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坐标几何

IGCSE 数学 · 第 3 主题

训练
讲义 词汇表

本讲义涵盖主题 3,坐标几何(Coordinate geometry)。标记 (Extended) 的部分只在拓展卷上考查;其他一切对两个层次都适用。

3.1

坐标

大纲
Subject content Notes and examples
Use and interpret Cartesian coordinates in two dimensions.

来源:剑桥国际大纲

一座城市街道网格的鸟瞰图
一座城市街道网格:每个地方由它的坐标固定。

图上的一个点由它的坐标(coordinates)描述,有时称为笛卡尔坐标,写成 $(x, y)$。第一个数是横向的值而第二个是纵向的值。

  • 这两条数轴是坐标轴(axes):水平(horizontal)$x$ 轴和竖直(vertical)$y$ 轴。
  • 它们在原点(origin)相交,点 $(0, 0)$
  • 坐标轴把网格分成四个象限(quadrants)。

所以点 $(3, -2)$ 通过向右 $3$ 和向下 $2$ 找到。

一个坐标网格,带标注的  和  轴、原点 、标记为 I 到 IV 的四个象限,和描出的点
坐标轴在原点 $O$ 相遇并把平面分成四个象限;$(3,-2)$ 意味着向右 $3$ 然后向下 $2$
探索

The coordinate plane

y = mx + c

Every point has an (x, y) coordinate. A straight line is the set of points where y depends on x in a fixed way.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
coordinates 坐标 zuò biāo
axes 坐标轴 zuò biāo zhóu
horizontal 水平 shuǐ píng
vertical 竖直 shù zhí
origin 原点 yuán diǎn
quadrants 象限 xiàng xiàn
3.5

一次函数图像的方程

大纲
Subject content Notes and examples
Interpret and obtain the equation of a straight-line graph in the form $y = mx + c$. Questions may: • use and request lines in the forms $y = mx + c$, $x = k$ • involve finding the equation when the graph is given • ask for the gradient or $y$-intercept of a graph from an equation, e.g. find the gradient and $y$-intercept of the graph with the equation $y = 6x + 3$. Candidates are expected to give equations of a line in a fully simplified form.
Subject content Notes and examples
Interpret and obtain the equation of a straight-line graph. Questions may: • use and request lines in different forms, e.g. $ax + by = c$, $y = mx + c$, $x = k$ • involve finding the equation when the graph is given • ask for the gradient or $y$-intercept of a graph from an equation, e.g. find the gradient and $y$-intercept of the graph with equation $5x + 4y = 8$. Candidates are expected to give equations of a line in a fully simplified form.

来源:剑桥国际大纲

大多数直线能被写成

$$y = mx + c,$$

其中 $m$斜率(gradient)(陡度)而 $c$截距(intercept)——线穿过 $y$ 轴处的 $y$ 值。

  • 一条像 $x = k$(例如 $x = 3$)的线是竖直的。
  • 一条像 $y = k$(例如 $y = 3$)的线是水平的。

一条线也可能作为 $ax + by = c$ 给出。把它重新排列成 $y = mx + c$ 以读出斜率和截距。

Worked example.$5x + 4y = 8$ 的斜率和 $y$ 截距。

$$4y = -5x + 8 \;\Rightarrow\; y = -\tfrac{5}{4}x + 2.$$

所以斜率是 $-\tfrac{5}{4}$$y$ 截距是 $2$

探索

y = mx + c

y = ax + b

Drag the gradient and the intercept. a is the gradient (steepness) and b is where the line crosses the y-axis.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
gradient 斜率 xié lǜ
intercept 截距 jié jù
3.3

一次函数图像的斜率

大纲
Subject content Notes and examples
Find the gradient of a straight line. From a grid only.
Subject content Notes and examples
1 Find the gradient of a straight line.
2 Calculate the gradient of a straight line from the coordinates of two points on it.

