Napisz równanie stycznych do okręgu x^2 + y^2 − 4x + 6y + 9 = 0 przechodzących przez punkt
A = (4; 1).


Odpowiedź :

Odpowiedź:

[tex]y = \frac{3}{4}x - 2[/tex]

oraz

x = 4

Szczegółowe wyjaśnienie:

Przekształćmy równanie okręgu:

[tex]x^2 + y^2 - 4x +6y + 9 = 0\\(x-2)^2 -4 + (y +3)^2 -9 + 9 = 0\\(x-2)^2 + (y +3)^2 = 4\\[/tex]

Środek okręgu jest w punkcie (2,-3) a promień wynosi 2

Równanie prostej ma postać

y = ax + b

w postaci kanonicznej

ax - y + b = 0

(to równanie nie uwzględnia prostej o równaniu x = c)

Prosta przechodzi przez punkt (4,1) więc

1 = a*4 + b

czyli b = 1 -4a

Jeżeli prosta jest styczna to odległość od środka okręgu powinna wynosić 2

więc

[tex]\frac{|ax - y +b|}{\sqrt{a^2 + 1}} = d\\\frac{|2a+3 +b|}{\sqrt{a^2+ 1}} = 2[/tex]

Podstawiając za b = 1 - 4a otrzymujemy

[tex]\frac{|2a+3 + 1 -4a|}{\sqrt{a^2 + 1}} = \frac{|4 -2a|}{\sqrt{a^2 + 1}} = 2[/tex]

[tex]2 * |2 - a| = 2 \sqrt{a^2 + 1}\\|2 - a| = \sqrt{a^2 + 1}\\(2-a)^1 = a^2 + 1\\4 - 4a + a^2 = a^2 + 1\\4a = 3\\a = \frac{3}{4}\\b = 1 - 4a = 1 - 4*\frac{3}{4} = 1 - 3 = -2\\[/tex]

Równanie stycznej:

[tex]y = \frac{3}{4}x - 2[/tex]

Ale powinny być 2 styczne, więc sprawdzamy równanie w postaci

x = c

Ponieważ przechodz przez punk (4.1) więc równanie to musi mieć postać

x = 4

Sprawdzamy czy ma jeden punk wspólny z okręgiem

[tex](4-2)^2 + (y+3)^2 = 4\\4 + (y+3)^2 = 4\\(y+3)^2 = 0\\[/tex]

Z tego wynika, że jest jedynie jedno rozwiązanie dla y = -3 więc prosta o równaniu x=4 jest drugą prostą spełniającą warunki zadania

Odpowiedź:

[tex]x=4\\y=\frac{3}{4} x-2[/tex]

Szczegółowe wyjaśnienie:

Uprośćmy równanie naszego okręgu:

[tex](x-2)^2+(y+3)^2=4[/tex]

Z jednego punktu można poprowadzić dwie styczne do okręgu (punkt musi leżeć poza okręgiem). Jak wyznaczyć punkty styczności? Wg mnie najbardziej przejrzysty (na pewno nie najkrótszy) sposób to:

- wyznaczenie równania prostej (1) przechodzącej przez podany punkt oraz środek okręgu

- wyznaczenie prostej prostopadłej (2) do poprzedniej (1) przechodzącej przez środek okręgu

- wyznaczenie punktów przecięcia prostej (2) z okręgiem

- napisanie równań prostych stycznych (przez dwa punkty).

Żeby skrócić obliczenia (i nieco je skomplikować) możemy także napisać wstępne równanie prostej przechodzącej przez punkt A i następnie wymusić warunek, żeby ta prosta była w odległości r od środka okręgu. Wydaje mi się to o wiele szybszą metodą, zatem skorzystamy właśnie z niej:

Wstępne równanie prostej (wynika z ogólnego równania prostej):

[tex]1=4a+b[/tex]

[tex]b=1-4a[/tex]

więc, równanie prostej ma teraz postać:

[tex]y=ax+1-4a[/tex]

Należy mieć także na uwadze, że styczna może być dana równaniem: [tex]x=4[/tex]

Nasz promień ma długość [tex]2[/tex] . Korzystamy ze wzoru na odległość punktu od prostej, w tym celu zmieniamy jej postać:

[tex]ax-y+1-4a=0[/tex]

Środek okręgu ma współrzędne:

[tex]S=(2;-3)[/tex]

Wstawiamy całość do wzoru na odległość punktu od prostej:

[tex]2=\frac{|2a+3+1-4a|}{\sqrt{a^2+(-1)^2} } \\\\2=\frac{|4-2a|}{\sqrt{1+a^2} } \\\\2\sqrt{1+a^2} =|4-2a|\\\\4\cdot (1+a^2)=16-16a+4a^2\\\\-12=-16a\\\\a=\frac{3}{4}[/tex]

Ponieważ otrzymaliśmy tylko jeden współczynnik kierunkowy oznacza to że musimy uwzględnić równanie [tex]x=4[/tex] (pisałem wcześniej z czego to wynika).

Zatem równanie prostej stycznej przechodzącej przez punkt A ma postać:

[tex]y=\frac{3}{4} x+1-3=\frac{3}{4}x-2[/tex]

Sprawdźmy teraz czy [tex]x=4[/tex] jest równaniem stycznej (w zasadzie to już wiemy że jest, ale dla reguły):

[tex]2=\frac{|2+0+0|}{\sqrt{1^2+0} } \\\\2=2[/tex]

Dowodzi to tego, że prosta o równaniu [tex]x=4[/tex] jest równaniem drugiej stycznej.