2014年12月22日 星期一

圓與根軸(課堂筆記)


在坐標平面上給一定點(h, k)(圓心)和一定值r(半徑),可以決定一圓(x h)2 + (y k)2 = r2,設展開後為x2 + y2 + dx + ey + f = 0(其中(h, k) = ( −d/2, −e/2), 4r2 = d2 + e2 − 4f),當然可觀察出若二元二次方程式ax2 + bxy + cy2 + dx + ey + f = 0x2項係數和y2項係數相等(a = c0),且xy項係數為0(b = 0)d2 + e2 − 4f > 0時,圖形為一圓,d2 + e2 − 4f = 0時,圖形為一點(h, k)d2 + e2 − 4f < 0時無圖形。

因此若圓C1: x2 + y2 + d1x + e1y + f1 = 0和圓C2: x2 + y2 + d2x + e2y + f2 = 0的線性組合
Γ: k(x2 + y2 + d1x + e1y + f1) + l(x2 + y2 + d2x + e2y + f2) = 0
的圖形也會滿足x2項係數和y2項係數相等(= k + l)xy項係數為0,則Γ的圖形很有機會是一個圓

若圓C1和圓C2有兩個交點A(x1, y1)B(x2, y2),顯然將(x1, y1)(x2, y2)代入Γ,無論kl的值為何,方程式的等號均會成立。所以Γ的圖形必通過AB兩點,換句話說,若Γ的圖形為一圓,則就是通過AB兩點的圓,或說是圓心在的中垂線上的圓。這就是「圓系」的概念。

但若是k + l = 0,例如k = 1, l = −1,則Γ: (d1 d2)x + (e1 e2)y + (f1 f2) = 0為一直線,當然也通過AB兩點,故Γ的圖形為。用另一觀點來看,若點P(x, y)滿足(d1 d2)x + (e1 e2)y + (f1 f2) = 0,即滿足
x2 + y2 + d1x + e1y + f1 = x2 + y2 + d2x + e2y + f2
,即
(x h1)2 + (y k1)2 r12 = (x h2)2 + (y k2)2 r22
其中(h1, k1)r1是圓C1的圓心和半徑,(h2, k2)r2是圓C2的圓心和半徑,而(x h1)2 + (y k1)2就是點P(x, y)到圓C1的圓心(h1, k1)的距離平方,所以(x h1)2 + (y k1)2 r12就是點P(x, y)到圓C1的切線段長的平方。所以上式的意思即表示:Γ為滿足到兩圓的切線段長(的平方)相等的圖形。因為Γ上的點都是滿足方程式(x h1)2 + (y k1)2 r12 = (x h2)2 + (y k2)2 r22的根,所以將Γ稱為圓C1和圓C2的「根軸」。

     
有學生問,若點P(x, y)上,即在兩圓內,就沒有通過P點的切線,那「根軸」又代表什麼意思呢?實際上,若回想國中所學的切割線性質、圓外冪性質、圓內冪性質,可以發現:
P點在圓外,則,其中DE分別為點P到圓的最短和最長距離;P點在圓內,作一以P點為中點的弦,因為
x2 + y2 + dx + ey + f = (x h)2 + (y k)2 r2 =

因此,也可將Γ上的點視為分別到圓C1和圓C2的最短與最長距離的乘積相等的點。
      
(當然我覺得這樣的解釋只是強加一個幾何概念到一個「值」上,實際上它就是滿足一個方程式的點,不過這樣的講法,無論圓C1和圓C2是相交於兩點或外切、內切、外離、內離,就都適用了。)

如果兩圓沒有相交,怎麼找出根軸的位置呢?一樣的,從圓外冪性質和切割線性質可知,任作一圓C與兩圓C1C2分別交於ABCD,則的交點P就會在根軸上。所以如此方式,找出(根軸上的)兩點P1P2,則即為根軸。
      

2014年10月12日 星期日

一個常數項為0的特殊整係數多項式方程的性質

這是暑假的時候,為了設計競賽題,拿紙筆亂試,得出的一個小結論:一個沒有常數項的整係數多項式方程式,如果有整數根的一個性質。因為原本就是要設計成競賽試題,所以寫成題目的形式。

