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圆的切线方程公式推导

圆的切线方程公式推导如下:

设圆的标准方程为 \((x - a)^{2} + (y - b)^{2} = r^{2}\),其中 \((a, b)\) 是圆心,\(r\) 是半径。

设切线的斜率为\(k\),则切线方程可以表示为 \(y = kx + m\)。

将切线方程\(y = kx + m\) 代入圆的方程\((x - a)^{2} + (y - b)^{2} = r^{2}\),得到:

\[

(x - a)^{2} + (kx + m - b)^{2} = r^{2}

\]

展开并整理上述方程,得到:

\[

(1 + k^{2})x^{2} + 2(km - b)x + m^{2} - 2bm + b^{2} - r^{2} = 0

\]

由于切线与圆只有一个交点,因此上述方程应该只有一个解,即判别式\(\Delta\) 应该等于 0

\[

\Delta = [2(km - b)]^{2} - 4(1 + k^{2})(m^{2} - 2bm + b^{2} - r^{2}) = 0

\]

化简判别式,得到:

\[

4(km - b)^{2} = 4(1 + k^{2})(m^{2} - 2bm + b^{2} - r^{2})

\]

\[

(km - b)^{2} = (1 + k^{2})(m^{2} - 2bm + b^{2} - r^{2})

\]

\[

k^{2}m^{2} - 2kmb + b^{2} = m^{2} + k^{2}m^{2} - 2k^{2}bm + k^{2}b^{2} - k^{2}r^{2}

\]

\[

-2kmb + 2k^{2}bm = k^{2}b^{2} - b^{2} - k^{2}r^{2}

\]

\[

-2kmb + 2k^{2}bm = k^{2}(b^{2} - r^{2}) - b^{2}

\]

\[

-2kmb(1 - k) = b^{2}(k^{2} - 1) - k^{2}r^{2}

\]

\[

-2kmb(1 - k) + b^{2}(1 - k) = -k^{2}r^{2}

\]

\[

(1 - k)(b^{2} - 2kmb + k^{2}r^{2}) = 0

\]

\[

(1 - k)[(b - kr)^{2} = 0]

\]

\[

1 - k = 0 \quad \text{或} \quad b - kr = 0

\]

\[

k = 1 \quad \text{或} \quad b = kr

\]

\(k = 1\) ,切线方程为 \(y = x + m\)。由于切线经过圆心 \((a, b)\),所以 \(m = b - a\),则切线方程为 \(y = x + b - a\)。

\(b = kr\) ,切线方程为 \(y = kx + b - kr\)。由于切线经过圆心 \((a, b)\),所以 \(b - kr = b - ka\),则切线方程为 \(y = kx\)。

综上所述,圆的切线方程为:

\[

y = kx \quad \text{或} \quad y = x + b - a

\]

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