Формула расстояния от центра окружности до прямой

Видео:ОГЭ ЗАДАНИЕ 16 НАЙДИТЕ ДЛИНУ ХОРДЫ ОКРУЖНОСТИ ЕСЛИ РАДИУС 13 РАССТОЯНИЕ ДО ХОРДЫ 5Скачать

Формула для вычисления расстояния от точки до прямой на плоскости

Если задано уравнение прямой A x + B y + C = 0, то расстояние от точки M(M _x , M _y ) до прямой можно найти, используя следующую формулу

Видео:№631. Пусть d — расстояние от центра окружности радиуса r до прямой р. Каково взаимное расположениеСкачать

Примеры задач на вычисление расстояния от точки до прямой на плоскости

Решение. Подставим в формулу коэффициенты прямой и координаты точки

Ответ: расстояние от точки до прямой равно 0.6.

Любые нецензурные комментарии будут удалены, а их авторы занесены в черный список!

Добро пожаловать на OnlineMSchool.
Меня зовут Довжик Михаил Викторович. Я владелец и автор этого сайта, мною написан весь теоретический материал, а также разработаны онлайн упражнения и калькуляторы, которыми Вы можете воспользоваться для изучения математики.

Видео:Расстояние между высотой и центром окружности (от точки до прямой) ОГЭ-ЕГЭСкачать

Расстояние от точки до прямой на плоскости и в пространстве: определение и примеры нахождения

Данная статья рассказывает о теме «расстояния от точки до прямой», рассматриваются определения расстояния от точки к прямой с иллюстрированными примерами методом координат. Каждый блок теории в конце имеет показанные примеры решения подобных задач.

Видео:Расстояние от точки до плоскости / Вывод формулыСкачать

Расстояние от точки до прямой – определение

Расстояние от точки до прямой находится через определение расстояния от точки до точки. Рассмотрим подробней.

Пусть имеется прямая a и точка М 1 , не принадлежащая заданной прямой. Через нее проведем прямую b , расположенную перпендикулярно относительно прямой a . Точка пересечения прямых возьмем за Н 1 . Получим, что М 1 Н 1 является перпендикуляром, который опустили из точки М 1 к прямой a .

Расстоянием от точки М 1 к прямой a называется расстояние между точками М 1 и Н 1 .

Бывают записи определения с фигурированием длины перпендикуляра.

Расстоянием от точки до прямой называют длину перпендикуляра, проведенного из данной точки к данной прямой.

Определения эквивалентны. Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Известно, что расстояние от точки до прямой является наименьшим из всех возможных. Рассмотрим это на примере.

Если взять точку Q , лежащую на прямой a , не совпадающую с точкой М 1 , тогда получим, что отрезок М 1 Q называется наклонной, опущенной из М 1 к прямой a . Необходимо обозначить, что перпендикуляр из точки М 1 является меньше, чем любая другая наклонная, проведенная из точки к прямой.

Чтобы доказать это, рассмотрим треугольник М 1 Q 1 Н 1 , где М 1 Q 1 является гипотенузой. Известно, что ее длина всегда больше длины любого из катетов. Значим, имеем, что M 1 H 1 M 1 Q . Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Видео:Как найти диаметр окружности, зная длину хорды и расстояние от центра окружности до неё? #огэ #егэСкачать

Расстояние от точки до прямой на плоскости – теория, примеры, решения

Исходные данные для нахождения от точки до прямой позволяют использовать несколько методов решения: через теорему Пифагора, определения синуса, косинуса, тангенса угла и другими. Большинство заданий такого типа решают в школе на уроках геометрии.

Когда при нахождении расстояния от точки до прямой можно ввести прямоугольную систему координат, то применяют метод координат. В данном пункте рассмотрим основных два метода нахождения искомого расстояния от заданной точки.

Первый способ подразумевает поиск расстояния как перпендикуляра, проведенного из М 1 к прямой a . Во втором способе используется нормальное уравнение прямой а для нахождения искомого расстояния.

Если на плоскости имеется точка с координатами M 1 ( x 1 , y 1 ) , расположенная в прямоугольной системе координат, прямая a , а необходимо найти расстояние M 1 H 1 , можно произвести вычисление двумя способами. Рассмотрим их.

