普通高中教科书 数学 选择性必修第一册

目录总结

本教材系统讲解了解析几何与导数应用，涵盖直线、圆锥曲线、空间向量、数列与导数等核心内容。 你能获得：

• 掌握平面与空间解析几何的基础知识和方法。
• 掌握数列的基本概念、类型和求解方法。
• 掌握导数的概念与计算，学会利用导数分析函数性质和解决实际问题。

核心内容

1. 直线的倾斜角与斜率

• 直线的倾斜角是x轴绕交点逆时针旋转到与直线重合所转过的最小正角，取值范围为0到π。
• 直线的斜率是倾斜角的正切值，反映了直线的倾斜程度。
  • 当倾斜角不是π/2时，斜率等于tan θ。
  • 当倾斜角等于π/2时，斜率不存在。
• 直线斜率的坐标表示
  • 已知两点A(x₁, y₁)和B(x₂, y₂)，则斜率k = (y₂ - y₁) / (x₂ - x₁) (x₁ ≠ x₂)。
• 行动建议：通过练习不同直线的倾斜角和斜率计算，加深对概念的理解。

2. 直线的方程

• 直线方程的几种形式：点斜式、斜截式、两点式和一般式。
  • 点斜式：y - y₀ = k(x - x₀)，已知斜率k和一点(x₀, y₀)。
  • 斜截式：y = kx + b，已知斜率k和y轴截距b。
  • 两点式：(y - y₁) / (y₂ - y₁) = (x - x₁) / (x₂ - x₁)，已知两点(x₁, y₁)和(x₂, y₂)。
  • 一般式：Ax + By + C = 0，A、B不同时为零。
• 直线的一般式方程可以转化为其他形式，不同形式的方程在解决问题时各有优势。
  • 根据已知条件灵活选择直线方程形式。
  • 熟悉各种形式之间的转换。
• 行动建议：尝试将不同形式的直线方程进行转换，练习根据给定条件求解直线方程。

3. 两条直线的位置关系

• 两条直线的位置关系包括相交、平行和重合。
  • 相交：斜率不等，法向量不平行。
  • 平行：斜率相等，y轴截距不等，法向量平行。
  • 重合：斜率相等，y轴截距相等，法向量平行且对应系数成比例。
• 两条直线的夹角：通过法向量夹角的余弦值计算，注意夹角为锐角或直角。
• 两条直线垂直的充要条件：A₁A₂ + B₁B₂ = 0 或 k₁k₂ = -1。
  • 通过判断系数关系或斜率关系判断垂直。
• 行动建议：练习判断两条直线的位置关系，计算夹角，并求解相关问题。

4. 点到直线的距离

• 点到直线的距离公式：d = |Ax₀ + By₀ + C| / √(A² + B²)。
  • 适用于一般式直线方程Ax + By + C = 0和点(x₀, y₀)。
• 两平行线间的距离公式：d = |C₁ - C₂| / √(A² + B²)。
  • 适用于一般式平行直线方程Ax + By + C₁ = 0和Ax + By + C₂ = 0。
• 通过点到直线距离公式可以解决平行线间的距离问题。
  • 平行线间的距离可转化为一条线上任意一点到另一条直线的距离。
• 行动建议：利用公式计算点到直线距离，练习求解平行线间的距离问题。

5. 圆的标准方程与一般方程

• 圆的标准方程：(x - a)² + (y - b)² = r²，其中(a, b)是圆心，r是半径。
• 圆的一般方程：x² + y² + Dx + Ey + F = 0，其中D² + E² - 4F > 0。
• 通过配方可将一般方程转化为标准方程。
  • 圆心坐标为(-D/2, -E/2)，半径r = √(D² + E² - 4F) / 2。
• 行动建议：练习将圆的一般方程转化为标准方程，求解圆心和半径。

6. 直线与圆的位置关系

• 直线与圆的位置关系：相交、相切、相离，取决于公共点个数。
  • 相交：联立直线与圆的方程，所得方程组有两个不同的实数解。
  • 相切：联立直线与圆的方程，所得方程组有一个实数解。
  • 相离：联立直线与圆的方程，所得方程组无实数解。
• 几何方法：通过比较圆心到直线的距离与半径的大小关系判断。
• 行动建议：练习判断直线与圆的位置关系，求解交点坐标。

