Rectes i circumferències tangents

Circumferència tangent a una recta i amb centre en un punt \(P\)

Donada una recta \(s:\;Ax+By+C=0\) i un punt \(P(a,b)\) exterior a la recta, existeix una única circumferència amb centre en el punt \(P\) i tangent a la recta \(s\).

El punt de tangència és la projecció de \(P\) sobre \(s\) i el radi de la circumferència és la distància de \(P\) a la recta \(s\). Per tant l'equació de la circumferència és:

\(\displaystyle \left( x-a \right)^2 + \left( y-b \right)^2 = r^2 \)

amb:

\(\displaystyle r=d(P,s)=\frac{\left| Aa+Bb+C \right|}{\sqrt{A^2+B^2}}\)

Exemple 1

Troba l'equació de la circumferència de centre \(P(-1,1)\) i tangent a la recta \(s:\,4x+3y-24=0\).

Resolució

Calculem la distància del punt \(P\) a la recta \(s\):

\(\displaystyle r=d(P,s)=\frac{\left| 4 \cdot (-1) + 3 \cdot 1 -24 \right|}{\sqrt{4^2+3^2}}=5\)

I ja podem escriure l'equació de la circumferència:

\(\displaystyle \left( x+1 \right)^2 + \left( y-1 \right)^2 = 25 \)


Exercici 1

Troba l'equació de la circumferència de centre \(P(4,-2)\) i tangent a la recta \(s:\,2x+5y-10=0\).

Solució:

Recta tangent a una circumferència que passa per un punt \(P\)

Es distingeuixen tres casos segons el nombre de solucions:

Recta tangent a una circumferència que passa per un punt \(P\) de la circumferència

En aquest cas la recta tangent es troba tenint en compte que aquesta recta tangent ha de ser perpendicular al radi que passa per \(P\).

Exemple 2

Troba l'equació de la recta tangent a la circumferència d'equació \(x^2+y^2-8x-2y+7=0\) pel punt \(P(1,2)\).

Resolució

Primer comprovem que \(P\) pertany a la circumferència:

\(\displaystyle 1^2+2^2-8 \cdot 1-2\cdot 2+7=0\)

Per tant només hi haurà una recta tangent. Per trobar-la primer calculem les coordenades del centre i les components d'un dels dos vectors que uneixen el centre i el punt de tangència:

\(\displaystyle C\left(-\frac{a}{2},-\frac{b}{2}\right) \quad\Rightarrow\quad C\left(4,1\right) \quad\Rightarrow\quad \vec{PC}=\left( 3,-1 \right) \)

Degut a que la tangent que busquem ha de ser perpendicular a aquest vector, la seva equació serà de la forma \(3x-y+C\). Per trobar el valor de \(C\) imposem que el punt \(P(1,2)\) pertany a la recta.

\(\displaystyle 3 \cdot 1-2+C=0 \quad\Rightarrow\quad C=-1\)

Per tant:

\(\displaystyle 3x-y-1=0\)


Exercici 2

Troba l'equació de les rectes tangents a la circumferència \(x^2+y^2+8x-2y-3=0\) en els punts d'abscissa nul·la.

Solució:

Recta tangent a una circumferència que passa per un punt \(P\) exterior

Des d'un punt exterior \(P\) a una circumferència \(c\) es poden traçar dues rectes tangents. Per trobar-les es poden fer servir diferents mètodes.

1r mètode

Es fa servir coma a condició que cada recta tangent només té un punt d'intersecció amb la circumferència.

Exemple 3

Troba l'equació de les rectes tangents a la circumferència d'equació \(\left( x-4 \right)^2+\left( y+2 \right)^2=10\) pel punt \(P(-1,3)\).

Resolució

Farem servir l'equació del feix de rectes que passen pel punt \(P(-1,3)\).

\(\displaystyle y-3=m\left(x+1\right) \quad\Rightarrow\quad y=3+m\left(x+1\right)\)

Ara el sistema format per aquesta equació i l'equació de la circumferència ha de tenir solució única.

\(\displaystyle \begin{align} \left.\begin{array}{r} \left( x-4 \right)^2+\left( y+2 \right)^2=10 \\[5pt] y=3+m\left(x+1\right) \end{array}\right\rbrace\quad &\Rightarrow\quad \left( x-4 \right)^2+\left( 3+m\left(x+1\right)+2 \right)^2=10 \\ &\Rightarrow\quad \left( x-4 \right)^2+\left( 5+m\left(x+1\right) \right)^2=10 \\ &\Rightarrow\quad \left( m^2+1 \right) x^2 + \left( 2m^2+10m-8 \right) + \left( m^2+10m+31 \right)=0 \end{align} \)

I perquè passi això el discriminant de l'equació de segon grau ha de ser nul.