Если имеются координаты точки H 1 , равные x 2 , y 2 , тогда расстояние от точки до прямой вычисляется по координатам из формулы M 1 H 1 = ( x 2 — x 1 ) 2 + ( y 2 — y 1 ) 2 .

Теперь перейдем к нахождению координат точки Н 1 .

Известно, что прямая линия в О х у соответствует уравнению прямой на плоскости. Возьмем способ задания прямой a через написание общего уравнения прямой или уравнения с угловым коэффициентом. Составляем уравнение прямой, которая проходит через точку М 1 перпендикулярно заданной прямой a . Прямую обозначим буковой b . Н 1 является точкой пересечения прямых a и b , значит для определения координат необходимо воспользоваться статьей, в которой идет речь о координатах точек пересечения двух прямых.

Видно, что алгоритм нахождения расстояния от заданной точки M 1 ( x 1 , y 1 ) до прямой a проводится согласно пунктам:

• нахождение общего уравнения прямой a , имеющее вид A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 ,или уравнение с угловым коэффициентом, имеющее вид y = k 1 x + b 1 ;
• получение общего уравнения прямой b , имеющее вид A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 или уравнение с угловым коэффициентом y = k 2 x + b 2 , если прямая b пересекает точку М 1 и является перпендикулярной к заданной прямой a ;
• определение координат x 2 , y 2 точки Н 1 _, являющейся точкой пересечения a и b , для этого производится решение системы линейных уравнений A 1 x + B 1 y + C 1 = 0 A 2 x + B 2 y + C 2 = 0 или y = k 1 x + b 1 y = k 2 x + b 2 ;
• вычисление искомого расстояния от точки до прямой, используя формулу M 1 H 1 = ( x 2 — x 1 ) 2 + ( y 2 — y 1 ) 2 .

Теорема способна помочь ответить на вопрос о нахождении расстояния от заданной точки до заданной прямой на плоскости.

Прямоугольная система координат имеет О х у имеет точку M 1 ( x 1 , y 1 ) , из которой проведена прямая а к плоскости, задаваемая нормальным уравнением плоскости, имеющее вид cos α · x + cos β · y — p = 0 , равно по модулю значению, получаемому в левой части нормального уравнения прямой, вычисляемому при x = x 1 , y = y 1 , значит, что M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 — p .

Прямой а соответствует нормальное уравнение плоскости, имеющее вид cos α · x + cos β · y — p = 0 , тогда n → = ( cos α , cos β ) считается нормальным вектором прямой a при расстоянии от начала координат до прямой a с p единицами. Необходимо изобразить все данные на рисунке, добавить точку с координатами M 1 ( x 1 , y 1 ) , где радиус-вектор точки М 1 — O M 1 → = ( x 1 , y 1 ) . Необходимо провести прямую от точки до прямой, которое обозначим M 1 H 1 . Необходимо показать проекции М 2 и Н 2 точек М 1 и Н 2 на прямую, проходящую через точку O с направляющим вектором вида n → = ( cos α , cos β ) , а числовую проекцию вектора обозначим как O M 1 → = ( x 1 , y 1 ) к направлению n → = ( cos α , cos β ) как n p n → O M 1 → .

Вариации зависят от расположения самой точки М 1 . Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Результаты фиксируем при помощи формулы M 1 H 1 = n p n → O M → 1 — p . После чего приводим равенство к такому виду M 1 H 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 — p для того, чтобы получить n p n → O M → 1 = cos α · x 1 + cos β · y 1 .

Скалярное произведение векторов в результате дает преобразованную формулу вида n → , O M → 1 = n → · n p n → O M 1 → = 1 · n p n → O M 1 → = n p n → O M 1 → , которая является произведением в координатной форме вида n → , O M 1 → = cos α · x 1 + cos β · y 1 . Значит, получаем, что n p n → O M 1 → = cos α · x 1 + cos β · y 1 . Отсюда следует, что M 1 H 1 = n p n → O M 1 → — p = cos α · x 1 + cos β · y 1 — p . Теорема доказана.

Получаем, что для нахождения расстояния от точки M 1 ( x 1 , y 1 ) к прямой a на плоскости необходимо выполнить несколько действий:

• получение нормального уравнения прямой a cos α · x + cos β · y — p = 0 , при условии, что его нет в задании;
• вычисление выражения cos α · x 1 + cos β · y 1 — p , где полученное значение принимает M 1 H 1 .