7. 圆与圆的位置关系

• 圆与圆的位置关系：内含、内切、相交、外切、外离。
  • 代数方法：联立两个圆的方程，通过解的个数判断。
  • 几何方法：比较圆心距与两圆半径的和差关系。
• 内切与外切：一个圆在另一个圆的内部相切为内切，在外部相切为外切。
• 行动建议：练习判断圆与圆的位置关系，求解交点坐标。

8. 椭圆的标准方程与几何性质

• 椭圆的标准方程：x²/a² + y²/b² = 1 (a > b > 0) 或 y²/a² + x²/b² = 1 (a > b > 0)。
  • a为长半轴长，b为短半轴长，c为半焦距，且满足a² = b² + c²。
• 椭圆的几何性质：对称性、顶点、范围、离心率。
  • 离心率e = c/a，0 < e < 1，e越大椭圆越扁，e越接近0椭圆越圆。
• 椭圆的参数方程
  • x = a * cosθ, y = b * sinθ，其中 θ为参数。
• 行动建议：理解椭圆的几何意义和性质，练习求解椭圆方程和参数。

9. 双曲线的标准方程与几何性质

• 双曲线的标准方程：x²/a² - y²/b² = 1 (a > 0, b > 0) 或 y²/a² - x²/b² = 1 (a > 0, b > 0)。
  • a为实半轴长，b为虚半轴长，c为半焦距，且满足c² = a² + b²。
• 双曲线的几何性质：对称性、顶点、范围、离心率、渐近线。
  • 离心率e = c/a，e > 1，e越大开口越阔，e越接近1开口越窄。
  • 渐近线：y = ±(b/a)x。
• 行动建议：理解双曲线的几何意义和性质，练习求解双曲线方程和渐近线。

10. 抛物线的标准方程与几何性质

• 抛物线的标准方程：y² = 2px (p > 0), y² = -2px (p > 0), x² = 2py (p > 0), x² = -2py (p > 0)。
  • p为焦点到准线的距离。
• 抛物线的几何性质：对称性、顶点、焦点、准线。
• 行动建议：理解抛物线的几何意义和性质，练习求解抛物线方程和参数。

11. 空间向量及其线性运算

• 空间向量的概念：既有大小又有方向的量。
• 空间向量的线性运算：加法、减法、数乘。
  • 运算规律与平面向量类似。
• 空间向量的平行（共线）
  • a // b <=> a = λb (λ 为实数).
• 行动建议：理解空间向量的概念，掌握线性运算，并求解相关问题。

12. 向量共面与空间向量基本定理

• 向量共面的充要条件：c = λa + μb，其中a、b不平行。
• 空间向量基本定理：对于空间任意一个向量p，存在唯一的一组实数λ、μ、ν，使得p = λa + μb + νc，其中a、b、c不共面。
• 行动建议：理解向量共面的充要条件和空间向量基本定理，并求解相关问题。

13. 空间向量的坐标表示及运算

• 空间直角坐标系：O-xyz，坐标原点O，坐标轴x、y、z两两垂直。
• 空间向量的坐标表示：a = (x, y, z) = xi + yj + zk, 其中 i, j, k 分别为坐标轴 x, y, z 上的单位向量。
• 空间向量的线性运算和模长公式
  • a + b = (x1+x2, y1+y2, z1+z2).
  • |a| = √(x² + y² + z²).
• 空间向量数量积
  • a · b = x1x2 + y1y2 + z1z2 = |a||b|cosθ, θ为 a 与 b 之间的夹角.
• 空间向量垂直和平行条件
  • a ⊥ b <=> a · b = 0 <=> x1x2 + y1y2 + z1z2 = 0.
  • a // b <=> a = λb <=> x1 = λx2, y1 = λy2, z1 = λz2 (λ为实数)
• 行动建议：理解空间直角坐标系，掌握向量的坐标表示及运算，求解相关问题。

14. 空间向量在立体几何中的应用

• 利用空间向量判断直线与平面平行、垂直。
• 利用空间向量求解点到平面距离。
• 利用空间向量求解直线与平面夹角，二面角大小。
• 行动建议：运用空间向量解决立体几何问题，掌握方法和技巧。

