Styczna do okręgu wraca na maturze regularnie. Pojawia się w zadaniach z geometrii analitycznej, w pytaniach z parametrem, w zadaniach łączonych z trójkątem prostokątnym, a od formuły 2023 weszła też na maturę podstawową w prostych poleceniach typu "sprawdź, czy prosta jest styczna". To jeden z tych tematów, w których raz dobrze przerobiony schemat zwraca się przez całą sesję maturalną, a potem jeszcze na studiach.
Wbrew pozorom temat nie jest trudny. Wszystko sprowadza się do jednej prostej obserwacji geometrycznej: styczna to prosta, która dotyka okręgu w dokładnie jednym punkcie, a w tym punkcie jest prostopadła do promienia. Z tej obserwacji wyciągniesz wszystkie warunki i wzory, które będą ci potrzebne. W tym poradniku pokażę ci trzy równoważne sposoby sprawdzania styczności, wyprowadzę wzór na styczną w punkcie, a potem przerobimy razem pięć zadań w stylu maturalnym - od najłatwiejszego po zadanie z parametrem i styczne z punktu zewnętrznego.
Czym jest styczna do okręgu
Styczna do okręgu to prosta, która ma z okręgiem dokładnie jeden punkt wspólny. Ten punkt nazywamy punktem styczności. Geometrycznie wygląda to tak, że prosta "muska" okrąg z zewnątrz - nie wchodzi do środka, nie odchodzi od niego.
W stosunku do okręgu prosta może być w trzech sytuacjach:
Jeśli odległość środka okręgu od prostej jest większa niż promień, prosta nie ma z okręgiem żadnego punktu wspólnego. Mówimy wtedy, że prosta jest rozłączna z okręgiem.
Jeśli odległość środka od prostej jest mniejsza niż promień, prosta przecina okrąg w dwóch punktach. Taką prostą nazywamy sieczną.
Jeśli odległość środka od prostej jest dokładnie równa promieniowi, prosta dotyka okręgu w jednym punkcie. To jest styczna.
Te trzy przypadki ułożysz w jeden warunek: porównaj z . I to jest punkt wyjścia do wszystkich zadań.
Kluczowa własność: w punkcie styczności promień okręgu jest prostopadły do stycznej. Jeżeli środek okręgu to , a punkt styczności to , to wektor jest prostopadły do prostej stycznej. Z tej własności wynikają wszystkie wzory na styczną, które poniżej wyprowadzimy.
Trzy warunki styczności - znajomy każdej rozwiązanej maturalnej
Prostą i okrąg o środku i promieniu nazywamy stycznymi, gdy spełniony jest dowolny z poniższych warunków. Wszystkie trzy są równoważne, więc używasz tego, który w danym zadaniu jest szybszy.
Warunek 1 - odległość:Odległość środka okręgu od prostej jest dokładnie równa promieniowi. To najczęściej używany warunek na maturze, bo wzór na odległość punktu od prostej jest na karcie wzorów CKE i nie musisz go pamiętać.
Warunek 2 - delta = 0:
Po wstawieniu równania prostej do równania okręgu dostajesz równanie kwadratowe z jednym rozwiązaniem - czyli delta = 0.
Warunek 3 - jeden punkt wspólny:
Układ równań prosta-okrąg ma dokładnie jedno rozwiązanie. To w sumie ta sama informacja co warunek 2, ale można ją sprawdzić bez pisania delty (np. graficznie albo przez parametryzację).
W praktyce w 80 procentach zadań szybciej jest porównać odległość z promieniem. Drugi warunek przydaje się głównie wtedy, gdy interesuje cię nie tylko sama styczność, ale i punkt styczności - bo dostajesz go automatycznie po rozwiązaniu układu.
Wzór na styczną w punkcie - dwie wersje
To jest ten wzór, który MUSISZ zapamiętać. Albo umieć wyprowadzić w trzy linijki, co jest pewniejsze - bo wyprowadzenie z prostopadłości promienia nie wymaga niczego poza iloczynem skalarnym.
Okrąg o środku w początku układu
Jeśli mamy okrąg i punkt leżący na nim, to równanie stycznej w ma postać:
Sposób zapamiętania: w równaniu okręgu zamieniasz jeden czynnik na i jeden czynnik na . Czyli traktujesz jak i jeden zamieniasz na . Identycznie dla . Po polsku: "podwajasz, dzielisz na pół, zostawiasz indeks zero przy jednym z czynników". Brzmi dziwnie, ale działa.
