quote:
Dat is nu wiskunde: zelf bedenken hoe je zo'n vraagstuk aanpakt en ook iedere stap in je aanpak kunnen verantwoorden.
quote:
Ik dacht ax + by = c dus 4a + 2b = c maar daar heb je niet zoveel aan. Je moet blijkbaar een of andere vage formule gebruiken voor een lijn door een punt...
Dat is geen vage formule, en bovendien
moet dat niet, er zijn ook andere manieren.
quote:
Waarom leggen ze niet gewoon het abstracte concept erachter uit, i.p.v. dat ik het zelf moet gaan bedenken omdat zij denken dat dit makkelijker voor ons is?
Omdat je een (voorbereidend) wetenschappelijke opleiding volgt waar van je wordt verwacht dat je op een gegeven moment zelf oplossingen kunt gaan bedenken voor problemen die je nog niet eerder hebt gezien, en geen ambachtsschool waar een docent methoden en technieken uitlegt die door anderen zijn bedacht en waar de leerlingen zich alleen maar in moeten bekwamen zonder zich diepere vragen te stellen.
Maar goed, ik ga je op weg helpen ook al vind ik dat je de handdoek veel te snel in de ring gooit.
We hebben een cirkel met vergelijking
en een punt met coördinaten (4; 2) buiten deze cirkel. Het is duidelijk dat een raaklijn aan de cirkel door dit punt niet verticaal (i.e. evenwijdig aan de y-as) kan lopen, aangezien het middelpunt van de cirkel in de oorsprong ligt en de straal van de cirkel gelijk is aan √10, en dat is kleiner dan 4. We kunnen dus concluderen dat de beide raaklijnen in ieder geval elk een richtingscoëfficiënt hebben.
Welnu, de vergelijking van een rechte door een punt (x
0; y
0) met richtingscoëfficiënt m is
zodat we als vergelijking van een rechte door het punt (4; 2) met richtingscoëfficiënt m hebben
Om de coördinaten van eventuele gemeenschappelijke punten van deze rechte en de cirkel te bepalen lossen we hieruit y op en dat geeft
en substitueren we dit in de vergelijking van de cirkel zodat we als voorwaarde voor de x-coördinaat van eventuele gemeenschappelijke punten van de lijn en de cirkel krijgen
Uitwerken en het rechterlid van deze vierkantsvergelijking in x herleiden op nul geeft
Nu zijn er
drie mogelijkheden, aangezien een rechte door het punt (4; 2) de cirkel met middelpunt in de oorsprong en straal √10 kan
snijden in
twee punten, kan
raken in
één punt, en geheel en al
buiten de cirkel kan liggen zodat de rechte
geen punten met de cirkel gemeen heeft.
Het is duidelijk dat een raaklijn aan de cirkel precies één punt met de cirkel gemeen heeft, en als dat het geval is, dan moet bovenstaande vierkantsvergelijking in x dus precies één (reële) oplossing hebben, en dat is het geval als de
discriminant van deze vierkantsvergelijking gelijk is aan nul. Zo vinden we dus als voorwaarde voor de richtingscoëfficiënt m van de raaklijnen aan de cirkel
Deze vergelijking in m ziet er lastig uit, maar bij uitwerken blijken de vierde en derde machten van m weg te vallen en houden we over
en dit is een vierkantsvergelijking in m met een positieve discriminant en dus inderdaad twee verschillende (reële) oplossingen. De coëfficiënten zijn geheel en de discriminant (−8)² − 4·3·(−3) = 100 is een volkomen kwadraat zodat de beide oplossingen rationaal zijn en we kunnen ontbinden in factoren. Daarvoor zoeken we twee gehele getallen waarvan het product gelijk is aan 3·(−3) = −9 terwijl de som gelijk is aan −8, en die getallen zijn uiteraard −9 en +1. We schrijven de lineaire term −8m nu even als de som van −9m en m, dus
en nu kunnen we bij de eerste twee termen een factor 3m buiten haakjes halen, en dit geeft
en dus
zodat
De gevraagde vergelijkingen van de raaklijnen zijn dus
en
Deze vergelijkingen kun je uiteraard nog herleiden tot
resp.
