекаться. Если прямые пересекаются, то понятие расстояния между ними не имеет смысла (не определено). Если прямые совпадают, то расстояние между ними равно нулю. Если же они параллельны, то расстояние между ними можно вычислить следующими методами:

Рассмотрим этот метод подробнее. Каноническое уравнение прямой L₃, проходящей через точку M₁(x₁, y₁) имеет следующий вид:

,

(3)

Для того, чтобы прямая L₃ была перпендикулярна прямой L₂, направляющие векторы этих прямых должны быть ортогональны, т.е. скалярное произведение этих векторов должен быть равным нулю:

,

(4)

Так как направляющий вектор прямой не может быть равным нулю, то предположим, что координата m₂ вектора q₂ отлична от нуля. Тогда в качестве вектора q₃ можно взять вектор q₃=<m₃, p₃>=<p₂, −m₂>. Следовательно, уравнение прямой L₃ получит следующий вид:

,

(5)

Для вычисления координат точки пересечения прямых L₂ и L₃, решим систему линейных уравнений (2) и (5). Преобразуем эти уравнения сделав перекрестное умножение:

Откроем скобки и перенесем налево переменную y:

Запишем (6) и (7) в матричном виде:

,

(8)

,

(11)

Для построения обратной матрицы воспользуемся методом алгебраических дополнений. Сначала вычислим определитель матрицы:

.

Тогда обратная матрица примет следующий вид:

.

(12)

Подставляя значение обратной матрицы (12) в (11), получим:

.

.

(13)

Расстояние между точками M₁ и M₃ равно:

.

(14)

Полученное расстояние d также является расстоянием между прямыми L₁ и L₂.

Пример 1. Найти расстояние между прямыми L₁ и L₂:

(15)

(16)

Пользуясь формулой (5), построим уравнение прямой L₃, проходящей через точку M₁ и перпендикулярной прямой L₂:

(17)

Для вычисления координат точки пересечения прямых L₂ и L₃, решим систему линейных уравнений (16) и (17). Преобразуем эти уравнения сделав перекрестное умножение:

Сделаем эквивалентные преобразования:

Запишем систему линейных уравнений (18)-(19) в матричном виде:

Вычислим вектор (x, y) T :

Получили точку M₃(x₃, y₃)=(3, −2), которая является точкой пересечения прямых L₂ и L₃. Расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно расстоянию между точками M₁ и M₃. Вычислим это расстояние:

Ответ: Расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно d=4.47213595.

Метод 2. Найдем расстояние между прямыми L₁ и L₂ (уравнения (1) и (2)). Уравнение прямой L₃ в общем виде, проходящей через точку M₁ и перпендикулярной прямой L₂ имеет следующий вид:

Для того, чтобы прямая L₃ была перпендикулярна прямой L₂, нормальный вектор n₃=<A₃, B₃> прямой L₃ должен быть коллинеарным направляющему вектору q₂ прямой L₂. Поэтому в качестве нормального вектора прямой L₃ можно взять вектор q₂=<m₂, p₂>. Подставим координаты вектора q₂ в (20):

(21)

Приведем уравнение прямой (2) к параметрическому виду:

(22)

Подставим (22) в (21) и решим относительно t:

(23)

Мы получили такое значение t, при котором соответствующая точка на прямой L₂ удовлетворяет уравнению прямой L₃, т.е. находится на этой прямой (является точкой пересечения прямых L₂ и L₃). Подставляя значение t в (22), получим координаты точки M₃(x₃, y₃). Далее вычисляем расстояние между точками M₁ и M₃:

(24)

Пример 2. Найти расстояние между прямыми

(25)

(26)

Уравнение прямой L₃, проходящей через точку M₁ и имеющий нормальный вектор n₃=<A₃, B₃> представляется формулой:

(27)

Для того, чтобы прямая L₃ была перпендикулярна прямой L₂, нормальный вектор n₃=<A₃, B₃> прямой L₃ должен быть коллинеарным направляющему вектору q₂ прямой L₂. Поэтому в качестве нормального вектора прямой L₃ можно взять вектор q₂=<m₂, p₂>=<6, 9>. Подставим координаты вектора q₂ и координаты точкиM₁ в (27):

После упрощения получим уравнение прямой L₃, проходящей через точку M₁ и перпендикулярной прямой L₂:

(28)

Для нахождения точки пересечения прямых L₂ и L₃ проще всего пользоваться параметрическим уравнением прямой L₂. Составим параметрическое уравнение прямой L₂:

Выразим переменные x, y через параметр t :

(29)

Подставим значения x, y из выражения (29) в (28) и решим относительно t:

Подставляя значение t в выражения (29), получим координаты точки M₃:

Вычислим расстояние между точками M₁ и M₃

Ответ. Расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно:

2. Расстояние между прямыми в общем виде.

