درسنامه آموزشی فصل دوم هندسه (3) کلاس دوازدهم ریاضی با پاسخ درس 2: دایره
معروفترین مقطع مخروطی، دایره است و چنانچه قبلاً دیدیم، دایره مکان هندسی نقاطی از صفحه است که از یک نقطهٔ ثابت (مرکز دایره) به فاصلهای ثابت (شعاع دایره) واقعاند. حال میخواهیم ویژگیهای دایره را بهصورت تحلیلی در دستگاه مختصات دوبعدی باهم مرور کنیم.
معادلهٔ دایره
دایرهٔ C(O′,r) را در دستگاه مختصات xoy در نظر میگیریم. اگر O′(α,β) مرکز دایره باشد و A(x,y) یک نقطهٔ دلخواه روی آن باشد، با توجه به تعریف دایره، همواره O′A=r و با توجه بهدستور تعیین فاصلهٔ بین دو نقطه میتوان نوشت:
|O′A|=√(x−α)2+(y−β)2=r⇒(x−α)2+(y−β)2=r2
و این معادلهٔ دایرهای به مرکز (α,β) و شعاع r است، که به آن معادلهٔ استاندارد دایره نیز میگوییم.
در معادلهٔ دایره میتوانیم به کمک اتحادها، عبارتهای درجهٔ دوم را ساده کنیم، مثلاً در معادلهٔ فوق داریم:
(x−2)2+(y+1)2=4⇒
x2−2x+4+y2+2y+1=4⇒
x2+y2−2x+2y+1=0
که این معادله را معادلۀ ضمنی دایره مینامیم.
تبدیل معادلۀ ضمنی دایره به معادلۀ استاندارد
در حالت کلی معادلهای به صورت x2+y2+ax+by+c=0 ممکن است معادلهٔ دایرهای باشد. برای این منظور عبارتهای x2+ax و y2+by را به مربع کامل تبدیل میکنیم.
فعالیت (صفحه 41 کتاب درسی)
میخواهیم مختصات مرکز و طول شعاع دایره به معادلهٔ ضمنی x2+y2+ax+by+c=0 را در حالت کلی بهدست آوریم. با پر کردن جاهای خالی این کار را انجام دهید:
+c−0⇒(y2+by+b24−b24)(x2+ax+a24−a24)+
+c−0⇒(x+a2)2+(y+b2)2−a24−b24
(x+a2)2+(y+b2)2−a2+b2−4c4
,r=√a2+b2−4c2⇒O(−a2,−b2)
با توجه به شرط نامنفی بودن عبارت زیر رادیکال چه نتیجهای درباره c,b,a بهدست میآید؟
a2+b2−4c>0→a2+b2>4c
رابطهٔ ضمنی x2+y2+ax+by+c=0 معادلهٔ یک دایره است، اگر و تنها اگر a2+b2>4c باشد و اگر a2+b2<4c باشد، این معادله هیچ نقطه از صفحه را مشخص نمیکند و اگر a2+b2=4c باشد، این معادله تنها یک نقطه به مختصات (−a2,−b2) را در صفحه مشخص میکند (چرا؟)
کار در کلاس (صفحه 42 کتاب درسی)
1- معادلهٔ دایرهای را بنویسید که مرکز آن O(0,1) و شعاع آن 3 واحد باشد.
(x−0)2+(y−1)2=9
2- معادلهٔ دایرهای به مرکز مبدأ مختصات و شعاع r به چه صورت است؟
(x−0)2+(y−0)2=r2⇒x2+y2=r2
3- کدام یک از روابط زیر میتواند معادله یک دایره باشد؟ مختصات مرکز و طول شعاع دایرهها را بهدست آورید و دایره را رسم کنید.
x2+y2−2x−6y−1=0 (الف
x2+y2+2x+3y+4=0 (ب
2x2+2y2−3x+4y−2=0 (ج
فعالیت (صفحه 43 کتاب درسی)
معادلهٔ دایرهای را بنویسید که نقطهٔ O(1,−1) مرکز آن بوده و بر خط به معادلهٔ 3x−4y+3=0 مماس باشد.
1- با توجه به آنچه از هندسهٔ 2 به یاد دارید، شعاع دایره در نقطهٔ تماس (H) برخط عمود است
2- طول شعاع دایره برابر است با فاصلهٔ مرکز دایره از خط d
3- به کمک دستور فاصلهٔ نقطه از خط داریم: |3×1+(−4)(−1)+3|√9+16=105=2r=OH=
4- معادلهٔ دایره را با داشتن مختصات مرکز و شعاع آن مینویسیم:
x2+y2−2x+2y−2=0⇒4(x−1)2+(y+1)2=
کار در کلاس (صفحه 43 کتاب درسی)
معادلهٔ دایرهای را بنویسید که O(0,1) مرکز آن بوده و روی خط به معادلهٔ x+y=2 وتری به طول 2√2 جدا کند.