Okrąg o dowolnym środku
Jeśli okrąg ma postać i punkt leży na nim, to styczna w ma równanie:
Ta sama zasada: bierzesz lewą stronę równania okręgu i jeden czynnik zamieniasz na , jeden czynnik na .
UWAGA: ten wzór NIE jest na karcie wzorów CKE. Musisz go znać sam albo umieć wyprowadzić z warunku prostopadłości promienia. Większość uczniów go zapomina, więc warto sobie wyrobić wyprowadzenie do automatu.
Wyprowadzenie w 3 linijkach
Niech to środek okręgu, a - punkt styczności. Wektor promienia w punkcie to:Styczna w jest do tego wektora prostopadła. Punkt leży na stycznej wtedy i tylko wtedy, gdy wektor jest prostopadły do . Z iloczynu skalarnego wynika warunek:
Po rozwinięciu i wykorzystaniu, że leży na okręgu (czyli ), dostajemy wzór wyżej. Trzy linijki, koniec.
Przykład 1: Styczna do okręgu w punkcie - środek w (0,0)
Treść: Wyznacz równanie stycznej do okręgu w punkcie .
Krok 1: Sprawdź, czy punkt leży na okręgu.
Wzór na styczną w punkcie działa TYLKO, gdy punkt jest faktycznie na okręgu. Podstawiamy: . Zgadza się, leży na okręgu.
Tu , , . Wstawiam:
Krok 3: Doprowadź do postaci wymaganej w zadaniu.
Jeśli polecenie chce postaci kierunkowej:
Jeśli postaci ogólnej: .
Odpowiedź: , czyli .
Sprawdzenie: wektor promienia . Wektor kierunkowy stycznej z postaci kierunkowej to , czyli po przemnożeniu przez 4 - . Iloczyn skalarny: . Prostopadłość zachowana, czyli styczna policzona poprawnie.
Przykład 2: Sprawdź, czy prosta jest styczna (warunek odległości)
Treść: Sprawdź, czy prosta jest styczna do okręgu . Jeśli nie, wyjaśnij jakie ma położenie względem okręgu.
Krok 1: Wyciągnij dane.
Okrąg ma środek i promień .
Prosta: . Zamieniam na postać ogólną: . Współczynniki: , , .
Krok 3: Porównaj z promieniem.
Aby porównanie było czytelne, sprowadzam oba wyrażenia do tego samego mianownika:
Widać, że . Skoro odległość środka od prostej jest mniejsza niż promień, prosta przecina okrąg w dwóch punktach.
Odpowiedź: prosta nie jest styczna do okręgu, jest sieczną.
Wskazówka egzaminacyjna: w treści CKE pytanie zwykle brzmi "wykaż, że prosta jest styczna" albo "uzasadnij, że prosta jest styczna". Wystarczy pokazać i napisać to wprost. Nie musisz liczyć punktu styczności, chyba że zadanie tego wymaga.
Przykład 3: Wyznacz parametr, dla którego prosta jest styczna
Treść: Wyznacz wartości parametru , dla których prosta jest styczna do okręgu .
Krok 1: Warunek styczności = odległość od środka równa promieniowi.
Środek , promień . Prosta w postaci ogólnej: , czyli , , .
Krok 3: Przyrównaj do promienia.
Krok 4: Rozwiąż równanie.
Mnożę obustronnie przez (jest dodatnie, więc znak nierówności by się nie zmienił):
Dzielę przez 2:
Podnoszę do kwadratu (obie strony nieujemne, więc rozwiązań obcych nie będzie):
Odpowiedź: lub .
Dlaczego dwie wartości? Punkt (przecięcie prostej z osią gdy ) jest poza okręgiem (bo ). Z punktu zewnętrznego do okręgu można poprowadzić dokładnie dwie styczne. Symetria względem osi tłumaczy znak .
Przykład 4: Dwie styczne z punktu zewnętrznego
Treść: Wyznacz równania stycznych do okręgu przechodzących przez punkt .
Krok 1: Sprawdź, czy punkt jest poza okręgiem.
. Punkt leży poza okręgiem, więc istnieją dwie styczne.
Każda prosta przez punkt (oprócz pionowej) ma równanie:
Współczynniki postaci ogólnej: , , . Krok 3: Warunek styczności.
Środek , promień . Odległość:
Warunek :
Krok 4: Podnieś obustronnie do kwadratu i uporządkuj.