Пусть задана декартова прямоугольная система координат Oxy и пусть в этой системе координат заданы параллельные прямые L₁ и L₂:

(30)

(31′)

где n₁=<A₁, B₁> и n₂=<A₂, B₂> − направляющие векторы прямых L₁ и L₂, соответственно. Так как прямые параллельны, то можно один из них умножить на какое-то число так, чтобы нормальные векторы этих прямых совпадали. Пусть A₂≠0. Умножим (31′) на A₁/A’₂. Тогда уравнение (2′) примет следующий вид:

(31)

Покажем, что расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно:

(32)

Метод 1. Пусть A₁≠0. Тогда точка M₁(x₁, y₁)=M₁(−C₁/A₁, 0) принадлежит прямой L₁. Это легко проверить, подставив координаты точки M₁ в (30). Построим уравнение прямой, проходящей через точку M₁ и перпендикулярной прямой L₂:

Поскольку прямая L₃ перпендикулярна прямой L₂, то нормальные векторы этих прямых ортогональны. Тогда вместо нормального вектора n₃=<A₃, B₃> прямой L₃ можно взять вектор, ортогональный нормальному вектору n₂, т.е. вектор n₃=<B₁, −A₁> (так как скалярное произведение этих векторов равно нулю). Тогда имеем:

(34)

Найдем точку пересечения прямых L₂ и L₃. Для этого решим систему линейных уравнений (31),(34), представляя в матричном виде:

,

Наконец, расстояние между точками M₁ и M₃, и следовательно, расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно:

(35)

Метод 2. Воспользуемся понятием отклонения точки от прямой. Пусть M₁(x₁, y₁) точка, принадлежащая прямой (30), Тогда выполняется равенство

При С₂ Пример 3. Найти расстояние между прямыми

Ответ. Расстояние между прямыми L₁ и L₂ равно:

Расстояние между двумя параллельными прямыми – определение и примеры нахождения.

В этой статье дано определение расстояния между двумя параллельными прямыми на плоскости и в трехмерном пространстве, а также разобран метод координат, позволяющий вычислять расстояние между параллельными прямыми. Сначала приведена необходимая теория, после чего приведены подробные решения примеров и задач, в которых находится расстояние между двумя параллельными прямыми.

Навигация по странице.

Расстояние между двумя параллельными прямыми – определение.

Определение расстояния между двумя параллельными прямыми дается через расстояние от точки до прямой.

Расстояние между двумя параллельными прямыми – это расстояние от произвольной точки одной из параллельных прямых до другой прямой.

Для наглядности изобразим две параллельные прямые a и b , отметим на прямой а произвольную точку М₁ , опустим перпендикуляр из точки М₁ на прямую b , обозначив его H₁ . Отрезок М₁H₁ соответствует расстоянию между параллельными прямыми a и b .

Приведенное определение расстояния между двумя параллельными прямыми справедливо как для параллельных прямых на плоскости, так и для прямых в трехмерном пространстве. Более того, такое определение расстояния между двумя параллельными прямыми принято не случайно. Оно тесно связано со следующей теоремой.

Все точки одной из двух параллельных прямых удалены на одинаковое расстояние от другой прямой.

Рассмотрим параллельные прямые a и b . Отметим на прямой a точку М₁ , опустим из нее перпендикуляр на прямую b . Основание этого перпендикуляра обозначим как H₁ . Тогда длина перпендикуляра М₁H₁ есть расстояние между параллельными прямыми a и b по определению. Докажем, что равно , где М₂ – произвольная точка прямой a , отличная от точки M₁ , а H₂ – основание перпендикуляра, проведенного из точки М₂ на прямую b . Доказав этот факт, мы докажем и саму теорему.

Так как внутренние накрест лежащие углы, образованные при пересечении двух параллельных прямых секущей, равны (об этом говорилось в статье параллельные прямые, параллельность прямых), то , а прямая M₂H₂ , перпендикулярная прямой b по построению, перпендикулярна и прямой a . Тогда треугольники М₁H₁H₂ и М₂М₁H₂ прямоугольные, и, более того, они равны по гипотенузе и острому углу: М₁H₂ – общая гипотенуза, . Из равенства треугольников следует равенство их соответствующих сторон, поэтому, . Теорема доказана.

Следует заметить, что расстояние между двумя параллельными прямыми является наименьшим из расстояний от точек одной прямой до точек другой прямой.

Нахождение расстояния между параллельными прямыми – теория, примеры, решения.

Итак, нахождение расстояния между параллельными прямыми сводится к нахождению длины перпендикуляра, проведенного из некоторой точки одной из прямых на другую прямую. При этом подбирается метод, позволяющий это расстояние отыскать. Выбор метода зависит от условий конкретной задачи. В некоторых случаях можно использовать теорему Пифагора, в других — признаки равенства или подобия треугольников, определения синуса, косинуса или тангенса угла и т.п. Если же параллельные прямые заданы в прямоугольной системе координат, то расстояние между заданными параллельными прямыми можно вычислить методом координат. На нем и остановимся.

Сформулируем условие задачи.

Пусть на плоскости или в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат, заданы две параллельные прямые a и b и требуется найти расстояние между этими прямыми.

