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分点、重心与向量几何
位置向量的加权平均可以表示分点和重心,适合把几何位置转成代数关系。
内分点、中点与重心
以下所有位置向量取同一个原点 。设 ,点 在线段内部且 ,其中 。由于 ,将两边分别写成位置向量之差,得到
若 ,相应坐标为
中点是 的情形,坐标为 。外分和有向比见下一节。
三角形重心
设 不共线,定义点 的位置向量为
若 为 中点,则 ,因此
所以 在中线 上且 。对另外两顶点重复这一计算,证明三条中线交于同一个点 ,这就是重心。并有
由于到同一直线的高相同,;结合中线平分三角形面积,可得 ,三条中线分成的六个小三角形面积相等。这里 表示三角形面积。
有向比与外分点
设不同点 ,点 满足 。展开位置向量得
对应内部点; 且 对应外部点; 对应端点 。端点 不能用有限 表示。若 ,原式将迫使 ,与条件矛盾。
例如数轴上 ,得 ,并有 (有向),比值为 。外分点若改用无向长度,符号必须重新翻译,不能直接把负比当作负长度。
系数和为一为什么表示直线上的点
设 , 在直线 上,则存在 使 ,故相对任意原点 ,
反向从这一等式也能还原 ,所以条件充要。 对应线段, 或 对应延长线。
若 不共线, 中的系数唯一,因此 等价于 。固定 得到与 平行或重合的直线,包括 时经过 的那条平行线。
面积与边界
同一高下三角形面积与底边成正比,故内分点的比例也可从面积比得到。一般仿射组合 中,系数和为 保证表达不依赖原点;若还要求各系数非负,点落在顶点的凸包内。不要把任意线性组合都解释为内部点。
例:中点恒等式
设 是 中点,对任意点 ,写 、。平方后相加,交叉项消去,得到
所以在固定 时,平方距离和在 最小;若 另受轨迹限制,则转为求 的最小值。
例:比例必须与端点权重对应
设 , 且 在线段内部。此时 ,所以
离 更近的点,对 的权重更大。检验时可看 与 ,前者恰为后者的两倍。
若只给出距离比 却不限定 在线段上,则在直线 上还可能有外分点,在平面内还可能有不共线的点(这些点构成阿波罗尼斯圆)。使用内分公式前必须先读取位置条件。
关联阅读
进一步阅读:面积权重、重心与三角形中心的向量刻画。
同主题:数量积、夹角与投影。