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附加数学 · 向量相依性与比例推理

用两条路线求交点

两条线在三角形里相交,你却看不出怎样得到一条方程。

要求两条线相交的点,就把交点的位置写两次,每条线一次。然后对比 a 和 b 的系数。

这一课建立在由两种写法求未知比例之上,两课都属于向量的依赖关系与比例推理。

题目给了我什么?

在三角形 OAB 中,OA = a,OB = b。M 在 OA 上,OM = (1/3)a,N 是 OB 的中点,所以 ON = (1/2)b。线 AN 与 BM 相交于 P。求 OP。

需要两个未知数,每条线一个。设 AP = λAN,BP = μBM。

完整的解答

路线一,沿 AN。 OP = OA + λAN。先求 AN = ON − OA = (1/2)b − a。所以 OP = a + λ((1/2)b − a) = (1 − λ)a + (λ/2)b。

路线二,沿 BM。 OP = OB + μBM。先求 BM = OM − OB = (1/3)a − b。所以 OP = b + μ((1/3)a − b) = (μ/3)a + (1 − μ)b。

a 和 b 不平行,所以可以对比系数。

  • a:1 − λ = μ/3
  • b:λ/2 = 1 − μ

由第二条得 λ = 2 − 2μ。代入第一条:1 − (2 − 2μ) = μ/3,所以 −1 + 2μ = μ/3,(5/3)μ = 1,得 μ = 3/5。于是 λ = 2 − 6/5 = 4/5。

现在 OP = (μ/3)a + (1 − μ)b = (1/5)a + (2/5)b。

沿两条线检验答案

在路线一里用 λ = 4/5:(1 − 4/5)a + (2/5)b = (1/5)a + (2/5)b,和路线二一致。

比例也随之得出。AP:PN = λ:(1 − λ) = 4/5 : 1/5,也就是 4:1。BP:PM = μ:(1 − μ) = 3/5 : 2/5,也就是 3:2。

会丢分的错误

常见的失误是两条线都用同一个字母。如果两条路线都用 λ,方程变成 1 − λ = λ/3 和 λ/2 = 1 − λ,没有共同的解,整个解题就垮了。

步骤 错误 正确
未知数 两条线都用 λ AN 用 λ,BM 用 μ
方程 1 − λ = λ/3 和 λ/2 = 1 − λ 1 − λ = μ/3 和 λ/2 = 1 − μ
结果 没有唯一的解 λ = 4/5,μ = 3/5

第二个失误是方向向量写错,例如把 AN 写成 a − (1/2)b。永远是终点减起点:AN = ON − OA。

自我检查

在三角形 OAB 中,OA = a,OB = b。M 是 OA 的中点,所以 OM = (1/2)a。N 在 OB 上,ON = (1/3)b。

线 AN 与 BM 相交于 P。求 OP。

答案

路线一,沿 AN:AN = (1/3)b − a,所以 OP = a + λ((1/3)b − a) = (1 − λ)a + (λ/3)b。

路线二,沿 BM:BM = (1/2)a − b,所以 OP = b + μ((1/2)a − b) = (μ/2)a + (1 − μ)b。

对比:1 − λ = μ/2,λ/3 = 1 − μ。由第二条得 λ = 3 − 3μ。则 1 − 3 + 3μ = μ/2,(5/2)μ = 2,μ = 4/5。于是 λ = 3 − 12/5 = 3/5。

OP = (2/5)a + (1/5)b。

用路线一检验:(1 − 3/5)a + (1/5)b = (2/5)a + (1/5)b,吻合。

接下来学什么

点也可以在线段之外。这正是检查外分比的符号的内容,也是这组课的最后一课。

想让老师帮你在新图形里选出两条路线,可以看线上一对一附加数学补习。应用题结构工作表 (英文)则给你一个整理长题目的版式。

常见问题

为什么两条线要用两个不同的字母?

两条线的未知分数是不同的。用 λ 表示一条线,μ 表示另一条,两者一般不相等。如果用同一个字母,就等于强迫它们相等,答案就会错。

怎样知道答案对不对?

把两个值代回去,看两条路线是否给出相同的 OP。如果 O 是三角形的一个顶点,还可以看 OP 里 a 和 b 的系数之和,是否小于 1,因为点在三角形内部。

每条路线应该从哪个点出发?

从 O 出发,因为所有位置向量都从 O 量起。先走到线上一个已知的点,再沿着线走一个未知的分数。对线 AN,走 OA,再加 λ 乘以 AN。

如果交点题总是卡在第一行,一对一的老师可以陪你专门练习那第一步,直到变成反射动作。

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