Видео:Всё про углы в окружности. Геометрия | МатематикаСкачать

Решение задач на нахождение расстояния от заданной точки до заданной прямой на плоскости

Применим данные методы на решении задач с нахождением расстояния от точки до плоскости.

Найти расстояние от точки с координатами M 1 ( — 1 , 2 ) к прямой 4 x — 3 y + 35 = 0 .

Применим первый способ для решения.

Для этого необходимо найти общее уравнение прямой b , которая проходит через заданную точку M 1 ( — 1 , 2 ) , перпендикулярно прямой 4 x — 3 y + 35 = 0 . Из условия видно, что прямая b является перпендикулярной прямой a , тогда ее направляющий вектор имеет координаты, равные ( 4 , — 3 ) . Таким образом имеем возможность записать каноническое уравнение прямой b на плоскости, так как имеются координаты точки М 1 , принадлежит прямой b . Определим координаты направляющего вектора прямой b . Получим, что x — ( — 1 ) 4 = y — 2 — 3 ⇔ x + 1 4 = y — 2 — 3 . Полученное каноническое уравнение необходимо преобразовать к общему. Тогда получаем, что

x + 1 4 = y — 2 — 3 ⇔ — 3 · ( x + 1 ) = 4 · ( y — 2 ) ⇔ 3 x + 4 y — 5 = 0

Произведем нахождение координат точек пересечения прямых, которое примем за обозначение Н 1 . Преобразования выглядят таким образом:

4 x — 3 y + 35 = 0 3 x + 4 y — 5 = 0 ⇔ x = 3 4 y — 35 4 3 x + 4 y — 5 = 0 ⇔ x = 3 4 y — 35 4 3 · 3 4 y — 35 4 + 4 y — 5 = 0 ⇔ ⇔ x = 3 4 y — 35 4 y = 5 ⇔ x = 3 4 · 5 — 35 4 y = 5 ⇔ x = — 5 y = 5

Из выше написанного имеем, что координаты точки Н 1 равны ( — 5 ; 5 ) .

Необходимо вычислить расстояние от точки М 1 к прямой a . Имеем, что координаты точек M 1 ( — 1 , 2 ) и H 1 ( — 5 , 5 ) , тогда подставляем в формулу для нахождения расстояния и получаем, что

M 1 H 1 = ( — 5 — ( — 1 ) 2 + ( 5 — 2 ) 2 = 25 = 5

Второй способ решения.

Для того, чтобы решить другим способом, необходимо получить нормальное уравнение прямой. Вычисляем значение нормирующего множителя и умножаем обе части уравнения 4 x — 3 y + 35 = 0 . Отсюда получим, что нормирующий множитель равен — 1 4 2 + ( — 3 ) 2 = — 1 5 , а нормальное уравнение будет вида — 1 5 · 4 x — 3 y + 35 = — 1 5 · 0 ⇔ — 4 5 x + 3 5 y — 7 = 0 .

По алгоритму вычисления необходимо получить нормальное уравнение прямой и вычислить его со значениями x = — 1 , y = 2 . Тогда получаем, что

— 4 5 · — 1 + 3 5 · 2 — 7 = — 5

Отсюда получаем, что расстояние от точки M 1 ( — 1 , 2 ) к заданной прямой 4 x — 3 y + 35 = 0 имеет значение — 5 = 5 .

Видно, что в данном методе важно использование нормального уравнения прямой, так как такой способ является наиболее коротким. Но первый метод удобен тем, что последователен и логичен, хотя имеет больше пунктов вычисления.

На плоскости имеется прямоугольная система координат О х у с точкой M 1 ( 8 , 0 ) и прямой y = 1 2 x + 1 . Найти расстояние от заданной точки до прямой.

Решение первым способом подразумевает приведение заданного уравнения с угловым коэффициентом к уравнению общего вида. Для упрощения можно сделать иначе.

Если произведение угловых коэффициентов перпендикулярных прямых имеют значение — 1 , значит угловой коэффициент прямой перпендикулярной заданной y = 1 2 x + 1 имеет значение 2 . Теперь получим уравнение прямой, проходящее через точку с координатами M 1 ( 8 , 0 ) . Имеем, что y — 0 = — 2 · ( x — 8 ) ⇔ y = — 2 x + 16 .