Krok 5: Policz deltę.
, :
Krok 6: Zapisz oba równania.
Dla : , czyli .
Dla : , czyli .
Odpowiedź: styczne to oraz .
Dlaczego dwa współczynniki? Z punktu zewnętrznego można narysować dokładnie dwie styczne (intuicja: jedną "z góry", drugą "z dołu"). Dwa rozwiązania na to odzwierciedlenie tej geometrii. Gdyby punkt leżał na okręgu, równanie kwadratowe miałoby jedno rozwiązanie. Gdyby leżał wewnątrz okręgu, delta byłaby ujemna i stycznych nie byłoby wcale.
Przykład 5: Styczna równoległa do danej prostej
Treść: Wyznacz równania prostych stycznych do okręgu , równoległych do prostej .
Krok 1: Z równoległości wyznacz współczynnik kierunkowy stycznej.Prosta ma współczynnik kierunkowy . Każda prosta równoległa też ma , więc szukane styczne mają postać:
czyli w postaci ogólnej . Niewiadomą jest tylko wyraz wolny . Krok 2: Warunek styczności.
Środek , promień . Odległość:
Warunek :
Krok 3: Rozwiąż równanie z wartością bezwzględną.
Stąd dwa przypadki:
Odpowiedź: oraz .
Każda prosta z pęku równoległego ma dwie styczne do okręgu - jedną "powyżej", drugą "poniżej" okręgu. Te dwie styczne są równoległe do siebie i odległe o (czyli o średnicę).
Wariant z prostopadłością: gdyby polecenie brzmiało "styczne prostopadłe do prostej ", to wystarczyłoby zamiast wziąć (warunek prostopadłości prostych: ) i powtórzyć cały schemat.
Postać ogólna okręgu - jak nie zgubić środka
Często okrąg w zadaniu nie jest podany w wygodnej postaci kanonicznej, tylko jako . Wtedy zanim cokolwiek policzysz, musisz wyciągnąć środek i promień.
Wzory na środek i promień z postaci ogólnej:UWAGA na znaki. Środek to , NIE . Najczęstszy błąd na maturze.
Druga metoda - sprowadzenie do postaci kanonicznej przez uzupełnienie do kwadratu:To samo dla . Po przegrupowaniu wszystko po lewej stronie - i wynik widać od razu.
Przykład: okrąg .Uzupełniam do kwadratu:
Środek , promień . I dopiero teraz możesz liczyć styczne.
Styczna do okręgu w punkcie - drugi sposób (bez wzoru)
Niektóre podręczniki nie podają wzoru . Wtedy stosujesz schemat oparty na prostopadłości promienia, który zawsze działa.
Schemat:
Krok 1: Policz wektor promienia .
Krok 2: Wektor kierunkowy stycznej musi być prostopadły do . Wystarczy zamienić współrzędne miejscami i jednej zmienić znak: lub .
Krok 3: Zapisz równanie prostej przechodzącej przez o wektorze kierunkowym . Najprościej parametrycznie albo z postaci kierunkowej: , gdzie wyciągasz z wektora kierunkowego.
Przykład: okrąg , punkt .
Promień: . Wektor prostopadły: (lub ).
Współczynnik kierunkowy stycznej: .
Równanie: , czyli po uporządkowaniu .
Wynik ten sam co ze wzoru , tylko liczone "ręcznie". Wybierasz metodę, która ci leży lepiej.
Typowe pułapki i błędy na maturze
Pułapka 1: Stosowanie wzoru dla punktu, który NIE leży na okręgu. Wzór działa tylko jeśli punkt jest faktycznie na okręgu. Dla punktu zewnętrznego musisz iść przez pęk prostych i warunek odległości.
Pułapka 2: Pomijanie modułu w liczniku odległości punktu od prostej. MUSI być w wartości bezwzględnej, inaczej dostaniesz odległość ujemną - a takiej nie ma.
Pułapka 3: Mylenie środka okręgu w postaci ogólnej. ma środek , nie . Sprawdź ten znak dwa razy.
Pułapka 4: Pomijanie prostej pionowej w pęku przez punkt zewnętrzny. Zapis nie obejmuje prostych pionowych . W większości zadań to nie ma znaczenia, ale czasem jedna ze stycznych jest właśnie pionowa - wtedy z pęku wyjdą tylko jedno rozwiązanie na , a drugiej stycznej trzeba domyślić się ręcznie.