(1)f(x)是一個整係數二次多項式,且f(x) = 0有兩個相異整數根0α。若β為異於0α的整數且f(f(β)) = 0,設f(x)的首項係數為k,試求序列(k, α, β)所有可能的值。
Sol:
解法一:設f(x) = kx(xα),則f(f(β)) = kf(β)(f(β)α) = k2β(βα)((βα)α) = 0,又k ≠ 0β ≠ 0α,所以(βα)α = 0,即2kαβα = 0,因為β為整數,所以β的判別式k2α2 + 4 = ( + 2)24為完全平方式,設( + 2)24 = m2,則(kα + 2 + m)(kα + 2m) = 4,唯一合理的整數解只有m = 0時, =4,故所有可能的解只有(k, α, β) = (1,4,2)(1, 4, 2)(2,2,1)(2, 2, 1)(k =±4時,β不是整數)
解法二:設f(x) = kx(xα),因為β為異於0α的整數且f(f(β)) = 0,所以f(β) = α,即(βα) = α,移項得2= α(+ 1),所以+ 12的因數,但由輾轉相除法原理知,(2, + 1) = (+ 1, β) = 1,所以+ 1 = ±1,故 =20(0不合),代回f(β) = α,即可得所有可能的解只有(k, α, β) = (1,4,2)(1, 4, 2)(2,2,1)(2, 2, 1)

(2)f(x)是一個整係數三次多項式,且f(x) = 0有三個相異整數根0αβ。其中α > β。若γ為異於0αβ的整數且f(f(γ)) = 0,設f(x)的首項係數為k,試求序列(k, α, β, γ)所有可能的值。
Sol:
f(x) = kx(xα)(xβ),因為γ為異於0αβ的整數且f(f(γ)) = 0,所以f(γ) = αβ。若不考慮αβ的大小,不失一般性,可假設f(γ) = α。即(γα)(γβ) = α,移項得2(γβ) = α((γβ) + 1),所以(γβ) + 12(γβ)的因數,但2(γβ)(γβ) + 1互質,所以(γβ) + 1 = 11
(γβ) + 1 = 1,則k = 0γ = 0γ = β,均不滿足題意。
(γβ) + 1 =1,則(γβ) =2……,代回(γα)(γβ) = α,得α = 2γ……
故滿足的所有整數解,再考慮α > βαβ ≠ 0的條件,則共8組解:
(k, α, β, γ) = (1, 3, 2, 1)(1,2,3,1)(1, 2,1, 1)(1, 4, 3, 2)(1,3,4,2)(1, 4, 1, 2)(1, 1,2,1)(1,1,4,2)

(3)試證,若f(x)是一個整係數n次多項式且沒有常數項,其中n5,且f(x) = 0n個相異整數根,則不存在異於f(x) = 0的所有根的整數γ,使得f(f(γ)) = 0
Sol:
f(x) = kx(xα1)(xα2)(xαn),其中α1α2、…、αn 為異於0的相異整數,k ≠ 0n4
假設f(f(γ)) = 0,其中γ ≠ 0α1α2、…、αnγ為整數,則f(γ) = αi,其中i =1~n,不失一般性,假設f(γ) = α1,則(γα1)(γα2)(γαn) = α1,移項得2(γα2)(γαn) = α1((γα2)(γαn) + 1),故(γα2)(γαn) + 12(γα2)(γαn)的因數,但(γα2)(γαn) + 12(γα2)(γαn)互質,所以(γα2)(γαn) + 1 = ±1
(γα2)(γαn) + 1 = 1,則k = 0γ = 0α1α2、…、αn,均不合。
(γα2)(γαn) + 1 =1,則(γα2)(γαn) =2
如果n5,則γα2、…、γαn至少有兩個同為11,矛盾。
如果n = 4,因為要使γα2γα3γα4的值均不同,則只能γ = ±1,且γα2γα3γα4必有其中兩個為11,但都會導致α2α3α4其中之一為0,矛盾。