Квант

51

Уравнение касательной

В. М. БЕККЕР,
В. М. ГОЛЛЬХОВОЙ,
кандидат педагогических наук Ю. И. ИОНИН

В этой статье мы разберем несколько типов задачи по теме «Касательная», часто предложаем на конкретных экзаменах по математике.

Напомним, что уравнение прямой, имеющей угловой коэффициент kk и проходящий через точку M(x0;y0)M(x_0; y_0), можно записать в виде y=k(x−x0)+yy = k(x - x_0) + y. Так как угловой коэффициент касательной к графику дифференцируемой функции y=f(x)y = f(x) в точке с абсциссой x0x_0 равен f′(x0)f'(x_0), уравнение касательной имеет вид

y=f′(x0)(x−x0)+f(x0).y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0).

Таким образом, чтобы написать уравнение касательной, нужно знать три числа: x0x_0, f(x0)f(x_0) и f′(x0)f'(x_0). Начнем с задачи, в которых из условия легко находится значение x0x_0, а затем вычислются f(x0)f(x_0), f′(x0)f'(x_0).

Задача 1 (МГУ, психологический факультет, 1980). Вычислите площадь треугольника, ограниченной осями координат и касательной к графику функции y=x2x−1y = \frac{x}{2x - 1}, в точке с абсциссой x0=1x_0 = 1.

Решение. Найдем уравнение касательной. Для этого вычислим последовательно f(1)f(1), f′(x)f'(x), f′(1)f'(1):

f(1)=1,f′(x)=−1(2x−1)2,f′(1)=−1.f(1) = 1, f'(x) = -\frac{1}{(2x - 1)^2}, f'(1) = -1.

Уравнение касательной имеет вид y=−(x−1)+1y = -(x - 1) + 1, то есть y=−x+2y = -x + 2.

Эта прямая пересекает оси координат в точках AA (2; 0) и BB (0; 2). Таким образом, искомая площадь SAOB=12∣OA∣⋅∣OB∣=2S_{AOB} = \frac{1}{2} |OA| \cdot |OB| = 2.

Задача 2 (Краснойский ГУ, математический факультет, 1980). Хорда парабольы y=−a2x2+5ax−4y = -a^2x^2 + 5ax - 4 касется кривой y=11−xy = \frac{1}{1-x} в точке x0=2x_0 = 2 и делится этой точкой пополам. Найдите aa.

Решение. Нашим уравнение касательной к графику функции f(x)=11−xf(x) = \frac{1}{1-x} в точке MM с абсциссой x0=2x_0 = 2:

f(2)=−1,f′(x)=1(1−x)2,f′(2)=1,f(2) = -1, f'(x) = \frac{1}{(1-x)^2}, f'(2) = 1,

так что уравнение касательной имеет вид y=x−3y = x - 3.

Предположим, что эта касательная пересекает данную парабolyну в точках AA и BB. Абсциссы точки AA и BB это корни уравнения −a2x2+5ax−4=x−3-a^2x^2 + 5ax - 4 = x - 3, или

−a2x2+(5a−1)x−1=0.-a^2x^2 + (5a - 1)x - 1 = 0.

Точка MM является серединой отрезка ABAB в том и только в том случае, если абсцисса равна получиме абсцисса точки AA и BB. Воспользовавшись теоремой Виета, это условие можно записать в виде равенства 5a−1a2=4\frac{5a - 1}{a^2} = 4, которое выполняет при a=1a = 1 и при a=14a = \frac{1}{4}. Остается проверить, пересекаются ли при этих значениях aa данной парабolyну и прямая y=x−3y = x - 3, то есть имеет ли корни уравнения (1). При a=1a = 1 получаем уравнение −x2+4x−1=0-x^2 + 4x - 1 = 0 с положительным дискриптом, а при a=14a = \frac{1}{4} – уравнение −116x2+14x−1=0-\frac{1}{16}x^2 + \frac{1}{4}x - 1 = 0 с отрицательным дискриптом.

Таким образом, a=1a = 1.

Задача 3. Нашим уравнение касательной к парабolyну y=2x2−x−1y = 2x^2 - x - 1 в точке с ординатом 5, если известно, что эта касательная не проходит через точку MM (1; -2).

