内容正文:
2.4 圆与圆的位置关系
第一章 §2 圆与圆的方程
知识层面
1.了解圆与圆的位置关系.
2.能根据给定圆的方程,判断圆与圆的位置关系.
3.能用圆与圆的位置关系解决一些简单问题.
素养层面
通过圆与圆的位置关系的判断及解决相关问题,进一步提升直观想象、逻辑推理及数学运算素养.
知识点 两圆位置关系的判断
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课时测评
4
综合应用
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内容索引
随堂演练
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知识点 两圆位置关系的判断
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问题导思
问题 观察下面这些生活中常见的图形,
感受一下圆与圆之间有哪些位置关系?
(1)圆与圆之间有几种位置关系?
(2)能否借助圆的方程来研究圆与圆的位置关系?
提示:(1)5种. (2)可以,可以借助圆的方程通过代数法和几何法两种途径判断.
1.平面内两个不等的圆之间的五种位置关系
新知构建
位置
关系 定义 图形
外离 两个圆______公共点,并且每个圆上的点都在另一个圆的______
外切 两个圆有________公共点,并且除了这个公共点以外,每个圆上的点都在另一个圆的______,这个唯一的公共点叫作两个圆的切点
没有
外部
唯一的
外部
位置
关系 定义 图形
相交 两个圆有______公共点
内切 两个圆有______的公共点,并且除了这个公共点以外,一个圆上的点都在另一个圆的______,这个唯一的公共点叫作两个圆的切点
内含 两个圆______公共点,并且一个圆上的点都在另一个圆的______
两个
唯一
内部
没有
内部
2.判定方法
(1)代数法:设两圆的一般方程为
C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0( ),
C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0( ),
则方程组解的个数与两圆的位置关系如下:
方程组解的个数 2组 1组 0组
两圆的公共点个数 ___个 ___个 ___个
两圆的位置关系 相交 外切或内切 外离或内含
2
1
0
(2)几何法:若两圆的半径分别为r1,r2,两圆的圆心距为d,则两圆的位置关系如下:
位置关系 图示 d与r1,r2的关系
外离 d____r1+r2
外切 d____r1+r2
>
=
位置关系 图示 d与r1,r2的关系
相交 |r1-r2|<d<r1+r2
内切 d____|r1-r2|
内含 d____|r1-r2|
=
<
(1)当两圆外离、外切、相交、内切、内含时,公切线的条数分别是多少?
(2)当两圆相交、外切、内切时,连心线有什么性质?
提示:(1)公切线的条数分别是4,3,2,1,0.
(2)当两圆相交时,连心线垂直平分公共弦;当两圆外切时,连心线垂直于过两圆公共点的公切线;当两圆内切时,连心线垂直于两圆的公切线.
微思考
已知圆C1:x2+y2-2ax-2y+a2-15=0(a>0),圆C2:x2+y2-4ax-2y+4a2=0(a>0).试求当a为何值时,两圆C1,C2的位置关系为:
(1)相切;(2)相交;(3)外离;(4)内含.
解:圆C1,C2的方程经配方后可得
C1:(x-a)2+(y-1)2=16,
C2:(x-2a)2+(y-1)2=1,
所以圆心C1(a,1),C2(2a,1),半径r1=4,r2=1.
所以|C1C2|= =a.
(1)当|C1C2|=r1+r2=5,即a=5时,两圆外切;
当|C1C2|=r1-r2=3,即a=3时,两圆内切.
例1
(2)当3<|C1C2|<5,即3<a<5时,两圆相交.
(3)当|C1C2|>5,即a>5时,两圆外离.
(4)当|C1C2|<3,即0<a<3时,两圆内含.
规律方法
判断两圆的位置关系的三种方法
1.几何法:将两圆的圆心距d与两圆的半径之差的绝对值、半径之和进行比较,进而判断出两圆的位置关系,这是在解析几何中主要使用的方法.
