Найдите все значения a, при каждом из которых система уравнений
{(x+ay−5)(x+ay−5a)=0,x2+y2=16 имеет ровно четыре различных решения.
Решение
Первое уравнение системы равносильно совокупности двух прямых:
[x+ay−5=0,x+ay−5a=0. Следовательно, исходная система эквивалентна совокупности двух систем:
{x+ay−5=0,x2+y2=16,{x+ay−5a=0,x2+y2=16. Обозначим:
ℓ1:x+ay−5=0,ℓ2:x+ay−5a=0. Решениями каждой из систем будут пересечения окружности радиуса 4 с центром в начале координат и прямой.
Прямые ℓ1 и ℓ2 параллельны и совпадают при a=1. В этом случае исходная система может иметь не более двух решений. Поэтому далее будем рассматривать случай a=1.
Условие того, что прямая пересекает окружность в двух различных точках, выражается неравенством: расстояние от центра окружности O(0;0) до прямой меньше радиуса R=4 окружности.
Расстояние от точки (x0;y0) до прямой Ax+By+C=0 вычисляется по формуле:
ρ=A2+B2∣Ax0+By0+C∣. Найдём расстояние от точки O(0;0) до прямой ℓ1: ρ1=1+a2∣0+a⋅0−5∣=1+a25. Прямая ℓ1 и окружность имеют две точки пересечения, если выполнено следующее
неравенство:
1+a25<4⇒5<41+a2⇒1625<1+a2⇒a2>169⇒∣a∣>43. Найдём расстояние от точки O(0;0) до прямой ℓ2: ρ2=1+a2∣0+a⋅0−5a∣=1+a25∣a∣. Прямая ℓ2 и окружность имеют две точки пересечения, если выполнено следующее неравенство:
1+a25∣a∣<4⇒5∣a∣<41+a2⇒25a2<16(1+a2)⇒9a2<16⇒∣a∣<34. Таким образом, исходная система имеет 4 различных решения при
a∈(−34;−43)∪(43;1)∪(1;34).