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20解析几何★★★★☆
已知 m∈Rm \in \mathbf{R},直线 l:mx−(m2+1)y=4ml: mx - (m^2 + 1)y = 4m 和圆 C:x2+y2−8x+4y+16=0C: x^2 + y^2 - 8x + 4y + 16 = 0.
(1) 求直线 ll 斜率的取值范围; (2) 直线 ll 能否将圆 CC 分割成弧长的比值为 12\frac{1}{2} 的两段圆弧?为什么?
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 因为 m2+1>0m^{2}+1>0,直线 ll 可写为 y=mm2+1x−4mm2+1y=\frac{m}{m^{2}+1}x-\frac{4m}{m^{2}+1},所以其斜率为 k=mm2+1k=\frac{m}{m^{2}+1}. 由 m2+1⩾2∣m∣m^{2}+1\geqslant2|m| 得 ∣k∣=∣m∣m2+1⩽12|k|=\frac{|m|}{m^{2}+1}\leqslant\frac{1}{2}. 当 m=1m=1 或 m=−1m=-1 时等号成立. 又 k(m)k(m) 在 m⩾0m\geqslant0 上连续,并在 m=1m=1 处取得最大值 12\frac12,在 m⩽0m\leqslant0 上取得从 −12-\frac12 到 00 的所有值,因此斜率的取值范围为
[−12,12]\left[-\frac12,\frac12\right]
\item 将圆 CC 的方程配方,得 (x−4)2+(y+2)2=4(x-4)^2+(y+2)^2=4. 故圆心为 O(4,−2)O(4,-2),半径为 22. 若一条弦把圆分成弧长比为 1:21:2 的两段圆弧,则较短圆弧所对的圆心角为 2π3\frac{2\pi}{3},圆心到该弦所在直线的距离应为 2cos⁡(12⋅2π3)=2cos⁡π3=12\cos\left(\frac12\cdot\frac{2\pi}{3}\right)=2\cos\frac{\pi}{3}=1. 直线 ll 到圆心 OO 的距离为
d=∣4m−(m2+1)(−2)−4m∣m2+(m2+1)2=2(m2+1)m4+3m2+1d=\frac{|4m-(m^{2}+1)(-2)-4m|}{\sqrt{m^{2}+(m^{2}+1)^{2}}} =\frac{2(m^{2}+1)}{\sqrt{m^{4}+3m^{2}+1}}
若 d=1d=1,则 4(m2+1)2=m4+3m2+14(m^{2}+1)^{2}=m^{4}+3m^{2}+1,即 3m4+5m2+3=03m^{4}+5m^{2}+3=0,这对任意实数 mm 都不可能成立. 因此直线 ll 不能把圆 CC 分割成弧长比为 1:21:2 的两段圆弧. \end{enumerate} \end{solution}

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22解析几何★★★★☆
如图,过圆 OO 外一点 MM 作它的一条切线. 切点为 AA,过 AA 点作直线 APAP 垂直直线 OMOM,垂足为 PP.
(1) 证明:OM⋅OP=OA2OM \cdot OP = OA^2; (2) NN 为线段 APAP 上一点,直线 NBNB 垂直直线 ONON,且交圆 OO 于 BB 点. 过 BB 点的切线交直线 ONON 于 KK. 证明:∠OKM=90∘\angle OKM = 90^{\circ}.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设圆 OO 的半径为 rr. 因为 MAMA 是切线,所以 OA⊥MAOA\perp MA,从而 △OAM\triangle OAM 是直角三角形. 又 AP⊥OMAP\perp OM,所以 APAP 是直角三角形 OAMOAM 斜边 OMOM 上的高. 由直角三角形斜边上的高的性质,得 OA2=OM⋅OPOA^{2}=OM\cdot OP.
\item 建立平面直角坐标系,使 OO 为原点,OMOM 为 xx 轴. 设 M(m,0)M(m,0),A(p,q)A(p,q),且 p2+q2=r2p^{2}+q^{2}=r^{2}. 因为 OA⊥MAOA\perp MA,有 (p,q)⋅(m−p,−q)=0(p,q)\cdot(m-p,-q)=0,即 mp=p2+q2=r2mp=p^{2}+q^{2}=r^{2}. 由 AP⊥OMAP\perp OM,得 P(p,0)P(p,0). 设 N(p,n)N(p,n),并记 s=p2+n2s=p^{2}+n^{2}. 直线 NB⊥ONNB\perp ON,所以若 B(u,v)B(u,v),则
{p(u−p)+n(v−n)=0,pu+nv=s\begin{cases} p(u-p)+n(v-n)=0,\\ pu+nv=s \end{cases}
圆在 BB 点的切线方程为 ux+vy=r2ux+vy=r^{2}. 设切线与直线 ONON 的交点为 KK. 因为 K∈ONK\in ON,可设 K=λ(p,n)K=\lambda(p,n). 将其代入 BB 点的切线方程,得到 λ(pu+nv)=λs=r2\lambda(pu+nv)=\lambda s=r^{2},所以 λ=r2s\lambda=\frac{r^{2}}{s},于是 K=r2s(p,n)K=\frac{r^{2}}{s}(p,n). 由 M=(m,0)M=(m,0) 及 mp=r2mp=r^{2},有
KO→⋅KM→=(−K)⋅(M−K)=∣K∣2−K⋅M=r4s−r2smp=0\overrightarrow{KO}\cdot\overrightarrow{KM} =(-K)\cdot(M-K) =|K|^{2}-K\cdot M =\frac{r^{4}}{s}-\frac{r^{2}}{s}mp =0
故 OK⊥KMOK\perp KM,即 ∠OKM=90∘\angle OKM=90^{\circ}. \end{enumerate} \end{solution}

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