Given:
d y d x + x + a y − 2 = 0 \dfrac{dy}{dx} + \dfrac{x + a}{y - 2} = 0 d x d y + y − 2 x + a = 0
⇒ d y d x = x + a 2 − y ⇒ \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x + a}{2 - y} ⇒ d x d y = 2 − y x + a
⇒ ( 2 − y ) d y = ( x + a ) d x ⇒ \left(2 - y\right)dy = \left(x + a\right)dx ⇒ ( 2 − y ) d y = ( x + a ) d x
⇒ 2 y − y 2 2 = x 2 2 + a x + c ⇒ 2y - \dfrac{{y}^{2}}{2} = \dfrac{{x}^{2}}{2} + ax + c ⇒ 2 y − 2 y 2 = 2 x 2 + a x + c
Put x = 1 x = 1 x = 1 , then we get y ( 1 ) = 0 y\left(1\right) = 0 y ( 1 ) = 0 .
a + c = − 1 2 a + c = - \dfrac{1}{2} a + c = − 2 1
Now,
4 y − y 2 = x 2 + 2 a x + 2 c 4y - {y}^{2} = {x}^{2} + 2ax + 2c 4 y − y 2 = x 2 + 2 a x + 2 c
⇒ x 2 + y 2 + 2 a x − 4 y + 2 c = 0 ⇒ {x}^{2} + {y}^{2} + 2ax - 4y + 2c = 0 ⇒ x 2 + y 2 + 2 a x − 4 y + 2 c = 0
⇒ x 2 + y 2 + 2 a x − 4 y − 1 − 2 a = 0 ⇒ {x}^{2} + {y}^{2} + 2ax - 4y - 1 - 2a = 0 ⇒ x 2 + y 2 + 2 a x − 4 y − 1 − 2 a = 0
This is a circle having radius
r = a 2 + 4 + 1 + 2 a = ( a + 1 ) 2 + 4 r = \sqrt{{a}^{2} + 4 + 1 + 2a} = \sqrt{{\left(a + 1\right)}^{2} + 4} r = a 2 + 4 + 1 + 2 a = ( a + 1 ) 2 + 4
Now,
π r 2 = 4 π \pi{r}^{2} = 4\pi π r 2 = 4 π
r 2 = 4 {r}^{2} = 4 r 2 = 4
⇒ ( a + 1 ) 2 + 4 = 4 ⇒ \sqrt{{\left(a + 1\right)}^{2} + 4} = 4 ⇒ ( a + 1 ) 2 + 4 = 4
⇒ ( a + 1 ) 2 = 0 ⇒ {\left(a + 1\right)}^{2} = 0 ⇒ ( a + 1 ) 2 = 0
So, a = − 1 a = - 1 a = − 1
Hence, circle is
x 2 + y 2 − 2 x − 4 y + 1 = 0 {x}^{2} + {y}^{2} - 2x - 4y + 1 = 0 x 2 + y 2 − 2 x − 4 y + 1 = 0
⇒ ( x − 1 ) 2 + ( y − 2 ) 2 = 4 ⇒ {\left(x - 1\right)}^{2} + {\left(y - 2\right)}^{2} = 4 ⇒ ( x − 1 ) 2 + ( y − 2 ) 2 = 4
It cuts y − a x i s y - axis y − a x i s at x = 0 x = 0 x = 0 , so
P ≡ ( 0 , 2 + 3 ) and Q ≡ ( 0 , 2 − 3 ) P ≡ \left(0, 2 + \sqrt{3}\right) \text{ and } Q ≡ \left(0, 2 - \sqrt{3}\right) P ≡ ( 0 , 2 + 3 ) and Q ≡ ( 0 , 2 − 3 )
Now,
x 2 + y 2 − 2 x − 4 y + 1 = 0 {x}^{2} + {y}^{2} - 2x - 4y + 1 = 0 x 2 + y 2 − 2 x − 4 y + 1 = 0
⇒ 2 x + 2 y ( d y d x ) − 2 − 4 ( d y d x ) = 0 ⇒ 2x + 2y\left(\dfrac{dy}{dx}\right) - 2 - 4\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 ⇒ 2 x + 2 y ( d x d y ) − 2 − 4 ( d x d y ) = 0
⇒ ( d y d x ) = 1 − x y − 2 ⇒ \left(\dfrac{dy}{dx}\right) = \dfrac{1 - x}{y - 2} ⇒ ( d x d y ) = y − 2 1 − x
⇒ − ( d x d y ) = y − 2 x − 1 ⇒ - \left(\dfrac{dx}{dy}\right) = \dfrac{y - 2}{x - 1} ⇒ − ( d y d x ) = x − 1 y − 2
Slope of normal at P P P is
m 1 = 2 + 3 − 2 0 − 1 = − 3 {m}_{1} = \dfrac{2 + \sqrt{3} - 2}{0 - 1} = - \sqrt{3} m 1 = 0 − 1 2 + 3 − 2 = − 3
Slope of normal at Q Q Q is
m 2 = 2 − 3 − 2 0 − 1 = 3 {m}_{2} = \dfrac{2 - \sqrt{3} - 2}{0 - 1} = \sqrt{3} m 2 = 0 − 1 2 − 3 − 2 = 3
Equation of normal at Q Q Q is
y − ( 2 − 3 ) = 3 ( x − 0 ) y - \left(2 - \sqrt{3}\right) = \sqrt{3}\left(x - 0\right) y − ( 2 − 3 ) = 3 ( x − 0 )
⇒ y − ( 2 − 3 ) = 3 x ⇒ y - \left(2 - \sqrt{3}\right) = \sqrt{3}x ⇒ y − ( 2 − 3 ) = 3 x
Equation of normal at P P P is
y − 2 − 3 = − 3 ( x − 0 ) y - 2 - \sqrt{3} = - \sqrt{3}\left(x - 0\right) y − 2 − 3 = − 3 ( x − 0 )
⇒ y = − 3 x + 2 + 3 ⇒ y = - \sqrt{3}x + 2 + \sqrt{3} ⇒ y = − 3 x + 2 + 3
So,
R ≡ ( 1 + 2 3 , 0 ) R ≡ \left(1 + \dfrac{2}{\sqrt{3}}, 0\right) R ≡ ( 1 + 3 2 , 0 ) and S ≡ ( 1 − 2 3 , 0 ) S ≡ \left(1 - \dfrac{2}{\sqrt{3}}, 0\right) S ≡ ( 1 − 3 2 , 0 )
Hence,
R S = 4 3 = 4 3 3 RS = \dfrac{4}{\sqrt{3}} = \dfrac{4\sqrt{3}}{3} RS = 3 4 = 3 4 3 units