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圆的几何性质应用举例

2020-03-26陶恒聪

考试周刊 2020年14期
关键词:阿波罗动点尼斯

摘 要:圆具有高度的对称性,有着丰富的几何性质。我们经常利用两条直线的垂直相交的条件来判断点共圆;阿波罗尼斯圆的性质体现了圆半径和到两定点距离比值之间的关系。在解题过程中注意数形结合,利用好圆的几何性质,能够简化运算,达到事半功倍的效果。

关键词:圆;几何性质;举例

《直线与圆的位置关系》是高中数学人教版必修二的内容,在该章中介绍了圆的标准方程和直线与圆的位置关系。圆是一种简单的曲线,具有高度的对称性,有丰富的几何性质。在解题过程中注意数形结合,利用好圆的几何性质,能够简化运算,达到事半功倍的效果。

例1 过抛物线y2=4px(p>0)的顶点作互相垂直的两弦OA、OB,求抛物线的顶点O在直线AB上的射影M的轨迹。

解1:(交轨法):点A、B在抛物线y2=4px(p>0)上,设Ay2A4p,yA,By2B4p,yB

所以kOA=4pyA kOB=4pyB,由OA垂直OB得kOAkOB=-1,得yAyB=-16p2,

又可求得AB方程y-yA=yA-yBy2A4p-y2B4px-y2A4p,即(yA+yB)y-4px-yAyB=0,把yAyB=-16p2代入得AB方程(yA+yB)y-4px+16p2=0 ① 又OM的方程为y=yA+yB-4px ②

由①②消去得yA+yB即得x2+y2-4px=0,即得(x-2p)2+y2=4p2。

所以点M的轨迹方程为(x-2p)2+y2=4p2,其轨迹是以(2p,0)为圆心,半径为2p的圆,除去点(0,0)。

解2:(几何法):由解1中AB方程(yA+yB)y-4px+16p2=0可得AB过定点(4p,0)而OM垂直AB,所以由圆的几何性质可知:M点的轨迹是以(2p,0)为圆心,半径为2p的圆。所以方程为(x-2p)2+y2=4p2,除去点(0,0)。

该题应用了“已知l1和l2是平面内互相垂直的两条直线,它们的交点是A,动点B,C分别在l1和l2上,过A,B,C三点的动圆是以BC为直径的圆。”由此能迅速提炼出几何等量关系,达到简化运算的效果。

例2 (2008年江苏13)若AB=2,AC=2BC,则S△ABC的最大值。

该题考查三角形面积公式,余弦定理及函数思想,但是运算量大处理有难度。

解1:设BC=x,则AC=2x,

根据面积公式得S△ABC=12AB×BCsinB=x1-cos2B,

根据余弦定理cosB=AB2+BC2-AC22AB×BC=4+x2-2x24x=4-x24x,

代入上式得S△ABC=x1-4-x24x2=128-

(x2-12)216

由三角形三边关系有2x+x>2

x+2>2x解得22-2

故当x=23时取得S△ABC最大值22。

解2:设AB所在的直线为x轴,其中垂线为y轴建立直角坐标系,则A(-1,0),B(1,0),

设C(x,y),得(x+1)2+y2=2(x-1)2+y2,化简得(x-3)2+y2=8,

又S△ABC=12AB·|yc|=|yc|≤22。

解3:利用阿波罗尼斯圆性质,点C在以AB为直径的圆上。半径r=

222-1=22,S=22。

解法3中利用了阿波罗尼斯圆相关性质。

公元前3世纪,古希腊数学家阿波羅尼斯(Apollonius)在《平面轨迹》一书中,曾研究了众多的平面轨迹问题,其中有如下结论:到两定点距离之比等于已知数的动点轨迹为直线或圆。

点A,B为两定点,动点P满足PA=λPB(λ>0),则λ=1时,动点P的轨迹为直线;

当λ≠1时,动点P的轨迹为圆,后世称之为阿波罗尼斯圆。

以下给出证明(图略)。

以直线AB为x轴,以线段AB的中点为原点建立平面直角坐标系。

设AB=2m,则A(-m,0),B(m,0)

设点P(x,y),由PA=λPB可得(x+m)2+y2=λ(x-m)2+y2,

两边平方整理可得:(λ2-1)x2-2m(λ2+1)x+(λ2-1)y2=m2(1-λ2)

当λ=1时,可得x=0,轨迹是线段AB的中垂线;

当λ≠1(λ>0)时,x-λ2+1λ2-1m2+y2=4λ2m2(λ2-1)2,轨迹是以λ2+1λ2-1m,0为圆心,半径为2λmλ2-1的圆。

阿波罗尼斯圆的常见性质如下:

(1)设AB=a,AP1P1B=AP2P2B=λ,则所做出的阿波罗尼斯圆

直径P1P2=2aλλ2-1=2aλ-1λ,面积为πaλλ2-12。

(2)当λ>1时,点A在圆O外,点B在圆O内;当0<λ<1时,点A在圆O内,点B在圆O外;

(3)当λ=OAr=rOB,即r2=OA·OB,λ越大,圆半径越小。

例3 已知向量a,b满足|b|=3,|a|=2|b-a|,若|a+λb|≥3恒成立,则实数λ的取值范围为。

解:由题意可知向量a的端点的轨迹是一个圆。

设A(x,y),可得A的方程为x2+y2-8y+12=0。

由|a+λb|≥3恒成立,可得x2+y2+6λy+9λ2-9≥0,

即(8+6λ)y+9λ2-21≥0对y∈[2,6]恒成立。

可得(8+6λ)·2+9λ2-21≥0

(8+6λ)·6+9λ2-21≥0,解得λ≥13或λ≤-3。

思考:以上可知在已知定点A、B的条件下,阿波罗尼斯圆的圆心一定在直线AB上。反之,若对一个确定圆,在其对称直线上是否存在确定的两点A、B,使圆上任意一点P到这两点的距离的比值为常数λ呢?

以下以圆心在原点的圆为例给出证明。

不妨设P(x,y)是x2+y2=r2上任意一点,已知定点A(m,0),在x轴上是否存在异于点A的一点B,使得PB=λPA?

设点B(n,0)(n≠m),由PA=λPB可得P的轨迹方程为:

(λ2-1)(x2+y2)+(2n-2λ2m)x+λ2m2-n2=0,

由x2+y2=r2可得(λ2-1)r2+(2n-2λ2m)x+λ2m2-n2=0对任意的x恒成立,

故可得2n-2λ2m=0

(λ2-1)r2+λ2m2-n2=0,所以λ=r|m|

n=λ2m=r2m。

故存在点B,且A、B在x轴的同侧,即圆和其中一点确定,则另一点和比值λ也随之确定。

同理可得,圆和比值λ确定,则A、B两点的坐标可确定,即xA=±rλ

xB=λ2·xA。

例4 在平面直角坐标系中,MN是两个定点,点P是x2+y2=1上任意一点,且满足PM=2PN,则MN的长为。

解:由阿波罗尼斯圆的半径和比值λ之间的关系可得r=MNλ-1λ=23MN=1,∴MN=32。

參考文献:

[1]钟顺荣.浅谈圆的性质在解析几何中的应用[J].中学教研(数学),2018(2):31-33.

作者简介:陶恒聪,浙江省金华市,浙江省金华市武义县武义第一中学。

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