2.代数法:将两圆的方程组成方程组,通过解方程组,根据方程组解的个数进而判断两圆的位置关系.
3.公切线法:根据公切线的条数有时也可判断两圆的位置关系.
对点练1. 当实数k为何值时,两圆C1:x2+y2+4x-6y+12=0,C2:x2+y2-2x-14y+k=0相交、相切、外离?
解:将两圆的一般方程化为标准方程,
C1:(x+2)2+(y-3)2=1,C2:(x-1)2+(y-7)2=50-k.
圆C1的圆心为C1(-2,3),半径长r1=1;
圆C2的圆心为C2(1,7),半径长r2= (k<50),
从而|C1C2|= =5.
当1+ =5,即k=34时,两圆外切;
当 |-1|=5,即 =6,即k=14时,两圆内切;
当 |-1|<5<1+ ,即14<k<34时,两圆相交;
当 +1<5,即34<k<50时,两圆外离.
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综合应用
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应用一 利用两圆的位置关系求圆的方程
求与圆x2+y2-2x=0外切且与直线x+ y=0相切于点M(3,- )的圆的方程.
例2
解:设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),
由题知所求圆与圆x2+y2-2x=0外切,
变式探究
(变条件)将本例变为“求与圆x2+y2-2x=0外切,圆心在x轴上,且过点(3,- )的圆的方程”,如何求?
解:因为圆心在x轴上,
所以可设圆心坐标为(a,0),设半径为r,
则所求圆的方程为(x-a)2+y2=r2,
又因为与圆x2+y2-2x=0外切,且过点(3,- ),
所以圆的方程为(x-4)2+y2=4.
规律方法
通过直线与圆、圆与圆的位置关系,建立数学模型,利用方程思想,解决求圆的方程问题.
对点练2.已知△ABC的边AB,AC所在的直线方程分别为x-2y+3=0,x+2y-1=0.求以点A为圆心,与圆D:(x-2)2+(y+3)2=1相切的圆的方程.
设圆A的方程为(x+1)2+(y-1)2=r2(r>0),
当两圆外切时,有r+1=5,所以r=4,
故所求圆的方程为(x+1)2+(y-1)2=16;
当两圆内切时,有r-1=5,所以r=6,故所求圆的方程为(x+1)2+(y-1)2=36.
综上所述,所求圆的方程为(x+1)2+(y-1)2=16,或(x+1)2+(y-1)2=36.
应用二 相交弦及圆系方程问题
已知圆C1:x2+y2+6x-4=0和圆C2:x2+y2+6y-28=0.
(1)求两圆公共弦所在直线的方程及弦长;
例3
解:设两圆交点为A(x1,y1),B(x2,y2),
则A,B两点坐标是方程组
①-②,得x-y+4=0.
因为A,B两点的坐标都满足此方程,
所以x-y+4=0即为两圆公共弦所在直线的方程.
(2)求经过两圆交点且圆心在直线x-y-4=0上的圆的方程.
得两圆的交点A(-1,3),B(-6,-2).
设所求圆的圆心为(a,b),因为圆心在直线x-y-4=0上,故b=a-4.
法二:设所求圆的方程为x2+y2+6x-4+λ(x2+y2+6y-28)=0(λ≠-1),
解得λ=-7.
故所求圆的方程为x2+y2-x+7y-32=0.
规律方法
1.两圆的公共弦问题
(1)若圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0与圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0相交,则两圆公共弦所在的直线方程为(D1-D2)x+(E1-E2)y+F1-F2=0.
(2)公共弦长的求法
①代数法:将两圆的方程联立,解出交点坐标,利用两点间的距离公式求出弦长.
②几何法:求出公共弦所在直线的方程,利用圆的半径、半弦长、弦心距构成的直角三角形,根据勾股定理求解.
