内容正文:
第八章 解析几何
第3课时 圆的方程
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第3课时 圆的方程
1.圆的定义及方程
提醒:当D2+E2-4F=0时,方程x2+y2+Dx+Ey+F=0表示一个点;当D2+E2-4F<0时,方程x2+y2+Dx+Ey+F=0没有意义,不表示任何图形.
定义 平面上到____的距离等于____的点的集合(轨迹)
标准方程 _______________________ 圆心______,半径r
一般方程 x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0) 圆心,
半径
定点
定长
(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)
(a,b)
2.点与圆的位置关系
点M(x0,y0)与圆(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)的位置关系:
(1)若M(x0,y0)在圆外,则__________________________.
(2)若M(x0,y0)在圆上,则__________________________.
(3)若M(x0,y0)在圆内,则__________________________.
[常用结论]
1.圆的三个性质
(1)圆心在过切点且垂直于切线的直线上;
(2)圆心在任一弦的中垂线上;
(3)两圆相切时,切点与两圆心三点共线.
2.以A(x1,y1),B(x2,y2)为直径端点的圆的方程为(x-x1)(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.
(x0-a)2+(y0-b)2>r2
(x0-a)2+(y0-b)2=r2
(x0-a)2+(y0-b)2<r2
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第3课时 圆的方程
一、易错易混辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)确定圆的几何要素是圆心与半径. ( )
(2)方程(x+a)2+(y+b)2=t2(t∈R)表示圆心为(a,b),半径为t的一个圆. ( )
(3)方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0表示圆的充要条件是A=C≠0,B=0,D2+E2-4AF>0. ( )
(4)若点M(x0,y0)在圆x2+y2+Dx+Ey+F=0外,则+Dx0+Ey0+F>0. ( )
√
×
√
√
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第3课时 圆的方程
二、教材经典衍生
1.(人教A版选择性必修第一册P85练习T3改编)已知点A(1,-1),B(-1,1),则以线段AB为直径的圆的方程是( )
A.x2+y2=2 B.x2+y2=
C.x2+y2=1 D.x2+y2=4
A [法一:AB的中点坐标为(0,0),
|AB|==2,所以圆的方程为x2+y2=2.
法二(应用常用结论):以AB为直径的圆的方程为(x-1)·(x+1)+(y+1)(y-1)=0,即x2+y2=2.]
√
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第3课时 圆的方程
√
2.(人教A版选择性必修第一册P84例3改编)过点A(1,-1),B(-1,1),且圆心在直线x+y-2=0上的圆的方程是( )
A.(x-3)2+(y+1)2=4 B.(x+3)2+(y-1)2=4
C.(x-1)2+(y-1)2=4 D.(x+1)2+(y+1)2=4
C [法一:设圆心C的坐标为(a,b),半径为r.因为圆心C在直线x+y-2=0上,所以b=2-a.又|CA|2=|CB|2,所以(a-1)2+(2-a+1)2=(a+1)2+(2-a-1)2,所以a=1,b=1.所以r=2.所以方程为(x-1)2+(y-1)2=4.
法二:由已知条件得AB的垂直平分线方程l1:y=x,
由解得∴圆心坐标为(1,1),
∴r2=(1-1)2+[1-(-1)]2=4,∴圆的方程为(x-1)2+(y-1)2=4.]
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第3课时 圆的方程
√
3.(人教A版选择性必修第一册P88练习T2改编)若点P(1,1)在圆C:x2+y2+x-y+k=0的外部,则实数k的取值范围是( )
A.(-2,+∞) B. C. D.(-2,2)
C [由题意得解得-2<k<,故选C.]
4.(人教A版选择性必修第一册P86例4改编)在平面直角坐标系中,经过三点(0,0),(1,1),(2,0)的圆的方程为____________________.
x2+y2-2x=0 [设圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0.∵圆经过点(0,0),(1,1),(2,0),∴ 解得
∴圆的方程为x2+y2-2x=0.]
x2+y2-2x=0
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第3课时 圆的方程
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第3课时 圆的方程
考点一 圆的方程
[典例1] (1)(多选)(2023·辽宁葫芦岛二模)过四点(0,0),(4,0),(-1,1),(4,2)中的三点的圆的方程为( )
A.(x-2)2+(y-1)2=5
B.(x-2)2+(y-3)2=13
C.+=22
D.+(y-1)2=
(2)(2022·全国甲卷)设点M在直线2x+y-1=0上,点(3,0)和(0,1)
均在⊙M上,则⊙M的方程为_____________________.
