内容正文:
第一章 直线与圆
§2 圆与圆的方程
2.2 圆的一般方程
(教师独具内容)
课程标准:回顾确定圆的几何要素,在平面直角坐标系中,探索并掌握圆的一般方程.
教学重点:圆的一般方程的探求过程及其特点.
教学难点:根据具体条件,选用圆的一般方程解决有关问题.
核心素养:通过推导圆的一般方程并运用方程解决问题,进一步提升数学抽象及数学运算素养.
核心概念掌握
核心素养形成
随堂水平达标
目录
课后课时精练
核心概念掌握
D2+E2-4F>0
D2+E2-4F<0
核心概念掌握
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A=B≠0
C=0
核心概念掌握
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由圆的一般方程判断点与圆的位置关系
已知点P(x0,y0)和圆的方程x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0),则其位置关系如下表:
核心概念掌握
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1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)方程2x2+y2-7y+5=0表示圆.( )
(2)方程x2-xy+y2+6x+7y=0表示圆.( )
(3)方程x2+y2+2x+1=0表示圆.( )
(4)方程3x2+3y2+3ax-3ay=0(a≠0)表示圆.( )
答案
×
×
×
√
核心概念掌握
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2.做一做
(1)圆x2+y2-4x+6y=0的圆心坐标是________.
(2)过O(0,0),A(3,0),B(0,4)三点的圆的一般方程为__________________.
(3)方程x2+y2+4x-2y+5m=0表示圆的条件是________.
(4)若直线3x+y+a=0经过圆x2+y2+2x-4y=0的圆心,则实数a的值为____.
答案
(2,-3)
x2+y2-3x-4y=0
m<1
1
核心概念掌握
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核心素养形成
题型一 圆的一般方程的定义
若方程x2+y2+2mx-2y+m2+5m=0表示圆,求:
(1)实数m的取值范围;
(2)圆心坐标和半径.
解
核心素养形成
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核心素养形成
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[跟踪训练1] 下列方程各表示什么图形?若表示圆,求出其圆心和半径.
(1)x2+y2+x+1=0;
(2)x2+y2+2ax+a2=0(a≠0);
(3)2x2+2y2+2ax-2ay=0(a≠0).
解
解 (1)∵D=1,E=0,F=1,
∴D2+E2-4F=1-4=-3<0,
∴方程(1)不表示任何图形.
核心素养形成
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解
核心素养形成
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解
题型二 求圆的一般方程
已知Rt△ABC的顶点A(8,5),直角顶点为B(3,8),顶点C在y轴上,求:
(1)顶点C的坐标;
(2)Rt△ABC外接圆的一般方程.
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解
核心素养形成
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解
核心素养形成
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感悟提升 应用待定系数法求圆的方程的选择
(1)如果由已知条件容易求得圆心坐标、半径或需利用圆心的坐标或半径列方程,一般采用圆的标准方程,再用待定系数法求出a,b,r.
(2)如果已知条件与圆心和半径都无直接关系,一般采用圆的一般方程,再用待定系数法求出D,E,F.
核心素养形成
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解
[跟踪训练2] 根据下列条件求圆的一般方程.
(1)已知A(-1,5),B(-2,-2),C(5,5),求△ABC外接圆的一般方程;
(2)已知圆C的圆心在直线x-2y=1上,且经过原点和A(2,1),求圆C的一般方程.
核心素养形成
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解
核心素养形成
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随堂水平达标
1.如果圆的方程为x2+y2+kx+2y+k2=0,且圆的面积为π,则圆心坐标为( )
A.(0,-1) B.(1,-1)
C.(-1,-1) D.(0,1)
答案
解析
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2.(多选)已知圆的方程是x2+y2-2x+6y+8=0,那么经过圆心的直线的方程是( )
A.4x-y+1=0 B.2x+y+1=0
C.4x+y-1=0 D.2x+y-1=0
解析 圆x2+y2-2x+6y+8=0,即(x-1)2+(y+3)2=2,圆心坐标为(1,-3),经检验B,C中直线过圆心.