规律方法
2.过两圆的交点的圆的方程
已知圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0与圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0相交,则过两圆交点的圆的方程可设为x2+y2+D1x+E1y+F1+λ(x2+y2+D2x+E2y+F2)=0(λ≠-1).
对点练3.已知点P(-1,-2)在圆C上,且圆C经过直线x+y=0与圆C1:x2+y2+2x-4y-8=0的交点,求圆C的方程.
所以直线x+y=0与圆C1交于点A(1,-1)和点B(-4,4).
设所求圆C的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0),
所以所求圆C的方程为x2+y2+3x-3y-8=0.
法二:设所求圆C的方程为x2+y2+2x-4y-8+λ(x+y)=0.
因为点P(-1,-2)在圆C上,
所以(-1)2+(-2)2+2×(-1)-4×(-2)-8+λ(-1-2)=0,解得λ=1,
所以所求圆C的方程为x2+y2+2x-4y-8+x+y=0,
即x2+y2+3x-3y-8=0.
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课堂小结
知识 1.两圆的位置关系.
2.两圆的公共弦.
3.圆系方程
方法 几何法、代数法
易错误区 将两圆内切和外切相混
随堂演练
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1.两圆C1:x2+y2-2x-3=0,C2:x2+y2-4x+2y+3=0的位置关系是
A.外离 B.相切
C.相交 D.内含
√
2.(多选题)圆C1:(x+2)2+(y-m)2=9与圆C2:(x-m)2+(y+1)2=4外切,则m的值为
A.2 B.-5
C.-2 D.5
√
√
圆C1:(x+2)2+(y-m)2=9的圆心为(-2,m),半径为3,圆C2:(x-m)2+(y+1)2=4的圆心为(m,-1),半径为2.依题意有
=3+2,即m2+3m-10=0,解得m=2,或m=-5. 故选AB.
3.以(a,1)为圆心,且与两条直线2x-y+4=0和2x-y-6=0同时相切的圆的标准方程为
A.(x-1)2+(y-1)2=5
B.(x+1)2+(y+1)2=5
C.(x-1)2+y2=5
D.x2+(y-1)2=5
√
由题意知,圆心在直线2x-y-1=0上,将点(a,1)代入上式可得a=1,即圆心为(1,1),半径r= ,所以圆的标准方程为(x-1)2+(y-1)2=5.故选A.
4.过两圆x2+y2-2y-4=0与x2+y2-4x+2y=0的交点,且圆心在直线l:2x+4y-1=0上的圆的方程是 .
x2+y2-3x+y-1=0
设圆的方程为x2+y2-4x+2y+λ(x2+y2-2y-4)=0,则(1+λ)x2-4x+(1
+λ)y2+(2-2λ)y-4λ=0,把圆心 代入l:2x+4y-1=0的方
程,可得λ= ,所以所求圆的方程为x2+y2-3x+y-1=0.
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课时测评
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1.圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2-4y=0的位置关系为
A.相离 B.相交
C.外切 D.内切
√
圆O1的圆心坐标为(1,0),半径长r1=1;圆O2的圆心坐标为(0,2),半径长r2=2;1=r2-r1<|O1O2|= <r1+r2=3,即两圆相交.故选B.
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2.设两圆C1,C2都和两坐标轴相切,且都过点(4,1),则两圆心的距离|C1C2|=
A.4 B.4
C.8 D.8
√
由题意知,可设圆心坐标为(a,a),半径为r,其中r=a>0,因此圆方程是(x-a)2+(y-a)2=a2,由圆过点(4,1),得(4-a)2+(1-a)2=a2,即a2-10a+17=0,则该方程的两根分别是圆心C1,C2的横坐标,|C1C2|=
=8.故选C.