√
√
(x-1)2+(y+1)2=5
(1)AB (2)(x-1)2+(y+1)2=5 [(1)对于A,点(0,0),(4,0),(4,2)在圆(x-2)2+(y-1)2=5上,故A正确;
对于B,点(0,0),(4,0),(-1,1)在圆(x-2)2+(y-3)2=13上,故B正确;
对于C,点(0,0),(-1,1)都不在圆+=22上,故C错误;
对于D,点(4,0),(-1,1)都不在圆+(y-1)2=上,故D错误.故选AB.
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(2)法一(三点共圆):
∵点M在直线2x+y-1=0上,∴设点M为(a,1-2a),又因为点(3,0)和(0,1)均在⊙M上,∴点M到两点的距离相等且为半径R,
∴==R,
a2-6a+9+4a2-4a+1=5a2,解得a=1,
∴M(1,-1),R=,
⊙M的方程为(x-1)2+(y+1)2=5.
法二(圆的几何性质):
由题意可知,M是以(3,0)和(0,1)为端点的线段的垂直平分线y=3x-4与直线2x+y-1=0的交点(1,-1).又圆的半径R=,所以⊙M的方程为(x-1)2+(y+1)2=5.]
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第3课时 圆的方程
名师点评 求圆的方程的两种方法
(1)几何法:根据圆的几何性质,直接求出圆心坐标和半径,进而写出方程.
(2)待定系数法:①若已知条件与圆心(a,b)和半径r有关,则设圆的标准方程,求出a,b,r的值;②选择圆的一般方程,依据已知条件列出关于D,E,F的方程组,进而求出D,E,F的值.
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第3课时 圆的方程
[跟进训练]
1.(1)若一圆的圆心坐标为(2,-3),一条直径的端点分别在x轴和y轴上,则此圆的方程是( )
A.(x-2)2+(y+3)2=13
B.(x+2)2+(y-3)2=13
C.(x-2)2+(y+3)2=52
D.(x+2)2+(y-3)2=52
(2)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)
5
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第3课时 圆的方程
(1)A (2)(-2,-4) 5 [(1)易得该直径两端点的坐标分别为(4,0),(0,-6),可得直径长为2,则半径长为,所以所求圆的方程是(x-2)2+(y+3)2=13.
(2)由已知方程表示圆,得a2=a+2,
解得a=2或a=-1.
当a=2时,原方程不满足表示圆的条件,故舍去.
当a=-1时,原方程为x2+y2+4x+8y-5=0,
化为标准方程为(x+2)2+(y+4)2=25,
表示以(-2,-4)为圆心,半径为5的圆.]
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第3课时 圆的方程
【教师备选资源】
1.(多选)设有一组圆Ck:(x-k)2+(y-k)2=4(k∈R),下列命题正确的是( )
A.不论k如何变化,圆心C始终在一条直线上
B.所有圆Ck均不经过点(3,0)
C.经过点(2,2)的圆Ck有且只有一个
D.所有圆的面积均为4π
ABD [圆心坐标为(k,k),在直线y=x上,A正确;
令(3-k)2+(0-k)2=4,化简得2k2-6k+5=0,∵Δ=36-40=-4<0,∴2k2-6k+5=0无实数根,∴B正确;
由(2-k)2+(2-k)2=4,化简得k2-4k+2=0,∵Δ=16-8=8>0,∴此方程有两个不相等实根,∴经过点(2,2)的圆Ck有两个,C错误;
由圆的半径为2,得圆的面积为4π,D正确.故选ABD.]
√
√
√
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第3课时 圆的方程
2.如图,点A(0,8),B(0,2),那么在x轴正半轴上存在点C,使
得∠ACB最大,这就是著名的米勒问题.那么当∠ACB取得最大
时,△ABC外接圆的标准方程是 ____________________.
