用两条已知方程的线性组合,可以自动保留共同交点。应先检查组合后是否仍表示所需图形,尤其不能忽略零方程或退化直线。
过固定交点的直线系
若不同直线 L1=a1x+b1y+c1=0 与 L2=a2x+b2y+c2=0 交于一点 P,则
λL1+μL2=0,(λ,μ)=(0,0)
给出过 P 的所有直线。共同点显然满足组合方程;反过来,两条相交直线的法向量不平行,可用它们线性表示任意直线法向量,再由过 P 确定常数项。
只写 L1+tL2=0 通常遗漏 L2=0。若原两线平行,则某些组合会把一次项消掉,产生无解的常数方程;不能一概说每个参数都是直线。
平行直线的组合与退化情形
两条不同平行直线经等比例调整后,可写为
L1=Ax+By+C1=0,L2=Ax+By+C2=0,
其中 (A,B)=(0,0) 且 C1=C2。组合方程为
(λ+μ)(Ax+By)+λC1+μC2=0.
当 λ+μ=0 时,它表示平行直线
Ax+By+C=0,C=λ+μλC1+μC2.
反过来,任意实数 C 都可取 λ=C−C2、μ=C1−C 得到;两参数之和为 C1−C2=0。因此排除退化参数后,恰好得到所有与原两线平行的直线,也包括原来的两条。
当 λ+μ=0 且参数不全为零时,方程成为 λ(C1−C2)=0,没有解,不表示一条直线。若原两线重合,非零组合只可能给回原直线,另一些组合成为 0=0,表示整个平面。因此使用线性组合前,应先判断两原直线相交、平行还是重合。
圆系与公共弦所在直线
设两个相交且不同的圆写成 Si=x2+y2+Dix+Eiy+Fi=0。组合 λS1+μS2=0 自动经过两交点。
当 λ+μ=0,除以这个系数后得到圆的一般式,并因包含两个不同实点而为实圆。当 λ+μ=0 且参数非全零,平方项消去,得到 S1−S2=0,即公共弦所在直线。
对一般不相交圆,组合后需额外检查配方所得半径平方:正为实圆,零为点,负则没有实点。
一般二次曲线的切线表达
记 Q(x,y)=Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F。在曲线上正则点 P(u,v),即 Q(u,v)=0 且两个一次系数 2Au+Bv+D,Bu+2Cv+E 不同时为零,切线为
Aux+2B(uy+vx)+Cvy+2D(u+x)+2E(v+y)+F=0.
沿方向 (h,k) 写 Q(u+th,v+tk),其一次项为 t[(2Au+Bv+D)h+(Bu+2Cv+E)k];切向使这一项为零,得到上式。这个推导只对一元参数多项式展开,不需要多元微积分。
若曲线退化且两系数同时为零,上式可能成为零方程,不能宣称得到唯一切线。过曲线外点的两条实切线若存在且切点不同,可分别将外点代入切点处的公式,得到同一条切点弦方程。
圆与椭圆的切点弦
圆 x2+y2=R2 外点 P(u,v) 向圆作两条切线,切点 T(x0,y0) 满足其切线 xx0+yy0=R2 经过 P,所以所有切点满足 ux0+vy0=R2。两切点连线因此是 ux+vy=R2。
对椭圆 x2/a2+y2/b2=1,同理切点弦为 ux/a2+vy/b2=1。该几何解释要求外点能作两条实切线;椭圆外点判据为 u2/a2+v2/b2>1。边界等于 1 时只有一条切线,内部则无实切点。
例:圆 x2+y2=1 的外点 (2,0),切点弦为 x=1/2,切点为 (1/2,±3/2)。
椭圆两条垂直切线交点的轨迹
对椭圆 x2/a2+y2/b2=1(a,b>0),过点 P=(u,v) 的非竖直切线设为 y−v=k(x−u)。切线条件是 (v−ku)2=a2k2+b2,即
(u2−a2)k2−2uvk+v2−b2=0.
若两条切线均非竖直,且互相垂直,则其斜率积为 −1,所以 u2+v2=a2+b2。若一条竖直,则为 x=±a,另一条必须为水平切线 y=±b,交点也在该圆上。
反之,圆上点若 u2=a2,上式判别式为 4u2v2+4(u2−a2)2>0,两斜率积为 −1;若 u2=a2,则 v2=b2,对应上述竖直与水平切线。因此完整轨迹为 u2+v2=a2+b2,称为椭圆的蒙日圆。必要性与充分性都要证明,避免只得到候选轨迹。
蒙日圆上的两个三角形面积范围
椭圆 x2/a2+y2/b2=1,a>b>0,中心为 O。取蒙日圆上点 P=(u,v),即 u2+v2=a2+b2,两条切线切于 A,B。记
Q=a2u2+b2v2,1+a2b2≤Q≤1+b2a2.
作伸缩变换 (x,y)↦(x/a,y/b),椭圆成为单位圆,面积缩小为原来的 1/(ab)。变换后的 P 到原点距离为 Q,切点弦到原点距离为 1/Q,半弦长为 Q−1/Q。因此
[OAB]=abQQ−1,[PAB]=abQ(Q−1)3/2.
第一式令 t=Q−1,化为 ab/(t+1/t);t∈[b/a,a/b],故
a2+b2a2b2≤[OAB]≤2ab.
第二式关于 t>0 为 abt3/(1+t2),求导得正,故
a2+b2b4≤[PAB]≤a2+b2a4.
各端点均可取到。两个三角形的高不同,不能把它们的面积范围混用。
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