15. 数列的概念与表示

• 数列的定义：按一定顺序排列的一列数。
• 数列的表示方法：通项公式、递推公式、列表法。
• 数列的分类：有穷数列、无穷数列、递增数列、递减数列、常数列。
• 行动建议：理解数列的概念和表示方法，练习求解数列的各项和判断类型。

16. 等差数列的概念与性质

• 等差数列的定义：从第二项起，每一项与它前一项的差都等于同一个常数（公差）。
• 等差数列通项公式：an = a1 + (n - 1)d。
• 等差数列前n项和公式：Sn = n(a1 + an) / 2。
• 行动建议：掌握等差数列的定义和公式，练习求解相关问题。

17. 等比数列的概念与性质

• 等比数列的定义：从第二项起，每一项与它前一项的比都等于同一个常数（公比）。
• 等比数列通项公式：an = a1 * q^(n-1)。
• 等比数列前n项和公式：Sn = a1(1 - q^n) / (1 - q) (q ≠ 1)。
• 行动建议：掌握等比数列的定义和公式，练习求解相关问题。

18. 数学归纳法

• 数学归纳法的步骤：
  • (1) 验证当n取第一个值n₀ (n₀为正整数)时，命题成立；
  • (2) 假设当n = k (k ≥ n₀, k为正整数)时命题成立，证明当n = k + 1时命题也成立。
• 数学归纳法可以用来证明与正整数有关的命题。
• 行动建议：练习用数学归纳法证明数列相关问题。

19. 迭代法

• 迭代序列：通过递推公式，重复计算得到的数列。
• 迭代算法：选择适当的首项与递推公式，通过迭代序列求得方程近似解的算法。
• 巴比伦算法：一种求平方根的迭代算法。
• 行动建议：了解迭代算法的思想，用迭代法求解近似值。

20. 导数的概念及其意义

• 导数的定义：函数在某一点的瞬时变化率。
• 导数的几何意义：曲线在该点切线的斜率。
• 平均变化率与瞬时变化率
  • 平均变化率为(f(x₀ + h) - f(x₀))/h。
  • 瞬时变化率为lim(h→0) (f(x₀ + h) - f(x₀))/h = f'(x₀)
• 行动建议：理解导数的定义和几何意义，计算函数在某点的导数。

21. 基本初等函数的导数公式及导数的运算法则

• 基本初等函数导数公式：
  • (C)' = 0
  • (x^α)' = αx^(α-1)
  • (e^x)' = e^x
  • (lnx)' = 1/x
  • (sinx)' = cosx
  • (cosx)' = -sinx
• 导数的四则运算法则：
  • (u ± v)' = u' ± v'
  • (uv)' = u'v + uv'
  • (u/v)' = (u'v - uv') / v² (v ≠ 0)
• 复合函数求导法则
  • (f(ax + b))' = a * f'(ax + b)
• 行动建议：记住基本导数公式和运算法则，练习求导。

22. 导数在研究函数中的应用

• 利用导数研究函数的单调性：f'(x) > 0，函数单调递增；f'(x) < 0，函数单调递减。
• 利用导数求函数的极值：f'(x) = 0，求出驻点，再判断驻点两侧导数的符号。
• 求闭区间上的最值：比较端点值与极值。
• 利用导数解决实际问题：
  • 利用导数求最大利润、最小成本等问题。
• 行动建议：掌握导数在研究函数性质中的应用，求解实际问题。

问答

Q1: 学习圆锥曲线有什么实际意义？ A1: 圆锥曲线在物理、工程等领域有广泛应用，如卫星轨道、光学镜面设计等。掌握圆锥曲线知识有助于理解相关科学原理和技术应用。

Q2: 空间向量与平面向量的主要区别是什么？ A2: 空间向量是三维空间的向量，而平面向量是二维空间的向量。空间向量有三个坐标分量，平面向量只有两个。

Q3: 数学归纳法证明步骤中，第二步的假设有什么作用？ A3: 第二步的假设是递推的基础，通过假设当n=k时命题成立，才能证明当n=k+1时命题也成立，实现从有限到无限的过渡。

Q4: 导数的几何意义是什么，如何应用？ A4: 导数的几何意义是曲线在该点切线的斜率。可用于求曲线的切线方程，分析函数的单调性、极值等。