\(\displaystyle \begin{align} \Delta=0 \quad &\Rightarrow\quad \left( 2m^2+10m-8 \right)^2 - 4 \cdot \left( m^2+1 \right) \cdot \left( m^2+10m+31 \right) = 0 \\ &\Rightarrow\quad 3m^2+10m+3=0 \\ &\Rightarrow\quad \left\lbrace\begin{array}{l}m=-3\\m=-\frac{1}{3}\end{array}\right. \end{align} \)

Per tant les dues rectes tangents són:

\(\displaystyle \begin{align} y=3-3\left(x+1\right) \quad & \Rightarrow \quad y=-3x \\ y=3-\frac{1}{3}\left(x+1\right) \quad & \Rightarrow \quad y=\frac{-x+8}{3} \end{align} \)


2n mètode

Es fa servir com a condició que la distància del centre a la recta tangent ha de ser igual al radi de la circumferència.

Exemple 4

Troba l'equació de les rectes tangents a la circumferència d'equació \(\left( x-1 \right)^2+\left( y-1 \right)^2=5\) pel punt \(P(6,1)\).

Resolució

Farem servir l'equació del feix de rectes que passen pel punt \(P(6,1)\).

\(\displaystyle s:\,y-1=m\left(x-6\right) \quad\Rightarrow\quad mx-y+(1-6m)=0\)

Ara per trobar \(m\) imposem que la distància entre la recta i el centre \(C(1,1)\) de la circumferència ha de coincidir amb el radi \(r=\sqrt{5}\).

\(\displaystyle \begin{align} d(C,s) = \sqrt{5} \quad &\Rightarrow\quad \frac{\left| m\cdot 1-1+(1-6m) \right|}{\sqrt{m^2+1}}=\sqrt{5} \\ &\Rightarrow\quad \frac{\left| -5m \right|}{\sqrt{m^2+1}}=\sqrt{5} \\ &\Rightarrow\quad \frac{25m^2}{\sqrt{m^2+1}}=\sqrt{5} \\ &\Rightarrow\quad m=\pm\frac{1}{2} \\ \end{align} \)

Per tant les dues rectes tangents són:

\(\displaystyle \begin{align} y-1=\frac{1}{2}\left(x-6\right) \quad & \Rightarrow \quad y=\frac{x}{2}-2 \\ y-1=-\frac{1}{2}\left(x-6\right) \quad & \Rightarrow \quad y=-\frac{x}{2}+4 \end{align} \)


Exercici 3

Troba l'equació de les rectes tangents a la circumferència \( \left(x-1\right)^2+\left(y-1\right)^2=17 \) que passen pel punt exterior \(P(6,4)\).

Solució:

3r mètode

Per trobar les dues rectes tangents a una circumferència des d'un punt exterior P es pot fer servir el mètode emprat a Dibuix Tècnic. Aquest mètode diu que per trobar les rectes:

Exemple 5

Troba l'equació de les rectes tangents a la circumferència \(c:\;\left( x-4 \right)^2+\left( y+2 \right)^2=100\) que passen pel punt \(P(24,8)\).

Resolució

La circumferència \(c\) té el seu centre al punt \(P(4,-2)\). Per tant el punt mitjà entre \(C\) i \(P\) és \(M(14,3)\), i el radi de la segona circumferència és:

\(\displaystyle r=\sqrt{\left(24-14\right)^2+\left(8-3\right)^2}=\sqrt{125} \)

Amb això l'equació general de la circumferència auxiliar és:

\(\displaystyle \left(x-14\right)^2+\left(y-3\right)^2=125 \quad\Rightarrow\quad x^2+y^2-28x-6y+80=0\)



L'equació general de la circumferència \(c\) és:

\(\displaystyle \left(x-4\right)^2+\left(y+2\right)^2=100 \quad\Rightarrow\quad x^2+y^2-8x+4y-80=0\)

Els punts de tangència són les dues interseccions de les circumferències. Per tant s'obtenen resolent el sistema:

\(\displaystyle \left.\begin{array}{r} x^2+y^2-28x-6y+80=0 \\ x^2+y^2-8x+4y-80=0 \end{array}\right\rbrace \quad\Rightarrow\quad \left\lbrace\begin{array}{l} (4,8) \\ (12,-8) \end{array}\right. \)

Unint aquests punts amb el punt \(P\) inicial s'obtenen les dues rectes tangents:

\(\displaystyle \begin{array}{l} t_1:\;y=8 \\ t_2:\;4x-3y-72=0 \end{array} \)