M_R_W21_M1 Prosta w układzie współrzędnych
3. Współczynnik kierunkowy prostej
Każdą prostą umieszczoną w prostokątnym układzie współrzędnych, która nie jest równoległa do osi , opisuje się tzw. równaniem kierunkowym . Jego współczynniki i mają ścisły związek z położeniem tej prostej. W tej lekcji dowiesz się, czym jest kąt nachylenia prostej do osi , jaki jest jego związek ze współczynnikiem kierunkowym prostej oraz w jaki sposób współczynnik kierunkowy decyduje o kierunku prostej.
Obliczysz współczynnik kierunkowy prostej, znając jej kąt nachylenia do osi i odwrotnie.
Wyznaczysz współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punkty o danych współrzędnych.
Wyznaczysz równanie prostej o danym współczynniku kierunkowym, do której należy dany punkt.
Zastosujesz wzór na równanie prostej, do której należą dwa różne punkty.
Zastosujesz poznane wzory do rozwiązywania zadań z geometrii analitycznej.
Kąt nachylenia prostej do osi
Najpierw dowiesz się, czym jest kąt nachylenia prostejkąt nachylenia prostej do osi .
Naszkicujmy prostą o równaniu w prostokątnym układzie współrzędnych. Kątem nachylenia prostej do osi nazwiemy kąt o wierzchołku w punkcie przecięcia tej prostej z osią . Jedno z ramion zawiera się w osi i jest zwrócone w tę stronę, w którą odcięte rosną, zaś drugie ramię zawiera się w tej części prostej, która leży nad osią .
Dodajmy, że na rysunkach poniżej widzimy tzw. kąty skierowane, których pewna właściwość jest dla nas istotna. Otóż kątem skierowanym nazwiemy kąt wykreślony przez dwie uporządkowane półproste, z których jedna (tu część osi ) jest ramieniem początkowym, a druga ramieniem końcowym (część prostej). Wierzchołkiem tego kąta jest punkt wspólny półprostych, które go tworzą. Kąt taki jest dodatni, jeśli ramię końcowe „przesuwa się” przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (jak na rysunku). Kąt skierowany ujemny natomiast jest zakreślony w przeciwną stronę (zgodnie z ruchem wskazówek zegara). Aby określić kąt nachylenia prostej do osi , będziemy rozpatrywać jedynie kąty skierowane dodatnie.


Jak można zauważyć z powyższych rysunków, kąt ten ma miarę z przedziału od do .

Wszystkie proste nachylone do osi pod tym samym kątem są równoległe, co możemy zauważyć na powyższym rysunku. Dlatego też w dalszej części rozważymy proste nierównoległe, przechodzące przez początek układu współrzędnych, których wyraz wolny jest równy zero. To pozwoli nam zauważyć zależność między współczynnikiem kierunkowym prostej a jej nachyleniem do osi .
Rozważmy prostą o równaniu i wybierzmy w niej jeden punkt o współrzędnych leżący na tej części prostej, która znajduje się ponad osią . Wówczas punkt ten spełnia równanie prostej, zatem otrzymujemy równość , która jest równoważna równości . Z lekcji o funkcjach trygonometrycznych kąta dowolnego wiemy, że to tangens kąta. Stąd możemy wyciągnąć wniosek, że o ile kąt nachylenia prostejkąt nachylenia prostej do osi nie jest prosty, to jego tangens jest równy współczynnikowi kierunkowemu tej prostej.
Dla prostej o równaniu i kącie nachylenia do osi zachodzi związek: , gdzie .

Wyznaczymy równanie prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych nachylonej do osi pod kątem:
a)

Ponieważ prosta przechodzi przez początek układu współrzędnych, to ma równanie kierunkowe postaci . Kąt nachylenia tej prostej to , zatem , czyli prosta ma równanie .
b)

Ponieważ prosta przechodzi przez początek układu współrzędnych, to ma równanie kierunkowe postaci . Kąt nachylenia tej prostej to , zatem , czyli prosta ma równanie .
Wyznaczymy kąty nachylenia do osi prostych o podanych równaniach.
a)
Ponieważ współczynnik kierunkowy prostej jest dodatni i równy oraz jej kąt nachylenia do osi jest między a , więc szukany kąt jest ostry. Kąt ostry, którego tangens jest równy , ma miarę .
b)
Ponieważ współczynnik kierunkowy prostej jest ujemny i równy oraz jej kąt nachylenia do osi jest między <math”> a , więc szukany kąt jest rozwarty. Kąt rozwarty, którego tangens jest równy , ma miarę .
Rzeczywiście .
Wyznaczymy równanie prostej nachylonej do osi pod kątem , która przecina oś w punkcie o rzędnej .