Переходим к нахождению координат точки Н 1 , то есть точкам пересечения y = — 2 x + 16 и y = 1 2 x + 1 . Составляем систему уравнений и получаем:

y = 1 2 x + 1 y = — 2 x + 16 ⇔ y = 1 2 x + 1 1 2 x + 1 = — 2 x + 16 ⇔ y = 1 2 x + 1 x = 6 ⇔ ⇔ y = 1 2 · 6 + 1 x = 6 = y = 4 x = 6 ⇒ H 1 ( 6 , 4 )

Отсюда следует, что расстояние от точки с координатами M 1 ( 8 , 0 ) к прямой y = 1 2 x + 1 равно расстоянию от точки начала и точки конца с координатами M 1 ( 8 , 0 ) и H 1 ( 6 , 4 ) . Вычислим и получим, что M 1 H 1 = 6 — 8 2 + ( 4 — 0 ) 2 20 = 2 5 .

Решение вторым способом заключается в переходе от уравнения с коэффициентом к нормальному его виду. То есть получим y = 1 2 x + 1 ⇔ 1 2 x — y + 1 = 0 , тогда значение нормирующего множителя будет — 1 1 2 2 + ( — 1 ) 2 = — 2 5 . Отсюда следует, что нормальное уравнение прямой принимает вид — 2 5 · 1 2 x — y + 1 = — 2 5 · 0 ⇔ — 1 5 x + 2 5 y — 2 5 = 0 . Произведем вычисление от точки M 1 8 , 0 к прямой вида — 1 5 x + 2 5 y — 2 5 = 0 . Получаем:

M 1 H 1 = — 1 5 · 8 + 2 5 · 0 — 2 5 = — 10 5 = 2 5

Необходимо вычислить расстояние от точки с координатами M 1 ( — 2 , 4 ) к прямым 2 x — 3 = 0 и y + 1 = 0 .

Получаем уравнение нормального вида прямой 2 x — 3 = 0 :

2 x — 3 = 0 ⇔ 1 2 · 2 x — 3 = 1 2 · 0 ⇔ x — 3 2 = 0

После чего переходим к вычислению расстояния от точки M 1 — 2 , 4 к прямой x — 3 2 = 0 . Получаем:

M 1 H 1 = — 2 — 3 2 = 3 1 2

Уравнение прямой y + 1 = 0 имеет нормирующий множитель со значением равным -1. Это означает, что уравнение примет вид — y — 1 = 0 . Переходим к вычислению расстояния от точки M 1 ( — 2 , 4 ) к прямой — y — 1 = 0 . Получим, что оно равняется — 4 — 1 = 5 .

Ответ: 3 1 2 и 5 .

Подробно рассмотрим нахождение расстояния от заданной точки плоскости к координатным осям О х и О у .

В прямоугольной системе координат у оси О у имеется уравнение прямой, которое является неполным имеет вида х = 0 , а О х — y = 0 . Уравнения являются нормальными для осей координат, тогда необходимо найти расстояние от точки с координатами M 1 x 1 , y 1 до прямых. Это производится, исходя из формул M 1 H 1 = x 1 и M 1 H 1 = y 1 . Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Найти расстояние от точки M 1 ( 6 , — 7 ) до координатных прямых, расположенных в плоскости О х у .

Так как уравнение у = 0 относится к прямой О х , можно найти расстояние от M 1 с заданными координатами, до этой прямой, используя формулу. Получаем, что 6 = 6 .

Так как уравнение х = 0 относится к прямой О у , то можно найти расстояние от М 1 к этой прямой по формуле. Тогда получим, что — 7 = 7 .

Ответ: расстояние от М 1 к О х имеет значение 6 , а от М 1 к О у имеет значение 7 .

Видео:§15 Расстояние от точки до прямойСкачать

Расстояние от точки до прямой в пространстве – теория, примеры, решения

Когда в трехмерном пространстве имеем точку с координатами M 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) , необходимо найти расстояние от точки A до прямой a .