OB=R=√(√2)2+(√22)2=√102
(x−0)2+(y−1)2=104
OH=|1×0+1(−1)−2|√1+1=1√2=√22
فعالیت (صفحه 44 کتاب درسی)
معادلهٔ دایرهای را بنویسید که مرکز آن O(0,1) بوده و با دایرهٔ x2+y2−4x−6y=3 مماس داخل باشد.
x2+y2−4x−6y=3→x2−4x+4+y2−4y+9−13=
3→(x−2)2+(y−3)2=16→o(2,3),r=4
1- معادلهٔ دایره فوق را بهصورت استاندارد تبدیل کنید و از آنجا مختصات مرکز و طول شعاع آن را بیابید.
4,r′=(2,3)⇒O′16=(y−3)2+(x−2)2
2- طول خط المرکزین دو دایره را بهدست میآوریم:
√8=2√2d=OO′=√(0−2)2+(1−3)2=
3- با توجه به آنچه از هندسه 2 میدانیم، داریم:
4±2√2=±2√2 ⇒r=4=2√2 ⇒r−|r−4|d=|r−r′|⇒
4- با داشتن مختصات مرکز و طول شعاع، معادله دایره را مینویسیم:
(4±2√2)2(x−0)2+(y−1)2=
(4±2√2)2=16+8±16√2=24±16√2
چرا مسئله دو جواب دارد؟
چون برای شعاع دو مقدار پیدا شده است. x2+y2−2y−23±16√2=0
کار در کلاس (صفحه 44 کتاب درسی)
وضعیت هر یک از جفت دایرههای زیر را نسبت به هم مشخص کنید:
x2+y2−4x−6y=3 (الف
→x2−4x+4+y2−6y+9−13=3
→(x−2)2+(y−3)2=16→O(2,3),r=4
x2+y2−10x−14y+73=0
→x2−10x+25+y2−14y+49−74+73=0
→(x−5)2+(y−7)2=1→o′(5,7),r′=1
دو دایره مماس خارج هستند ∞′=√(2−5)2+(3−7)2 =√9+16 =5∞′=r+r′→
x2+y2−2x=1 (ب
→x2−2x+1+y2−1=1
→(x−1)2+y2=2→o(1,0),r=√2
x2+y2=1
→o′(0,0),r′=1
دو دایره متداخل هستند ∞′=√(1−0)2 =1→r+r′<∞′<r+r′→
x2+y2=9 (ج
→o(0,0),r=3
x2+y2−2x+2y+1=0
→x2−2x+1+y2+2y+1−2+1=0
→(x−1)2+(y+1)2=1→o′(1,−1),r′=1
دو دایره متقاطع هستند ∞′=√(0−1)2+(0+1)2=√2∞′<r−r′→
x2+y2=4 (د
→o(0,0),r=2
x2+y2−8x−4y+19=0
→x2−8x+16+y2−4y+4−20+19=0
→(x−4)2+(y−2)2=1→o′(4,2),r′=1
دو دایره متخارج هستند ∞′=√(0−4)2+(0−2)2=√20=2√5∞>r+r′→
فعالیت (صفحه 45 کتاب درسی)
میخواهیم وضعیت خط به معادلهٔ x+y=4 و دایرهٔ x2+y2−2y−3=0 را تعیین کنیم.
روش اول: از معادلهٔ خط، y=4−x را در معادلهٔ دایره جایگزین میکنیم (با این کار در صورت برخورد خط و دایره، مختصات نقطههای برخورد از معادله حاصل بهدست میآید):
x2+(4−x)2−2(4−x)−3=0⇒...
با ساده کردن معادلهٔ حاصل و تعیین علامت Δ، نشان دهید معادلهٔ فوق ریشه حقیقی ندارد و در نتیجه خط و دایره نقطه برخوردی ندارند.
روش دوم: معادلهٔ دایره را استاندارد کنید و مختصات مرکز و طول شعاع آن را بیابید.سپس فاصلهٔ مرکز دایره از خط را بیابید. چگونه تشخیص میدهید خط و دایره نسبت به هم چه وضعی دارند؟
با رسم شکل خط و دایره در یک دستگاه مختصات، درستی نتیجهگیریتان را ببینید.
سؤال: اگر در معادلهٔ حاصل از برخورد خط و دایره، Δ>0 یا Δ=0 شود وضع دایره و خط نسبت به هم چگونه است؟ در این حالتها فاصله مرکز دایره از خط چگونه است؟
تمرین (صفحه 46 کتاب درسی)
1- معادله دایرهای را بنویسید که:
الف) O(1,1) مرکز آن و A(3,2) نقطهای از آن باشد.
r=OA=√22+12=√5
(x−1)2+(y−1)2=5
ب) O(2,1) مرکز آن بوده و بر خط 3x+4y=0 مماس باشد.
r=|3(2)+4(1)+0|√9+16=105=2
(x−2)2+(y−1)2=4
پ) O(−1,−1) مرکز آن بوده و روی خط x+y=1 وتری به طول 2 ایجاد کند.
