Для решения задачи будем использовать свойства касательных и окружностей.
Запишем уравнения окружности и прямой.
У нас есть окружность с уравнением:
\[ x^2 + y^2 = 20 \]
Прямая имеет вид:
\[ y = 2x + b \]Подставим уравнение прямой в уравнение окружности.
Вместо \( y \) подставим \( 2x + b \):
\[ x^2 + (2x + b)^2 = 20 \]
Раскроем скобки:
\[ x^2 + (4x^2 + 4bx + b^2) = 20 \]
Сложим подобные члены:
\[ 5x^2 + 4bx + (b^2 - 20) = 0 \]Критерий касания:
Чтобы прямая касалась окружности, дискриминант этого квадратного уравнения должен равняться нулю:
\[ D = B^2 - 4AC = 0 \]
Здесь, \( A = 5 \), \( B = 4b \), \( C = b^2 - 20 \).
Подставим в формулу для дискриминанта:
\[ (4b)^2 - 4 \cdot 5 \cdot (b^2 - 20) = 0 \]
Упростим это уравнение:
\[ 16b^2 - 20(b^2 - 20) = 0 \]
\[ 16b^2 - 20b^2 + 400 = 0 \]
\[ -4b^2 + 400 = 0 \]
\[ 4b^2 = 400 \]
\[ b^2 = 100 \]
\[ b = 10 \quad \text{или} \quad b = -10 \]Определяем координаты точки касания.
Рассмотрим оба случая для \( b \):Если \( b = 10 \):
Подставляем \( b \) в уравнение прямой:
\[ y = 2x + 10 \]
Подставим в окружность:
\[ x^2 + (2x + 10)^2 = 20 \]
\[ x^2 + (4x^2 + 40x + 100) = 20 \]
\[ 5x^2 + 40x + 80 = 0 \]
Поскольку дискриминант будет неотрицательным, мы найдем корни, которые будут положительными.Если \( b = -10 \):
Подставляем \( b \) в уравнение прямой:
\[ y = 2x - 10 \]
Подставим в окружность:
\[ x^2 + (2x - 10)^2 = 20 \]
\[ x^2 + (4x^2 - 40x + 100) = 20 \]
\[ 5x^2 - 40x + 80 = 0 \]
Решаем уравнение:
Теперь решим квадратное уравнение:
\[ 5x^2 - 40x + 80 = 0 \]
Дискриминант:
\[ D = (-40)^2 - 4 \cdot 5 \cdot 80 = 1600 - 1600 = 0 \]
Поскольку дискриминант равен нулю, есть один корень:
\[ x = \frac{-b}{2a} = \frac{40}{10} = 4 \]Подставляем \( x \) в уравнение прямой:
\[ y = 2(4) - 10 = 8 - 10 = -2 \]Координаты точки касания:
Таким образом, точка касания с отрицательной абсциссой:
\[ (x, y) = (4, -2) \]
Координаты точки касания: (4;-2).