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3.圆(x+2)2+y2=5关于直线x-y+1=0对称的圆的方程为
A.(x-2)2+y2=5
B.x2+(y-2)2=5
C.(x-1)2+(y-1)2=5
D.(x+1)2+(y+1)2=5
√
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由圆(x+2)2+y2=5,可知其圆心为(-2,0),半径为 .设点(-2,0)关
于直线x-y+1=0对称的点为(x,y),则 解得
所以所求圆的圆心为(-1,-1).又所求圆的半径为 ,所以圆(x+2)2+y2=5关于直线x-y+1=0对称的圆的方程为(x+1)2+(y+1)2=5.故选D.
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4.圆O1:x2+y2-6x+16y-48=0与圆O2:x2+y2+4x-8y-44=0的公切线条数为
A.4 B.3
C.2 D.1
√
圆O1为(x-3)2+(y+8)2=121,O1(3,-8),r=11,圆O2为(x+2)2+(y-4)2=64,O2(-2,4),R=8,所以|O1O2|= =13,所以r-R<|O1O2|<R+r,所以两圆相交.所以公切线有2条.故选C.
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5.圆C1:(x-1)2+y2=4与圆C2:(x+1)2+(y-3)2=9的相交弦所在的直线为l,则直线l被圆O:x2+y2=4截得的弦长为
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6.(多选题)若对于圆C:(x-m-2)2+(y-m)2=1上任意一点P,在圆O:x2+y2=1上总存在点Q,使得∠PQO= ,则实数m可以取的值为
A.-3 B.-2
C.0 D.1
√
√
由∠PQO= ,知PQ为圆O的切线,即圆C上任意一点P都可以向圆O作切线,当两圆外离时,满足条件,所以|OC|>1+1,即
>2,化简得m2+2m>0,解得m<-2或m>0.结合选项可知m可以取-3,1.故选AD.
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7.(2024·贵州铜仁高二质量监测)圆x2+y2-2x-3=0与圆x2+y2+2x+4y
+1=0的公共弦长为 .
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8.到点A(-1,2),B(3,-1)的距离分别为3和1的直线有 条.
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到点A(-1,2)的距离为3的直线是以A为圆心,3为半径的圆的切线;同理,到B的距离为1的直线是以B为圆心,半径为1的圆的切线,所以满足题设条件的直线是这两圆的公切线,而这两圆的圆心距|AB|=
=5.半径之和为3+1=4,因为5>4,所以圆A和圆B外离,因此它们的公切线有4条.
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9.已知圆系方程(x-m)2+(y-2m)2=5(m∈R,m为参数),这些圆的公切线方程为 .
2x-y±5=0
由题意知圆心的轨迹方程为y=2x,则这些圆的公切线与直线y=2x平
行,设圆的公切线方程为2x-y+c=0,则 ,所以c=±5,所以这些圆的公切线方程为2x-y±5=0.
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10.(12分)已知两圆x2+y2-2x-6y-1=0和x2+y2-10x-12y+m=0.
(1)m取何值时两圆外切?
解:两圆的标准方程为(x-1)2+(y-3)2=11,(x-5)2+(y-6)2=61-m,
(2)m取何值时两圆内切?
解:两圆的标准方程为(x-1)2+(y-3)2=11,(x-5)2+(y-6)2=61-m,
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(3)求m=45时两圆的公共弦所在直线的方程和公共弦的长.
解:两圆的标准方程为(x-1)2+(y-3)2=11,(x-5)2+(y-6)2=61-m,
两圆的公共弦所在直线方程为(x2+y2-2x-6y-1)-(x2+y2-10x-12y+45)=0,即4x+3y-23=0,
所以公共弦长为
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11.(多选题)(2024·山东淄博高二质量检测)点P在圆C1:x2+y2=1上,点Q在圆C2:x2+y2-6x+8y+24=0上,则
A.|PQ|的最小值为3
B.|PQ|的最大值为7
C.两个圆心所在的直线斜率为-
D.两个圆相交弦所在直线的方程为6x-8y-25=0
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12.(多选题)已知圆C:x2+y2-6x-8y+21=0,O为坐标原点,以OC为直径的圆C′与圆C交于A,B两点,则
A.圆C′的方程为x2+y2-3x-4y=0
B.直线AB的方程为3x-4y-21=0
C.OA,OB均与圆C相切
D.四边形CAOB的面积为4
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13.(13分)已知圆C:x2+y2-6x-8y+21=0.
