075.已知圆$C$的方程为${{x}^{2}}+{{(y-4)}^{2}}=4$,点$O$是坐标原点,直线$l:y=kx$与圆$C$交于$M,N$两点。
(1)求$k$的取值范围;
(2)设$Q(m,n)$是线段$MN$上的点,且$\dfrac{2}{|OQ{{|}^{2}}}=\dfrac{1}{|OM{{|}^{2}}}+\dfrac{1}{|ON{{|}^{2}}}$,请将$n$表示为$m$的函数。
解:(1)将$y=kx$代入${{x}^{2}}+{{(y-4)}^{2}}=4$得
$(1+{{k}^{2}}) {{x}^{2}}-8kx+12=0$ (*)
∵直线$l:y=kx$与圆$C$交于$M,N$两点,
∴$\Delta ={{(-8k)}^{2}}-4(1+{{k}^{2}})\times 12>0$,解得${{k}^{2}}>3$。
∴$k$的取值范围是$\left( -\infty , -\sqrt{3} \right)\bigcup \left( \sqrt{3}, +\infty \right)$。
(2)∵$M,N$在直线$l$上,可设点$M,N$的坐标分别为$({{x}_{1}}, k{{x}_{1}})$,$({{x}_{2}}, k{{x}_{2}})$,则
${{\left| OM \right|}^{2}}=(1+{{k}^{2}}){{x}_{1}}^{2}$,${{\left| ON \right|}^{2}}=(1+{{k}^{2}}){{x}_{2}}^{2}$,
又${{\left| OQ \right|}^{2}}={{m}^{2}}+{{n}^{2}}=(1+{{k}^{2}}) {{m}^{2}}$,
由$\dfrac{2}{{{\left| OQ \right|}^{2}}}=\dfrac{1}{{{\left| OM \right|}^{2}}}+\dfrac{1}{{{\left| ON \right|}^{2}}}$得,
$\dfrac{2}{(1+{{k}^{2}}) {{m}^{2}}}=\dfrac{1}{(1+{{k}^{2}}) {{x}_{1}}^{2}}+\dfrac{1}{(1+{{k}^{2}}) {{x}_{2}}^{2}}$,
∴$\dfrac{2}{{{m}^{2}}}=\dfrac{1}{{{x}_{1}}^{2}}+\dfrac{1}{{{x}_{2}}^{2}}=\dfrac{{{({{x}_{1}}+{{x}_{2}})}^{2}}-2 {{x}_{1}}{{x}_{2}}}{{{x}_{1}}^{2}{{x}_{2}}^{2}}$,
由方程(*)知${{x}_{1}}+{{x}_{2}}=\dfrac{8k}{1+{{k}^{2}}}$,${{x}_{1}}{{x}_{2}}=\dfrac{12}{1+{{k}^{2}}}$,
∴${{m}^{2}}=\dfrac{36}{5{{k}^{2}}-3}$,
∵点$Q(m,n)$在直线$l$上,
∴$k=\dfrac{n}{m}$,代入${{m}^{2}}=\dfrac{36}{5{{k}^{2}}-3}$可得$5{{n}^{2}}-3{{m}^{2}}=36$,
∴${{m}^{2}}=\dfrac{36}{5{{k}^{2}}-3}$,∵${{k}^{2}}>3$,
∴$0<{{m}^{2}}<3$,即 $m\in \left( -\sqrt{3}, 0 \right)\bigcup \left( 0, \sqrt{3} \right)$.
∵点$Q(m,n)$在圆$C$内,则$n>0$,
又$5{{n}^{2}}-3{{m}^{2}}=36$,
∴$n=\sqrt{\dfrac{36+3{{m}^{2}}}{5}}=\dfrac{\sqrt{15{{m}^{2}}+180}}{5}$,
于是, $n$与$m$的函数关系为
$n=\dfrac{\sqrt{15{{m}^{2}}+180}}{5}$ ($m\in \left( -\sqrt{3}, 0 \right)\bigcup \left( 0, \sqrt{3} \right)$) 。