答案
解析
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答案
解析
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答案
解析
4.已知a∈R,方程a2x2+(a+2)y2+4x+8y+5a=0表示圆,则圆心坐标是______________,半径是____.
(-2,-4)
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5.在平面直角坐标系中,已知△ABC的三个顶点分别为A(-3,0),B(2,0),C(0,-4),经过这三个点的圆记为M.
(1)求BC边的中线AD所在直线方程的一般式;
(2)求圆M的一般方程.
解
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解
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课后课时精练
一、选择题
1.方程2x2+2y2+4x+6y=1表示的几何图形是( )
A.圆 B.直线
C.点 D.以上都不对
答案
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2.若圆x2+y2+Dx+Ey+F=0的圆心在y轴上且过原点,则( )
A.D=0,E=0,F≠0 B.F=0,D≠0,E≠0
C.D=0,F=0,E≠0 D.E=0,F=0,D≠0
答案
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4.方程x2+y2+ax-2ay+2a2+3a=0表示的图形是半径为r(r>0)的圆,则该圆的圆心位于( )
A.第一象限 B.第二象限
C.第三象限 D.第四象限
答案
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5.当方程x2+y2+kx+2y+k2=0所表示的圆的面积最大时,直线y=(k-1)x+2的倾斜角α=( )
A.135° B.45°
C.120° D.90°
答案
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答案
7.已知圆x2+y2+2x-4y+a=0关于直线y=2x+b对称,则a-b的取值范围是________.
(-∞,1)
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答案
8.已知圆C:x2+y2-4x-4y=0与x轴交于A,B两点,则弦AB的长度为____,弦AB所对的圆心角为_____.
4
90°
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解
三、解答题
9.已知圆C:x2+y2-4x-14y+45=0及点Q(-2,3).
(1)若点P(m,m+1)在圆C上,求线段PQ的长及直线PQ的斜率;
(2)若P为圆C上任意一点,求|PQ|的最大值和最小值.
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解 设圆的一般方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0).
令y=0,得x2+Dx+F=0,
所以圆在x轴上的截距之和为x1+x2=-D.
令x=0,得y2+Ey+F=0,
所以圆在y轴上的截距之和为y1+y2=-E.
解
10.求经过A(4,2),B(-1,3)两点,且在两坐标轴上的四个截距之和为2的圆的一般方程.
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解
由题设,知x1+x2+y1+y2=-(D+E)=2,
所以D+E=-2.①
又A(4,2),B(-1,3)两点在圆上,
所以16+4+4D+2E+F=0,②
1+9-D+3E+F=0,③
由①②③,解得D=-2,E=0,F=-12,
故所求圆的一般方程为x2+y2-2x-12=0.
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2.已知方程x2+y2-2(t+3)x+2(1-4t2)y+16t4+9=0(t∈R)表示的图形是圆.
(1)求t的取值范围;
(2)求其中面积最大的圆的方程;
(3)若点P(3,4t2)恒在所给圆内,求t的取值范围.
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R
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(D,2),-\f(E,2)))
知识点 圆的一般方程
(1)圆的一般方程的定义
①当eq \x(\s\up1(01))__________________时,方程x2+y2+Dx+Ey+F=0称为圆的一般方程,其圆心为eq \x(\s\up1(02))_______________,半径为eq \x(\s\up1(03))_______________;
②当D2+E2-4F=0时,方程x2+y2+Dx+Ey+F=0表示点eq \x(\s\up1(04))____________;
③当eq \x(\s\up1(05))_______________时,方程x2+y2+Dx+Ey+F=0不表示任何图形.
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(D,2),-\f(E,2)))
eq \f(1,2)
eq \r(D2+E2-4F)
(2)对于二元二次方程Ax2+Cxy+By2+Dx+Ey+F=0而言,圆的一般方程突出了二元二次方程表示圆时,其在代数结构上的典型特征:
①x2,y2的系数相同,且不等于0,即eq \x(\s\up1(06))___________;
②不含xy这样的二次项,即eq \x(\s\up1(07))_________.
