内容正文:
人教版2019高一数学(选修一) 第二章 直线和圆的方程
2.4.1 圆的标准方程
目录/CONTENTS
新知探究
情景导入
学习目标
课堂小结
分层练习
错因分析
学习目标
1.会用圆的定义推导圆的标准方程,并掌握圆的标准方程的特征.
培养直观想象能力和逻辑推理能力;
2.能根据已知条件求圆的标准方程,掌握待定系数法和几何法.
培养数学运算素养、渗透方程思想;
3.能判断点与圆的位置关系并能解决相关问题.体会如何用代数方法去解决几何问题.
情景导入
已知隧道的截面是半径为4 m的半圆,车辆只能在道路中心线一侧行驶,一辆宽为2.7 m,高为3 m的货车能不能驶入这个隧道?
1.根据问题一的探究能不能得到圆心在原点,半径为r的圆的方程?
2.如果圆心在(a,b),半径为r时又如何呢?
本节课我们就来学习圆的标准式方程解决此类问题!
1.圆的标准式方程
新知探究
类似于直线方程的建立过程,为建立圆的方程,我们首先考虑确定一个圆的几何要素.
在平面直角坐标系中,如何确定一个圆呢?圆的定义是什么?
初中我们学习过的圆的定义。
圆是平面上到定点的距离等于定长的点的集合。
在平面直角坐标系中,如果一个圆的圆心坐标及它的半径确定,这个圆也就确定了.
如右图所示
在平面直角坐标系中,A圆心A的坐标为,半径为,
设M(x, y)是圆A上任意一点, 根据定义, 点M到圆心A的距离等于r, 所以圆A上所有点的集合为:
P={ M | |MA|=r }.
由两点间的距离公式可知, 点M(x, y)满足的条件可表示
两边平方,得
由上述过程可知,若点M(x, y)在圆A上,点M的坐标就满足方程(1);
反过来,若点M的坐标(x, y)满足方程(1) ,就说明点M与圆心A间的距离为r ,点M就在圆A上。
这时我们就把方程(1) 称为圆心为A(a, b),半径为r 的圆的标准方程.
圆心
()
(1)
半径r
由此得到了圆的标准式方程:
这个方程是否能够表示所有圆的方程呢?
若圆心在坐标原点,半径为的圆的标准方程是什么?
将点代入圆的标准式方程
1. 是关于x, y的二元二次方程;
2. 确定圆的方程必须具备三个独立条件, 即 a,b,r;
圆的标准式方程的特征:
4. 要注意r 的取值,r>0.
3. 特别地,若圆心在坐标原点,则圆方程为
(1)
概念归纳
解:将圆心A(2,-3),半径为5代入圆的标准方程,可得所求圆的方程为
例1. 求圆心为A(2,-3),半径为5的圆的标准方程,并判断点M1(5,-7),
M2(-2,-1) 是否在这个圆上.
分析:已经求出圆的标准方程,下面判断点 M1(5,-7),M2(-2,-1)是否在这个圆上即可.
我们该如何确定点是否在这个圆上呢?
课本例题
将点的坐标代入方程的左边,得,此时左右相等,点M的坐标满足圆的方程,所以点在这个圆上.
把点的坐标代人方程的左边,得,此时左右不相等,点的坐标不满足圆的方程,所以点不在这个圆上.
例1. 求圆心为A(2,-3),半径为5的圆的标准方程,并判断点M1(5,-7),
M2(-2,-1) 是否在这个圆上.
课本例题
很明显,从几何角度看点与圆的位置关系有三种.
设点到圆心的距离为d,半径为r,则有
(1)若d<r,则点在圆内
(2)若d=r,则点在圆上
(3)若d>r,则点在圆外
2.点与圆的位置关系
新知探究
观察下图,点与圆的位置关系有几种,你是如何判断的?
