每日一题[489]圆环套圆环

已知点$A$是抛物线$y=\dfrac 12x^2$上的一个动点,过$A$作圆$D:x^2+\left(y-\dfrac 12\right)^2=r^2$($r>0$)的两条切线,它们分别切圆$D$于$E,F$两点.

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(1)当$r=\dfrac 32$,$A$点坐标为$(2,2)$时,求两条切线的方程;

(2)若当$A$在抛物线上(总在圆$D$外部)运动时,直线$EF$都不通过的点构成一个区域,求这个区域的面积的取值范围.


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   (1)设直线$kx-y-2k+2=0$是过点$A$的圆的切线,则$$\dfrac{\left|-2k+\dfrac 32\right|}{\sqrt{1+k^2}}=\dfrac 32,$$解得$$k=0\lor k=\dfrac{24}{7}.$$于是两条切线的方程为$y-2=0$以及$24x-7y-34=0$.

(2)联立抛物线与圆的方程,可得$$2y+\left(y-\dfrac 12\right)^2=r^2,$$该方程无正根,因此$0<r<\dfrac 12$.

设$A\left(m,\dfrac 12m^2\right)$,则直线$EF$的方程为$$mx+\left(\dfrac 12m^2-\dfrac 12\right)\left(y-\dfrac 12\right)=r^2,$$整理得$$\left(\dfrac 12y-\dfrac 14\right)m^2+xm-\dfrac 12y+\dfrac 14-r^2=0.$$无论$m$取何值,直线$EF$都不通过点$(x,y)$等价于这个关于$m$的二次方程无解,即$$\Delta=x^2+\left(y-\dfrac 12\right)\left(y-\dfrac 12+2r^2\right)<0,$$也即$$x^2+\left(y+r^2-\dfrac 12\right)^2<r^4,$$因此所求区域的面积为${\pi}r^4$,取值范围是$\left(0,\dfrac{\pi}{16}\right)$.

另法    

考虑点$(0,t)$到直线$EF$的距离,为$$\dfrac{\left|\left(\dfrac 12m^2-\dfrac 12\right)\cdot \left(t-\dfrac 12\right)-r^2\right|}{\sqrt{m^2+\left(\dfrac 12m^2-\dfrac 12\right)^2}},$$注意到分母为$\dfrac 12m^2+\dfrac 12$,于是可得点$M\left(0,\dfrac 12-r^2\right)$到直线$EF$的距离为定值$r^2$,因此直线$EF$恒为以$M$为圆心,$r^2$为半径的圆的切线.根据直线$EF$倾斜角的任意性,可得圆$M$的面积为所求,以下略.

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