问题 解答题

C1和C2是平面上两个不重合的固定圆,C是平面上的一个动圆,C与C1,C2都相切,则C的圆心的轨迹是何种曲线?说明理由。

答案

解:不妨设C1,C2和C的半径分别为r1,r2,r(r1>r2

(1)当C1和C2相离时,即|C1C2|>r1+r2

(i)若C与C1,C2都外切,

则|CC1|=r1+r,|CC2|=r2+r,

∴|CC1|-|CC2|=r1-r2

若C与C1,C2都内切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r-r2

∴|CC2|-|CC1|=r1-r2

∴||CC2|-|CC1||=r1-r2<|C1C2|,由双曲线的定义,C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1-r2的双曲线;

(ii)若C与Cl内切,C2外切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r2+r,

∴|CC2|-|CC1|=r1+r2

若C与C1外切,C2内切,

则|CC1|=r+r1,|CC2|=r-r2

∴|CC1|-|CC2|=r1+r2

∴||CC2|-|CC1||=r1+r2<|C1C2|,由双曲线的定义,C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1+r2的双曲线;

(2)当C1和C2外切时,即|C1C2|=r1+r2

(i)若C与C1,C2都外切,

则|CC1|=r1+r,|CC2|=r2+r,

∴|CC1|-|CC2|=r1-r2

若C与C1,C2都内切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r-r2

∴|CC2|-|CC1|=r1-r2

∴||CC2|-|CC1||=r1-r2<|C1C2|,由双曲线的定义,C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r-r2的双曲线;

(ii)若C与C1内切,C2外切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r2+r(或|CC1|=r1-r,|CC2|=r2+r)(如图1,2),

∴|CC2|-|CC1|=r1+r2(或|CC2|+|CC1|=r1+r2

若C与C1外切,C2内切,

则|CC1|=r+r1,|CC2|=r-r2(或|CC1| =r+r1,|CC2|=r2-r),

∴|CC1|-|CC2|=r1+r2=|C1C2|(或|CC2|+|CC1|=r1+r2= |C1C2|),

∴C的圆心的轨迹是过C1,C2的直线(除直线与圆C1、C2的交点外);  

(3)当C1和C2相交时,

即r1-r2<|C1C2|

(i)若C与C1,C2都外切,

则|CC1|=r1+r,|CC2|=r2+r,

∴|CC1|-|CC2|=r1-r2

若C与C1,C2都内切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r-r2(或|CC1| =r1-r,|CC2|=r2-r), ∴||CC2|-|CC1|| =r1-r2

∴||CC2|-|CC1|| =r1-r2<|C1C2|,

由双曲线的定义,C的圆心轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1-r2的双曲线(圆C1,C2的交点除外);

(ii)若C与C1内切,C2外切(如图3),

则|CC1|=r1-r,|CC2|=r2+r,

∴|CC2|+|CC1|=r1+r2

若C与C1外切,C2内切,

则|CC1|=r+r1,|CC2|=r2-r,

∴|CC2|+|CC1|=r1+r2

∴|CC2|+|CC1|=r1+r2>|C1C2|,由椭圆的定义,C的圆心的轨迹方程是以C1,C2为焦点、实轴长为r1+r2的椭圆(圆 C1、C2的交点除外);

(4)当C1和C2内切时,

即|C1C2| =r1-r2

(i)若C与C1,C2都外切,

则|CC1|=r1+r,|CC2|=r2+r,

∴|CC1|-|CC2|=r1-r2

若C与C1,C2都内切,

则|CC1|=r-r1,|CC2|=r-r2(或|CC1| =r1-r,|CC2|=r-r2或|CC1|=r1-r,|CC2|=r2-r)(如图4, 5,6),

∴|CC2|-|CC1|=r1-r2(或|CC2|+|CC1|=r1-r2或|CC2|- |CC1|=r2-r1

∴||CC2|-|CC1||=r1-r2=|C1C2|或|CC2|+|CC1|=r1-r2

∴C的圆心的轨迹是过C1,C2的直线(除直线与圆C1 、C2的交点外);

(ii)若C与C1内切,C2外切,

则|CC1|=r1-r,|CC2|=r2+r,

∴|CC2|+|CC1|=r1+r2>|C1C2|,

∴C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1+r2的椭圆(两圆C1、C2的交点除外);

(5)当C1和C2内含时,

即|C1C2|<r1-r2

(i)若C与C1,C2都内切(如图7),

则|CC1|=r1-r,|CC2|=r-r2

∴|CC2|+|CC1|=r1-r2>|C1C2|,

∴C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1-r2的椭圆;

(ii)若C与C1内切,C2外切,

则|CC1|=r1- r,|CC2|=r2+r,

∴|CC2|+|CC1|=r1+r2>|C1C2|,

∴C的圆心的轨迹是以C1,C2为焦点、实轴长为r1+r2的椭圆。

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