Решение. В условии задачи задана не абсцисса, а ordinata точки касания. Для нахождения абсциссы решения 2x2−x−1=52x^2 - x - 1 = 5. Получим два корня x1=−32x_1 = -\frac{3}{2}, x2=2x_2 = 2. Пусть f(x)=2x2−x−1f(x) = 2x^2 - x - 1. Тогда f′(x)=4x−1f'(x) = 4x - 1, f′(−32)=−7f'(-\frac{3}{2}) = -7, f′(2)=7f'(2) = 7. Нашим уравнение касательных: y=−7(x+32)+5y = -7(x + \frac{3}{2}) + 5 и y=7(x−2)+5y = 7(x - 2) + 5, то есть y=−7x−5,5y = -7x - 5,5 и y=7x−9y = 7x - 9.

52

Подставив координаты точки MM в каждое из уравнений, мы обнаружим, что первая касательная не проходит через точку MM, а второй проходит через эту точку.

Итак, ответ: y=−7x−5,5y = -7x - 5, 5.

В задачах 4, 5, 6 условие, заданное касательную, позволяет найти значение произвольной в точке касания, а затем абсциссу и ordinateу этой точки.

Задача 4 (ЛГУ, биологический факультет, 1977). К графику функции y=x3−x2−13x+4y = x^3 - x^2 - 13x + 4 проведена касательная в точке второй четверти, где угловой коэффициент равен 3. Надите точки пересечения этой касательной с координатными осями.

Решение. Пусть aa — абсцисса точки касания. По условию f′(a)=3f'(a) = 3. Так как f′(x)=3x2−2x−13f'(x) = 3x^2 - 2x - 13, для нахождения aa получаем уравнение 3a2−2a−13=33a^2 - 2a - 13 = 3, имеющее корни −2-2 и 8/38/3. Значение a=8/3a = 8/3 нужно отбросить (по условию задачи точка касания лежит во второй четверти). При a=−2a = -2 точка касания имеет координаты (−2;18)(-2; 18) и лежит во второй четверти. Уравнение касательной имеет вид y=3x+24y = 3x + 24. Эта прямая пересекает оси координат в точках (−8;0)(-8; 0) и (0;24)(0; 24).

Задача 5 (ЛГУ, математикомеханический факультет, 1977). При каком значении aa касательная к графику функции y=a−x2y = a - x^2 отсекает от первой четверти равноведренный прямой угольный треугольник с площадью, равной 932\frac{9}{32}?

Решение. Из условия задачи следует, что угол наклона касательной к оси абсцисс равен 135∘135^\circ. Поскольку tg135∘=−1tg 135^\circ = -1, абсцисса точки касания — это корень уравнения −2x=−1-2x = -1. Следовательно, уравнение касательной имеет вид y=−x+a+14y = -x + a + \frac{1}{4}. Эта прямая пересекает оси координат в точках A(0;a+14),B(a+14;0)A(0; a + \frac{1}{4}), B(a + \frac{1}{4}; 0).

По условию задачи точки AA и BB лежат на положительных полуосах, так что a+14>0a + \frac{1}{4} > 0. Площадь треугольника, о котором говорится в условия, равна 12(a+14)2\frac{1}{2}(a + \frac{1}{4})^2. Решив уравнение 12(a+14)2=932\frac{1}{2}(a + \frac{1}{4})^2 = \frac{9}{32} (с учетом того, что a+14>0a + \frac{1}{4} > 0), получим ответ: a=12a = \frac{1}{2}.

Если прямая задана уравнению вида y=kx+by = kx + b, то коэффициент kk равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс (мы пользовались этим, решая задачу 5). Отсюда следует, что прямые, заданные уравнениями y=k1x+b1y = k_1x + b_1 и y=k2x+b2y = k_2x + b_2, параллельны в том и только в том случае, если k1=k2k_1 = k_2.

Задача 6 (Ереванский ГУ, факультет прикладной математики). В какой точке кривой y=1+x2y = \sqrt{1+x^2} касательная параллельна прямой y=3x+24y = 3x + 24. Эта прямая пересекает оси координат в точках (−8;0)(-8; 0) и (0;24)(0; 24).

Решение. Вычислим произвольную данную функцию: y′=x1+x2y' = \frac{x}{\sqrt{1+x^2}}.