(x-4)2+(y-5)2=25 [因为点A,B是y轴正半轴上的两个定点,点C是x轴正半轴上的一个动点,根据米勒定理及圆的几何性质可知,当△ABC的外接圆与x轴相切时,∠ACB最大.由垂径定理可知,弦AB的垂直平分线必过△ABC外接圆的圆心,所以弦AB的中点G的纵坐标,即为△ABC外接圆半径的大小,即r=5,依题意,设△ABC的外接圆圆心为(a,5),a>0,可得△ABC的外接圆的方程为(x-a)2+(y-5)2=25,把点A(0,8)代入圆的方程,求得a=4(负值舍去),所以△ABC的外接圆的方程为(x-4)2+(y-5)2=25.]
(x-4)2+(y-5)2=25
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第3课时 圆的方程
考点二 与圆有关的最值问题
考向1 斜率型、截距型、距离型最值问题
[典例2] 已知实数x,y满足方程x2+y2-4x+1=0.求:
(1)的最大值和最小值;
(2)y-x的最大值和最小值;
(3)x2+y2的最大值和最小值.
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第3课时 圆的方程
[解] 原方程可化为(x-2)2+y2=3,表示以(2,0)为圆心,为半径的圆.
(1)的几何意义是圆上一点与原点连线的斜率,所以设=k,即y=kx.
当直线y=kx与圆相切时,斜率k取最大值或最小值(如图1),
此时=,解得k=±.
所以的最大值为,最小值为-.
(2)y-x可看作是直线y=x+b在y轴上的截距,当直线y=x+b与圆相切时,纵截距b取得最大值或最小值(如图2),此时=,解得b=-2±.
所以y-x的最大值为-2+,最小值为-2-.
(3)x2+y2表示圆上的一点与原点距离的平方,由平面几何知识知,x2+y2在原点和圆心连线与圆的两个交点处取得最大值和最小值(如图3).
又圆心到原点的距离为=2,
所以x2+y2的最大值是(2+)2=7+4,最小值是(2-)2=7-4.
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考向2 建立函数关系求最值
[典例3] 设点P(x,y)是圆:x2+(y-3)2=1上的动点,定点A(2,0),B(-2,0),则的最大值为________.
12 [法一:由题意,知=(2-x,-y),=(-2-x,-y),所以=x2+y2-4,由于点P(x,y)是圆上的点,故其坐标满足方程x2+(y-3)2=1,故x2=-(y-3)2+1,所以=-(y-3)2+1+y2-4=6y-12.由圆的方程x2+(y-3)2=1,易知2≤y≤4,所以当y=4时,的值最大,最大值为6×4-12=12.
法二:由向量的极化恒等式,得=-=-4,
由于点P在圆:x2+(y-3)2=1上,则当点P坐标为(0,4)时,
取得最大值16,∴的最大值为16-4=12.]
12
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考向3 利用对称性求最值
[典例4] 已知M,N分别是曲线C1:x2+y2-4x-4y+7=0,C2:x2+y2-2x=0上的两个动点,P为直线x+y+1=0上的一个动点,则|PM|+|PN|的最小值为( )
A. B. C.2 D.3
D [曲线C1:x2+y2-4x-4y+7=0是以C1(2,2)为圆心,半径为1的圆, C2:x2+y2-2x=0是以C2(1,0)为圆心,半径为1的圆.由圆的对称性可得|PM|的最小值为|PC1|-1,|PN|的最小值为|PC2|-1.
过C2作直线x+y+1=0的对称点B,设坐标为(m,n),
可得=1,+1=0,
解得m=-1,n=-2,即B(-1,-2).
连接BC1,交直线于点P,连接PC2,可得|PC1|+|PC2|=|PC1|+|PB|≥|BC1|==5.当且仅当B,P,C1三点共线可得|PC1|+|PC2|的最小值为5,则|PM|+|PN|的最小值为5-2=3.故选D.]
√
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第3课时 圆的方程
名师点评
1.与圆有关的最值问题的三种几何转化法
(1)斜率型:形如μ=形式的最值问题可转化为动直线斜率的最值问题.
(2)截距型:形如t=ax+by形式的最值问题可转化为动直线截距的最值问题.
(3)距离型:形如m=(x-a)2+(y-b)2形式的最值问题可转化为动点到定点的距离的平方的最值问题.
2.建立函数关系式求最值问题的解题策略
根据题目条件列出关于所求目标式子的函数关系式,然后根据关系式的特征选用参数法、配方法、判别式法、单调法等,利用基本不等式求最值.