Рассмотрим два способа, которые позволяют производить вычисление расстояние от точки до прямой a , расположенной в пространстве. Первый случай рассматривает расстояние от точки М 1 к прямой, где точка на прямой называется Н 1 и является основанием перпендикуляра, проведенного из точки М 1 на прямую a . Второй случай говорит о том, что точки этой плоскости необходимо искать в качестве высоты параллелограмма.

Из определения имеем, что расстояние от точки М 1 _, расположенной на прямой а, является длиной перпендикуляра М 1 Н 1 _, тогда получим, что при найденных координатах точки Н 1 , тогда найдем расстояние между M 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) и H 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) , исходя из формулы M 1 H 1 = x 2 — x 1 2 + y 2 — y 1 2 + z 2 — z 1 2 .

Получаем, что все решение идет к тому, чтобы найти координаты основания перпендикуляра, проведенного из М 1 на прямую a . Это производится следующим образом: Н 1 является точкой, где пересекаются прямая a с плоскостью, которая проходит через заданную точку.

Значит, алгоритм определения расстояния от точки M 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) к прямой a пространства подразумевает несколько пунктов:

• составление уравнение плоскости χ в качестве уравнения плоскости, проходящего через заданную точку, находящуюся перпендикулярно прямой;
• определение координат ( x 2 , y 2 , z 2 ) , принадлежавших точке Н 1 , которая является точкой пересечения прямой a и плоскости χ ;
• вычисление расстояния от точки до прямой при помощи формулы M 1 H 1 = x 2 — x 1 2 + y 2 — y 1 2 + z 2 — z 1 2 .

Из условия имеем прямую a , тогда можем определить направляющий вектор a → = a x , a y , a z с координатами x 3 , y 3 , z 3 и определенной точки М 3 _,принадлежащей прямой a . При наличии координат точек M 1 ( x 1 , y 1 ) и M 3 x 3 , y 3 , z 3 можно произвести вычисление M 3 M 1 → :

M 3 M 1 → = ( x 1 — x 3 , y 1 — y 3 , z 1 — z 3 )

Следует отложить векторы a → = a x , a y , a z и M 3 M 1 → = x 1 — x 3 , y 1 — y 3 , z 1 — z 3 из точки М 3 , соединим и получим фигуру параллелограмма. М 1 Н 1 является высотой параллелограмма.

Рассмотрим на рисунке, приведенном ниже.

Имеем, что высота М 1 Н 1 является искомым расстоянием, тогда необходимо найти его по формуле. То есть ищем M 1 H 1 .

Обозначим площадь параллелограмма за букву S , находится по формуле, используя вектор a → = ( a x , a y , a z ) и M 3 M 1 → = x 1 — x 3 . y 1 — y 3 , z 1 — z 3 . Формула площади имеет вид S = a → × M 3 M 1 → . Также площадь фигуры равняется произведению длин его сторон на высоту, получим, что S = a → · M 1 H 1 с a → = a x 2 + a y 2 + a z 2 , являющимся длиной вектора a → = ( a x , a y , a z ) , являющейся равной стороне параллелограмма. Значит, M 1 H 1 является расстоянием от точки до прямой. Ее нахождение производится по формуле M 1 H 1 = a → × M 3 M 1 → a → .

Для нахождения расстояния от точки с координатами M 1 ( x 1 , y 1 , z 1 ) до прямой a в пространстве, необходимо выполнить несколько пунктов алгоритма:

• определение направляющего вектора прямой a — a → = ( a x , a y , a z ) ;
• вычисление длины направляющего вектора a → = a x 2 + a y 2 + a z 2 ;
• получение координат x 3 , y 3 , z 3 , принадлежавших точке М₃, находящейся на прямой а;
• вычисление координат вектора M 3 M 1 → ;
• нахождение векторного произведения векторов a → ( a x , a y , a z ) и M 3 M 1 → = x 1 — x 3 , y 1 — y 3 , z 1 — z 3 в качестве a → × M 3 M 1 → = i → j → k → a x a y a z x 1 — x 3 y 1 — y 3 z 1 — z 3 для получения длины по формуле a → × M 3 M 1 → ;
• вычисление расстояния от точки до прямой M 1 H 1 = a → × M 3 M 1 → a → .

