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直线的倾斜角与斜率

直线的倾斜角是在固定的平面直角坐标系里,从 x 轴正方向逆时针转到与直线重合的射线所成的角,取值 0≤α<π。非竖直直线的斜率是 k=tan⁡α;竖直直线的斜率没有定义,但倾斜角仍是 π/2。

从坐标差得到倾斜角

取直线上横坐标不同的两点 A=(1,1)、B=(4,3)。从 A 到 B,横向走 3,纵向走 2;直角三角形给出 tan⁡α=2/3,故 α=arctan⁡(2/3)。一般地, k=y2−y1x2−x1,x2≠x1. 同一直线上换取另外两点,两个坐标差按相同比例缩放,商不变;这也是斜率与平均变化率中“每横向一单位变化多少”的含义。若直线向右下方走,k<0,它的倾斜角在 π/2 与 π 之间,不能把计算器给出的负的反正切值直接当作所定义的倾斜角。

横向变化三、纵向变化二的直角三角形连接直线上两点,另有一条竖直线标明斜率未定义
斜率读的是 2/3;竖直线只有倾斜角 π/2,不能代入有限斜率公式。

平行与垂直的判定

斜率分别为 k1,k2 的两条非竖直直线,可取方向向量 (1,k1)、(1,k2)。它们平行等价于方向向量成比例,在首坐标同为 1 时就是 k1=k2;若还经过同一点,两条线重合。它们垂直等价于内积为零,即 (1,k1)⋅(1,k2)=1+k1k2=0. 所以只有当两条线的斜率都存在时,才可写 k1k2=−1。水平线与竖直线也相互垂直,但无法把竖直线的斜率放进乘积;两条竖直线则平行。

例如过 (2,1)、斜率为 2/3 的直线,与过 (0,4)、斜率为 −3/2 的直线垂直,因为 (2/3)(−3/2)=−1。把第一条线写成 2x−3y−1=0,第二条写成 3x+2y−8=0,它们的法向量 (2,−3) 与 (3,2) 内积也为零。后一种判定无需处理斜率不存在的例外,见直线的方程。

坐标尺度

上述角度属于坐标轴采用相同长度单位的欧氏平面。若图像的横轴每格代表 1 米,纵轴每格代表 10 米,屏幕上看到的夹角未必是数学定义的倾斜角;斜率 Δy/Δx 仍可由原始坐标计算,并带有“纵轴单位/横轴单位”。几何角度计算要先把两轴放在同一长度尺度上。

参考资料