3.求解形如|PM|+|PN|(其中M,N均为动点)且与圆C有关的折线段的最值问题的基本思路:
(1)“动化定”,把与圆上动点的距离转化为与圆心的距离;(2)“曲化直”,即将折线段之和转化为同一直线上的两线段之和,一般要通过对称性解决.
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[跟进训练]
2.(1)(2023·全国乙卷)已知实数x,y满足x2+y2-4x-2y-4=0,则x-y的最大值是( )
A.1+ B.4 C.1+3 D.7
(2)已知点P(x,y)为圆C:x2+y2-4x+3=0上一点,C为圆心,则(O为坐标原点)的取值范围是( )
A.[-3,1] B.[-1,1]
C.[-1,3] D.[1,3]
(3)(2024·广东惠州模拟)已知圆C1:(x-2)2+(y-3)2=1,圆C2:(x-3)2+(y-4)2=9,M,N分别是圆C1,C2上动点,P是x轴上动点,则|PN|-|PM|的最大值是____________.
√
√
4+
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(1)C (2)C (3)4+ [(1)法一(判别式法):令x-y=k,则x=k+y,
代入原式化简得2y2+(2k-6)y+k2-4k-4=0,
因为存在实数y,则Δ≥0,即(2k-6)2-4×2(k2-4k-4)≥0,
化简得k2-2k-17≤0,解得1-3≤k≤1+3,
故x-y的最大值是3+1.故选C.
法二(换元法):x2+y2-4x-2y-4=0,整理得(x-2)2+(y-1)2=9,
令x=3cos θ+2,y=3sin θ+1,其中θ∈[0,2π],
则x-y=3cos θ-3sin θ+1=3cos +1,
因为θ∈[0,2π],所以θ+∈,则θ+=2π,即θ=时,x-y取得最大值3+1.故选C.
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法三(几何意义):由x2+y2-4x-2y-4=0可得(x-2)2+(y-1)2=9,设x-y=k,则圆心到直线x-y=k的距离d=≤3,解得1-3≤k≤1+3.故选C.
(2)将圆C的方程x2+y2-4x+3=0化为(x-2)2+y2=1,所以圆心C的坐标为(2,0).所以=(2-x,-y),而=(-x,-y),所以=x2+y2-2x.因为x2+y2-4x+3=0,所以x2+y2=4x-3,所以=4x-3-2x=2x-3.因为(x-2)2+y2=1,所以1≤x≤3.因此-1≤2x-3≤3,从而(O为坐标原点)的取值范围为[-1,3].故选C.
(3)由题设,C1(2,3)且半径r1=1,C2(3,4)且半径r2=3,所以|C1C2|==<r2-r1=2,即圆C2包含圆C1.又M,N分别是圆C1,C2上动点,P是x轴上动点,要使|PN|-|PM|的最大,P,M,N,C1,C2共线且M,N在C1,C2的两侧,所以(|PN|-|PM|)max=|C1C2|+r2+r1=4+.]
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【教师备选资源】
(2018·全国Ⅲ卷)直线x+y+2=0分别与x轴、y轴交于A,B两点,点P在圆(x-2)2+y2=2上,则△ABP面积的取值范围是( )
A.[2,6] B.[4,8]
C.[,3] D.[2,3]
√
A [圆心(2,0)到直线的距离d==2,所以点P到直线的距离d1∈[,3].根据直线的方程可知A,B两点的坐标分别为A(-2,0),B(0,-2),所以|AB|=2,所以△ABP的面积S=|AB|d1=d1.因为d1∈[,3],所以S∈[2,6],即△ABP面积的取值范围是[2,6].]
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考点三 与圆有关的轨迹问题
[典例5] 已知直角三角形ABC的斜边为AB,且A(-1,0),B(3,0).求:
(1)直角顶点C的轨迹方程;
(2)直角边BC的中点M的轨迹方程.
[解] (1)法一(直接法):设C(x,y),因为A,B,C三点不共线,所以y≠0.
因为AC⊥BC,所以kAC·kBC=-1.
又kAC=,kBC=,
所以=-1,化简得x2+y2-2x-3=0.
因此,直角顶点C的轨迹方程为x2+y2-2x-3=0(y≠0).
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第3课时 圆的方程
法二(定义法):设AB的中点为D,由中点坐标公式得D(1,0),由直角三角形的性质知|CD|=|AB|=2.由圆的定义知,动点C的轨迹是以D(1,0)为圆心,2为半径的圆(由于A,B,C三点不共线,所以应除去与x轴的交点).