(1)若直线l1过定点A(1,1),且与圆C相切,求l1的方程;
解:圆C:x2+y2-6x-8y+21=0化为标准方程为(x-3)2+(y-4)2=4,
所以圆C的圆心为(3,4),半径为2.
①若直线l1的斜率不存在,即直线为x=1,符合题意.
②若直线l1的斜率存在,设直线l1的方程为y-1=k(x-1),即kx-y-k+1=0.
由题意知,圆心(3,4)到已知直线l1的距离等于半径2,
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综上,所求l1的方程为x=1,或5x-12y+7=0.
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(2)若圆D的半径为3,圆心在直线l2:x-y+2=0上,且与圆C外切,求圆D的方程.
解:由题意,设D(a,a+2).
又由(1)知圆C的圆心为(3,4),半径为2,
由两圆外切,可知|CD|=5,
解得a=-1,或a=6.
所以D(-1,1),或D(6,8),
所以所求圆D的方程为(x+1)2+(y-1)2=9,或(x-6)2+(y-8)2=9.
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14.(5分)已知⊙M:x2+y2-2x-2y-2=0,直线l:2x+y+2=0,P为l上的动点.过点P作⊙M的切线PA,PB,切点为A,B,当|PM|·|AB|最小时,直线AB的方程为
A.2x-y-1=0 B.2x+y-1=0
C.2x-y+1=0 D.2x+y+1=0
√
由⊙M:x2+y2-2x-2y-2=0①,得⊙M:(x-1)2+
(y-1)2=4,所以圆心M(1,1).如图所示,连接AM,
BM,易知四边形PAMB的面积为 |PM|·|AB|,欲使
|PM|·|AB|最小,只需四边形PAMB的面积最小,即只
需△PAM的面积最小.因为|AM|=2,所以只需|PA|最小.
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15.(15分)已知圆C的圆心在直线l:2x-y=0上,且与直线l1:x-y+1=0相切.
(1)若圆C与圆x2+y2-2x-4y-76=0外切,试求圆C的半径;
解:圆x2+y2-2x-4y-76=0的圆心坐标为(1,2),半径为9.
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(2)满足已知条件的圆显然不止一个,但它们都与直线l1相切,我们称l1是这些圆的公切线.这些圆是否还有其他公切线?若有,求出公切线的方程,若没有,说明理由.
解:如果存在另一条切线,则它必过l与l1的交点(1,2).
①若斜率不存在,则直线方程为x=1,圆心C到它的距离|a-1|=r= ,由于方程需要对任意的a都成立,因此无解,所以它不是公切线;
②若斜率存在,设公切线方程为y-2=k(x-1),
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两边平方并化简得k2-8k+7=0,解得k=1或k=7,当k=1时,直线与l1重合,
当k=7时,直线方程为7x-y-5=0,
故还存在一条公切线,其方程为7x-y-5=0.
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谢 谢 观 看 !
第
一
章
直
线
与
圆
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联立方程得
D+E-4F1>0
D+E-4F2>0
=r.③
解①②③,得a=4,b=0,r=2,或a=0,b=-4,r=6.
故所求圆的方程为(x-4)2+y2=4,或x2+(y+4)2=36.
则=r+1.①
又所求圆过点M的切线为直线x+y=0,
故=.②
所以解得
解:由得所以点A(-1,1),
A满足(-1-2)2+(1+3)2>1,即A在圆D:(x-2)2+(y+3)2=1外,
由题意知D(2,-3),所以|AD|==5.
的解.