Ponieważ prosta nie jest równoległa do osi , wystarczy rozważyć równanie kierunkowe tej prostej. Skorzystamy z interpretacji współczynnika kierunkowego jako tangensa kąta nachylenia. Wynika z niej, że: . Zatem prosta ma równanie postaci . Wyraz wolny możemy wyznaczyć, korzystając z faktu, że prosta przecina oś w punkcie o współrzędnych . Z interpretacji graficznej współczynnika możemy wywnioskować, że . Zatem szukane równanie prostej to .
Wyznaczymy równanie prostej nachylonej do osi pod kątem , która przechodzi przez punkt o współrzędnych .

Ponieważ prosta nie jest pionowa, wystarczy rozważyć równanie kierunkowe tej prostej. Skorzystamy z interpretacji współczynnika kierunkowego jako tangensa kąta nachylenia.
Wynika z niego, że: .
Zatem prosta ma równanie postaci . Wyraz wolny możemy wyznaczyć, korzystając z faktu, że prosta przechodzi przez punkt o współrzędnych . Możemy do równania podstawić oraz :
.
Zatem szukane równanie prostej to .
Zastosujemy teraz interpretację współczynnika kierunkowego prostej do rozwiązania problemu z geometrii analitycznej.
Wierzchołki i trójkąta równoramiennego znajdują się na paraboli o równaniu oraz na prostej równoległej do osi . Punkt jest jednocześnie wierzchołkiem paraboli. Wyznacz współrzędne punktów , , jeśli wiadomo, że kąt rozwarty tego trójkąta ma miarę .

Po pierwsze obliczymy współrzędne punktów szczególnych paraboli: punktów jej przecięcia z osią oraz wierzchołka:
Z podanego równania możemy odczytać, że jedynym punktem wspólnym paraboli z osią jest punkt o współrzędnych . Są to jednocześnie współrzędne wierzchołka paraboli oraz punktu , który jest wierzchołkiem kąta o mierze .
Po drugie wyznaczymy równanie prostej :
Zauważmy, że prosta jest nachylona do osi pod kątem , zatem jej współczynnik kierunkowy jest równy . Zatem równanie prostej ma postać .
Wyraz wolny prostej możemy wyznaczyć podstawiając do równania współrzędne punktu : wtedy i tylko wtedy, gdy . Równanie prostej to .
Po trzecie wyznaczymy współrzędne punktu :
Ponieważ punkt leży i na prostej , i na paraboli, więc jego współrzędne możemy wyznaczyć, rozwiązując układ równań .
Z układu równań wynika równanie: , które jest równoważne z równaniem: .
Obliczymy pierwiastki tego równania: . Pierwiastkami powyższego równania kwadratowego są liczby i .
Drugą współrzędną punktu obliczymy podstawiając do równania paraboli: .
Zatem współrzędne punktów przecięcia prostej i paraboli to i .
Ponieważ punkty i są położone symetrycznie względem prostej o równaniu , więc punkt ma współrzędne .
Zapoznaj się z apletem. Zmieniaj suwakiem kąt nachylenia prostej do dodatniej półosi . Obserwuj zależność między współczynnikiem kierunkowym prostej a tangensem tego kąta. Pamiętaj, że wartości pokazywane przez aplet nie są dokładne (tangens dla większości kątów o miarach wyrażających się liczbą całkowitą jest liczbą niewymierną).
Zapoznaj się z poniższym apletem i poznaj zależność między współczynnikiem kierunkowym a kątem nachylenia prostej do osi . Zwróć uwagę na położenie prostej w układzie współrzędnych w zależności od wartości tego kąta.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D9R5NR1KF
Na podstawie informacji z poprzedniego polecenia, ustal dla podanych prostych, w jakim przedziale może znajdować się wartość kąta nachylenia prostych do osi odciętych.
Możliwe przedziały dla kąta : .
Równania prostych: .
Współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punkty
Jeden z aksjomatów geometrii mówi, że przez dwa punkty można przeprowadzić dokładnie jedną prostą. W tej lekcji dowiesz się, jak wyznaczyć współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punkty umieszczone w układzie współrzędnych.
Naszym celem jest wyznaczyć współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punktywspółczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punkty w układzie współrzędnych. Zauważmy, że jeśli punkty mają równe odcięte (pierwsze współrzędne), to prosta przez nie przechodząca jest równoległa do osi , zatem nie można jej opisać równaniem kierunkowym. W dalszej części będziemy rozważać punkty, które mają różne pierwsze współrzędne.
Rozważmy prostą przechodzącą przez punkty i . Wiemy już, że jej współczynnik kierunkowy jest równy tangensowi kąta jaki tworzy ta prosta z dodatnią półosią .