Угловой коэффициент касательной к графику функции в точке с абсциссой aa равен значению произвольной в этой точке. По условию этот угловой коэффициент должен быть равен 12\frac{1}{2}. Таким образом, абсцисса искомой точки — это корень уравнения a1+a2=12\frac{a}{\sqrt{1+a^2}} = \frac{1}{2}. Решая это уравнение, получаем a=1/3a = 1/\sqrt{3}.

Ответ: (1/3;2/3)(1/\sqrt{3}; 2/\sqrt{3}).

Задача 7 (МАИ, 1981). В каких точках графика функции y=(1−x)×(1+x)2y = (1-x)\times(1+x)^2 надо проверить к нему касательные, чтобы они проходит через точку (−1;0)(-1; 0)?

Решение. Обозначим через tt абсциссу точки касания. Так как y′=−(1+x)2+2(1+x)(1−x)=(1+x)×(1−3x)y' = -(1+x)^2 + 2(1+x)(1-x) = (1+x)\times(1-3x), уравнение касательной имеет вид y=(1+t)(1−3t)(x−t)+(1−t)(1+t)2y = (1+t)(1-3t)(x-t) + (1-t)(1+t)^2. Условие проходитняя касательной через точку (−1;0)(-1; 0) запишется теперь в виде уравнения относительно tt:

0=(1+t)(1−3t)(−1−t)+(1−t)(1+t)2,0 = (1+t)(1-3t)(-1-t) + (1-t)(1+t)^2,

которое легко преобразуется к виду (1+t)2⋅2t=0(1+t)^2 \cdot 2t = 0. Корни этого уравнения t=0t = 0, t=−1t = -1 — абсциссы искомых точек; их ordinаты находим, вычисляя соответствующие значения данной функции. Ответ: (0;1),(−1;0)(0; 1), (-1; 0).

Задача 8 (Воронежский ГУ, математический факультет). Найдите уравнение касательной к кривой

53

y=x+1x,y = \frac{x+1}{x},
если известно, что касательная проходит через точку M(a;b)M(a; b).
Сколько существует решений в зависимости от точки M(a;b)M(a; b)?

Решение. Ответ на второй вопрос задачи легко представить себе, если посмотреть на график данной функции. На рисунке красным цветом изображена гипербола 1+1x1 + \frac{1}{x} и ее асимптоты (кроме точки их пересечения). Через каждую красную точку можно проведить одну касательную. Синним цветом изображены области, из точки которых можно проведены две касательные к одной ветви гиперболы. Через точки зеленых области также проходят две касательные, но по одной к каждой ветви гиперболы. Из точки же области, закрашенных желтым цветом, к данной гиперболе касательную проведены нелязья.

Обозначим теперь через tt абсциссу произвольной точки данной гиперболы и написем уравнение касательной в этой точке: y=−1t2x+2t+1y = -\frac{1}{t^2}x + \frac{2}{t} + 1. Эта прямая проходит через точку M(a;b)M(a; b) в том и только в том случае, если b=−1t2a+2t+1b = -\frac{1}{t^2}a + \frac{2}{t} + 1. Это условие равносильно системе
{(b−1)t2−2t+a=0,t≠0.\begin{cases} (b-1)t^2 - 2t + a = 0, \\ t \neq 0. \end{cases}

Прежде всего рассмотрим случай b=1b=1 (в этом случае уравнение (2) является линейным) и a=0a=0 (это единственный случай, когда уравнение (2) имеет корень t=0t=0).

При b=1b=1 уравнение (2) имеет единственный корень t=a2t = \frac{a}{2}, отличный от нуля при a≠0a \neq 0. Уравнение единственный касательной в этом случае имеет вид y=−4a2x+4a+1y = -\frac{4}{a^2}x + \frac{4}{a} + 1.

При a=0a=0 и b≠1b \neq 1 уравнение (2) имеет единственный от нуля корень t=2b−1t = \frac{2}{b-1}. Уравнение единственный касательной в этом случае имеет вид y=−(b−1)24x+by = -\frac{(b-1)^2}{4}x + b.

Наконец, при a=0,b=1a=0, b=1 уравнение (2) ненулевых корней не имеет.