我们如果用代数方法,将点M坐标代入圆的方程左边,会发现这个格式恰好是MA两点距离d的平方,然后我们将其与r2作大小比较:
在直角坐标系中,已知点M(x0, y0)与圆A:(x-a)2+(y-b)2=r2
如何判断点M与圆A的位置关系?
概念归纳
概念归纳
位置关系 d与r的大小 图示 点P的坐标的特点
点在圆外 d>r (x0-a)2+(y0-b)2>r2
点在圆上 d=r (x0-a)2+(y0-b)2=r2
点在圆内 d<r (x0-a)2+(y0-b)2<r2
点M(x0, y0)与圆A:(x-a)2+(y-b)2=r2的位置关系及判断方法
3.根据已知条件求圆的标准方程
新知探究
[分析] 本题条件中“三点共圆”.我们不妨设圆的标准方程,代入点坐标,联立方程,待定系数;把问题转化为方程组问题,解出a、b、r即可.
例2. △ABC 的三个顶点分别是A(5, 1), B(7, -3), C(2, -8), 求△ABC的外接圆的标准方程.
ABC的外接圆的圆心是ABC的外心,即ABC三边垂直平分线的交点.
解:
例2. △ABC 的三个顶点分别是A(5, 1), B(7, -3), C(2, -8), 求△ABC的外接圆的标准方程.
你还有其他方法吗?
例2 △ABC 的三个顶点分别是A(5, 1), B(7, -3), C(2, -8), 求△ABC的外接圆的标准方程.
x
O
y
A(5,1)
•
C(2,-8)
•
B(7,-3)
•
r
M
•
解2:
因为线段AB是圆的一条弦,根据平面几何知识,AB的中点与圆心C的连线垂直于AB,由此可得到另一种解法.
圆的标准方程的两种求法
(1)几何法 它是利用图形的几何性质,如圆的性质等,直接求出圆的圆心和半径,代入圆的标准方程,从而得到圆的标准方程.
(2)待定系数法
由三个独立条件得到三个方程,解方程组以得到圆的标准方程中三个参数,从而确定圆的标准方程.它是求圆的方程最常用的方法,一般步骤是:
①设——设所求圆的方程为;
②列——由已知条件,建立关于的方程组;
③解——解方程组,求出;
④代——将代入所设方程,得所求圆的方程.
概念归纳
题型1 用直接法求圆的标准方程
典例剖析
用直接法求圆的标准方程的策略
(1)首先求出圆心坐标和半径,然后直接写出圆的标准方程.
(2)确定圆心和半径时,常用到中点坐标公式、两点间距离公式,有时还用到平面几何知识,如“弦的中垂线必过圆心”“过切点与切线垂直的直线必过圆心”等.
提醒:当圆与坐标轴相切时要特别注意圆心的坐标与圆的半径的关系.
归纳总结
1.⊙C的圆心C坐标为(x0,x0),且过定点P(4,2).
(1)求⊙C的方程(用含x0的式子表示);
(2)当x0为何值时,⊙C的面积最小?求出此时圆的标准方程.
练一练
经过点A(-1,3),B(4,2)且圆心在x轴上的圆的方程是________________.
典例剖析
题型2 用待定系数法求圆的标准方程
(x-1)2+y2=13
经过点A(-1,3),B(4,2)且圆心在y轴上的圆的方程是________________.
x2 + (y+5) 2=13
典例剖析
经过点A(-1,3),B(4,2)点C(1,-1)的圆的方程是________________.
典例剖析
1.待定系数法求圆的标准方程的一般步骤
设方程
列方程组
解方程组
得方程
设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2
由已知条件,建立关于a,b,r
解方程组,求出a,b,r
将a,b,r代入所设方程,得所求原方程
归纳总结
2.求任意△ABC外接圆方程的方法
(1)直接法:①求出AB,AC中垂线的方程;
②联立成二元方程组得圆心D坐标;
③求AD(或BD,CD)得半径;
④代入标准方程一般形式即可.
(2)间接法:①设出标准方程;
②代入三点坐标联立成三元方程组;
③解方程组得标准方程.
