浙江 2020 · 数学 q15

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2020 · 数学 q15 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

15.设直线l:y=kx+b(k>0)y = k x + b ( k > 0 ),圆C1 ⁣: x2+y2=1C_{1} \colon \ x^{2} + y^{2} = 1,C2 ⁣: (x−4)2+y2=1C_{2} \colon \ ( x - 4 )^{2} + y^{2} = 1,若直线l与C1,C2都相切,则k=;b=

答案

33;−233.{\frac{\sqrt{3}}{3}} ; - {\frac{2 {\sqrt{3}}}{3}} .

本题的知识树

3 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 2 易错点 · 最深 2 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

两个等半径圆的公切线 · 两个「距离 = 半径」硬解,或用对称性一步定中点 · 最终答案:33;−233.{\frac{\sqrt{3}}{3}} ; - {\frac{2 {\sqrt{3}}}{3}} .

冷启动:两个圆的标准方程先读成四个数

题面给的两个圆都是标准方程,圆心与半径直接念出来:

C1: x2+y2=1 ⇒ C1(0,0), r1=1;C2: (x−4)2+y2=1 ⇒ C2(4,0), r2=1.C_1:\ x^2+y^2=1\ \Rightarrow\ C_1(0,0),\ r_1=1;\qquad C_2:\ (x-4)^2+y^2=1\ \Rightarrow\ C_2(4,0),\ r_2=1 .

四个数里有两件事要当场记下:

  • 两圆半径相等(都是 11)——这是本题唯一的机关,解法二整条路都由它长出来。
  • 圆心距 ∣C1C2∣=4>r1+r2=2|C_1C_2|=4>r_1+r_2=2,两圆外离,所以公切线有四条。

于是题面那句 k>0k>0 不是摆设:它是从四条里筛出一条的筛子。答案唯一,靠的是它。

关键卡点:「直线与圆相切」只有一种可算的写法——圆心到直线的距离等于半径。 本题相切两次,就是两个这样的等式;把直线写成一般式 kx−y+b=0kx-y+b=0 再代公式。

解法一:两个「距离 = 半径」方程,硬解 k 与 b

怎么想到的。 条件只有「都相切」,那就把它逐字翻译两遍。翻译的工具就是点到直线的距离公式, 这条路不需要任何几何观察,是官方解析走的路。

① 列两个方程。 直线 y=kx+by=kx+b 写成一般式 kx−y+b=0kx-y+b=0,两个圆心到它的距离分别是

d1=∣b∣1+k2=1,d2=∣4k+b∣1+k2=1.d_1=\frac{|b|}{\sqrt{1+k^2}}=1,\qquad d_2=\frac{|4k+b|}{\sqrt{1+k^2}}=1 .

② 两式一比,先定 b 与 k 的关系。 两个右边都是 11、分母又相同,所以 ∣b∣=∣4k+b∣|b|=|4k+b|。 两边平方后因式分解(这样两支自然都在,不必手工分类):

b2=(4k+b)2 ⟹ (4k+b)2−b2=8k (2k+b)=0.b^2=(4k+b)^2\ \Longrightarrow\ (4k+b)^2-b^2=8k\,(2k+b)=0 .

因为 k>0k>0,只能 2k+b=02k+b=0,即  b=−2k \boxed{\,b=-2k\,}。(被 k>0k>0 排除的那支 k=0k=0 正是两条外公切线 y=±1y=\pm1;见避坑第二条。)

③ 代回任一个方程解出 k。 把 b=−2kb=-2k 代进 d1=1d_1=1:

∣−2k∣=1+k2 ⟹ 4k2=1+k2 ⟹ k2=13 ⟹ k=33(k>0),|-2k|=\sqrt{1+k^2}\ \Longrightarrow\ 4k^2=1+k^2\ \Longrightarrow\ k^2=\frac13 \ \Longrightarrow\ k=\frac{\sqrt3}{3}\quad(k>0),