Z powyższego rysunku wynika, że .
Zatem współczynnik kierunkowy prostejwspółczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez dwa punkty jest równy ilorazowi różnicy drugich współrzędnych tych punktów przez różnicę pierwszych współrzędnych tych punktów.
Wyznaczymy współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez punkty i .
Zgodnie z wyprowadzonym powyżej wzorem współczynnik kierunkowy prostej jest równy .
Dany jest punkt i . Współczynnik kierunkowy prostej jest równy .
Wyznaczymy współrzędne przykładowych punktów spełniających warunki zadania.
Niech . Na podstawie powyższej zależności możemy zapisać równanie , które po przekształceniu przyjmuje postać , co oznacza, że .
W poniższej tabelce otrzymaliśmy współrzędne kilku punktów spełniających warunki zadania:
Przeanalizuj informacje zawarte w infografice i na ich podstawie rozwiąż zadanie.
Wyznaczanie równania prostej o poznanych własnościach

Zwróćmy jeszcze uwagę, że prosta o współczynniku kierunkowym przechodząca przez punkt o współrzędnych powstaje z prostej o równaniu przez przesunięcie (translację) o wektor .
Równanie prostej o współczynniku kierunkowym przechodzącej przez punkt ma postać , co jest równoważne kolejno:
Dany jest trójkąt o wierzchołkach w punktach , , . Wyznaczymy równanie prostej przechodzącej przez środki boków i tego trójkąta. Przypomnijmy, że odcinek łączący środki boków i trójkąta jest równoległy do boku . Wynika stąd, że prosta przechodząca przez środki boków i ma taki sam współczynnik kierunkowy jak prosta , czyli:
.
Środek boku ma współrzędne
.
Zatem szukane równanie ma postać:
.
Obejrzyj animację i dowiedz się, jak wyznaczyć równania kierunkowej prostej o danym współczynniku kierunkowym, do której należy dany punkt.
Zapoznaj się z opisem animacji i dowiedz się, jak wyznaczyć równania kierunkowej prostej o danym współczynniku kierunkowym, do której należy dany punkt.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RsCaAjtXAZCWg
Film nawiązujący do tematu lekcji dotyczącej równania prostej o danym współczynniku kierunkowym, do której należy dany punkt.
Rozwiąż test.
Współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez punkty i jest równy . Na podstawie wzoru na równanie prostej o danym współczynniku kierunkowym przechodzącej przez punkt o danych współrzędnych możemy podać równanie prostej wykorzystując współrzędne punktu
,
co zwykle zapisujemy w postaci
.
Zwróćmy uwagę, że powyższy wzór obejmuje również przypadek, kiedy prosta jest pionowa. Rzeczywiście jeśli , to równanie przyjmuje postać , z czego wynika, że .
Jako ćwiczenie pozostawiamy udowodnienie faktu, że dokładnie ten sam wzór uzyskamy wykorzystując współrzędne punktu zamiast współrzędnych punktu .
Korzystając z powyższego wzoru wyznaczymy równania prostych przechodzących przez wskazane punkty.
Wyznaczymy równanie prostej przechodzącej przez dwa dane punktyrównanie prostej przechodzącej przez dwa dane punkty, którymi są środki boków i trójkąta o wierzchołkach , , .

Współrzędne środka boku to , zaś współrzędne środka boku to .
Równanie prostej ma postać:
,
,
.
Zapoznaj się z animacją i dowiedz się, jak wyznaczyć równanie prostej, przechodzącej przez dwa punkty.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1cfAGiPgKgwn
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącego równania prostej, do której należą dwa punkty.
Dana jest parabola o równaniu . Wpisano w nią trójkąt równoboczny w taki sposób, że punkt znajduje się w wierzchołku paraboli, zaś punkty i leżą na prostej równoległej do osi oraz na paraboli . Wyznacz współrzędne punktów i .