归纳总结
3.几种常见特殊位置的圆的标准方程
(1)以原点为圆心,r为半径的圆的标准方程:x2+y2=r2.
(2)圆心在x轴上,半径为r的圆的标准方程:(x-a)2+y2=r2.
(3)圆心在y轴上,半径为r的圆的标准方程:x2+(y-b)2=r2.
(4)圆心在x轴上且过原点的圆的标准方程:(x-a)2+y2=a2(a≠0).
(5)圆心在y轴上且过原点的圆的标准方程:x2+(y-b)2=b2(b≠0).
2.求过点A(1,-1),B(-1,1)且圆心C在直线x+y-2=0上的
圆的标准方程.
练一练
如图,已知两点P1(4,9)和P2(6,3).
(1)求以P1P2为直径的圆的方程;
(2)试判断点M(6,9),N(3,3),Q(5,3)是在圆上、在圆内、还是在圆外.
题型3 点与圆的位置关系
典例剖析
归纳总结
1.判断点与圆的位置关系的两种方法
(1)几何法:主要利用点到圆心的距离与半径比较大小.
(2)代数法:主要是把点的坐标代入圆的标准方程来判断:
点P(x0,y0)在圆C上⇔(x0-a)2+(y0-b)2=r2;
点P(x0,y0)在圆C内⇔(x0-a)2+(y0-b)2<r2;
点P(x0,y0)在圆C外⇔(x0-a)2+(y0-b)2>r2.
归纳总结
2.确定一定点与圆上任一点P间的最值的方法
若点M与圆心的距离为d,则有:
①若点M在圆C外,则|PM|的最大值为d+r,最小值为d-r.
②若点M在圆C上,则|PM|的最大值为2r,最小值为0.
③若点M在圆C内,则|PM|的最大值为d+r,最小值为r-d.
3.已知点A(1,2)和圆C:(x-a)2+(y+a)2=2a2,试分别求满足下列条件的实数a的取值范围.
(1)点A在圆的内部;
(2)点A在圆上;
(3)点A在圆的外部.
解:(1)A在圆的内部,(1-a)2+(2+a)2<2a2,且a不为0,解得a<-2.5.
(2)点A在圆上,(1-a)2+(2+a)2=2a2,解得a=-2.5.
(3)点A在圆的外部,(1-a)2+(2+a)2>2a2,且a不为0,解得a>-2.5且a≠0.
练一练
1.圆x2+y2=1的圆心到直线3x+4y-25=0的距离是( )
A.5 B.3 C.4 D.2
A
2.以C(2,-3)为圆心,且过点B(5,-1)的圆的方程为( )
A.(x-2)2+(y+3)2=25 B.(x+2)2+(y-3)2=65
C.(x+2)2+(y-3)2=53 D.(x-2)2+(y+3)2=13
D
随堂练
3.已知圆C经过A(0,0),B(2,0)两点,且圆心在第一象限,△ABC为直角三角形,则圆C的方程为( )
A.(x-1)2+(y-1)2=4 B.(x- )2+(y- )2=2
C.(x-1)2+(y-1)2=2 D.(x-1)2+(y-2)2=5
随堂练
C
4.已知点P(1,-1)在圆(x+2)2+y2=m的外部,则实数m的取值范围是 .
5.圆(x+2)2+y2=5关于原点O(0,0)对称的圆的方程为 .
随堂练
(0,10)
(x-2)2+y2=5
课本练习
课本练习
课本练习
课本练习
已知某圆圆心C在x轴上,半径为10,且在y轴上截得的线段AB的长为16,则圆的标准方程为________.
易错警示 求圆的标准方程
错因分析
(x+6)2+y2=100
错解分析:错误的根本原因是借助图形辅助求解时漏掉一解,以及对圆的标准方程的结构形式特点掌握不准确导致错误.
