根軸

根軸（英語：radical axis）是由兩個圓唯一確定的，與兩圓連心線垂直的直線，其定義為關於兩圓的圓冪相等的點的軌跡。

性質

幾何形狀及其位置的確定

令向量${\displaystyle {\vec {x}}}$ 、${\displaystyle {\vec {m}}_{1}}$ 、${\displaystyle {\vec {m}}_{2}}$ 分別為根軸上的點 ${\displaystyle P}$ 、兩圓圓心${\displaystyle M_{1}}$ 、${\displaystyle M_{2}}$ 的位置。則根軸的「曲線」方程為：

${\displaystyle ({\vec {x}}-{\vec {m}}_{1})^{2}-r_{1}^{2}=({\vec {x}}-{\vec {m}}_{2})^{2}-r_{2}^{2},}$ 

即

${\displaystyle 2{\vec {x}}\cdot ({\vec {m}}_{2}-{\vec {m}}_{1})+{\vec {m}}_{1}^{2}-{\vec {m}}_{2}^{2}+r_{2}^{2}-r_{1}^{2}=0.}$ 

 

${\displaystyle d_{1},d_{2}}$ 的定義和計算

從右等式可知根軸是一條垂直於連心線的直線。因${\displaystyle {\vec {m}}_{1}^{2}-{\vec {m}}_{2}^{2}+r_{2}^{2}-r_{1}^{2}}$ 內積大小僅由${\displaystyle x}$ 在${\displaystyle {\vec {m}}_{2}-{\vec {m}}_{1}}$ 方向的分量決定，所以根軸是一條垂直於連心線的直線。

根軸在連心線上的垂足${\displaystyle L}$ 與圓心${\displaystyle M_{1}}$ 、${\displaystyle M_{2}}$ 的距離${\displaystyle d_{1}}$ 、${\displaystyle d_{2}}$ 分別滿足
${\displaystyle d_{1}={\frac {d^{2}+{r_{1}}^{2}-{r_{2}}^{2}}{2d}}\ ,\qquad d_{2}={\frac {d^{2}+{r_{2}}^{2}-{r_{1}}^{2}}{2d}}}$ ,
其中 ${\displaystyle d=|M_{1}M_{2}|}$ .

如果兩圓相交，則根軸為它們交點的連線；如果兩圓相切，則根軸為它們的切線^[1]:27。

根心

定義

三個圓能畫出三條根軸，這三條根軸交於一點，稱為三個圓的根心，若三個圓的圓心共線，則其根心為垂直於連心線方向上的無窮遠點^[1]:27。

存在性的證明

考慮三圓${\displaystyle Q_{1}}$ 、${\displaystyle Q_{2}}$ 、${\displaystyle Q_{3}}$ 兩兩構成的三條根軸。令${\displaystyle P}$ 為${\displaystyle Q_{1}}$ 、${\displaystyle Q_{2}}$ 根軸以及${\displaystyle Q_{1}}$ 、${\displaystyle Q_{3}}$ 根軸的交點。有

${\displaystyle \operatorname {Pow} _{Q_{1}}(P)=\operatorname {Pow} _{Q_{2}}(P)}$ ，${\displaystyle \operatorname {Pow} _{Q_{1}}(P)=\operatorname {Pow} _{Q_{3}}(P)}$ ，

其中${\displaystyle \operatorname {Pow} _{Q_{i}}(P)}$ 表示點${\displaystyle P}$ 關於圓${\displaystyle Q_{i}}$ 的冪。

則知點${\displaystyle P}$ 關於${\displaystyle Q_{2}}$ 和${\displaystyle Q_{3}}$ 的圓冪都相等，因此它在第三條根軸上，換言之，三條根軸共點，存在根心。

參考資料

1. Chen, Evan. 2.3 The Radical Axis and Radical Center (PDF). Euclidean Geometry in Mathematical Olympiads. United States of America: MAA. 2016: 26–30 [2023-01-23]. ISBN 978-1-61444-411-4. MR 3467691. （原始内容 (PDF)于2023-01-23）. 

外部鏈結

• 埃里克·韦斯坦因. Radical Line. MathWorld.