对一道解析几何习题的探究

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  1。问题的提出
  我们在平时教学中曾遇到求两相交圆公共弦所在直线的方程。大家都知道这种题的简洁解法是先把两圆的方程整理成一般式,然后再相减,所得到的直线方程就是两圆公共弦的方程。现在的问题是如果把非同心圆的圆(内含和外离)的方程强行相减,也必然得到一方程,那么该方程所表示的曲线是什么?该曲线与已知两圆的关系怎样?在内含和外离时我们能否像在两圆相交时一样,用圆规、直尺作出该曲线?该曲线又有怎样的几何性质?所有这些问题本文将做一一探究。
  2。建立坐标求曲线
  为了研究问题的需要,假设两半径分别为R,r(不妨设R≥r),圆心距为d,以大圆圆心为原点O,连心线OC为x轴,建立如图1所示的平面直角坐标系。
  图1图2
  所以两圆的方程分别为圆O:x2+y2=R2①,圆C:(x-d)2+y2=r2②。
  ①-②并整理得:x=R2+d2-r22d,它是一条垂直于x轴的直线,设为直线l。
  3。尺规作图画直线
  像作两相交圆公共弦所在直线一样,下面我们用圆规,直尺来作直线l。
  作法:(1)设圆O与y轴正向相交于A,过A作小圆C的切线AB,B为切点;
  (2)过O作OD平行并等于AB,连接CD;
  (3)以点D为顶点,OD为边,在C点的同侧作∠ODE=∠OCD,交x轴于E;
  (4)作线段OE的垂直平分线l,交x轴于M;直线l即为所求直线。如图2。
  证明:由作法知:AC2=R2+d2,因为AB是圆C的切线,所以∠ABC=90°。
  所以AB2=R2+d2-r2,因为OD平行且等于AB,所以OD2=R2+d2-r2。
  因为∠ODE=∠OCD,∠DOC=∠EOD,
  所以△ODE∽△OCD,所以OE=OD2OC,OM=12OE=OD22OC=R2+d2-r22d。
  综上所述,把两圆的方程强行相减后得到一条垂直两圆的连心线,离大圆圆心距离为R2+d2-r22d的直线。当两圆外离时该直线介于两圆之间;两圆内含时,直线偏向小圆一侧,如图3。一般地,当两圆圆心均不在原点时,我们通过坐标轴旋转和平移可以得到同样的结论。特别地,当R=r时,l是线段OC的中垂线x=d2。
  4。曲线的性质
  我们在以上所作的直线l上任取一点P,过点P作圆O,圆C的切线PQ,PT,连接OP,CP,如图4。。
  所以OM=R2+d2-r22d,无论两圆外离还是内含均有:PQ2-PT2=(PO2-R2)-(PC2-r2)=(PM2+OM2-R2)-(PM2+MC2-r2)。
  (OM+MC)(OM-MC)+r2-R2=d*2*R2+d2-r22d-d-R2+r2=0。
  图3图4
  即直线l上任一点P到两圆的切线长相等。同时我们还能轻松地证明:到两圆切线长相等的轨迹,也即为直线l。
  5。更远的思考
  对于方程(x-a1)2+(y-b1)2+m[(x-a2)2+(y-b2)2]=0,在m=-1时前文已作了探究。可当m≠-1时,方程表示的曲线一定存在吗?若存在,条件又是什么?所得曲线与已知两圆位置关系又如何?笔者愿与同仁继续探究。
  作者单位:江苏省怀仁中学
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