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原创互动实验

共轴圆系、根轴与根心

将两圆圆心对称置于 O₁(−d/2, 0) 与 O₂(d/2, 0),改变圆心距 d 与半径 r₁、r₂,或在根轴上上下拖动测试点 P:无论两圆相交、相切还是外离,根轴上任意一点对两圆的圆幂恒相等,且与第三圆 ω₃ 的三条两两根轴交于唯一的根心 R。

共轴圆系、根轴与根心动态几何图可拖动圆心 O₂ 或根轴上的测试点 P,实时观察两圆根轴 x=x₀、圆幂 Pow₁(P)=Pow₂(P) 以及与第三圆 ω₃ 的根心 R。

改变条件

先预测,再核对

先用 x₀=(r₁²−r₂²)/(2d) 估算两圆根轴横坐标 x₀,再核对你的预测(误差允许 0.02;同心 d=0 时不存在唯一有限根轴)。

为什么成立,边界在哪里

平面上一点 P(x, y) 对圆 ω(O, r) 的圆幂定义为 Pow(P, ω) = |PO|² − r²。当 P 在圆外时,Pow(P, ω) > 0,恰好等于过 P 向该圆所作切线长的平方 PT²;当 P 在圆周上(如外切/内切切点或两圆公共弦端点)时,Pow(P, ω) = 0,切线长为 0;当 P 在圆内时,Pow(P, ω) < 0,不存在实切线。取连心线为 x 轴、连心线中点为原点,使 O₁=(−d/2, 0)、O₂=(d/2, 0)。令两圆幂相等:(x + d/2)² + y² − r₁² = (x − d/2)² + y² − r₂²,二次项 x² + y² 完全抵消,化简得一次方程 2d·x = r₁² − r₂²。

当 d > 0 时,等幂点轨迹是垂直于连心线的唯一一条直线 x = x₀ = (r₁² − r₂²)/(2d),即两圆的根轴(等幂轴):两圆相交时它是公共弦所在直线;两圆外切或内切时它是公切线;两圆外离或内含时它虽不与圆相交,却依然作为等幂轨迹真实存在。再引入圆心不共线的第三圆 ω₃(O₃, r₃),由传递性 Pow₁(R)=Pow₂(R) 与 Pow₁(R)=Pow₃(R) 必推出 Pow₂(R)=Pow₃(R),故三条两两根轴共点于根心 R。

边界与退化姿态:(1)当 d = 0(两圆同心)时,一次项系数 2d = 0:若 r₁ ≠ r₂,幂差 Pow₁(P) − Pow₂(P) = r₂² − r₁² 为非零常数,有限平面内不存在根轴(x₀ 无定义);若 r₁ = r₂,两圆完全重合,全平面每一点对两圆的圆幂恒相等,不存在唯一根轴(不能把 x₀ 人为约定为 0);(2)若三圆圆心共线,三条根轴互相平行或重合,有限平面内无唯一根心。