Pułapka 5: Niesprawdzanie liczby stycznych. Z punktu wewnątrz okręgu nie da się poprowadzić stycznej. Z punktu na okręgu - dokładnie jedna. Z punktu poza okręgiem - dokładnie dwie. Jeśli wynik kłóci się z tym, zrób krok wstecz i sprawdź dane.
Pułapka 6: Złe podnoszenie do kwadratu obu stron równania z modułem. (gdzie ) jest równoważne lub . Czasem uczniowie zapominają o tym drugim przypadku i tracą połowę rozwiązań.
Pułapka 7: Mylenie warunku styczności prostych z warunkiem styczności okręgów. Dla dwóch okręgów styczność zewnętrzna to , styczność wewnętrzna to . Inny temat, inne wzory.
Pułapka 8: Zapomnienie sprawdzenia wyniku. Po policzeniu stycznej zawsze warto wsadzić punkt styczności do równania prostej i okręgu - oba mają być spełnione. Kosztuje 30 sekund, ratuje 2-4 punkty.
Co musisz umieć - checklista
Definicja stycznej i podstawowa własność: w punkcie styczności promień jest prostopadły do stycznej.
Trzy warunki styczności: odległość środka od prostej równa promieniowi, delta układu równa zeru, jeden punkt wspólny.
Wzór na styczną w punkcie dla okręgu o środku w (0, 0): .
Wzór na styczną w punkcie dla okręgu o dowolnym środku: .
Schemat wyznaczania stycznych z punktu zewnętrznego: zapisz pęk prostych przez punkt, warunek odległości od środka, równanie kwadratowe na , dwa rozwiązania.
Schemat wyznaczania stycznej równoległej lub prostopadłej do danej prostej: ustal współczynnik kierunkowy z warunku równoległości albo prostopadłości, podstaw do pęku z niewiadomym wyrazem wolnym, warunek odległości.
Wzór na odległość punktu od prostej - musi być w pamięci. Karta wzorów go ma, ale szybciej działa, gdy go znasz.
Postać ogólna okręgu i sprowadzenie do kanonicznej (uzupełnienie do kwadratu).
Sprawdzenie, czy punkt leży wewnątrz, na, czy poza okręgiem - porównanie wartości lewej strony równania okręgu z .
Podsumowanie
Wszystkie zadania o stycznej do okręgu sprowadzają się do trzech wzorów: równania okręgu, równania prostej i odległości punktu od prostej. Reszta to algebra. Najczęstszy schemat na maturze to: zapisz pęk prostych przez dany punkt, przyrównaj odległość środka do promienia, rozwiąż równanie kwadratowe na współczynnik kierunkowy. To są te same trzy kroki, niezależnie od tego, co jeszcze jest w zadaniu.
Jeśli punkt z polecenia leży NA okręgu, dostajesz prezent - jest jedna styczna i liczysz ją ze wzoru (po odpowiednim przesunięciu dla okręgu nie w (0, 0)). Jeśli punkt jest poza okręgiem, są dwie styczne i liczysz je z pęku. Jeśli punkt jest wewnątrz okręgu, stycznej nie ma w ogóle - prosta przez punkt wewnętrzny zawsze przecina okrąg w dwóch punktach.
Po tym poradniku rzuć okiem na inne tematy z geometrii analitycznej, które łączą się ze stycznymi: równanie okręgu, równanie prostej przez dwa punkty, odległość między punktami, kąt między prostymi. Wszystkie one prędzej czy później wracają w zadaniach łączonych. Jeśli przed tobą jest matura poprawkowa w sierpniu, w planie powtórek do poprawki ten temat warto wpisać na pierwszą połowę przygotowań - styczne do okręgu pojawiają się w arkuszach CKE z zaskakującą regularnością.
W naszej pełnej bazie zadań z geometrii analitycznej znajdziesz dziesiątki zadań CKE ze stycznymi - klikaj numery zadań i ćwicz, aż schemat sam wskoczy ci do głowy. Trzy zadania z każdej kategorii (na okręgu, z punktu zewnętrznego, z parametrem) wystarczą, żebyś nigdy więcej nie zawahał się na maturze.
Przestań szukać, zacznij ćwiczyć
Masz tu wszystko czego potrzebujesz do matury. Prawdziwe zadania CKE z rozwiązaniami krok po kroku, filmy i śledzenie postępu. Jednorazowo, bez subskrypcji.
2438
zadań CKE
2000+
rozwiązań
1537
filmów