错因分析
错因分析
防范措施:
1.突出图形的作用
图形可以帮助我们直观地分析题意,能有效地避免漏解,提高解题的准确性.如本题通过图形能准确地判定出圆心在y轴左右两侧这两种情形,忽略此点易造成漏解.
2.准确认识圆的标准方程的结构特点
圆的标准方程的结构特点是:等号左边是平方和的形式,右边是半径的平方而非半径.
如本题中若不注意此点则易出现类似(x±6)2+y2=10的失误.
错因分析
分层练习-基础
1.以两点A(-3,-1)和B(5,5)为直径端点的圆的方程是( )
A.(x-1)2+(y-2)2=25 B.(x+1)2+(y+2)2=25
C.(x+1)2+(y+2)2=100 D.(x-1)2+(y-2)2=100
A
D
46
分层练习-基础
3.点P(m,5)与圆x2+y2=24的位置关系是( )
A.在圆外 B.在圆内
C.在圆上 D.不确定
A
A
47
分层练习-基础
5.一圆与圆C:(x+2)2+(y+1)2=3为同心圆且面积为圆C面积的两倍,此圆的标准方程为________.
8.过三点A(1,3),B(4,2),C(1,-7)的圆交y轴于M,N两点,则|MN|=________.
(x+2)2+(y+1)2=6
(x+1)2+y2=2
或(x+3)2+y2=2
(x-2)2+y2=9
48
分层练习-基础
9.已知A(0,1),B(2,1),C(3,4),D(-1,2),问这四点能否在同一个圆上?为什么?
49
10.已知圆N的标准方程为(x-5)2+(y-6)2=a2(a>0).
(1)若点M(6,9)在圆上,求a的值;
(2)已知点P(3,3)和点Q(5,3),线段PQ(不含端点)与圆N有且只有一个公共点,求a的取值范围.
分层练习-基础
50
12.(多选)瑞士数学家欧拉(Leonhard Euler)1765年在其所著的《三角形的几何学》一书中提出:任意三角形的外心、重心、垂心在同一条直线上,后人称这条直线为欧拉线.已知△ABC的顶点A(-4,0),B(0,4),其欧拉线方程为x-y+2=0,则顶点C的坐标可以是( )
A.(2,0) B.(0,2)
C.(-2,0) D.(0,-2)
分层练习-巩固
B
AD
51
13.已知点A(1,2)不在圆C:(x-a)2+(y+a)2=2a2的内部,则实数a的取值范围为________.
分层练习-巩固
(x+1)2+y2=20
或(x-5)2+(y-2)2=20
52
分层练习-巩固
15.已知以点C为圆心的圆经过点A(-1,0)和B(3,4),且圆心在直线x+3y-15=0上.
(1)求圆C的方程;
(2)设点P在圆C上,求△PAB的面积的最大值
53
16.如图,矩形ABCD的两条对角线相交于点M(2,0),AB边所在直线的方程为x-3y-6=0,点T(-1,1)在AD边所在的直线上.
(1)求AD边所在直线的方程;
(2)求矩形ABCD外接圆的方程.
分层练习-巩固
16.如图,矩形ABCD的两条对角线相交于点M(2,0),AB边所在直线的方程为x-3y-6=0,点T(-1,1)在AD边所在的直线上.
(1)求AD边所在直线的方程;
(2)求矩形ABCD外接圆的方程.
分层练习-巩固
分层练习-拓展
分层练习-拓展
分层练习-拓展
课堂小结
圆的标准方程
方程的建立
点与圆的位置关系
圆的方程的求法
点在圆上
点在圆外
点在圆内
待定系数法(代数法)
几何法
写出下列各圆的标准方程.
(1)圆心是(4,-1),且过点(5,2);
(2)圆心是直线x+y-1=0与2x-y+3=0的交点,半径长为eq \f(1,4).
解:(1)设圆的半径为r(r>0),
则r2=(5-4)2+(2+1)2=10,
故圆的标准方程是(x-4)2+(y+1)2=10.