Видео:Геометрия на ЕГЭ. Расстояние от центра окружности до произвольной точки хорды. Степень точки.Скачать

Решение задач на нахождение расстояния от заданной точки до заданной прямой в пространстве

Найти расстояние от точки с координатами M 1 2 , — 4 , — 1 к прямой x + 1 2 = y — 1 = z + 5 5 .

Первый способ начинается с записи уравнения плоскости χ , проходящей через М 1 и перпендикулярно заданной точке. Получаем выражение вида:

2 · ( x — 2 ) — 1 · ( y — ( — 4 ) ) + 5 · ( z — ( — 1 ) ) = 0 ⇔ 2 x — y + 5 z — 3 = 0

Нужно найти координаты точки H 1 , являющейся точкой пересечения с плоскостью χ к заданной по условию прямой. Следует переходить от канонического вида к пересекающемуся. Тогда получаем систему уравнений вида:

x + 1 2 = y — 1 = z + 5 5 ⇔ — 1 · ( x + 1 ) = 2 · y 5 · ( x + 1 ) = 2 · ( z + 5 ) 5 · y = — 1 · ( z + 5 ) ⇔ x + 2 y + 1 = 0 5 x — 2 z — 5 = 0 5 y + z + 5 = 0 ⇔ x + 2 y + 1 = 0 5 x — 2 z — 5 = 0

Необходимо вычислить систему x + 2 y + 1 = 0 5 x — 2 z — 5 = 0 2 x — y + 5 z — 3 = 0 ⇔ x + 2 y = — 1 5 x — 2 z = 5 2 x — y + 5 z = 3 по методу Крамера, тогда получаем, что:

∆ = 1 2 0 5 0 — 2 2 — 1 5 = — 60 ∆ x = — 1 2 0 5 0 — 2 3 — 1 5 = — 60 ⇔ x = ∆ x ∆ = — 60 — 60 = 1 ∆ y = 1 — 1 0 5 5 2 2 3 5 = 60 ⇒ y = ∆ y ∆ = 60 — 60 = — 1 ∆ z = 1 2 — 1 5 0 5 2 — 1 3 = 0 ⇒ z = ∆ z ∆ = 0 — 60 = 0

Отсюда имеем, что H 1 ( 1 , — 1 , 0 ) .

Необходимо рассчитать расстояние между точками с координатами M 1 ( 2 , — 4 , — 1 ) и H 1 ( 1 , — 1 , 0 ) по формуле:

M 1 H 1 = 1 — 2 2 + — 1 — — 4 2 + 0 — — 1 2 = 11

Второй способ необходимо начать с поиска координат в каноническом уравнении. Для этого необходимо обратит внимание на знаменатели дроби. Тогда a → = 2 , — 1 , 5 является направляющим вектором прямой x + 1 2 = y — 1 = z + 5 5 . Необходимо вычислить длину по формуле a → = 2 2 + ( — 1 ) 2 + 5 2 = 30 .

Понятно, что прямая x + 1 2 = y — 1 = z + 5 5 пересекает точку M 3 ( — 1 , 0 , — 5 ) , отсюда имеем, что вектор с началом координат M 3 ( — 1 , 0 , — 5 ) и его концом в точке M 1 2 , — 4 , — 1 является M 3 M 1 → = 3 , — 4 , 4 . Находим векторное произведение a → = ( 2 , — 1 , 5 ) и M 3 M 1 → = ( 3 , — 4 , 4 ) .

Мы получаем выражение вида a → × M 3 M 1 → = i → j → k → 2 — 1 5 3 — 4 4 = — 4 · i → + 15 · j → — 8 · k → + 20 · i → — 8 · j → = 16 · i → + 7 · j → — 5 · k →

получаем, что длина векторного произведения равняется a → × M 3 M 1 → = 16 2 + 7 2 + — 5 2 = 330 .

Имеются все данные для использования формулы вычисления расстояния от точки для прямлой, поэтому применим ее и получим:

M 1 H 1 = a → × M 3 M 1 → a → = 330 30 = 11

Видео:Уравнение окружности и формула расстояния между точками на плоскостиСкачать

Вычислительная геометрия, или как я стал заниматься олимпиадным программированием. Часть 2

Вступление

Это вторая часть моей статьи посвящена вычислительной геометрии. Думаю, эта статья будет интереснее предыдущей, поскольку задачки будут чуть сложнее.

