由一道幾何題說起——根軸的性質

如圖,兩圓相交於直線MN,在交線MN上取A, C兩點,分別向兩圓做切線AD、AB和CD、CB,切點分別為S、P、R和Q。

由一道幾何題說起——根軸的性質

已知AD=8,AB=12,CD=10。求BC

解答:
容易知道,直線MN是兩圓的根軸。從根軸上的點向兩圓做切線段,則切線段長度相等。
於是AS=AP,CR=CQ。
結合切線的性質,有DS=DR,BP=BQ

AD+BC=AS+DS+CQ+BQ
=AP+DR+CR+BP=AP+BP+DR+CR=AB+DC
於是
BC=AB+DC-AD=12+10-8=14。

關於圓的根軸

要講根軸,首先講講圓冪定理

圓冪定理:對任意給定的半徑為r的圓O,和一點A,設過點A的一條直線與圓O交於P,Q兩點,則乘積 AP·AQ為定值,且

由一道幾何題說起——根軸的性質

由一道幾何題說起——根軸的性質

比如對上面的圖,A點在圓的外部,就有

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(切線可看作割線的兩個交點重合的特殊情況。)點在圓的內部時,結論類似,也就是相交弦定理,這裡不再贅述。

事實上,如果點在圓的內部,則AO^2- r^2 <0,為了避免式子中的絕對值,將線段乘積改成向量點積,圓冪定理可敘述如下:

過點A的直線交圓O於P、Q兩點,則
由一道幾何題說起——根軸的性質

我們就把上面的向量點積 AP·AQ叫做點A對圓O的冪。

點積的符號反映了點與圓周的位置關係,而點積的大小則反映了點到圓周的距離大小。

點積>0,在圓周外;點積=0,在圓周上;點積<0,在圓周內。

一旦點和圓的位置、大小確定,那麼上面的向量點積也就確定了。跟直線的選取無關(如上圖)。

有沒有似曾相識的感覺?

不妨從解析幾何的角度,來看看這個圓冪的本質。

以(a,b)為圓心,r為半徑的圓的經典方程是

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不妨改寫成

由一道幾何題說起——根軸的性質

設函數

由一道幾何題說起——根軸的性質

則所謂的圓,就是f(x,y)=0的點的集合。

點對圓的冪又是什麼呢?

設A(m,n),則A對圓的冪

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點A對圓的冪,就是f(A)!

什麼叫根軸呢?先看一個概念,
等冪點

給定一個圓O,如果兩個點到圓O的冪相等大小相等且符號相同),則稱這兩個點對圓O是等冪點。

顯而易見,對給定的冪,所有等冪點與原來的圓構成一個同心圓。

由一道幾何題說起——根軸的性質

比如上圖,大圓上的任意點對小圓的冪都相等,其值為R^2 - r^2

事實上,圓自身就是一個等冪點的集合,零冪點集

從解析幾何的角度,就更直觀了:所謂等冪點,就是滿足“f(x,y)=給定值”的點的集合。而圓,不過是這個給定值恰好為0的特殊情形罷了,也就是,零冪點集

理解了圓冪和等冪點,根軸的概念就很容易理解了。

對於兩個不同的圓,不妨設其一般方程為f(x,y)=0和g(x,y)=0(平方項前面的係數均為1),我們把對兩個圓的冪相等的點的集合稱為這兩個圓的根軸。前面已經知道,點A對圓f(x,y)=0和g(x,y)=0的冪,其實就是f(A)和g(A),所以這兩個圓的根軸,也就是滿足f(A)=g(A)的所有點的集合

顯而易見,兩個圓的根軸是一條直線。其方程為f(x,y)=g(x,y),或者f(x,y)-g(x,y)=0。

對於相交的圓,有一個非常重要的結論:相交圓的根軸就是兩圓公共弦所在的直線!

由一道幾何題說起——根軸的性質

如上圖,兩圓交於M,N兩點,則直線MN為這兩個圓的根軸。

這很好理解。我們已經知道,兩個圓的根軸一定是一條直線,而兩點確定一條直線。顯然,M點在兩個圓周上,故M 點到兩個圓的冪均為零,是一個等冪點,同理N點也是一個等冪點。於是M,N所在的直線正是兩個圓的根軸。

有了上面的知識,原題也就迎刃而解了。


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