所以直角顶点C的轨迹方程为(x-1)2+y2=4(y≠0).
(2)(相关点法)设M(x,y),C(x0,y0),因为B(3,0),M是线段BC的中点,由中点坐标公式得x=,y=,所以x0=2x-3,y0=2y.由(1)知,点C的轨迹方程为(x-1)2+y2=4(y≠0),将x0=2x-3,y0=2y代入得(2x-4)2+(2y)2=4,即(x-2)2+y2=1.因此动点M的轨迹方程为(x-2)2+y2=1(y≠0).
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名师点评 求与圆有关的轨迹问题的四种方法
(1)直接法:直接根据题设给定的条件列出方程求解.
(2)定义法:根据圆的定义列方程求解.
(3)几何法:利用圆的几何性质得出方程求解.
(4)代入法(相关点法):找出要求的点与已知点的关系,代入已知点满足的关系式求解.
提醒:注意特殊点的取舍.
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[跟进训练]
3.如图所示,两根杆分别绕着定点A和B(AB=2a)在平面内转
动,并且转动时两杆保持互相垂直,求杆的交点P的轨迹方程.
[解] 如图,以AB所在直线为x轴,以线段AB的垂直平分线为y轴,建立平面直角坐标系,则A(-a,0),B(a,0).
设P(x,y),因为PA⊥PB,所以=-1(x≠±a).
化简得x2+y2=a2(x≠±a).
当x=±a时,点P与A或B重合,此时y=0,满足上式.故点P的轨迹方程是x2+y2=a2.
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拓展视野2 阿波罗尼斯圆
如图,点A,B为两定点,动点P满足|PA|=λ|PB|.
当λ=1时,动点P的轨迹为直线;当λ>0且λ≠1时,动点P的轨
迹为圆,后世称之为阿波罗尼斯圆.
证明:设|AB|=2m(m>0),|PA|=λ|PB|,以AB的中点为原点,直线AB为x轴建立平面直角坐标系(图略),则A(-m,0),B(m,0).
又设P(x,y),则由|PA|=λ|PB|得=λ,
两边平方并化简整理得(λ2-1)x2-2m(λ2+1)x+(λ2-1)y2=m2(1-λ2).
当λ=1时,x=0,轨迹为线段AB的垂直平分线;
当λ>0且λ≠1时,+y2=,轨迹为以点为圆心,为半径的圆.
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第3课时 圆的方程
[典例] (1)(多选)(2024·海南中学模拟)已知在平面直角坐标系Oxy中,A(-2,0),B(4,0).点P满足=,设点P所构成的曲线为C,下列结论正确的是( )
A.C的方程为(x+4)2+y2=16
B.在C上存在点D,使得D到点(1,1)的距离为10
C.在C上存在点M,使得=2
D.C上的点到直线3x-4y-13=0的最大距离为9
(2)在平面直角坐标系Oxy中,设点A(1,0),B(3,0),C(0,a),D(0,a+2),若存在点P,使得|PA|=|PB|,|PC|=|PD|,则实数a的取值范围是______________________.
√
√
[-2-1,2-1]
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(1)AD (2)[-2-1,2-1] [(1)由题意可设点P(x,y),由A(-2,0),B(4,0),=,得=,化简得x2+y2+8x=0,即(x+4)2+y2=16,A正确;
点(1,1)到圆上的点的最大距离为+4<10,故不存在点D符合题意,B错误;
设M(x0,y0),由=2,得=,又=16,联立方程消去y0得x0=2,解得y0无解,C错误;
C的圆心(-4,0)到直线3x-4y-13=0的距离为d==5,且曲线C的半径为4,则C上的点到直线3x-4y-13=0的最大距离为d+r=5+4=9,D正确.故选AD.
链接教材 夯基固本
典例精研 核心考点
课时分层作业
第3课时 圆的方程
(2)设P(x,y),则=,
整理得(x-5)2+y2=8,即动点P在以(5,0)为圆心,2为半径的圆上运动.另一方面,由|PC|=|PD|知动点P在线段CD的垂直平分线y=a+1上运动,因而问题就转化为直线y=a+1与圆(x-5)2+y2=8有交点.所以|a+1|≤2.故实数a的取值范围是[-2-1,2-1].]
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