15.证明平面上三条不同的直线 ax+by+c=0, bx+cy+a=0, cx+ay+b=0 相交于一点的充分必要条件是 a+b+c=0.
15.证明平面上三条不同的直线
ax+by+c=0, bx+cy+a=0, cx+ay+b=0
相交于一点的充分必要条件是 a+b+c=0.
题目解答
答案
三条直线的方程为:ax+by+c=0,bx+cy+a=0,cx+ay+b=0.
将第一条直线的y表示出来,代入第二条和第三条直线的方程中,得到:(by+c-bx-a)+(cy+a-cx-b)=0.
整理后得到:(a+b+c)(y-x)=0.
由于三条直线不同,所以y-x≠0,即满足条件a+b+c=0.
因此,平面上三条不同的直线相交于一点的充分必要条件是a+b+c=0.
解析
考查要点:本题主要考查直线交点的条件及代数方程组的解的存在性。需要理解三条直线共点的充要条件,并通过代数运算推导出参数关系。
解题核心思路:
- 必要性:若三条直线共点,则联立方程后必然存在公共解,通过联立方程并消元,推导出参数关系。
- 充分性:若参数满足$a+b+c=0$,则可验证存在公共解(如点$(1,1)$),从而证明三条直线共点。
破题关键点:
- 联立方程相加:将三条方程相加,利用对称性得到$(a+b+c)(x+y+1)=0$,从而关联参数与变量。
- 分类讨论:若$a+b+c \neq 0$,则$x+y=-1$,但结合其他方程会导致矛盾,故必须$a+b+c=0$。
步骤1:联立三条直线方程
假设三条直线相交于点$(x, y)$,则满足:
$\begin{cases}ax + by + c = 0 \quad (1) \\bx + cy + a = 0 \quad (2) \\cx + ay + b = 0 \quad (3)\end{cases}$
步骤2:方程相加
将$(1)$、$(2)$、$(3)$相加,得:
$(a+b+c)x + (a+b+c)y + (a+b+c) = 0 \\
\Rightarrow (a+b+c)(x+y+1) = 0$
因此,若$a+b+c \neq 0$,则$x+y+1=0$;若$a+b+c=0$,则方程自动成立。
步骤3:分析必要性
若$a+b+c \neq 0$,则$x+y=-1$。将$y=-1-x$代入$(1)$和$(2)$,解得:
$x = \frac{b-c}{a-b}, \quad x = \frac{c-a}{b-c}$
令两者相等,化简得$a=b=c$,但与“三条直线不同”矛盾。因此必须$a+b+c=0$。
步骤4:验证充分性
若$a+b+c=0$,取点$(1,1)$代入三条方程:
$a(1) + b(1) + c = a+b+c = 0 \\
b(1) + c(1) + a = b+c+a = 0 \\
c(1) + a(1) + b = c+a+b = 0$
均成立,故三条直线交于$(1,1)$。