图中显示了一个以 P(5,3)P(5, 3) 为圆心的圆 C1C_1。该圆与 x 轴、切线 OQ 以及另一条平行于 y 轴的直线 QR 相切。

  1. ((a))
    1. ((i))

      写出该圆的方程。

    2. ((ii))

      求圆 C2C_2 的方程,圆 C2C_2 是圆 C1C_1 关于直线 QR 对称得到的圆。

  2. ((b))
    1. ((i))

      已知 OP 与 x 轴的夹角为 θ\theta,求 tan⁡θ\tan \theta。

    2. ((ii))

      求直线 OQ 的方程。

    3. ((iii))

      由此,求 Q 的坐标。

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完整解法

10((a))((i))

1. Identify the centre and radius of the circle

The centre is P(5,3)P(5,3).

Since the circle touches the x-axis, the radius is the vertical distance from PP to the x-axis:

r=3r=3

2. Substitute the centre and radius into the equation of a circle

For a circle with centre (a,b)(a,b) and radius rr,

(x−a)2+(y−b)2=r2(x-a)^2+(y-b)^2=r^2

Substituting a=5a=5, b=3b=3 and r=3r=3,

(x−5)2+(y−3)2=32(x-5)^2+(y-3)^2=3^2

(x−5)2+(y−3)2=9(x-5)^2+(y-3)^2=9

答案

(x−5)2+(y−3)2=9(x-5)^2+(y-3)^2=9

10((a))((ii))

1. Find the equation of the vertical mirror line QR

From 10(a)(i), C1C_1 has centre (5,3)(5,3) and radius 33.

Since QR is the vertical tangent to the circle on the right,
x=5+3=8.x=5+3=8.

2. Reflect the centre and write the equation of the reflected circle

Reflecting (5,3)(5,3) in the line x=8x=8 gives
x′=8+(8−5)=11,x'=8+(8-5)=11,
so the reflected centre is (11,3)(11,3).

The radius is unchanged, so r=3r=3.

Hence,
(x−11)2+(y−3)2=32=9.(x-11)^2+(y-3)^2=3^2=9.

答案

(x−11)2+(y−3)2=9(x-11)^2+(y-3)^2=9

10((b))((i))

1. Find $\tan\theta$ from the horizontal and vertical changes from $O$ to $P$

Since O=(0,0)O=(0,0) and P=(5,3)P=(5,3),

tan⁡θ=vertical changehorizontal change=35.\tan\theta=\frac{\text{vertical change}}{\text{horizontal change}}=\frac{3}{5}.

答案

tan⁡θ=35\tan\theta=\dfrac{3}{5}

10((b))((ii))

1. Represent the tangent line through the origin using an unknown gradient

Since OQOQ passes through the origin, let its equation be
y=mx.y=mx.

2. Substitute the line equation into the circle equation

From part (a)(i), the circle is
(x−5)2+(y−3)2=9.(x-5)^2+(y-3)^2=9.
Substitute y=mxy=mx:
(x−5)2+(mx−3)2=9.(x-5)^2+(mx-3)^2=9.
Expand:
x2−10x+25+m2x2−6mx+9=9x^2-10x+25+m^2x^2-6mx+9=9
(1+m2)x2+(−10−6m)x+25=0.(1+m^2)x^2+(-10-6m)x+25=0.

3. Use the tangent condition to find the gradient

For the line to be a tangent, the quadratic has exactly one solution, so its discriminant is 00:
(−10−6m)2−4(1+m2)(25)=0.(-10-6m)^2-4(1+m^2)(25)=0.
100+120m+36m2−100−100m2=0100+120m+36m^2-100-100m^2=0
120m−64m2=0120m-64m^2=0
8m(15−8m)=0.8m(15-8m)=0.
So
m=0orm=158.m=0 \quad \text{or} \quad m=\frac{15}{8}.
The value m=0m=0 gives the xx-axis, not the tangent OQOQ. Hence
m=158.m=\frac{15}{8}.

4. Write the equation of the tangent line

Therefore the equation of OQOQ is
y=158x.y=\frac{15}{8}x.

答案

y=158xy=\dfrac{15}{8}x

10((b))((iii))

1. Use the equation of the vertical line QR

From part (a)(ii), the line of reflection is QR, so
x=8.x=8.

2. Substitute into the tangent line equation to find the y-coordinate of Q

From part (b)(ii), the tangent line OQ is
y=158x.y=\frac{15}{8}x.
At QQ, x=8x=8, so
y=158(8)=15.y=\frac{15}{8}(8)=15.

答案

Q=(8,15)Q=(8,15)

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