Начнем с взаимного расположения точки относительно прямой, луча и отрезка.

Задача №1

Определить взаимное расположении точки и прямой: лежит выше прямой, на прямой, под прямой.

Решение
Понятно, что если прямая задана своим уравнением ax + by + c = 0, то тут и решать нечего. Достаточно подставить координаты точки в уравнение прямой и проверить чему оно равно. Если больше нуля, то точка находится в верхней полуплоскости, если равна нулю, то точка находится на прямой и если меньше нуля, то точка находится в нижней полуплоскости. Интереснее случай, когда прямая задана, задана координатами двух точек назовем их P₁(x₁, y₁), P₂(x₂, y₂). В этом случае можно спокойно найти коэффициенты a, b и c и применить предыдущее рассуждение. Но надо сначала подумать, оно нам надо? Конечно, нет! Как я говорил косое произведения — это просто жемчужина вычислительной геометрии. Давайте применим его. Известно, что косое произведение двух векторов положительно, если поворот от первого вектора ко второму идет против часовой стрелки, равно нулю, если векторы коллинеарны и отрицательно, если поворот идет по часовой стрелки. Поэтому нам достаточно посчитать косое произведение векторов P₁P₂ и P₁M и по его знаку сделать вывод.

Задача №2

Определить принадлежит ли точка лучу.

Решение
Давайте вспомним, что такое луч: луч — это прямая, ограниченная точкой с одной стороны, а с другой стороны бесконечная. То есть луч задается некоторой начальной точкой и любой точкой лежащей на нем. Пусть точка P₁(x₁, y₁) — начало луча, а P₂(x₂, y₂) — любая точка принадлежащая лучу. Понятно, что если точка принадлежит лучу, то она принадлежит и прямой проходящей через эти точки, но не наоборот. Поэтому принадлежность прямой является необходимым, но не достаточным условием для принадлежности лучу. Поэтому от проверки косового произведения нам никуда не деться. Для достаточного условия нужно вычислить еще и скалярное произведение тех же векторов. Если оно меньше нуля, то точка не принадлежит лучу, если же оно не отрицательно, то точка лежит на луче. Почему так? Давайте посмотрим на рисунок.

Итак, для того чтобы точка M(x, y) лежала на луче с начальной точкой P₁(x₁, y₁), где P₂(x₂, y₂) лежит на луче необходимо и достаточно выполнения двух условий:
1. [P₁P₂, P₁M] = 0 – косое произведение (точка лежит на прямой)
2. (P₁P₂, P₁M) ≥ 0 – скалярное произведение (точка лежит на луче)

Задача №3

Определить принадлежит ли точка отрезку.

Решение
Пусть точки P₁(x₁, y₁), P₂(x₂, y₂) концы заданного отрезка. Опять-таки необходимым условием принадлежности точки отрезку является ее принадлежность прямой проходящей через P₁, P₂. Далее нам нужно определить лежит ли точка между точками P₁ и P₂, для этого нам на помощь приходит скалярное произведение векторов только на этот раз других: (MP₁, MP₂). Если оно меньше либо равно нуля, то точка лежит на отрезке, иначе вне отрезка. Почему так? Посмотрим на рисунок.

Итак, для того чтобы точка M(x, y) лежала на отрезке с концами P₁(x₁, y₁), P₂(x₂, y₂) необходимо и достаточно выполнения условий:
1. [P₁P₂, P₁M] = 0 – косое произведение (точка лежит на прямой)
2. (MP₁,MP₂) ≤ 0 – скалярное произведение (точка лежит между P₁ и P₂)

Задача №4

Взаимное расположение двух точек относительно прямой.

Решение
В этой задаче необходимо определить по одну или по разные стороны относительно прямой находятся две точки.

Если точки находятся по разные стороны относительно прямой, то косые произведения имеют разные знаки, а значит их произведение отрицательно. Если же точки лежат по одну сторону относительно прямой, то знаки косых произведений совпадают, значит, их произведение положительно.
Итак:
1. [P₁P₂, P₁M₁] * [P₁P₂, P₁M₂] 0 – точки лежат по одну сторону.
3. [P₁P₂, P₁M₁] * [P₁P₂, P₁M₂] = 0 – одна (или две) из точек лежит на прямой.