Dana jest parabola o równaniu . Wpisano w nią trójkąt równoboczny w taki sposób, że punkt znajduje się w wierzchołku paraboli, zaś punkty i leżą na prostej równoległej do osi oraz na paraboli . Wyznacz współrzędne punktów i . Wiemy, że współrzędne punktu to , minus , a prosta przechodząca przez punkty i , gdzie leży na prawym ramieniu paraboli, jest nachylona do osi pod kątem sześćdziesięciu stopni. Parabola przecina oś w punktach zero oraz sześć. Wiemy też, że punkty i leżą na wysokości minus .
C, równa się, nawias, minus, cztery, średnik, minus, trzy, zamknięcie nawiasu, przecinek, D, równa się, nawias, pięć, średnik, trzy, zamknięcie nawiasu jest trapezem., 3. Czworokąt o wierzchołkach A, równa się, nawias, minus, trzy, średnik, cztery, zamknięcie nawiasu, przecinek, B, równa się, nawias, minus, sześć, średnik, dwa, zamknięcie nawiasu C, równa się, nawias, minus, dwa, średnik, minus, dwa, zamknięcie nawiasu, przecinek, D, równa się, nawias, jeden, średnik, zero, zamknięcie nawiasu jest równoległobokiem.
Wyznacz równanie prostej przechodzącej przez środki ramion trapezu o wierzchołkach , , , .
Rozwiąż test.
Dany jest równoległobok o wierzchołkach , , . Wyznacz współrzędne punktu .
Dany jest trójkąt o wierzchołkach , , . Wyznacz równania prostych, które dzielą trójkąt na trapez i trójkąt podobny do trójkąta w skali .
Rozwiąż test.
Równanie prostej przechodzącej przez punkty i wyraża się wzorem: . Udowodnij, że jeśli zamienimy miejscami punkty i , to otrzymamy to samo równanie prostej.
Dany jest trójkąt o wierzchołkach A, równa się, nawias dwa, średnik, minus, dwa zamknięcie nawiasu, B, równa się, nawias sześć, średnik, sześć zamknięcie nawiasu, C, równa się, nawias, minus, cztery, średnik, jeden zamknięcie nawiasu.
- Prosta przechodząca przez punkt C i dzieląca bok A B w stosunku jeden do jeden ma równanie:
y, równa się, minus, początek ułamka, jeden, mianownik, siedem, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, siedem, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, trzy, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, siedem, mianownik, trzy, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, osiem, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, dwa, koniec ułamka - Prosta przechodząca przez punkt B i dzieląca bok A C w stosunku jeden do dwóch ma równanie:
y, równa się, początek ułamka, trzy, mianownik, cztery, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, dwa, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, trzynaście, mianownik, czternaście, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, siedem, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, siedem, mianownik, sześć, koniec ułamka, x, minus, jeden - Prosta przechodząca przez punkt C i dzieląca bok A B w stosunku jeden do trzech ma równanie:
y, równa się, minus, początek ułamka, jeden, mianownik, siedem, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, siedem, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, osiem, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, trzy, mianownik, dwa, koniec ułamka y, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, trzy, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, siedem, mianownik, trzy, koniec ułamka - Prosta przechodząca przez punkt A i dzieląca bok B C w stosunku trzy do dwóch ma równanie:
x, równa się, dwa y, równa się, minus, dwa przecinek pięć x, plus, trzy y, równa się, minus, x
Dany jest trójkąt o wierzchołkach , , . Wyznacz równanie prostej dzielącej trójkąt na trójkąt do niego podobny w skali i trapez .
Dany jest trapez o wierzchołkach , , , . Wyznacz równania prostych, które dzielą ramiona tego trapezu w stosunku .
Wyznacz równania prostych zawierających przekątne kwadratu wpisanego w trójkąt o wierzchołkach , , .
Wyznacz równania prostych przechodzących przez wierzchołek , które dzielą trójkąt o wierzchołkach , , na trzy trójkąty o równych polach.
Słownik
kąt jaki tworzy prosta z dodatnią półosią .
współczynnik w równaniu kierunkowym prostej
jeśli dane są dwa punkty o różnych pierwszych współrzędnych, to współczynnik kierunkowy prostej przechodzącej przez te punkty jest równy ilorazowi różnicy drugich współrzędnych tych punktów przez różnicę ich pierwszych współrzędnych. Jeśli i , to współczynnik kierunkowy prostej wyraża się wzorem
proste równoległe mają takie same współczynniki kierunkowe
przechodzą przez początek układu współrzędnych, czyli punkt o współrzędnych . Ich współczynnik kierunkowy jest równy tangensowi kąta ich nachylenia do dodatniej półosi
równanie prostej przechodzącej przez punkty i ma postać , o ile prosta nie jest pionowa; równanie ogólne prostej ma postać




