椭圆弦上直径圆的外相似中心轨迹
已知椭圆
直线 。若直线 与椭圆 分别相交于 两点, 与 轴相交于 点。分别以 为直径作圆 。设 与 的两条外公切线交于点 , 求 点的轨迹方程。
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外相似中心是两圆外公切线的交点,它把圆心连线按半径作外分;半径不等时坐标为 ,可由相似直角三角形推得。
想法从哪来:两圆都以同一直线上的线段为直径,圆心与半径完全受弦端点在这条线上的有向位置控制。因此先从固定交点出发参数化直线,让椭圆两交点对应二次方程的两根;根积为负还自动说明它们在固定点两侧。 外公切线交点是两圆的外相似中心,其位置按半径作有向分点。半径包含有向参数的绝对值,必须先确定两根符号,再代公式,不能把内外相似中心混淆。简化时只出现根积除以根和,恰可由韦达直接消去端点。得到直线轨迹后,还需检查是否整条都能取得:参数对应竖直割线,此时两圆等半径,外公切线平行,没有有限交点;这与有限轨迹的缺点不同。有限非零给出的交点纵坐标恒非零,缺少的横轴交点对应原参数族未包含的水平割线极限,即趋于无穷的情形。
把直线上的点写成 ,椭圆的两个交点就对应一个关于 的二次方程。 两圆的圆心和半径也都能用这两个根表示,再利用外相似中心的分点公式即可消去参数。
由 与 轴交于 ,得
将直线 上的点参数化为
代入椭圆方程,得到
设方程 (1) 的两个根为 。由韦达定理,
特别地,。不妨设 ,于是
两圆的圆心和半径分别为
由 及 (2),,故 ,两条外公切线确有有限交点。 点 是两圆的外相似中心,所以
由 (2),
因此
当 遍历所有非零实数时,式 (3) 中的纵坐标遍历所有非零实数;反之,每个非零纵坐标 都可由 取得。故 点的轨迹为
方程 (1) 的判别式为 ,所以每个 都确实给出两个不同交点。 又因 ,点 位于 之间,两圆在 处外切; 恰对应两圆半径相等、 外公切线平行的退化情形,原题已将其排除。轨迹中 不能取得。
定直线族上的弦端点问题,可先用直线参数把交点化为二次方程的两根;以共线线段为直径的圆, 其圆心与半径都是根的一次式。随后用相似中心公式和韦达定理消去两根,轨迹通常会显著简化。
两端点在P两侧使半径需按根符号写,利用外相似中心将Q压成uv/(u+v),再证明m非零正好排除等半径及轨迹缺点。
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