来源:剑桥国际大纲

$y = mx + c$:斜率和截距,实时
一条陡峭的发夹山路
一条陡峭的山路:斜率以竖直变化除以水平变化来衡量陡度。

斜率(gradient)衡量一条线有多陡:

$$m = \frac{\text{change in } y}{\text{change in } x} = \frac{\text{rise}}{\text{run}}.$$

一个正斜率向右上升;一个负斜率向右下降。

Worked example. 求过 $(1, 2)$$(4, 11)$ 的线的斜率。

$$m = \frac{11 - 2}{4 - 1} = \frac{9}{3} = 3.$$
网格上一条直线, 截距标记在  而一个斜率三角形显示水平变化  和竖直变化
对于 $y=mx+c$,线在 $c$ 处穿过 $y$ 轴而斜率 $m$ 是竖直变化除以水平变化。
探索

Gradient

y = ax + b

The gradient a measures steepness — rise over run.

3.2

绘制一次函数图像

大纲
Subject content Notes and examples
Draw straight-line graphs for linear equations. Equations will be given in the form $y = mx + c$ (e.g. $y = -2x + 5$), unless a table of values is given.
Subject content Notes and examples
Draw straight-line graphs for linear equations. Examples include: • $y = -2x + 5$$y = 7 - 4x$$3x + 2y = 5$.

来源:剑桥国际大纲

要画 $y = mx + c$,最快的方式是:

  1. $y$ 轴上标记截距 $c$
  2. 用斜率步进到更多的点(对于 $m = 3$,向右 $1$ 和向上 $3$)。
  3. 用一条直线连接这些点。

你也能做一个小的数值表(table of values):选择两个或三个 $x$ 值、算出 $y$,并描出这些点。

画 :在  处标记截距、向右  和向上  步进两次以得到更多的点,然后用一条线连接它们
快速画一条线:标记截距,然后用斜率步进到新的点
词汇表 训练
英文 中文 拼音
table of values 数值表 shù zhí biǎo
3.5

一次函数图像的方程

大纲
Subject content Notes and examples
Interpret and obtain the equation of a straight-line graph in the form $y = mx + c$. Questions may: • use and request lines in the forms $y = mx + c$, $x = k$ • involve finding the equation when the graph is given • ask for the gradient or $y$-intercept of a graph from an equation, e.g. find the gradient and $y$-intercept of the graph with the equation $y = 6x + 3$. Candidates are expected to give equations of a line in a fully simplified form.
Subject content Notes and examples
Interpret and obtain the equation of a straight-line graph. Questions may: • use and request lines in different forms, e.g. $ax + by = c$, $y = mx + c$, $x = k$ • involve finding the equation when the graph is given • ask for the gradient or $y$-intercept of a graph from an equation, e.g. find the gradient and $y$-intercept of the graph with equation $5x + 4y = 8$. Candidates are expected to give equations of a line in a fully simplified form.

来源:剑桥国际大纲

若你知道斜率 $m$ 和线上的一个点,把这个点放进 $y = mx + c$ 以求 $c$

Worked example. 一条线有斜率 $3$ 并通过 $(1, 2)$。求它的方程。

$$y = 3x + c, \qquad 2 = 3(1) + c, \qquad c = -1.$$

所以方程是 $y = 3x - 1$。(若你被给出两个点,先求斜率,然后做这个。)

3.4

长度与中点

大纲
Subject content Notes and examples
1 Calculate the length of a line segment.
2 Find the coordinates of the midpoint of a line segment.

来源:剑桥国际大纲

一条线段(line segment)是两个点之间的直的部分。

要求 $(x_1, y_1)$$(x_2, y_2)$ 之间线段的长度(length),对水平和竖直的间隙用勾股定理(Pythagoras' theorem):

$$\text{length} = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2}.$$

要求中点(midpoint)(恰好在中间的点),对坐标取平均:

$$\text{midpoint} = \left( \frac{x_1 + x_2}{2}, \; \frac{y_1 + y_2}{2} \right).$$

Worked example. 求从 $(1, 2)$$(4, 6)$ 的线段的长度和中点。

$$\text{length} = \sqrt{(4 - 1)^2 + (6 - 2)^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5.$$
$$\text{midpoint} = \left( \frac{1 + 4}{2}, \; \frac{2 + 6}{2} \right) = (2.5, \, 4).$$
网格上从  到  的线段,带一个直角三角形,直角边  和 、长度 ,而中点  被标记
水平间隙($3$)和竖直间隙($4$)构成一个直角三角形,所以长度是 $\sqrt{3^2+4^2}=5$;中点是坐标的平均。
探索