又圆C1的圆心为C1(-3,0),r=,
所以C1到直线AB的距离d==,
所以|AB|=2=2=5,
即两圆的公共弦长为5.
故圆的方程为+=.
解:法一:解方程组
则
=,
解得a=,故圆心为,半径为 .
其圆心为,代入x-y-4=0,
解:法一:由
得或
将点A,B,P的坐标代入,得
解得满足D2+E2-4F>0,
法一:(几何法):把两圆的方程分别配方,化为标准方程是(x-1)2+y2=4,(x-2)2+(y+1)2=2,所以两圆圆心为C1(1,0),C2(2,-1),半径为r1=2,r2=,则|C1C2|==,r1+r2=2+,r1-r2=2-,故r1-r2<|C1C2|<r1+r2,所以两圆相交.故选C.
法二:(代数法):联立方程 解得 即方程组有2组解,也就是说两圆的交点个数为2,所以两圆相交.故选C.
=
×
A. B.4
C. D.
由圆C1与圆C2的方程相减得l:2x-3y+2=0.圆心O(0,0)到直线l的距离d=,圆O的半径r=2,所以截得的弦长为2=2=.故选D.
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联立方程组,两式相减,得x+y+1=0,为公共弦长所在直线的方程,又圆x2+y2-2x-3=0的圆心为,r=2,圆心到直线x+y+1=0的距离为d==,所以两圆公共弦长为2=2=2.
=
故 -=5,解得m=25-10.
圆心分别为M(1,3),N(5,6),半径分别为和 .
当两圆外切时,=+ ,
解得m=25+10.
圆心分别为M(1,3),N(5,6),半径分别为和 .
当两圆内切时,因定圆的半径 小于两圆圆心间距离5,
圆心分别为M(1,3),N(5,6),半径分别为和 .
2=2.
圆C1:x2+y2=1的圆心坐标C1(0,0),半径r=1,圆C2:x2+y2-6x+8y+24=0,即(x-3)2+(y+4)2=1的圆心坐标C2(3,-4),半径R=1,所以圆心距==5.又因为P在圆C1上,Q在圆C2上,则的最小值为min=-R-r=3,最大值为max=+R+r=7.故A,B正确;两圆圆心所在的直线斜率为kC1C2==-,故C正确;圆心距==5大于两圆半径和,两圆外离,无相交弦,故D错误.故选ABC.
由圆C:x2+y2-6x-8y+21=0,得(x-3)2+(y-4)2=4,则圆心C(3,4),线段OC的中点坐标为,则以OC为直径的圆的方程为+(y-2)2=,整理得x2+y2-3x-4y=0,即圆C′的方程为x2+y2-3x-4y=0,故A正确;联立两式作差可得3x+4y-21=0,即直线AB的方程为3x+4y-21=0,故B错误;因为A,B在以OC为直径的圆上,所以CA⊥OA,CB⊥OB,由圆心与切点的连线与切线垂直,可得OA,OB均与圆C相切,故C正确;因为CA⊥OA,
且|OC|=5,|CA|=2,所以|OA|===,所以四边形CAOB的面积为S=2××2×=2,故D错误.故选AC.
所以=2,
即=2,
解得k=,所以直线方程为5x-12y+7=0.
所以 =5,
因为|AM|=2,所以只需|PA|最小.又|PA|=
=,所以只需直线2x+y+2=0上的动点P到
M的距离最小,其最小值为=,此时PM⊥l,
易求出直线PM的方程为x-2y+1=0.由得所以P(-1,0).易知P,A,M,B四点共圆,所以以PM为直径的圆的方程为x2+=,即x2+y2-y-1=0②,由①②得,直线AB的方程为2x+y+1=0.故选D.
设圆C的圆心坐标为(a,2a),则半径r==,两圆的圆心距为
=|a-1|= r,
因为两圆外切,所以 r=r+9,所以r= +1.
则d==r=对任意的a都成立,
即=,= ,
$$