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點點圓問題

在文檔中 龍騰數亦優第13期 (頁 45-51)

問題:給定一圓 O 及兩相異點 A、B,試作出過點 A、B 且與圓 O 相切的圓。

解:根據給定點與給定圓的相對位置,我們共分成十一種情形:

一、點 A 與點 B 都在圓 O 的外部, AB 的垂直平分線不過圓心 O,直線 AB 與圓 O 不相切。

《作圖法》

在此情形中,所求圓共有二解,

可能兩圓都與圓 O 外切(如圖 32 所示),可能兩圓都與圓 O 內切(如圖 33 所示), 也可能其中一圓與圓 O 外切,另一圓與圓 O 內切(如圖 34 所示)。

三種狀況作圖過程相同。

▲圖 32

▲圖 33

▲圖 34

1. 因為 AB 的垂直平分線不過圓心 O,所以,過點 A、B 必有一個圓與圓 O 有二 相異交點 C、D,且直線 AB 與直線 CD 相交於一點 P,但點 P 不在 AB 上也 不在CD 上。(請注意:點 P 恆存在且唯一,參見下面的引理。)

2. 過點 P 作圓 O 的兩切線,設切點分別為 S、T。因為直線 AB 與圓 O 不相切,

所以,切點 S 與 T 都不在直線 AB 上。

3. 過點 A、B、S 的圓與過點 A、B、T 的圓即為所求。

《證明》

因為 PAB 與 PCD 是圓 ABCD 的兩割線,所以,依圓冪定理,可知 PD

PC PB

PA× = × 。

因為 PCD 也是圓 O 的割線,所以,點 P 對圓 O 與圓 ABCD 的冪相等。因為 PS 與 PT 是圓 O 的切線段,所以,得

PB PA PD PC

PS2 = × = × , PB PA PD PC

PT2 = × = × 。

於是, PS 也是圓 ABS 的切線段, PT 也是圓 ABT 的切線段,亦即:圓 ABS 與圓 ABT 都與圓 O 相切。

思考問題 22:

▲圖 35 ▲圖 36

三、 點 A 與點 B 都在圓 O 的外部, AB 的垂直平分線通過圓心 O,直線 AB 與圓 O 不相切。

思考問題 24:

試證:在「點點圓」問題的第三種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓有二解,其 中一圓與圓 O 外切,另一圓與圓 O 內切。

▲圖 37

四、 點 A 與點 B 都在圓 O 的外部, AB 的垂直平分線通過圓心 O,直線 AB 與圓 O 相切。

思考問題 25:

試證:在「點點圓」問題的第四種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓只有一解,

此解中的圓與圓 O 內切。

▲圖 38

五、 點 A 在圓 O 的外部,點 B 在圓 O 上,直線 AB 與圓 O 不相切。

思考問題 26:

試證:在「點點圓」問題的第五種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓只有一解。

▲圖 39

六、 點 A 與點 B 在圓 O 的內部, AB 的垂直平分線不過圓心 O。

思考問題 27:

試證:在「點點圓」問題的第六種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓共有二解,

兩圓都與圓 O 內切。

▲圖 40

七、點 A 與點 B 都在圓 O 的內部, AB 的垂直平分線通過圓心 O。

思考問題 28:

試證:在「點點圓」問題的第七種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓共有二解,

兩圓都與圓 O 內切。

▲圖 41 八、點 A 在圓 O 的內部,點 B 在圓 O 上。

思考問題 29:

試證:在「點點圓」問題的第八種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓只有一解,

此圓與圓 O 內切。

▲圖 42

九、 點 A 在圓 O 的外部,點 B 在圓 O 上,直線 AB 與圓 O 相切於點 B。

思考問題 30:

試證:在「點點圓」問題的第九種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓不存在。

十、 點 A 與點 B 都在圓O(r)上。

思考問題 31:

試證:在「點點圓」問題的第十種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓不存在。

十一、點 A 在圓 O 的內部,點 B 在圓 O 的外部。

思考問題 32:

試證:在「點點圓」問題的第十一種情形中,過點 A、B 且與圓 O 相切的圓不存在。

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