具备上述两个特征是一般二元二次方程表示圆的必要条件,但不是充分条件.
位置关系
代数关系
点P在圆外
xeq \o\al(2,0)+yeq \o\al(2,0)+Dx0+Ey0+F>0
点P在圆上
xeq \o\al(2,0)+yeq \o\al(2,0)+Dx0+Ey0+F=0
点P在圆内
xeq \o\al(2,0)+yeq \o\al(2,0)+Dx0+Ey0+F<0
解 (1)据题意知D2+E2-4F=(2m)2+(-2)2-4(m2+5m)>0,
即4m2+4-4m2-20m>0,解得m<eq \f(1,5),
故实数m的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,\f(1,5))).
(2)将方程x2+y2+2mx-2y+m2+5m=0写成圆的标准方程为(x+m)2+(y-1)2=1-5m,
故圆心坐标为(-m,1),半径r=eq \r(1-5m).
感悟提升 二元二次方程与圆的关系
(1)形如x2+y2+Dx+Ey+F=0的二元二次方程,判定其是否表示圆时可有如下两种方法:①由圆的一般方程的定义判断D2+E2-4F是否为正.若D2+E2-4F>0,则方程表示圆,否则不表示圆;②将方程配方变形成“标准”形式后,根据圆的标准方程的特征,观察是否可以表示圆.
(2)由圆的一般方程x2+y2+Dx+Ey+F=0求圆心和半径的方法:①利用配方法将圆的一般方程化为标准方程,可以非常直观地求出圆心及半径;②运用二元二次方程x2+y2+Dx+Ey+F=0判断是否为圆,如果是,也可以利用公式eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(D,2),-\f(E,2)))写出圆心,利用公式r=eq \f(\r(D2+E2-4F),2)求出半径.
(2)∵D=2a,E=0,F=a2,
∴D2+E2-4F=4a2-4a2=0,
∴方程(2)表示点(-a,0).
(3)两边同除以2,得
x2+y2+ax-ay=0,D=a,E=-a,F=0,
∴D2+E2-4F=2a2>0,
∴方程(3)表示圆,它的圆心为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(a,2),\f(a,2))),
半径r=eq \f(1,2)
eq \r(D2+E2-4F)=eq \f(\r(2),2)|a|.
解 (1)设顶点C(0,m),由题意得
kAB·kBC=-1,
且kAB=eq \f(8-5,3-8)=-eq \f(3,5),
所以kBC=eq \f(m-8,0-3)=eq \f(5,3),
解得m=3,
所以顶点C(0,3).
(2)解法一:设△ABC外接圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
由题意知eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(89+8D+5E+F=0,,73+3D+8E+F=0,,9+3E+F=0,))
解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(D=-8,,E=-8,,F=15.))
所以Rt△ABC外接圆的一般方程为x2+y2-8x-8y+15=0.
解法二:因为Rt△ABC的斜边AC的中点为圆心,边AC为直径,所以圆心坐标为(4,4),
半径为r=eq \r((4-0)2+(4-3)2)=eq \r(17),
所以所求方程为(x-4)2+(y-4)2=17,
即x2+y2-8x-8y+15=0.
解 (1)设△ABC外接圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
由题意知eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(-D+5E+F+26=0,,-2D-2E+F+8=0,,5D+5E+F+50=0,))
解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(D=-4,,E=-2,,F=-20.))
∴△ABC外接圆的一般方程为x2+y2-4x-2y-20=0.
(2)设圆C的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
由题意知eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(F=0,,2D+E+F+5=0,,-\f(D,2)+E=1,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(D=-\f(12,5),,E=-\f(1,5),,F=0,))
∴圆C的一般方程为x2+y2-eq \f(12,5)x-eq \f(1,5)y=0.
