圓錐曲線切線作法的一次探究

●

(溫州中學 浙江溫州 325014)

圓錐曲線切線作法的一次探究

●金長林

(溫州中學 浙江溫州 325014)

在解析幾何問題中，常遇到有關二次曲線的切線問題.對于這些問題一般都是聯立方程組，再利用判別式確定切線方程.而作為代數形式的幾何問題能否用幾何本身的方法作圖來解決呢？

對這個問題的思考源于對一個幾何命題的研究，命題如下：

圖1

命題1過圓O外任意一點A引圓的3條割線ABC,ADE，AFG,依次交圓于點B,C;D,E;F,G，如圖1.其中DC交BE于點H,EF交DG于點L,直線HL交該圓于點J,K,求證：AK,AJ都是該圓的切線.

引理1設圓O的方程為x2+y2=r2，P(x0,y0)為圓O外的一點，過點P作圓O的2條切線，切點分別為Q,R,則稱線段QR為圓O對應于點A的切點弦，則直線QR的方程為：x0x+y0y=r2.

證明建立直角坐標系，設Q(x1,y1),R(x2,y2)，則圓O在點Q處的切線方程為：x1x+y1y=r2，因為點P在此直線上，所以

同理可得

x0x2+y0y2=r2.

(2)

由式(1)，式(2)知,點Q(x1,y1),R(x2,y2)在直線x0x+y0y=r2上，因此直線QR的方程為

x0x+y0y=r2.

圖2

引理2圓的外切四邊形的對角線及對邊的切點的連線四線共點.

同理可得

由弦切角性質可知∠AHG+∠CGH=π,因此

sin∠AHG=sin∠CGH.

同理可得

sin∠AEF=sin∠CFE.

比較式(3),式(4)可得

易得β=γ，從而A,P,C三點共線.同理可得B,P,D三點共線，故AC,BD,EF,GH四線共點.

有了以上2個引理的幫助，可得引理3.

圖3

引理3如圖3，設PAB,PDC為圓O的2條割線，AC,BD交于點X,則點X在圓O對應于P的切點弦上.

證明如圖3，分別作圓O在A，B，C，D點處的切線，設圓在A，B處的切線交于點Y,圓在C，D處的切線交于點T.根據引理2可得,Y，X,T三點共線，于是可建立直角坐標系.設P(x0,y0)，Y(x1,y1),T(x2,y2),圓的半徑為r,則由引理1知,直線AB的方程為

x1x+y1y=r2.

因為點P在直線AB上，所以

x0x1+y0y1=r2.

同理可得

x0x2+y0y2=r2,

易知點Y(x1,y1),T(x2,y2)在直線x0x+y0y=r2上.又因為Y,X,T三點共線,所以點X在直線x0x+y0y=r2上，即點X在圓O對應于P的切點弦上.

通過以上3個引理的證明,可知原命題正確,并可推出如下結論.

結論單用直尺，過圓外一點可作出過該點的圓的切線.

圓的切線作法以及證明可促使我們進一步思考:能否推廣到所有的二次曲線中？

命題2圓錐的頂點為P,從底面圓所在平面β上一點A向該圓引2條切線，切點分別為B,C，一個平面α截圓錐所得的截面是圓錐曲線，連結PA,PB,PC,PB,PC交該圓錐曲線分別為點D,E.設PA交α于點F,則FD,FE為該圓錐曲線的切線(圓錐的底面可以離頂點任意遠).

證明(1)當圓錐曲線為橢圓時，由已知可得點P，B，D，A，F共面，設共面于γ;點P,E,C,A,F共面，設共面于φ.假設FE不是橢圓的切線，則FE與橢圓還有另一個交點I.因為

E,F∈φ,I∈EF,

所以

I∈φ，I，E，F∈α.

連結PI交圓于點N,則N∈β.由N∈PI,P,I∈φ，可得N∈φ，因此點N，A，C是β和φ的公共點，從而N,A,C三點共線，這與AC是底面圓的切線矛盾.故FE為該橢圓的切線,同理可得,FD也為橢圓的切線.

(2)當圓錐曲線是拋物線或雙曲線時,同理亦可得證(因篇幅關系，此處略).

圖4 圖5

引理4在同一平面內，圓錐曲線外的一點F向該圓錐曲線引2條割線FGH，FIJ交該圓錐曲線依次分別為G，H；I，J.連結HI，GJ交于點N,則點

N在該圓錐曲線對應于F的切點弦上(這里切點弦的定義同圓的切點弦的定義).

證明(1)當圓錐曲線為橢圓時，設橢圓在α內，對應的圓在β內，連結PF交β于點A,PG,PH,PJ,PI分別交圓于點K,O,Q,R，連結KQ,JR交于點M.設P,F,G,H共面于φ，P,F,I,J共面于γ，易證A，O，K∈φ.又A,O,K∈β，因此A，O，K三點共線.同理可得A,R,Q三點共線,即AQ,AO為底面圓的割線.連結OR,QK交于點M，設點P,J,Q,K,G確定平面θ，點P,H,O,R,I確定平面σ，連結HI,GJ交于點N,因此

N∈GJ,M∈QK,

于是

M,N∈θ.

同理可得,M,N∈σ.又點P∈θ,P∈σ，所以P，M，N三點共線.設過點A的圓的切線為AS,AT,連結PS,PT交橢圓分別于點X,Y,則FX,FY為橢圓的切線.由已知得點M在直線ST上，因為S，T，M，P，X，Y在面PTS上，N∈PM,所以點N∈面PTS,且N∈α.又面PST∩α=XY,所以N∈XY,即點N在該橢圓對應于F的切點弦上.

(2)當圓錐曲線為拋物線或雙曲線時,同理可證.

綜上所述,命題得證.

由此，可以得到一個結論和畫法:即過二次曲線(圓、橢圓、雙曲線、拋物線)外的一點A，向曲線引3條割線ABC，ADE，AFG，依次交曲線為B，C；D，E；F，G,其中DC交BE于點H，HF交DG于點L,直線HL交該二次曲線于點J，K,則直線AK，AJ都是該二次曲線的切線.