两直线垂直,斜率乘积为-1的证明

2023-11-15

      老早以前在学习初等函数的时候,线性函数中的两直线y = m0x + b0, y = m1x +b1如果垂直,则有结论两条直线的斜率乘积为-1即m0*m1 = -1,以前也只是拿来用,没有证明过。最近在学图形学的时候,突然想起了这个点,因此记一篇笔记,证明一下。

         如上图所示,有两条直线:y_0 = m_0x + b_0 和 y_1 = m_1x + b_1,它们相互垂直。这里可以得到一个隐含的条件是:  m_0 \neq m1 (斜率相等,y轴截距不同的两条直线是平行的,垂直的话则斜率不等)。

        图中两条直线的交点的坐标,我们可以通过求解方程得到,交点的y是相同的,因此我们有:

        m_0x + b_0 = m_1x + b_1

        求解得到交点的x坐标为:\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1},

         将x分别代入y0和y1,得到交点的y坐标分别为:

         \frac{m_0(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} + b_0 和 \frac{m_1(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} + b_1,这两个值是相等的

        因此,图中三个关键的点坐标如下:

        直线y0在y轴的交点A坐标为(0,b0)

        直线y1在y轴的交点B坐标为(0,b1)

        两直线交点C坐标为 (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1}, \frac{m_0(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} + b_0) , (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1}, \frac{m_1(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} + b_1)这两个坐标对应同一个点。

        由于两条直线垂直,由勾股定理可知,斜边AB距离的平方 = 直角边AC距离的平方 + 直角边BC距离的平方。

        根据两点之间的距离公式,可以得到下面的等式:

        AB的距离的平方 = (b_1 - b_0)^2

        AC的距离的平方 = (\frac{m_0(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} )^2 + (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1})^2  (用C的第一种形式做距离计算,可以减掉b0)

        BC的距离的平方 = (\frac{m_1(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} )^2 + (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1})^2(用C的第二种形式做距离计算,可以减掉b1)

        根据勾股定义,可得:

        (b_1 - b_0)^2 = (\frac{m_0(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} )^2 + (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1})^2 + (\frac{m_1(b_1 - b_0)}{m_0 - m_1} )^2 + (\frac{b_1 - b_0}{m_0 - m_1})^2

        整理一下,得到:

        (b_1 - b_0)^2 = \frac{m_0^2(b_1 - b_0)^2}{(m_0 - m_1)^2} + 2\frac{(b_1 - b_0)^2}{(m_0 - m_1)^2}) + \frac{m_1^2(b_1 - b_0)^2}{(m_0 - m_1)^2}

        约掉(b1- b0)^2,整理得到:

        (m_0 - m_1)^2 = m_0^2 + 2 + m_1^2

        展开平方差:

        m_0^2 + m_1^2 - 2m_0m_1 = m_0^2 + m_1^2 + 2

        整理得到

        -2m_0m_1 = 2, 因此 m_0m_1 = -1

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