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初中推导中点坐标公式可以通过几何和代数两种方法进行,以下是详细步骤:
一、几何法(利用向量或平行四边形性质)
向量法
设两点$A(x_1, y_1)$和$B(x_2, y_2)$,中点为$M(x, y)$。根据中点定义,$M$将线段$AB$分为两段等长的向量$overrightarrow{AM}$和$overrightarrow{MB}$。 因为$overrightarrow{AM} = overrightarrow{MB}$,所以有:
$$
(x - x_1, y - y_1) = (x_2 - x, y_2 - y)
$$
分别比较横纵坐标,得到:
$$
x - x_1 = x_2 - x quad Rightarrow quad 2x = x_1 + x_2 quad Rightarrow quad x = frac{x_1 + x_2}{2}
$$
$$
y - y_1 = y_2 - y quad Rightarrow quad 2y = y_1 + y_2 quad Rightarrow quad y = frac{y_1 + y_2}{2}
$$
因此,中点坐标为$left(frac{x_1 + x_2}{2}, frac{y_1 + y_2}{2}right)$。
平行四边形法
过$A$作平行于$y$轴的直线,过$B$作平行于$x$轴的直线,两线交于点$C(x_2, y_1)$。连接$AC$和$BC$,则四边形$PMCN$为矩形(对角线相等且平行)。 设中点$P(x, y)$,则$PM perp AC$且$PN perp BC$,根据中点性质:
$$
x = frac{x_1 + x_2}{2}, quad y = frac{y_1 + y_2}{2}
$$。
二、代数法(利用距离公式)
设中点坐标
设中点为$M(x, y)$,根据中点定义,$M$到$A$和$B$的距离相等:
$$
sqrt{(x - x_1)^2 + (y - y_1)^2} = sqrt{(x - x_2)^2 + (y - y_2)^2}
$$
两边平方后整理,得到:
$$
(x - x_1)^2 + (y - y_1)^2 = (x - x_2)^2 + (y - y_2)^2
$$
展开并化简,最终得到:
$$
2(x_1y_2 - x_2y_1) = 2(x_1x_2 - x_2x_1) quad Rightarrow quad x = frac{x_1 + x_2}{2}
$$
类似地,可推导出:
$$
y = frac{y_1 + y_2}{2}
$$。
三、注意事项
该公式适用于平面直角坐标系中的任意两点,无论其位置关系如何。
推导过程中需注意等式两边平方可能引入增根,但在此几何情境下不会影响结果。
通过以上方法,初中生可以系统理解中点坐标的几何意义和代数推导过程。