(2)圆心是两条直线的交点,
解方程组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+y-1=0,,2x-y+3=0))得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=-\f(2,3),,y=\f(5,3),))
所以圆心为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2,3),\f(5,3))).
又因为半径长为eq \f(1,4),
所以圆的标准方程为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(2,3)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(5,3)))2=eq \f(1,16).
解:(1)由已知得到圆的半径为
|PC|=eq \r(x0-42+x0-22)=eq \r(2x0-32+2),
所以圆的方程为(x-x0)2+(y-x0)2=2(x0-3)2+2.
(2)⊙C的面积为π[2(x0-3)2+2],
要使圆面积最小,只要x0=3,
此时圆的一般方程为(x-3)2+(y-3)2=2.
【解析】由于圆心在x轴上,故可设圆心坐标为(a,0),
设圆的方程为(x-a)2+y2=r2,
因为圆经过A,B两点,可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-1-a2+32=r2,,4-a2+22=r2,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=1,,r2=13.))
故所求圆的方程为(x-1)2+y2=13.
解:由于圆心在y轴上,故可设圆心为(0,b),
设圆的方程为x2+(y-b)2=r2,
因为圆经过A(-1,3),B(4,2)两点,
可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-12+3-b2=r2,,42+2-b2=r2,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(b=-5,,r2=65.))
故所求圆的方程为x2+(y+5)2=65.
解:设圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,
由于该圆经过三点A(-1,3),B(4,2),C(1,-1),
可得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(-1-a2+3-b2=r2,,4-a2+2-b2=r2,,1-a2+-1-b2=r2,))
解得a=eq \f(4,3),b=eq \f(5,3),r2=eq \f(65,9).
故圆的方程为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(4,3)))2+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(5,3)))2=eq \f(65,9).
解:设圆心为(a,b),半径为r,
由题意得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a+b-2=0,,a-12+b+12=a+12+b-12,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=1,,b=1,))r=eq \r(1-12+1+12)=2.
所以圆的标准方程为(x-1)2+(y-1)2=4.
解:(1)设圆心C(a,b),半径长为r,
则由C为P1P2的中点,
得a=eq \f(4+6,2)=5,b=eq \f(9+3,2)=6.
又由两点间的距离公式得r=|CP1|=eq \r(4-52+9-62)=eq \r(10),
故所求圆的方程为(x-5)2+(y-6)2=10.
(2)由(1)知,圆心C(5,6),则分别计算点到圆心的距离
|CM|=eq \r(6-52+9-62)=eq \r(10),
|CN|=eq \r(3-52+3-62)=eq \r(13)>eq \r(10),
|CQ|=eq \r(5-52+3-62)=3<eq \r(10).
因此,点M在圆上,点N在圆外,点Q在圆内.
错解:由题意可知|AC|=r=10,|AB|=16,
所以|AO|=8.如图,
在Rt△AOC中,|OC|=eq \r(|AC|2-|AO|2)=eq \r(102-82)=6.
所以圆心坐标为(6,0),故所求圆的标准方程为
(x-6)2+y2=102,即(x-6)2+y2=100.
正解:由题意可知|AC|=r=10,|AB|=16,
所以|AO|=8.如图,有两种情况:
在Rt△AOC中,|OC|=eq \r(|AC|2-|AO|2)=eq \r(102-82)=6.
所以当圆心坐标为(6,0),所求圆的标准方程为
(x-6)2+y2=100,当圆心坐标为(-6,0),
圆的标准方程为(x+6)2+y2=100.
2.点(2a,a-1)在圆x2+(y-1)2=5的内部,则a的取值范围是( )
A.-1<a<1 B.0<a<1
C.-1<a< D.-<a<1
4.圆心在x+y=0上,且与x轴交于点A(-3,0)和B(1,0)的圆的方程为( )
A.(x+1)2+(y-1)2=5
B.(x-1)2+(y+1)2=
C.(x-1)2+(y+1)2=5
D.(x+1)2+(y-1)2=
7.已知圆C的圆心在x轴的正半轴上,点M(0,)在圆C上,且圆心到直线2x-y=0的距离为,则圆C的方程为________.