于是 b=−2k=−233b=-2k=-\dfrac{2\sqrt3}{3}。

④ 回代验一次(十秒)。 1+k2=43=23\sqrt{1+k^2}=\sqrt{\tfrac43}=\dfrac{2}{\sqrt3},而 ∣b∣=23|b|=\dfrac{2}{\sqrt3}、∣4k+b∣=∣43−23∣=23|4k+b|=\left|\dfrac{4}{\sqrt3}-\dfrac{2}{\sqrt3}\right|=\dfrac{2}{\sqrt3} ——两个距离都等于 11 ✓ 两次相切都对上了。

解法二:等半径两圆看对称:内公切线过中点,再看一个直角三角形

怎么想到的。 两圆半径相等这件事,代数上只体现为「两个方程右边一样」,几何上却是一句强得多的话: 两圆关于连心线的中点 M(2,0)M(2,0) 中心对称。 把这句话用足,就是等半径两圆的内公切线过连心线中点这条套路。

① 四条公切线先各就各位。 等半径 ⇒ 两圆之间是一个平移,外公切线平移过去还是自己, 故它平行连心线:y=±1y=\pm1,斜率 00,被 k>0k>0 排除。 剩下两条内公切线在中心对称下映成自身,而一条直线在中心对称下不动只能是过对称中心, 所以它们都过 M(2,0)M(2,0)。 (为什么是「各自不动」而不是「两条互换」:中心对称保持斜率,而这两条关于 xx 轴互为镜像、 斜率一正一负必不相等,互换就会改变斜率——所以只能各自不动。)

② 「过 M」一步给出截距。 把 M(2,0)M(2,0) 代进 y=kx+by=kx+b:

0=2k+b ⟹ b=−2k.0=2k+b\ \Longrightarrow\ b=-2k .

解法一用一次平方加一次因式分解才拿到的关系,这里是一句话。

③ 一个直角三角形给出斜率。 设这条内公切线与 ⊙C1\odot C_1 的切点是 TT。切线 ⊥\perp 半径, 所以 ∠C1TM=90∘\angle C_1TM=90^\circ,而 ∣C1T∣=r=1|C_1T|=r=1、∣C1M∣=∣C1C2∣2=2|C_1M|=\dfrac{|C_1C_2|}{2}=2:

sin⁡∠C1MT=∣C1T∣∣C1M∣=12 ⟹ ∠C1MT=30∘.\sin\angle C_1MT=\frac{|C_1T|}{|C_1M|}=\frac12\ \Longrightarrow\ \angle C_1MT=30^\circ .

连心线就是 xx 轴,所以这个角(的对顶角)正是直线的倾斜角:

k=tan⁡30∘=33,b=−2k=−233.k=\tan 30^\circ=\frac{\sqrt3}{3},\qquad b=-2k=-\frac{2\sqrt3}{3} .

④ 这条路多给的东西。 把数换成字母:半径 rr、∣C1M∣=a|C_1M|=a,则

sin⁡∠C1MT=ra,k=ra2−r2,b=−ak.\sin\angle C_1MT=\frac{r}{a},\qquad k=\frac{r}{\sqrt{a^2-r^2}},\qquad b=-ak .

本题 r=1r=1、a=2a=2 代进去就是答案。题目改半径、改圆心距,换两个数即可,不必重列方程; 问「四条公切线各是什么」也能照着图直接念。

教学图:上半张是坐标系全景——两个半径 1 的圆分别以 C₁(0,0)、C₂(4,0) 为圆心,圆心距 4,两圆外离;两条水平虚线 y=1 与 y=−1 是外公切线,斜率 0;另一条从左上斜向右下的虚线是斜率为 −√3/3 的内公切线,注「另一条内公切线 k=−√3/3:不合」;两条内公切线都过连心线中点 M(2,0),其中斜率为正的那条画成粗蓝实线,标「本题要的那条:y=(√3/3)x−2√3/3」,它与 y 轴的交点标成绿点并注「b=−2√3/3」;从两个圆心各画一条绿色半径垂直落到这条粗线上,垂足处带直角记号,分别标「d₁=r=1」与「d₂=r=1」,图题写着「两圆等半径、外离 ⇒ 公切线共四条:y=±1(斜率 0),另两条过中点 M;题给 k>0 把四条筛成一条」。下半张放大那个直角三角形 C₁TM:画出圆 C₁、切点 T 与中点 M,绿色半径 C₁T 标「r=1」且在 T 处带直角记号,灰色线段 C₁M 下方用量距线标「|C₁M|=2(圆心距的一半)」,M 处的角标 30°,右侧竖排写出「切线 ⊥ 半径 ⇒ ∠C₁TM=90°;sin∠C₁MT=r/|C₁M|=1/2 ⇒ 夹角 30° ⇒ k=tan30°=√3/3」