解析 把圆的方程化为标准方程,得eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(k,2)))
eq \s\up12(2)+(y+1)2=1-eq \f(3,4)k2,r2=1-eq \f(3,4)k2,∴S=πr2=πeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(3,4)k2))=π,∴k=0,∴圆心坐标为(0,-1).
3.由方程x2+y2+x+(m-1)y+eq \f(1,2)m2=0所确定的圆中,最大面积是____.
解析 D=1,E=m-1,F=eq \f(1,2)m2,∵r=eq \f(\r(D2+E2-4F),2),∴4r2=1+(m-1)2-2m2=-(m+1)2+3≤3,∴r2≤eq \f(3,4),∴S=πr2≤eq \f(3π,4),最大面积为eq \f(3π,4).
eq \f(3π,4)
解析 方程a2x2+(a+2)y2+4x+8y+5a=0表示圆,则a2=a+2,故a=-1或2.当a=2时,方程为4x2+4y2+4x+8y+10=0,即x2+y2+x+2y+eq \f(5,2)=0,亦即eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,2)))
eq \s\up12(2)+(y+1)2=-eq \f(5,4),不成立,故舍去;当a=-1时,方程为x2+y2+4x+8y-5=0,即(x+2)2+(y+4)2=25,故圆心坐标为(-2,-4),半径为5.
解 (1)解法一:由B(2,0),C(0,-4),
知BC的中点D的坐标为(1,-2).
又A(-3,0),
所以直线AD的方程为eq \f(y-0,-2-0)=eq \f(x+3,1+3),
即BC边的中线AD所在直线方程的一般式为x+2y+3=0.
解法二:由题意,得|AB|=|AC|=5,
则△ABC是等腰三角形,所以AD⊥BC.
因为直线BC的斜率kBC=2,
所以直线AD的斜率kAD=-eq \f(1,2),
由直线方程的点斜式,得直线AD的方程为y-0=-eq \f(1,2)(x+3),即BC边的中线AD所在直线方程的一般式为x+2y+3=0.
(2)设圆M的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0.
将A(-3,0),B(2,0),C(0,-4)三点的坐标分别代入方程,得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(9-3D+F=0,,4+2D+F=0,,16-4E+F=0,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(D=1,,E=\f(5,2),,F=-6,))
所以圆M的一般方程是x2+y2+x+eq \f(5,2)y-6=0.
解析 方程2x2+2y2+4x+6y=1可化为x2+y2+2x+3y-eq \f(1,2)=0,则D=2,E=3,F=-eq \f(1,2),所以D2+E2-4F=22+32-4×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2)))=15>0,所以方程表示圆.故选A.
解析 由于过原点(0,0),代入圆的方程x2+y2+Dx+Ey+F=0,得F=0.又圆心在y轴上,∴圆心的横坐标为0,即-eq \f(D,2)=0,∴D=0.由D2+E2-4F>0,可得E2>0,∴E≠0.故选C.
3.当a为任意实数时,直线(a-1)x-y+a+1=0过定点C,则以C为圆心,eq \r(5)为半径的圆的方程为( )
A.x2+y2-2x+4y=0
B.x2+y2+2x+4y=0
C.x2+y2+2x-4y=0
D.x2+y2-2x-4y=0
解析 直线(a-1)x-y+a+1=0可化为(-x-y+1)+a(1+x)=0,由eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(-x-y+1=0,,x+1=0,))得C(-1,2).所以圆的方程为(x+1)2+(y-2)2=5,即x2+y2+2x-4y=0.
解析 因为方程x2+y2+ax-2ay+2a2+3a=0表示的图形是半径为r的圆,所以a2+(-2a)2-4(2a2+3a)=-3a2-12a>0,即a(a+4)<0,所以-4<a<0.又该圆的圆心坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(a,2),a)),所以圆心位于第四象限.
解析 圆的半径r=eq \f(\r(k2+4-4k2),2)=eq \f(\r(4-3k2),2)≤1,当圆的半径最大时,圆的面积最大,此时k=0,r=1,∴直线的方程为y=-x+2,则tanα=-1,又0°≤α<180°,∴α=135°.故选A.
