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直线与圆相切

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答案:E($\dfrac{1+\sqrt5}{2}$)

相切 ⟺ 圆心到直线的距离 = 半径

直线:$y-ax=0$,写成 $ax-y=0$。 圆:$(x-a)^2+y^2=1$,圆心 $(a,0)$,半径 $r=1$。

圆心 $(a,0)$ 到直线 $ax-y=0$ 的距离:

$$d=\frac{|a\cdot a-0|}{\sqrt{a^2+(-1)^2}}=\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}$$

相切时 $d=r=1$:

$$\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}=1 ;\Longrightarrow; a^2=\sqrt{a^2+1}$$

令 $t=a^2$ 解方程

$$t=\sqrt{t+1};\xrightarrow{\text{平方}}; t^2=t+1 ;\Longrightarrow; t^2-t-1=0$$

$$t=\frac{1\pm\sqrt5}{2}$$

因为 $t=a^2\ge0$,取正根:

$$a^2=\frac{1+\sqrt5}{2}$$

所以选 E

提醒:

  • 点到直线距离公式里,分母是 $\sqrt{a^2+1}$(系数是 $a$ 和 $-1$),别漏掉那个 $1$。
  • 平方后要舍去负根 $\dfrac{1-\sqrt5}{2}<0$,因为 $a^2$ 不能为负。

 

 

补充完整的来龙去脉,把这道题背后的直线与圆相切彻底讲透。

一、几何背景:直线与圆的三种位置关系

判断直线与圆的关系,只看圆心到直线的距离 $d$半径 $r$ 谁大谁小:

位置关系 判定 交点个数
相离 $d>r$ 0
相切 $d=r$ 1
相交 $d<r$ 2

所以"相切"翻译成代数语言就是一句话:

$$\boxed{d=r}$$

二、点到直线的距离公式

点 $(x_0,y_0)$ 到直线 $Ax+By+C=0$ 的距离:

$$d=\frac{|Ax_0+By_0+C|}{\sqrt{A^2+B^2}}$$

用法要点:直线必须先写成 $Ax+By+C=0$ 的标准形式,$A,B$ 是 $x,y$ 的系数,分母是系数平方和开根号。

三、套用到本题

  • 直线 $y-ax=0$ 整理成标准形式 $\underbrace{a}{A}x+\underbrace{(-1)}{B}y+\underbrace{0}_{C}=0$
  • 圆 $(x-a)^2+y^2=1$:圆心 $C=(a,0)$,半径 $r=1$

圆心 $(a,0)$ 到直线的距离:

$$d=\frac{|a\cdot a+(-1)\cdot 0+0|}{\sqrt{a^2+(-1)^2}}=\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}$$

相切条件 $d=r=1$:

$$\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}=1$$

这张图就是此刻的几何情形——注意那条从圆心垂直落到直线的距离恰好等于半径

image

四、解方程(关键一步:换元)

$$\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}=1 ;\Longrightarrow; a^2=\sqrt{a^2+1}$$

令 $t=a^2$(注意 $t\ge 0$),两边平方:

$$t=\sqrt{t+1};\xrightarrow{\text{平方}};t^2=t+1;\Longrightarrow;t^2-t-1=0$$

用求根公式:

$$t=\frac{1\pm\sqrt{1+4}}{2}=\frac{1\pm\sqrt5}{2}$$

五、验根:为什么舍去一个

平方可能产生增根,必须回头检验。原方程 $t=\sqrt{t+1}$ 要求左边 $t\ge 0$(右边是算术根,非负)。

  • $t=\dfrac{1+\sqrt5}{2}\approx1.618>0$ ✓ 保留
  • $t=\dfrac{1-\sqrt5}{2}\approx-0.618<0$ ✗ 舍去(既不满足 $t\ge0$,也因为 $t=a^2$ 不能为负)

所以

$$a^2=\frac{1+\sqrt5}{2}$$

六、数值验证

$a^2\approx1.618$,代回距离公式:

$$d=\frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}=\frac{1.618}{\sqrt{2.618}}=\frac{1.618}{1.618}=1=r \checkmark$$

(这里正好用到 $\sqrt{2.618}=\sqrt{1.618+1}$,而 $1.618^2=2.618$,所以分子分母相等,$d=1$,确实相切。)

七、小结:这类"直线与圆相切"题的固定套路

  1. 写标准式:圆 → 找圆心、半径;直线 → 化成 $Ax+By+C=0$。
  2. 列距离方程:相切 ⟺ $d=r$,用点到直线距离公式。
  3. 解方程:含根号就平方,含 $a^2$ 就整体换元 $t=a^2$。
  4. 验根舍负:平方后检验,去掉不合理的根(本题 $a^2\ge0$)。

$$a^2=\frac{1+\sqrt5}{2}\quad\Rightarrow\quad \textbf{选 E}$$

这个值 $\dfrac{1+\sqrt5}{2}$ 就是著名的黄金比例 $\varphi\approx1.618$——它满足 $\varphi^2=\varphi+1$,正好对应我们解的方程 $t^2=t+1$,是个很漂亮的巧合。

http://www.jsqmd.com/news/1262227/

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