两条路差在哪

解法一:硬解两个方程解法二:先看对称性
起手两个「距离 == 半径」等式一次观察:等半径 ⇒ 关于 MM 中心对称
拿到 b=−2kb=-2k 的代价平方 + 因式分解 + 用 k>0k>0 舍支把 M(2,0)M(2,0) 代进直线,一步
定 kk 的方式解 4k2=1+k24k^2=1+k^2直角三角形里 sin⁡=12\sin=\frac12,读出 30∘30^\circ
半径不相等时照样列,只是两个右边不同「过中点」要改成「过内分点」(比 r1:r2r_1:r_2)
问「四条各是什么」要把 k=0k=0 那支也解出来图上直接念

填空题两条都在半分钟内。解法一不需要眼力、任何两圆都能套;解法二几乎不算, 而且顺手把「为什么答案只有一组」讲清楚了。

避坑

  • 只列一个方程。 「与 C1C_1、C2C_2 都相切」是两个条件,两个未知量 kk、bb 才定得下来。 只写一个,最后必然多出一个自由参数。
  • ∣b∣=∣4k+b∣|b|=|4k+b| 只去一种绝对值。 只写同号那支 4k+b=b4k+b=b 会得 k=0k=0,与 k>0k>0 矛盾, 于是误判「无解」——而答案就在被丢掉的异号那支 b=−2kb=-2k 里。这正是公切线漏数内公切线在代数上的样子: k=0k=0 的两条是外公切线,b=−2kb=-2k 的两条才是内公切线。
  • 平方之后开方不戴绝对值。 由 b2=(4k+b)2b^2=(4k+b)^2 直接写 b=4k+bb=4k+b 是同一个坑的另一种写法(开方丢绝对值); 用因式分解 (4k+b)2−b2=0(4k+b)^2-b^2=0 天然保住两支。
  • 把 k>0k>0 当摆设。 四条公切线里,k=0k=0 的两条、k<0k<0 的一条都被这句话筛掉。 答案唯一是它的功劳;解完回头看一眼「我筛过没有」。
  • 半径不等还照抄「过中点」。 中点是 r1=r2r_1=r_2 的特例。r1≠r2r_1\ne r_2 时内公切线过的是把 ∣C1C2∣|C_1C_2| 分成 r1:r2r_1:r_2 的内分点,外公切线也不再平行连心线。
  • bb 的符号弄反。 k>0k>0 那条内公切线从左下升到右上、穿过 M(2,0)M(2,0),纵截距必然是负的。 答成 +233+\dfrac{2\sqrt3}{3} 是把 k<0k<0 那条(y=−33x+233y=-\frac{\sqrt3}{3}x+\frac{2\sqrt3}{3})的截距搬了过来。
  • 两个空填反或多写字母。 第一空 33\dfrac{\sqrt3}{3}、第二空 −233-\dfrac{2\sqrt3}{3},不写「k=k=」。

收口

一句话:「相切」只有一种可算的写法——圆心到直线的距离等于半径;两次相切就是两个这样的等式。 本题的两个等式右边相同(等半径),一比就得 ∣b∣=∣4k+b∣|b|=|4k+b|,两支分别是外公切线与内公切线。

更值得随身带走的是几何那半边:等半径两圆 ⇒ 外公切线平行连心线、内公切线过连心线中点; 再由 sin⁡∠=ra\sin\angle=\dfrac{r}{a}(aa 是圆心距的一半)读出夹角。 下次看到「两个半径相同的圆都与 ll 相切」,先把 MM 点出来,答案基本已经在纸上了。

本题涉及的教材页

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