二、填空题
6.已知圆C:x2+y2-2ax+2ay+2a2+2a-1=0的圆心到直线l:x-y-1=0的距离为eq \r(1-2a),则a的值为________.
-eq \f(1,2)
解析 ∵圆C:(x-a)2+(y+a)2=1-2a,圆心(a,-a),r=eq \r(1-2a).设圆心到直线l的距离为d,则d=eq \f(|a+a-1|,\r(2))=eq \r(1-2a),解得a=eq \f(1,2)或-eq \f(1,2),又1-2a>0,∴a=-eq \f(1,2).
解析 将圆的方程配方得(x+1)2+(y-2)2=5-a,故圆心坐标为(-1,2),半径为eq \r(5-a).由题意知,直线y=2x+b过圆心(-1,2),∴2=2×(-1)+b,∴b=4.
∵此圆的半径为eq \r(5-a),∴a<5,∴a-b<1.
解析 将圆C的方程化为标准方程,得(x-2)2+(y-2)2=8,令y=0,得x=0或x=4,所以A(0,0),B(4,0),|AB|=4.因为半径为2eq \r(2),所以|CA|=|CB|=2eq \r(2),所以|CA|2+|CB|2=|AB|2,因此弦AB所对的圆心角为90°.
解 (1)由点P在圆C上,得
m2+(m+1)2-4m-14(m+1)+45=0,
解得m=4.
∴点P的坐标为(4,5).
故|PQ|=eq \r((4+2)2+(5-3)2)=2eq \r(10),
kPQ=eq \f(5-3,4+2)=eq \f(1,3).
∴线段PQ的长为2eq \r(10),直线PQ的斜率为eq \f(1,3).
(2)由题意知|PQ|取得最大值和最小值时,P点为过Q与圆心C的直线与圆C的两个交点.
又圆心C(2,7),半径R=2eq \r(2),|QC|=4eq \r(2),
∴|PQ|的最大值为|QC|+R=6eq \r(2),最小值为|QC|-R=2eq \r(2).
1.设△ABC的顶点分别为A(0,a),B(-eq \r(3a),0),C(eq \r(3a),0),其中a>0,圆M为△ABC的外接圆.
(1)求圆M的一般方程;
(2)当a变化时,圆M是否过某一定点,请说明理由.
解 (1)设圆M的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0).
∵圆M过点A(0,a),B(-eq \r(3a),0),C(eq \r(3a),0),
∴eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(a2+aE+F=0,,3a-\r(3a)D+F=0,,3a+\r(3a)D+F=0,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(D=0,,E=3-a,,F=-3a.))
∴圆M的一般方程为x2+y2+(3-a)y-3a=0.
(2)当a变化时,圆M过定点(0,-3).理由如下:
圆M的方程可化为(3+y)a-(x2+y2+3y)=0,
由eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(3+y=0,,x2+y2+3y=0,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x=0,,y=-3.))
∴圆M过定点(0,-3).
解 (1)已知方程可化为(x-t-3)2+(y+1-4t2)2=(t+3)2+(1-4t2)2-16t4-9=-7t2+6t+1,
∴r2=-7t2+6t+1>0,
解得-eq \f(1,7)<t<1.
(2)由(1)知r=eq \r(-7t2+6t+1)
=eq \r(-7\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(t-\f(3,7)))\s\up12(2)+\f(16,7)),
∴当t=eq \f(3,7)∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,7),1))时,rmax=eq \f(4\r(7),7),此时圆的面积最大,所对应的圆的方程是eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(24,7)))eq \s\up12(2)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y+\f(13,49)))eq \s\up12(2)=eq \f(16,7).
(3)当且仅当32+(4t2)2-2(t+3)×3+2(1-4t2)·4t2+16t4+9<0时,点P恒在圆内,
∴8t2-6t<0,
∴0<t<eq \f(3,4).
$$