圆中的一个面积关系

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  文[1]对2009年高考理科数学(湖北卷)20题(Ⅱ)问做了推广,得到了圆锥曲线的一个面积公式,笔者读后很感兴趣,故而对圆进行了研究,得到了圆中的一个面积公式.
  我们先来证明两个引理.
  引理1 在四边形ABCD中,对边AD∥BC,对角线AC与BD交于E,过E做AD的平行线交CD于P,记△ADP,△APB,△BPC的面积分别为S1,S2,S3,则S22=4S1S3.
  证明 如图1所示,∵AD∥BC∥EP,
  ∴ADBC=AEEC=DEEB=DPPC,S△ABC=S△DBC.S△ABE=S△DEC.又S△AEP=S△DEP,S△BEP=S△CEP,
  ∴S△APB=S△AEB S△AEP S△BEP=S△AEB S△DEP S△CEP
  =S△AEB S△DCE=2S△AEB.
  因此S△AED=S△APD=S1,S△BCE=S△BCP=S3,S△AEB=12S2,
  又 S△AEDS△AEB·S△BCES△AEB=DEEB·ECAE=1,S2△AEB=S△AED·S△BCE=S1S3.
  故而14S22=S1S3,S22=4S1S3.
  引理2 若线段AD∥BC,AC与BD交于E,记△AED,△AEB,△BCE的面积分别为S1,S2,S3,则S22=S1S3.
  证明 S△AEDS△AEB·S△BECS△AEB=DEEB·ECAE=1,S2△AEB=S△AED·S△BEC,S22=S1S3.
  定理1 已知直线l0:Ax By C=0和圆K:x2 y2=r2,其中r>0,C≠0.过点P-ACr2,-BCr2的直线交圆K于A,B两点,分别过点A,B的两条平行线与直线l0交于点A1,B1,记△AA1P,△A1B1P,△BB1P的面积分别为S1,S2,S3,则S22=4S1S3.
  证明 如图所示,分别过A,B两点做直线l0的垂线,垂足分别为A2、B2,线段AB1、BA1交于点Q.设过点P的直线l的倾斜角为θ.则直线l的参数方程为x=tcosθ-ACr2,y=tcosθ-BCr2.
  设A(t1cosθ-ACr2,t1cosθ-BCr2),A(t2cosθ-ACr2,t2cosθ-BCr2),由于点A,B在圆上,所以
  t1cosθ-ACr22 t1cosθ-BCr22=r2,t2cosθ-ACr22 t2cosθ-BCr22=r2.
  因此,t1,t2是方程tcosθ-ACr22 tcosθ-BCr22=r2的两个不等根.故而有
  t1 t2=2r2C(Acosθ Bsinθ),①
  t1t2=r2C2(A2r2 B2r2-C2).②
  由点到直线的距离公式得AA2=t1(Acosθ Bsinθ)-A2r2 B2r2-C2CA2 B2,BB2=t2(Acosθ Bsinθ)-A2r2 B2r2-C2CA2 B2.
  又PAPB=t1t2,下证AA2BB2=PAPB.即证AA2BB2=t1t2.
  AA2BB2=t1t2.交叉相乘并去绝对值符号t1≠t22(Acosθ Bsinθ)t1t2-A2r2 B2r2-C2C2t1 t2=0.
  由①②知上式成立.由上面的引理1可知,S22=4S1S3.
  定理2 已知直线l0:Ax By C=0和圆K:(x-a)2 (y-b)2=r2,其中r>0,C≠0,过点P(a-ACr2,b-BCr2)的直线交圆K于A,B两点,分别过点A,B的两条平行线与直线l0交于点A1,B1,记△AA1P,△A1B1P,△BB1P的面积分别为S1,S2,S3,则S22=4S1S3.
  【参考文献】
  [1]沈毅.圆锥曲线中的一个面积关系[J].数学通报,2010(4).
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