4
6.圆心在x轴上,半径长为,且过点(-2,1)的圆的方程为____________.
解:设经过A,B,C三点的圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2.
则解得
所以经过A,B,C三点的圆的标准方程是
(x-1)2+(y-3)2=5.
把点D的坐标(-1,2)代入上面方程的左边,
得(-1-1)2+(2-3)2=5.
所以点D在经过A,B,C三点的圆上.
所以A,B,C,D四点在同一个圆上,
圆的方程为(x-1)2+(y-3)2=5.
解:(1)因为点M在圆上,
所以(6-5)2+(9-6)2=a2.
又由a>0,可得a=.
(2)由两点间距离公式可得
|PN|==,
|QN|==3,
因为线段PQ(不含端点)与圆有且只有一个公共点,
即P,Q两点一个在圆内,另一个在圆外.
由于3<,所以3<a<,
故a的取值范围是(3,).
11.已知实数x,y满足(x+5)2+(y-12)2=25,那么的最小值为( )
A.5 B.8
C.13 D.18
∪(0,+∞)
14.已知圆C经过点A(1,4),B(3,-2),圆心C到直线AB的距离为,则圆C的方程为____________.
(2)|AB|==4,
圆心到AB的距离为d=4,
因为点P到AB距离的最大值为d+r=4+2,
所以△PAB面积的最大值为
×4×(4+2)=16+8.
解:(1)根据题意,所求圆的圆心C为AB的垂直平分线和直线x+3y-15=0的交点.
因为AB中点为(1,2),斜率为1,
所以AB的垂直平分线方程为y-2=-(x-1),
即y=-x+3.
联立解得
即圆心C(-3,6),
半径r==2,
所以所求圆C的方程为(x+3)2+(y-6)2=40.
解:(1)因为AB边所在直线的方程为x-3y-6=0,
且AD与AB垂直,所以直线AD的斜率为-3.
又因为点T(-1,1)在直线AD上,
所以AD边所在直线的方程为y-1=-3(x+1),即3x+y+2=0.
(2)由得点A的坐标为(0,-2).
因为矩形ABCD两条对角线的交点为M(2,0),
所以M为矩形ABCD外接圆的圆心.
又|AM|==2,
从而矩形ABCD外接圆的方程为(x-2)2+y2=8.
1.已知A(0,1),B(2,1),C(3,4),D(-1,2),问这四点能否在同一个圆上?为什么?
解:设经过A,B,C三点的圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2.
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a2+1-b2=r2,,2-a2+1-b2=r2,,3-a2+4-b2=r2,))
解此方程组,得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=1,,b=3,,r2=5.))
故经过A,B,C三点的圆的标准方程是(x-1)2+(y-3)2=5.
把点D的坐标(-1,2)代入上面方程的左边,得(-1-1)2+
(2-3)2=5.
于是点D在经过A,B,C三点的圆上,故A,B,C,D四点在同一个圆上,这个圆的方程为(x-1)2+(y-3)2=5.
2.赵州桥位于我国河北省, 是我国现存最早、
保存最好的巨大石拱桥.如图所示,赵州桥
是一座空腹式的圆弧形石拱桥,利用解析几
何的方法,用赵州桥的跨度a和圆拱高b表示出赵州桥圆弧
所在圆的半径.
解:作出示意图如图所示,其中AB表示跨度,O为AB中点,OC为圆拱高.以O为原点,AB所在直线为x轴建立平面直角坐标系,根据已知条件有Beq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,2),0)),C(0,b).
可以看出,圆弧所在圆的圆心在y轴的负半轴上,因此可设圆心的坐标为(0,t),半径为r,因为B,C都在圆上,
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,2)))2+t2=r2,,b-t2=r2,))解得r=eq \f(4b2+a2,8b).
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