Задачи на взаимное расположение двух окружностей встречаются на ЕГЭ редко, но именно поэтому и вызывают ступор. Хорошая новость - набор приёмов здесь узкий: запомни несколько фактов про линию центров, общую хорду и касающиеся окружности, и такие задачи будут даваться тебе легче, чем классика про вписанные углы.
Взаимное расположение двух окружностей
Пусть даны две окружности с радиусами R и r (считаем R⩾r), а расстояние между их центрами равно d. Вся конфигурация полностью определяется этими тремя числами:
Не пересекаются, одна вне другой:d>R+r.
Касаются внешним образом:d=R+r. Одна общая точка, центры - по разные стороны от неё.
Пересекаются в двух точках:R−r<d<R+r. Образуется общая хорда.
Касаются внутренним образом:d=R−r. Одна общая точка, центры - по одну сторону от неё.
Одна внутри другой без касания:d<R−r.
Ключевые факты
Для задач с системами окружностей нужны три инструмента: линия центров, общая хорда и свойство касающихся окружностей.
Алгоритм решения
Примеры решения
Разберём две задачи: классическую на пересечение и задачу на внешнее касание с общей касательной - типичная комбинация, которая встречается на экзамене.
Пример 1. Длина общей хорды
Две окружности с центрами O1 и O2 пересекаются в точках A и B.
а) Докажите, что прямая O1O2 перпендикулярна отрезку AB и делит его пополам.
б) Найдите длину общей хорды AB, если радиусы окружностей равны 13 и 15, а расстояние между центрами равно 14.
Пункт а). Доказательство
Возьми треугольники O1AO2 и O1BO2. У них сторона O1O2 общая, O1A=O1B (радиусы первой окружности), O2A=O2B (радиусы второй). Значит, △O1AO2=△O1BO2 по трём сторонам.
Из равенства треугольников следует ∠AO1O2=∠BO1O2.
В равнобедренном треугольнике AO1B (где O1A=O1B) отрезок O1H (где H - точка пересечения O1O2 и AB) оказывается биссектрисой угла при вершине O1.
В равнобедренном треугольнике биссектриса, проведённая из вершины, является одновременно медианой и высотой. Значит, O1O2⊥AB и AH=HB. Утверждение доказано.
Пункт б). Площадь треугольника центров
Обозначь через H точку пересечения AB и O1O2. Отрезок AH - высота треугольника O1AO2, проведённая к стороне O1O2. Из пункта а) длина общей хорды AB=2⋅AH.
Посчитай площадь △O1AO2 по формуле Герона. Стороны: 13, 15, 14. Полупериметр:
p=213+15+14=21.
S=21⋅(21−13)(21−15)(21−14)=21⋅8⋅6⋅7=7056=84.
Пункт б). Высота и длина хорды
Ту же площадь выразим через основание O1O2 и высоту AH:
S=21⋅O1O2⋅AH⟹84=21⋅14⋅AH⟹AH=12.
Длина общей хорды:
AB=2⋅AH=24.
Ответ: б) 24.
Пример 2. Внешнее касание и общая касательная
Две окружности с центрами O1 и O2 и радиусами R и r (R>r) касаются внешним образом в точке T. Общая внешняя касательная к обеим окружностям касается большей в точке A, а меньшей - в точке B.
а) Докажите, что угол ATB прямой.
б) Найдите длину отрезка AB, если R=8 и r=2.
Пункт а). Доказательство
Проведи общую касательную окружностей в точке T. Эта касательная пересекает отрезок AB в некоторой точке P.
Из точки P к большей окружности проведены два касательных отрезка: PA (касание в A) и PT (касание в T). По свойству касательных из одной точки PA=PT.
Аналогично, из точки P к меньшей окружности идут касательные PB и PT, поэтому PB=PT.
Сложи равенства: PA=PT и PB=PT. Значит, PA=PB=PT.
В треугольнике ATB точка P лежит на стороне AB и PA=PB, то есть P - середина AB. При этом PT=PA=PB=21⋅AB.
Медиана TP треугольника ATB, проведённая к стороне AB, равна половине этой стороны. Это признак прямоугольного треугольника: значит, ∠ATB=90∘. Утверждение доказано.
Пункт б). Строим прямоугольную трапецию
Посмотри на четырёхугольник O1ABO2. Радиусы O1A и O2B перпендикулярны касательной AB, то есть O1A∥O2B. Значит, O1ABO2 - прямоугольная трапеция с основаниями O1A=R и O2B=r, боковой стороной AB и боковой стороной O1O2=R+r (окружности касаются внешним образом).
Опусти из точки O2 перпендикуляр O2H на прямую O1A. Тогда O1ABO2 превращается в прямоугольник HABO2 и прямоугольный треугольник O1HO2. При этом:
O2H=AB,O1H=O1A−HA=R−r.
Пункт б). Теорема Пифагора и ответ
В прямоугольном треугольнике O1HO2 гипотенуза O1O2=R+r, катет O1H=R−r. По теореме Пифагора:
AB2=O1O22−O1H2=(R+r)2−(R−r)2.
Раскрой скобки:
(R+r)2−(R−r)2=(R2+2Rr+r2)−(R2−2Rr+r2)=4Rr.
Значит, AB=2Rr.
3. Подставь числа: R=8, r=2:
AB=28⋅2=216=8.
Ответ: б) 8.
Частые ошибки
Что запомнить
Линия центров O1O2 - ось симметрии конфигурации. Она перпендикулярна общей хорде и делит её пополам.
Если окружности касаются, центры и точка касания лежат на одной прямой; общая касательная в этой точке перпендикулярна линии центров.
Длина общей внешней касательной для двух касающихся окружностей радиусов R и r равна 2Rr.
Координатный метод выручает, когда заданы радиусы и расстояния от центров до прямых: помести начало в центр одной окружности и направь ось на центр другой.
Стратегия на экзамене
За что дают баллы
В задании 18 можно получить от 0 до 3 баллов:
3 балла. Полное доказательство пункта а) со ссылками на теоремы и верный ответ в пункте б) с обоснованием каждого шага.
2 балла. Пункт а) доказан верно, в б) логика правильная, но есть арифметическая ошибка. Или пункт б) решён безупречно (с независимым доказательством), а пункт а) не решён.
1 балл. Верно и полно доказан только пункт а). Или пункт а) не доказан, но пункт б) решён верно с опорой на утверждение из пункта а).
0 баллов. Решение не содержит верных продвижений. Голый ответ без вычислений или ответ, основанный на ошибочном допущении (например, что радиусы равны, хотя из условия это не следует), тоже оценивается в 0 баллов.
Проверь себя
Две окружности радиусов R и r (R>r) касаются внутренним образом. Чему равно расстояние между центрами?
Окружности с центрами O1 и O2 пересекаются в точках A и B. Что верно про линию центров O1O2 и хорду AB?
Две окружности радиусов R и r касаются внешним образом. Чему равна длина отрезка общей внешней касательной между точками касания?
Радиусы окружностей равны 13 и 15, расстояние между центрами равно 14. Как расположены окружности?