Пусть теперь b≠1,a≠0b \neq 1, a \neq 0. Дискриминент квадратного уравнения (2) равен 4(1+a−ab)4(1+a-a b). Если 1+a−ab<01+a-a b < 0, то уравнение (2) корней не имеет, и, следовательно, уравнение M(a;b)M(a; b) нельзя проведити касательную к графику данной функции. Заметим, что неравенство 1+a−ab<01+a-a b < 0 можно при a>0a > 0 записать в виде b>1+aab > \frac{1+a}{a}, а при a<0a < 0 – в виде b<1+aab < \frac{1+a}{a}. Таким образом, это неравенство задает желтые области на рисунке.

Если 1+a−ab=01+a-a b = 0 (то есть точка M(a;b)M(a; b) лежит на гиперболе), то уравнение (2) имеет единственный корень t=at = a, и уравнение касательной имеет вид y=−1a2x+2a+1y = -\frac{1}{a^2}x + \frac{2}{a} + 1.

Если 1+a−ab>01+a-a b > 0, то уравнение (2) имеет два корня t=1±1+a−abb−1t = \frac{1 \pm \sqrt{1+a-a b}}{b-1}. Подставляя эти корни в уравнение y=−1t2x+2t+1y = -\frac{1}{t^2}x + \frac{2}{t} + 1, мы получим уравнение двух касательных, проходящих через точку M(a;b)M(a; b). Неравенство 1+a−ab>01+a-a b > 0 вместе с неравенствами b≠1,a≠0b \neq 1, a \neq 0 задает области, окрашенные на рисунке в синей и зеленьй цвета.

Задание 9 (МФТИ, 1982). Из точки M(1;1)M(1; 1) проведены касательные к двум ветвям гиперболы y=kx(k<0)y = \frac{k}{x} (k < 0), касающей эти ветвей в точках AA и BB, причем треугольник MAB правильный. Найдите коэффициент kk и площадь треугольника MAB.

Решение. Пусть tt – абсцисса произвольной точки данной гиперболы. Касательная в этой точке зада-

54

ется уравнение y=−kt2x+2kty = -\frac{k}{t^2}x + \frac{2k}{t} и проходит через точку M(1;1)M(1; 1) в том и только в том случае, если 1=−kt2+2kt1 = -\frac{k}{t^2} + \frac{2k}{t} или t2−2kt+k=0t^2 - 2kt + k = 0. Это уравнение при k<0k < 0 имеет два корня t1,t2t_1, t_2 — абсциссы точки AA и BB. По теореме Виета t1+t2=2k,t1t2=kt_1 + t_2 = 2k, t_1t_2 = k. Поскольку ветви данной гипербольы симметрины относительно прямой y=xy = x, а точка MM лежит на этой прямой, точки AA и BB симметрины относительно прямой y=xy = x. Впрочем, в этом можно убедиться и так: t1t2=kt_1t_2 = k, то есть абсцисса точки BB равна ordinate точки AA, а ordinata точки BB равна абсциссе точки AA. Таким образом, точка AA имеет координаты (t1;t2)(t_1; t_2), а точка BB — координаты (t2;t1)(t_2; t_1). Отсюда следует, что ∣MA∣=∣MB∣|MA| = |MB| при любом k<0k < 0. Таким образом, kk нужно находить из равенства ∣MA∣=∣AB∣|MA| = |AB|. Вычислим ∣MA∣2|MA|^2 и ∣AB∣2|AB|^2:

∣AB∣2=(t1−t2)2+(t2−t1)2=2(t1−t2)2=2((t1+t2)2−4t1t2)=8k2−8k;|AB|^2 = (t_1 - t_2)^2 + (t_2 - t_1)^2 = 2(t_1 - t_2)^2 = 2((t_1 + t_2)^2 - 4t_1t_2) = 8k^2 - 8k;

∣MA∣2=(t1−1)2+(t2−1)2=t12+t22−2(t1+t2)+2=(t1+t2)2−2(t1+t2)−2t1t2+2=4k2−6k+2.|MA|^2 = (t_1 - 1)^2 + (t_2 - 1)^2 = t_1^2 + t_2^2 - 2(t_1 + t_2) + 2 = (t_1 + t_2)^2 - 2(t_1 + t_2) - 2t_1t_2 + 2 = 4k^2 - 6k + 2.

