已知圆的方程(x−2)2+y2=1{{(x-2)}^{2}}+{{y}^{2}}=1,过圆外一点P(3,4)P\left(3,4\right) 作一条直线与圆交于A,BA,B两点,那么PA→⋅PB→=\overrightarrow{PA}\cdot \overrightarrow{PB}= ___.

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完整解法

1. 确定圆的圆心、半径及圆心到已知点的距离平方

由圆的方程 (x−2)2+y2=1(x-2)^2 + y^2 = 1 可知,该圆的圆心为 C(2,0)C(2, 0),半径为 R=1R = 1。
已知圆外一点 P(3,4)P(3, 4),利用两点间距离公式可得圆心 CC 与点 PP 的距离平方为:
PC2=(3−2)2+(4−0)2=1+16=17PC^2 = (3-2)^2 + (4-0)^2 = 1 + 16 = 17

2. 引入弦 $AB$ 的中点 $D$,利用向量分解变形目标数量积

设弦 ABAB 的中点为 DD。因为 DD 是 ABAB 的中点,所以有 DA→+DB→=0\overrightarrow{DA} + \overrightarrow{DB} = \mathbf{0},即 DB→=−DA→\overrightarrow{DB} = -\overrightarrow{DA}。
根据向量的加法,我们可以将 PA→\overrightarrow{PA} 和 PB→\overrightarrow{PB} 进行分解:
PA→=PD→+DA→\overrightarrow{PA} = \overrightarrow{PD} + \overrightarrow{DA}
PB→=PD→+DB→=PD→−DA→\overrightarrow{PB} = \overrightarrow{PD} + \overrightarrow{DB} = \overrightarrow{PD} - \overrightarrow{DA}
由此可得目标数量积为:
PA→⋅PB→=(PD→+DA→)⋅(PD→−DA→)=PD→2−DA→2=PD2−AD2\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = (\overrightarrow{PD} + \overrightarrow{DA}) \cdot (\overrightarrow{PD} - \overrightarrow{DA}) = \overrightarrow{PD}^2 - \overrightarrow{DA}^2 = PD^2 - AD^2

3. 结合直角三角形,利用勾股定理求得数量积的最终数值

连接 CDCD。因为 DD 是弦 ABAB 的中点,由垂径定理知 CD⊥ABCD \perp AB,即 △PDC\triangle PDC 与 △ADC\triangle ADC 均为直角三角形。
在 Rt△PDC\text{Rt}\triangle PDC 中,有 PD2=PC2−CD2PD^2 = PC^2 - CD^2;
在 Rt△ADC\text{Rt}\triangle ADC 中,有 AD2=AC2−CD2=R2−CD2AD^2 = AC^2 - CD^2 = R^2 - CD^2。
代入步骤二中的结论得:
PA→⋅PB→=PD2−AD2=(PC2−CD2)−(R2−CD2)=PC2−R2\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = PD^2 - AD^2 = (PC^2 - CD^2) - (R^2 - CD^2) = PC^2 - R^2
代入已知值 PC2=17PC^2 = 17 与 R2=1R^2 = 1:
PA→⋅PB→=17−1=16\overrightarrow{PA} \cdot \overrightarrow{PB} = 17 - 1 = 16

答案

16

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