Кстати, задача об определении наличия точки пересечения у прямой и отрезка решается точно также. Точнее, это и есть эта же задача: отрезок и прямая пересекаются, когда концы отрезка находятся по разные стороны относительно прямой или когда концы отрезка лежат на прямой, то есть необходимо потребовать [P₁P₂, P₁M₁] * [P₁P₂, P₁M₂] ≤ 0.

Задача №5

Определить пересекаются ли две прямые.

Решение
Будем считать, что прямые не совпадают. Понятно, что прямые не пересекаются, только если они параллельны. Поэтому, найдя условие параллельности, мы можем, определить пересекаются ли прямые.
Допустим прямые заданы своими уравнениями a₁x + b₁y + c₁ = 0 и a₂x + b₂y + c₂ = 0. Тогда условие параллельности прямых заключается в том, что a₁b₂ — a₂b₁ = 0.
Если же прямые заданы точками P₁(x₁, y₁), P₂(x₂, y₂), M₁(x₃, y₃), M₂(x₄, y₄), то условие их параллельности заключается в проверки косого произведения векторов P₁P₂ и M₁M₂: если оно равно нулю, то прямые параллельны.

В общем, то когда прямые заданы своими уравнениями мы тоже проверяем косое произведение векторов (-b₁, a₁), (-b₂, a₂) которые называются направляющими векторами.

Задача №6

Определить пересекаются ли два отрезка.

Решение
Вот эта задача мне, действительно, нравится. Отрезки пересекаются тогда, когда, концы каждого отрезка лежат по разные стороны от другого отрезка. Посмотрим на рисунок:

Итак, нам нужно проверить, чтобы концы каждого из отрезков лежали по разные стороны относительного концов другого отрезка. Пользуемся косым произведением векторов. Посмотрите на первый рисунок: [P₁P₂, P₁M₂] > 0, [P₁P₂, P₁M₁] [P₁P₂, P₁M₂] * [P₁P₂, P₁M₁] 2 + b 2 ).

Задача №8

Расстояние от точки до луча.

Решение
Эта задача отличается от предыдущей тем, что в этом случае может получиться, так что перпендикуляр из точки не падает на луч, а падает на его продолжение.

В случае, когда перпендикуляр не падает на луч необходимо найти расстояние от точки до начала луча – это и будет ответом на задачу.

Как же определить падает ли перпендикуляр на луч или нет? Если перпендикуляр не падает на луч, то угол MP₁P₂ – тупой иначе острый (прямой). Поэтому по знаку скалярного произведения векторов мы можем определить попадает ли перпендикуляр на луч или нет:
1. (P₁M, P₁P₂) 2 .

Теперь рассмотрим случай, когда центр второго круга O₂ находится между точками O₁ и C. В этом случае получим отрицательное значение величины d₂. Использование отрицательного значения d₂ приводит к отрицательному значению α. В этом случае необходимо для правильного ответа прибавить к α 2π.

Заключение

Ну вот и все. Мы рассмотрели не все, но наиболее часто встречаемые задачи вычислительной геометрии касающиеся взаимного расположения объектов.

🎦 Видео

Математика | 5 ЗАДАЧ НА ТЕМУ ОКРУЖНОСТИ. Касательная к окружности задачиСкачать

№632. Расстояние от точки А до центра окружности меньше радиуса окружности. Докажите, что любаяСкачать

Найдите длину хорды окружности радиусом 13, если расстояние от центра окружности до хорды равно 5.Скачать

Отрезки AB и CD являются хордами окружности. Найдите расстояние от центра окружности до хорды CDСкачать

Длина хорды окружности равна 72 ... | ОГЭ 2017 | ЗАДАНИЕ 10 | ШКОЛА ПИФАГОРАСкачать

Окружность, диаметр, хорда геометрия 7 классСкачать

ОГЭ 2022 Демоверсия. 16 заданиеСкачать

Лекция 24. Расстояние от точки до прямой на плоскости.Скачать

16)Найдите длину хорды окружности радиусом 13, если расстояние от центра окружности до хорды равно 5Скачать

10 класс, 19 урок, Расстояние от точки до плоскостиСкачать

Задание 24 ОГЭ по математике #6Скачать