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『高中数学/解析几何』关于上一篇专栏评论区的其他算法

2022-06-09 02:55 作者:げいしも_芸  | 我要投稿

如果你还没有看过上一篇专栏,建议先补齐上一篇再继续阅读

传送门:

在上一篇专栏中,我们使用初中的方法探讨了过圆外一点作该圆的两条切线,这两条切线的斜率与点的坐标,圆的方程中各系数的关系

有很多人在评论区给出了自己的解法(虽然好像没几个是初中水平可以推导的💦)

那么这一篇专栏则是对评论区中我认为可行的方法进行求解

不论如何,对于平面内一圆及圆外一点

C:(x-a)²+(y-b)²=r²

K(u,v)

我们还是为了降低计算量,将圆平移至原点处,同时将点也进行平移工作,以保证两条切线的斜率不变,那么平移后圆与点变为:

C':x²+y²=r²(r≥0)

K'(u-a,v-b)

同样的,为了减少计算量,我们令

m=u-a,n=v-b

于是有K'(m,n)

(注:以下讨论的均为|m|≠r的情况)

—————————分割线————————

第一种解法由@xx-xxl给出

评论原话

预备知识:点到直线的距离公式

首先,利用点斜式设出直线解析式

y=k(x-m)+n

将其改写为一般的直线方程

-kx+y+(km-n)=0

由于该直线与圆相切,故圆心到此直线的距离为r,根据点到直线的距离公式,我们有:

公式代入结果

化简结果

两边同时平方去掉绝对值,变形得到:

k²m²-2kmn+n²=k²r²+r²

整理为关于k的一元二次方程:

(m²-r²)k²+(-2mn)k+(n²-r²)=0

对k求解得到:

求解结果(不分顺序)

正如我所回复的,这个方法对于熟悉点到直线距离公式的人来说十分简单,要是计算能力稍强一点的,在五分钟内即可得出答案

—————————分割线————————

第二种解法由@只打人机的孩子给出

评论原话

(在正式求解前说一句,此方法对二次函数的切线求解来说较为简易,但是对于圆来说计算量过大,并且计算难度高,不建议使用)

预备知识:圆的参数方程、隐函数求导、反三角函数、三角函数恒等变换

由这条评论容易想出这种解法:

设切点S(p,q)(p²+q²=r²),则由隐函数求导可知,过点S的切线斜率为-p/q

而过S和K'两点的直线斜率为(q-n)/(p-m)

让二者相等,通过化简后可以得到这样一个等式:

mp+nq=r²

进行到这步后,似乎可以用q=√(r²-p²)进行换元,但由于p,q正负的不确定性,我们无法进行换元的工作(至少我做不下去了)

这时我们可以使用另一种方法,使得表示位置的变量的数量降为1,那就是引入圆的参数方程

众所周知,圆心位于原点,半径为r的圆的参数方程为:

x=r·cost

y=r·sint

其中t为参数

通过这个方法,设切点坐标为(rcosa,rsina),我们可以得到这样一个等式:

等式

化简得到:

mcosa+nsina-r=0

对于学过三角恒等变换的读者,看到这里应该都知道要干什么了吧

没错!我们可以用三角变换,将原式化为形如

Asin(ωx+φ)+B=0

的形式,此时再利用反三角函数即可求出a

我们令T=√(m²+n²),tan(o)=m/n

这时原式变为:

Tsin(a+o)-r=0

于是我们可以得到:

a的值

(注:此解当且仅当n≥0时正确)

那另一个切点呢?

我们知道,这两个切点一定关于直线y=(n/m)x对称(如图)

对称

又因为对于关于直线l₀对称的两条直线l₁,l₂,三者与x轴正方向的夹角α₀,α₁,α₂有如下关系:

α₁+α₂=2α₀

于是可以得到另一个切点与x轴的夹角b为:

夹角b

(同样的,当且仅当n≥0时正确)

那么当n<0的情况呢?

当n<0时,我们可以看作是n>0的情况进行上下反转,故此时a、b的值是当n>0时的值的相反数,于是我们可以得到a'与b'为:

a'与b'

这里tan⁻¹(m/n)没有改变符号的原因是:

由于n改变了符号,导致tan⁻¹(m/n)的符号也发生了改变,因此连续两次变号使得tan⁻¹(m/n)的符号重新变回来的负号

而在b'中,π的符号为正的原因则是由于三角函数的周期性,使得在-π的基础上加上2π也不会影响b'的各个三角函数值

最后,在知道了两切点所对应的弧度后,计算这两个角的-cot值即可得出切线斜率,这里不过多阐述反正算出来和上面的k值是一样的)

不论如何,能从不同角度思考问题总是好的。在我看来,数学靠的就是兴趣和好奇心(不然我也就写不出这几篇专栏)

辅助软件:Desmos

官网:https://www.desmos.com

文章中第二种解法所用图表:

https://www.desmos.com/calculator/p7p7tfione?lang=zh-CN

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