Nu valt je wellicht op dat we in deze beide vergelijkingen in het rechterlid de constante 10 hebben, die we ook hebben in de vergelijking van onze cirkel. Dit is niet toevallig.
We zijn uitgegaan van een vergelijking van een rechte door het punt met coördinaten (4; 2) en hebben vervolgens bepaald wat de richtingscoëfficiënt van deze rechte moest zijn opdat de rechte een raaklijn zou zijn aan de cirkel met vergelijking x² + y² = 10, maar we kunnen ook omgekeerd te werk gaan: als we eerst een algemene vergelijking opstellen voor een raaklijn aan de cirkel in een punt (x
0; y
0) op de cirkel, dan zouden we vervolgens kunnen bekijken onder welke voorwaarde(n) deze raaklijn door het punt met coördinaten (4; 2) gaat.
Zoals hier al is opgemerkt staat een raaklijn aan een cirkel loodrecht op de straal naar het raakpunt, en daarvan kunnen we gebruik maken om een vergelijking op te stellen voor een raaklijn aan een cirkel met middelpunt in de oorsprong.
Hebben we een punt (x
0; y
0) op een cirkel met middelpunt in de oorsprong en straal r, dan staat de vector
v0 = (x
0, y
0) loodrecht op de raaklijn aan deze cirkel in het punt (x
0; y
0) zodat
v0 een
normaalvector is van deze raaklijn. Beschouwen we nu een willekeurig tweede punt met coördinaten (x; y) op deze raaklijn, en bekijken we de vector
v = (x, y), dan is de verschilvector
v − v0 evenwijdig aan de raaklijn, zodat de vectoren
v0 en
v − v0 loodrecht op elkaar staan en hun inproduct dus gelijk is aan nul, oftewel we hebben
en dus
en daarmee
en aangezien het punt (x
0; y
0) op de cirkel ligt hebben we x
0² + y
0² = r² zodat we als vergelijking van de raaklijn aan de cirkel met middelpunt in de oorsprong en straal r eenvoudig krijgen
Nu heeft onze cirkel met middelpunt in de oorsprong een straal √10 zodat we als vergelijking van de raaklijn aan deze cirkel in een punt (x
0; y
0) dus krijgen
Wil deze raaklijn aan de cirkel door het punt met coördinaten (4; 2) gaan, dan moeten de coördinaten van dit punt uiteraard aan deze vergelijking voldoen, zodat we als voorwaarde voor de coördinaten (x
0; y
0) van het raakpunt krijgen
Nu hebben we één voorwaarde voor de coördinaten (x
0; y
0) van het raakpunt, maar we hebben nog een tweede voorwaarde nodig om x
0 en y
0 te bepalen. En die tweede voorwaarde kennen we uiteraard omdat het punt met coördinaten (x
0; y
0) op onze cirkel ligt, zodat tevens geldt
Uit de eerste voorwaarde voor het raakpunt (x
0; y
0) krijgen we
en substitutie hiervan in de tweede voorwaarde geeft voor de x-coördinaat x
0 van het raakpunt
Uitwerken en herleiden van het rechterlid op nul geeft
en dus
zodat
Hiermee zijn de x-coördinaten van de raakpunten van de beide raaklijnen aan de cirkel die door het punt met coördinaten (4; 2) gaan gevonden, en door invullen in y
0 = 5 − 2x
0 vinden we ook de bijbehorende y-coördinaten: de raakpunten hebben de coördinaten (1; 3) en (3; −1). Nu moeten we nog de vergelijkingen opstellen van de rechte door de punten (1; 3) en (4; 2) en van de rechte door de punten (3; − 1) en (4; 2). Dat is hier heel eenvoudig, want we weten immers dat de vergelijking van een raaklijn aan onze cirkel in het punt (x
0; y
0) luidt
en invullen van de coördinaten van de raakpunten (1; 3) en (3; −1) geeft dan direct
resp.
en dit zijn uiteraard dezelfde vergelijkingen als die we eerder vonden met de methode met behulp van de discriminant van een vierkantsvergelijking. Je ziet echter ook dat deze tweede methode aanzienlijk minder rekenwerk vergt.
[ Bericht 0% gewijzigd door Riparius op 21-01-2016 23:11:18 ]