Мы получили относительно kk уравнение 8k2−8k=4k2−6k+28k^2 - 8k = 4k^2 - 6k + 2, которое имеет единственный отрицательный корень k=−12k = -\frac{1}{2}. Для нахождения плоскости правильно треугольника MABMAB подставим найденное значение kk в выражение для ∣AB∣2|AB|^2. Получим ∣AB∣2=6|AB|^2 = 6 и, следовательно, SMAB=332S_{MAB} = \frac{3\sqrt{3}}{2}.

Задание 10 (МИСиС, 1978). Начните уравнение общей касательной к параболам y=x2+4x+8y = x^2 + 4x + 8 и y=x2+8x+4y = x^2 + 8x + 4.

Решение. Обозначим через uu и vv абсциссы точек касания. Уравнение касательной к первой параболе в точке с абсциссой uu имеет вид y=(2u+4)x−u2+8y = (2u + 4)x - u^2 + 8, а уравнение касательной ко второй параболе в точке с абсциссой vv имеет вид y=(2v+8x−v2+4y = (2v + 8x - v^2 + 4. Так как оба уравнения — это уравнения одной и той же прямой, имеем 2u+4=2v+82u + 4 = 2v + 8, −u2+8=−v2+4-u^2 + 8 = -v^2 + 4. Из полученной системы уравнения находим u=2u = 2, v=0v = 0. Следовательно, уравнение искомой касательной y=8x+4y = 8x + 4.

Задание 11 (2-й тур Ленинградской математической олимпiadы). Найдите уравнение прямой, касающей графика функции f(x)=x4−2x3+x2+x−2f(x) = x^4 - 2x^3 + x^2 + x - 2 в двух точках.

Заметим, что f(x)−(x−2)=x2(x−1)2f(x) - (x - 2) = x^2(x - 1)^2. Оказывется, если многочлен f(x)f(x) представляет в виде f(x)=(x−a)2g(x)+l(x)f(x) = (x - a)^2g(x) + l(x), где l(x)l(x) — линейная функция, а g(x)g(x) — произвольный многочлен, то прямая y=l(x)y = l(x) является касательной к графику функции y=f(x)y = f(x) в точке с абсциссой aa. Действительно, в этом случае f(a)=l(a)f(a) = l(a), f′(a)=l′(a)f'(a) = l'(a), так что прямая y=l(x)y = l(x) проходит через точку (a;f(a))(a; f(a)) и имеет угловой коэффициент f′(a)f'(a). В нашем случае от сюда сразу же следует, что прямая y=x−2y = x - 2 касается графика данной функции в точках с абсциссами 0 и 1. Таким образом, прямая y=x−2y = x - 2 касается графика данной функции в двух точках. Доказите самостояльно, что никакая другая прямая не касается графика данной функции в двух точках. Итак, уравнение искомой касательной y=x−2y = x - 2.

Уражнения

1 (ЛГУ, мат.-мех. факультет, 1977). При каком значении kk касательная к графику функции y=kx2y = kx^2 обращет с осью абсцисс угол, равный π3\frac{\pi}{3}, и отсекает от четвертой четвертой треугольник с площадью, равной 833\frac{8\sqrt{3}}{3}?

2 (Казанский ГУ, физический факультет, 1978). На кривой y=x3−3x2+2y = x^3 - 3x^2 + 2 найдите точки, в которых касательная параллельна прямой y=3xy = 3x.

3 (МГУ, факультет выч. мат. и кибернетки, 1978). Найдите уравнение прямой, проходящей через точку с координатами (12;2)\left(\frac{1}{2}; 2\right), касающей график функции y=−x22+2y = -\frac{x^2}{2} + 2 и пересекающей в двух различных точках график функции y=4−x2y = \sqrt{4 - x^2}.

4 (МГУ, мат.-мет. факультет, 1980). касательная к графику функции y=3x2y = \sqrt{3x^2} также, что абсцисса cc точки касания принадлежит отрезку [12;1]\left[\frac{1}{2}; 1\right]. При каком значении cc площадь треугольника, ограниченного этой касательной, осью абсцисс и вертикальной прямой x=2x = 2, будет наименьшей и чем равна эта наименьшая площадь?

5 (2-й тур Ленинградской математической олимпiadы, 1984). Доказите, что если две касательные к параболе y=x2y = x^2 взаимно перpendicularны, то расстояние между касания не меньше 1.