OH=|−1−1−1|√1+1=3√2=3√22
r2=12+(3√22)2=1+92=112
(x+1)2+(y+1)2=112
ت) خطوط x+y=1 و x−y=3 شامل قطرهایی از آن بوده و خط 4x+3y=6 بر آن مماس باشد.
{x+y=1x−y=3⇒2x=4→x=2,y=−1
o(2,−1)
r=|4(2)+3(−1)−6|√16+9=15
(x−2)2+(y+1)2=125
ث) از نقاط A(1,2) و B(3,0) بگذرد و y=2x−1 شامل قطری از آن باشد.
o|α2α−1
OA=OB=r=√(α−1)2+(2α−1−2)2=√(α−3)2+(2α−1−0)2
α2−2α+1+4α2−12α+9=α2−6α+9+4α2−4α+1
−14α+10=−10α+10→α=0
o(0,−1)⇒OA=OB=r=√10
X2+(y+1)2=10
2- حدود a را طوری بهدست آورید که x2+y2−3x+5y+a=0 بتواند معادلهٔ یک دایره باشد.
3- وضعیت هر یک از نقاط A(−1,−1) و B(1,−2) و C(2,3) و D(4,−1) را نسبت به دایره x2+y2−2x+4y−5=0 تعیین کنید.
X2+y2−2x+4y−5=0→O|1−2r=√4+16+202=√10
نقطه درون دایره است OA=√4+1=√5<r→
نقطه روی مرکز دایره است OB=√0+0=0<r→
نقطه روی محیط دایره است OD=√9+1=√10=r→
4- وضعیت هر یک از جفت دایرههای زیر را نسبت به هم مشخص کنید:
x2+y2=4,x2+y2−2x=4 (الف
x2+y2=4O|00r=2
x2+y2−2x=4O′|−10r′=12√(−2)2+02−4(−4)=12×2√5=√5
دو دایره متقاطع هستند OO′=→|2−√5|<1<2+√5→|r−r′|<OO′<r+r′→
x2+(y−1)2=1,(x−1)2+y2=1 (ب
x2+(y−1)2=1O|01r=1
(x−1)2+y2=1O′|10r′=1
دو دایره متقاطع هستند OO′=√2→|1−1|<√2<1+1→|r−r′|<OO′<r+r′→
x2+y2=1,x2+y2−3√2x−3√2y+5=0 (ج
x2+y2=1O|00r=1
x2+y2−3√2x−3√2y+5=0O′|10r′=12√18+18−20=2
دو دایره مماس هستند OO′=√184+184=√9=3→3=1+2→OO′=r+r′→
x2+y2=1,x2+y2−6x−2y+9=0 (د
x2+y2=1O|00r=1
x2+y2−6x−2y+9=0O′|30r′=12√36+4−36=1
دو دایره متخارج هستند OO′=√9+1=√10→√10>1+1→OO′>r+r′→
5- نقاط A(−1,−1) و B(1,1) و C(1,−3) رئوس مثلث ABC هستند. معادلهٔ دایره محیطی مثلث ABC را بنویسید. سپس معادلهٔ مماس بر این دایره را در رأس B بهدست آورید.
x2+y2+ax+by+c=0
{1+1−a−b+c−01+1+a+b+c=01+9+a−3b+c=0→{−a−b+c=−2(1)a+b+c=−2(2)a−3b+c=−1(3)
(1)+(2)→c=−2(2),(3)→{a+b−2=−2a−3b−2=−10⇒a=−2,b=2
x2+y2−2x+2y−2=0O|1−1r=12√4+4+8=2
→m−0 تعریف نشده O|1−1B|11mOB=
مماس در B m=0→y=yBy=1
6- وضعیت هر یک از خطوط و دایرههای زیر را نسبت به هم مشخص کنید:
3x+4y=0,x2+y2−4x−4y+7=0 (الف
{3x+4y=0x2+y2−4x+4y+7=0O|22r=12√16+16−28=1
غیر متقاطع d=|3(2)+4(2)|√9+16=145>1d>r
x+y=2,x2+y2=2 (ب
{x+y=2x2+y2=2O|00r=√2
خط بر دایره مماس است d=|1(0)+1(0)−2|√1+1=√2d=r
x+y=1,x2+y2−2x−2y=2 (ج
{x+y=1x2+y2−2x−2y=2O|11r=12√4+4+8=2
خط و دایره متقاطعاند. d=|1(1)+1(1)−1|√1+1=√22d<r