Length and midpoint lab

midpoint is halfway between endpoints

Move along a line segment and see midpoint as halfway.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
line segment 线段 xiàn duàn
length 长度 cháng dù
Pythagoras' theorem 勾股定理 gōu gǔ dìng lǐ
midpoint 中点 zhōng diǎn
3.6

平行线

大纲
Subject content Notes and examples
Find the gradient and equation of a straight line parallel to a given line. e.g. find the equation of the line parallel to $y = 4x - 1$ that passes through $(1, -3)$.

来源:剑桥国际大纲

平行(parallel)线从不相遇,所以它们有相同的斜率

Worked example. 求平行于 $y = 4x - 1$ 并通过 $(1, -3)$ 的线的方程。

斜率也是 $4$。把点放进去:

$$-3 = 4(1) + c \;\Rightarrow\; c = -7,$$

所以线是 $y = 4x - 7$

三条斜率为 、截距不同的平行线;过标记点  的线是
平行线:相同的斜率、不同的截距
探索

Parallel & perpendicular

y = ax + b

Parallel lines share a gradient; perpendicular gradients multiply to −1.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
parallel 平行 píng xíng
3.7

垂直线

大纲
Subject content Notes and examples
Find the gradient and equation of a straight line perpendicular to a given line. Examples include: • find the gradient of a line perpendicular to $2y = 3x + 1$ • find the equation of the perpendicular bisector of the line joining the points $(-3, 8)$ and $(9, -2)$.

来源:剑桥国际大纲

两条线垂直(perpendicular)若它们以一个直角(right angle)相遇。它们的斜率相乘得 $-1$:

$$m_1 \times m_2 = -1, \qquad \text{so} \qquad m_2 = -\frac{1}{m_1}.$$

用文字说:翻转分数并改变符号。

Worked example. 求垂直于 $2y = 3x + 1$ 的一条线的斜率。

重新排列:$y = \tfrac{3}{2}x + \tfrac{1}{2}$,所以斜率是 $\tfrac{3}{2}$。垂直斜率是 $-\tfrac{2}{3}$

两个并排的网格:左边两条斜率相同的平行线,右边两条以一个直角相遇的垂直线
平行线共享相同的斜率;垂直斜率相乘得 $-1$

Perpendicular bisector

一条线段的垂直平分线(perpendicular bisector)以一个直角把它切成两半。要求它的方程:得到中点,然后用过那个中点的垂直斜率。

Worked example. 求连接 $(-3, 8)$$(9, -2)$ 的线段的垂直平分线。

  • 中点:$\left( \frac{-3 + 9}{2}, \frac{8 + (-2)}{2} \right) = (3, 3)$
  • 线段的斜率:$\frac{-2 - 8}{9 - (-3)} = \frac{-10}{12} = -\tfrac{5}{6}$
  • 垂直斜率:$\frac{6}{5}$

$(3, 3)$:$\; 3 = \tfrac{6}{5}(3) + c \Rightarrow c = 3 - \tfrac{18}{5} = -\tfrac{3}{5}$。所以平分线是

$$y = \tfrac{6}{5}x - \tfrac{3}{5}.$$
词汇表 训练
英文 中文 拼音
perpendicular 垂直 chuí zhí
right angle 直角 zhí jiǎo
perpendicular bisector 垂直平分线 chuí zhí píng fēn xiàn
3.7

考试技巧

  • 直线是 $y = mx + c$:$m$斜率$c$ 是线穿过 $y$ 轴的地方。
  • 斜率 = ($y$ 的变化) ÷ ($x$ 的变化)。把这两个坐标在上部和底部保持相同的顺序。
  • 平行线有相同的斜率;垂直线有相乘得 $-1$ 的斜率(负倒数)。
  • 中点是坐标的平均;两个点之间的距离来自对差的勾股定理。

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