浅议G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)的含义

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  在圆中,有这样两种类型:
  第一类:圆C1:x2+y2+2x+8y-8=0,圆C2:x2+y2-4x-4y-2=0
  ① 证明两圆相交;
  ② 求两圆的交线所在的方程;
  ③ 求过(2,3)且过两圆交点的圆的方程.
  第二类:圆C1:x2+y2+4x-4y-5=0,圆C2:x2+y2-8x+4y+7=0
  ① 两圆相切
  ② 求过切点的公切线方程;
  ③ 求过(2,3)且与两圆相切于上述切点的圆的方程.
  对两类题型的②③解法如下:
  第一类②:(x2+y2+2x+8y-8)-(x2+y2-4x-4y-2)=0
  6x+12y-6=0即为交线
  ③:(x2+y2+2x+8y-8)+λ(x2+y2-4x-4y-2)=0
  代入(2,3) 得λ=113
  从而所求圆的方程为7x2+7y2-19x-10y-23=0
  第二类②:(x2+y2+4x-4y-5)-(x2+y2-8x+4y+7)=0
  3x-2y-3=0即为过切点的切线
  ③:(x2+y2+4x-4y-5)+λ(x2+y2-8x+4y+7)=0
  代入(2,3) 得λ=-14
  从而所求圆的方程为3x2+3y2+24x-20y-27=0
  观察它们的解法,你会发现不论相交还是相切,虽然位置关系不同,但解法相似,而且这两类题的解法都可以概括成G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)的形式.下面探讨这种形式所表示的含义.
  设圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0,圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0.
  记G(x,y)=x2+y2+D1x+E1y+F1
  记F(x,y)=x2+y2+D2x+E2y+F2
  1. 若两圆有公共点(x0,y0),则G(x0,y0)=0、F(x0,y0)=0
  则G(x0,y0)+λF(x0,y0)=0
  这说明G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)过两圆的公共点.
  2. 假设G(x,y)-F(x,y)=0还过G(x,y)=0上异于公共点的另一点,设为(x1,y1)
  则G(x1,y1)=0,且F(x1,y1)≠0
  则G(x1,y1)+λF(x1,y1)≠0(λ≠0)
  同理:G(x,y)-F(x,y)=0也不过F(x,y)=0上异于公共点的其它点.
  综合1、2,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)只过两圆的公共点.
  3. 若λ=-1,G(x,y)+λF(x,y)=0
  即为G(x,y)-F(x,y)=0
  即(D1-D2)x+(E1-E2)y+(F1-F2)=0
  不论两圆相切还是相交,圆心都不可能相同, 都表示一直线.结合1、2,若两圆相交,则是交线;两圆相切,则是过切点的切线.另外,若两圆外离或内含, 所表示的直线与两圆圆心所在的直线垂直,证略.
  4. 若λ≠1,有以下结论:
  ① 两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示圆;
  ② 当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)可能表示圆也可能表示点.
  ③ 当两圆外离或内含时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示虚圆.
  下进行证明.为了便于证明,这里给出标准式
  设圆C1:(x-a)2+(y-b)2=r2,圆C2:(x-m)2+(y-n)2=R2
  记G(x,y)=(x-a)2+(y-b)2-r2
  F(x,y)=(x-m)2+(y-n)2-R2
  G(x,y)+λF(x,y)=0表示
  (1+λ)x2+(1+λ)y2-2(a+mλ)x-2(b+nλ)y+a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)=0
  先证①:两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)表示圆.
  证明:要证是圆,证
  [-2(a+mλ)]2+[-2(b+nλ)]2>4(1+λ)[a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)]恒成立
  证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立 (λ≠0且λ≠-1)
  由于λ=0时, 符合;λ=-1时, 符合
  故只需证明R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立,λ∈R
  证[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]2<4R2r2恒成立
  证[(a-m)2+(b-n)2]2+(R2-r2)2<2[(a-m)2+(b-m)2](R2+r2)成立
  设(a-m)2+(b-n)2=d2
  证d4+(R2-r2)2<2d2(R2+r2)
  证[d2-(R2+r2)]2<4R2r2
  证|d2-(R2+r2)|<2Rr
  证|d2-(R2+r2)|<2Rr
  证-2Rr<d2-(R2+r2)<2Rr
  证(R-r)2<d2<(R+r)2
  因为相交,所以成立,原题得证;
  再证②:当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)可能表示圆也可能表示点
  证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2≥0
  若内切,则(a-m)2+(b-n)2=(R-r)2
  证R2λ2+2Rrλ+r2≥0
  证(Rλ+r)2≥0
  显然成立,原题得证
  若外切,则(a-m)2+(b-n)2=(R+r)2
  R2λ2-2Rrλ+r2≥0
  (Rλ-r)2≥0
  显然成立,原题得证
  ③的证明与①正好相反,此处证明略.
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