用点的坐标与坐标法研究图形

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  你知道如何表示点的位置吗?下面跟着田老师看一看吧。
  1.用坐标表示点的位置。
  几何学研究图形的形状、大小和位置。几何图形是按“点-线-面-体”的顺序由简单到复杂发展的。点是构成图形的最基本的元素,在研究它时,一般只考虑位置,不考虑大小。如何准确无误地描述点的位置?这是几何学中的一个基本问题。
  如图1,在线段AB上有点C,D,E,怎样准确地说出它们的位置呢?我们可以量出点C,D,E到线段一端点A的距离,如果距离分别为C,d,e,那么可以说点C,D,E在线段AB上且到点A的距离分别为c,d,e。
  我们知道数轴上的点与实数一一对应,所以要表示数轴上某个点的位置,只要说出这个点所对应的实数即可。因此。要表示一条确定直线上的点的位置,只要在这条直线上建立数轴。即确定正方向、原点和单位长度。直线上的每一点就都有了对应的数值。
  如图2,一张长方形纸上有点P,O,R,怎样准确地说出它们的位置呢?这些点都在同一平面上,但不都在同一直线上,只用一条数轴已无法表示它们的位置。于是有了用两条数轴解决问题的方法。
  如图3,以纸上某定点为原点O。先画一条水平的数轴,取向右为正方向,记作x轴;过原点O再画一条竖直的数轴,也以点O为原点,取向上为正方向,记作y轴。这就组成一个平面直角坐标系。从点P分别向x轴和y轴作垂线,垂足分别对应x轴上的数a和y轴上的数b,这样点P与有序实数对(a,b)对应起来。(a,b)是点P的坐标,它以数量方式表示点P在纸上的位置。按照这种方法。点Q,R的位置也可表示出来。
  在一个平面上,像上面那样建立平面直角坐标系后。平面上任一点都有一个有序实数对(x,y)与之对应,而且不同的点所对应的有序实数对也不同;反过来,任一确定的有序实数对(x,y)在平面上只对应唯一的点。因此,有序实数对与平面上的点一一对应。
  在教室里随意选取点P,Q,R(它们可能在地面或墙壁或顶棚或空中),怎样准确地说出它们的位置呢?这些点不一定都在同一直线或同一平面上,只用一条或两条数轴已无法表示它们的位置,于是有了用三条数轴解决问题的方法。
  如图4,以教室内某定点为公共原点O,画三条两两垂直(如同长方体同一顶点处的三条棱)的数轴,分别记作x轴,y轴和x轴,这就组成一个空间直角坐标系。从点P分别向三条坐标轴作垂线,垂足分别对应x轴上的数a,y轴上的数b和z轴上的数c,这样点P与有序实数组(a,b,c)对应起来。(a,b,c)是点P的坐标,它以数量方式表示点P在教室中的位置。按照这种方法,点Q,R的位置也可表示出来。
  在空间中,像上面那样建立空间直角坐标系后,空间中任一点都有一个有序实数组(x,y,zz)与之对应,而且不同的点所对应的有序实数组也不同;反过来,任一确定的有序实数组(x,y,z)在空间中只对应唯一的点。因此,有序实数组与空间中的点一一对应。
  综上可知,确定直线上点的位置时,用一条数轴组成的直线坐标系。点的坐标为一个实数,这叫作一维坐标。确定平面上点的位置时,用两条数轴组成的平面坐标系,点的坐标为一个有序实数对,这叫作二维坐标。确定空间中点的位置时,用三条数轴组成的空间坐标系,点的坐标为一个包含三个实数的有序实数组,这叫作三维坐标。总之,点的坐标是以数量形式表示点的位置的方式。这种方式使用得很普遍,如电影票、火车票、飞机票等,都用这種方式来表示座位的位置。
  2.用坐标法研究图形。
  坐标的产生起源于表示点的位置。但是坐标的作用并不局限于表示点的位置。数学研究的主要对象是数量关系(简称“数”)和空间形式(简称“形”),两者密切相关。用坐标表示点的位置,为将“数”与“形”互相转化开辟了道路。
  笛卡儿是17世纪时法国的哲学家和数学家,他创立了一种研究数学的新方法——坐标法。这种方法可以使几何问题代数化,即用坐标表示点,用关于坐标的方程表示曲线。坐标法开创了解析几何这个数学分支。也为微积分的诞生创造了条件。有人曾这样评价:笛卡儿坐标的出现,是数学中的转折点。从此运动和辩证法进入了数学。微积分的出现也成为必然结果。
  如何用方程表示曲线(包括直线)呢?我们看个简单的例子。如图5,∠AOB=90°。OC是LA OB的平分线,我们要用方程表示它。以点D为原点,OA,OB所在的直线为坐标轴,建立平面直角坐标系。设射线OC上任一点P的坐标为(x,y),因为点P在∠AOB的平分线上,所以它到x轴和y轴的距离相等,并且横、纵坐标都不会是负数。于是点P的坐标(x,y)应满足x=y(x≥0,y≥10)。反过来,凡是坐标(x,y)满足方程x=y(x≥0,y≥0)的点都在射线OC上。这就是说,方程x=y(x≥0,y≥0)的解与射线OC上的点一一对应,它们是同一对象的两种不同的表现形式。
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