Решение этой задачи строится на определении расстояния между параллельными прямыми — чтобы найти расстояние между двумя заданными параллельными прямыми нужно:

• определить координаты некоторой точки М₁ , лежащей на прямой a (или на прямой b );
• вычислить расстояние от точки М₁ до прямой b (или a ).

С определением координат точки М₁ , лежащей на какой-нибудь из заданных параллельных прямых, проблем не возникнет, если, конечно, Вам знакомы основные виды уравнения прямой на плоскости и уравнения прямой в пространстве. Для нахождения расстояния от точки М₁ до нужной из заданных параллельных прямых Вам будет полезна информация из раздела нахождение расстояния от точки до прямой.

В частности, если в прямоугольной системе координат Oxy на плоскости прямую a задает общее уравнение прямой вида , а прямую b , параллельную прямой a , — общее уравнение прямой , то расстояние между этими параллельными прямыми можно вычислить по формуле .

Покажем вывод этой формулы.

Возьмем точку , которая лежит на прямой a , тогда координаты точки М₁ удовлетворяют уравнению , то есть, справедливо равенство , откуда имеем .

Если , то нормальное уравнение прямой b имеет вид , а если , то нормальное уравнение прямой b имеет вид . Тогда при расстояние от точки до прямой b вычисляется по формуле , а при — по формуле

То есть, при любом значении С₂ расстояние от точки до прямой b можно вычислить по формуле . А если учесть равенство , которое было получено выше, то последняя формула примет вид . На этом вывод формулы для вычисления расстояние между двумя параллельными прямыми, заданными общими уравнениями прямых вида и завершен.

Разберем решения примеров.

Начнем с нахождения расстояния между двумя параллельными прямыми, заданными в прямоугольной системе координат Oxy на плоскости.

Найдите расстояние между параллельными прямыми и .

Очевидно, что прямая, которой соответствуют параметрические уравнения прямой на плоскости вида , проходит через точку .

Искомое расстояние между параллельными прямыми равно расстоянию от точки до прямой . Вычислим его.

Получим нормальное уравнение прямой, которой отвечает уравнение прямой с угловым коэффициентом вида . Для этого сначала запишем общее уравнение прямой: . Теперь вычислим нормирующий множитель: . Умножив на него обе части последнего уравнения, имеем нормальное уравнение прямой: . Искомое расстояние равно модулю значения выражения , вычисленного при . Итак, расстояние между заданными параллельными прямыми равно

Второй способ решения.

Получим общие уравнения заданных параллельных прямых.

Выше мы выяснили, что прямой соответствует общее уравнение прямой . Перейдем от параметрических уравнений прямой вида к общему уравнению этой прямой:

Коэффициенты при переменных x и y в полученных общих уравнениях параллельных прямых равны, поэтому мы сразу можем применить формулу для вычисления расстояния между параллельными прямыми на плоскости: .

.

На плоскости введена прямоугольная система координат Oxy и даны уравнения двух параллельных прямых и . Найдите расстояние между указанными параллельными прямыми.

Канонические уравнения прямой на плоскости вида позволяют сразу записать координаты точки М₁ , лежащей на этой прямой: . Расстояние от этой точки до прямой равно искомому расстоянию между параллельными прямыми. Уравнение является нормальным уравнением прямой, следовательно, мы можем сразу вычислить расстояние от точки до прямой : .

Второй способ решения.

Общее уравнение одной из заданных параллельных прямых нам уже дано . Приведем каноническое уравнение прямой к общему уравнению прямой: . Коэффициенты при переменной x в общих уравнениях заданных параллельных прямых равны (при переменной y коэффициенты тоже равны — они равны нулю), поэтому можно применять формулу, позволяющую вычислить расстояние между заданными параллельными прямыми: .

Осталось рассмотреть пример нахождения расстояния между параллельными прямыми в трехмерном пространстве.

Найдите расстояние между двумя параллельными прямыми, которым в прямоугольной системе координат Oxyz соответствуют канонические уравнения прямой в пространстве вида и .

Очевидно, прямая проходит через точку . Вычислим расстояние от этой точки до прямой — оно даст нам искомое расстояние между параллельными прямыми.

Прямая проходит через точку . Обозначим направляющий вектор прямой как , он имеет координаты . Вычислим координаты вектора (при необходимости смотрите статью координаты вектора по координатам точек): . Найдем векторное произведение векторов и :

Теперь осталось применить формулу, позволяющую вычислить расстояние от точки до прямой в пространстве: .

расстояние между заданными параллельными прямыми равно .

2.5.6. Как найти расстояние между параллельными прямыми?

Ответим на этот вопрос конкретной задачей:

Задача 82

Найти расстояние между двумя параллельными прямыми, заданными в декартовой системе координат: .

Решение: расстояние между параллельными прямыми найдём как расстояние от точки до прямой. Для этого достаточно найти одну точку, принадлежащую любой прямой. Из уравнения легко усмотреть точку . Вычислим расстояние:

Примечание: последним действием домножили числитель и знаменатель на – чтобы избавиться от иррациональности в знаменателе.

Ответ:

Как видите, здесь бесконечно много способов решения.