内容正文:
2.4 圆与圆的位置关系
[学习目标] 1.了解圆与圆的位置关系.2.掌握圆与圆的位置关系的判断方法.3.能用圆与圆的位置关系解决一些简单问题.
导语
日食是一种天文现象,在民间称此现象为天狗食日.日食只在月球与太阳呈现合的状态时发生.日食分为日偏食、日全食、日环食、全环食.我们将月亮与太阳抽象为圆,观察到的这些圆在变化的过程中位置关系是怎样的?
前面我们运用直线的方程、圆的方程研究了直线与圆的位置关系,现在我们类比上述研究方法,运用圆的方程,通过定量计算研究圆与圆的位置关系.
一、两圆位置关系的判断
知识梳理
1.代数法:设两圆的一般方程为
C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0(D+E-4F1>0),
C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0(D+E-4F2>0),
联立方程得
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
2个
1个
0个
两圆的位置关系
相交
外切或内切
外离或内含
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
相交
|r1-r2|< d<r1+r2
内切
d=|r1-r2|
内含
0≤d<|r1-r2|
注意点:
在判断两圆的位置关系时,优先使用几何法.因为利用代数法判断两圆位置关系时,当方程组无解或一解时,无法判断两圆的位置关系.
例1 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,
∴圆心C1(a,1),C2(2a,1),半径r1=4,r2=1.
∴|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.
(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.
反思感悟 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)根据公切线的条数有时也可判断两圆的位置关系.
跟踪训练1 (1)圆C1:x2+y2-4x+3=0与圆C2:(x+1)2+(y-4)2=a(a>0)恰有三条公切线,则实数a的值是( )
A.4 B.6 C.16 D.36
答案 C
解析 圆C1的标准方程为(x-2)2+y2=1,
∵两圆有三条公切线,∴两圆外切,
∴=1+,
解得a=16.
(2)到点A(-1,2),B(3,-1)的距离分别为3和1的直线有________条.
答案 4
解析 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,到点B(3,-1)的距离为1的直线是以B为圆心,1为半径的圆的切线,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.
二、利用两圆的位置关系求圆的方程
例2 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.
解 设所求圆的方程为
(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),
由题意知所求圆与圆x2+y2-2x=0外切,
则=r+1.①
又所求圆过点M的切线为直线x+y=0,
故=.②
=r.③
由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.
延伸探究 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”.
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,-),
所以解得
所以圆的方程为(x-4)2+y2=4.
反思感悟 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.
跟踪训练2 圆O1的方程为x2+(y+1)2=4,圆O2的圆心为O2(2,1).
(1)若圆O2与圆O1外切,求圆O2的方程;
(2)若圆O2与圆O1交于A,B两点,且|AB|=2,求圆O2的方程.
解 (1)因为圆O1的方程为x2+(y+1)2=4,
所以圆心为O1(0,-1),半径为2.
又因为圆O2的圆心为O2(2,1),
所以圆心距|O1O2|==2,
由圆O2与圆O1外切,得圆O2的半径为2-2,
所以圆O2的方程为(x-2)2+(y-1)2=12-8.
(2)因为圆O2与圆O1交于A,B两点,
且|AB|=2,
所以圆心O1到直线AB的距离为
=.
当圆心O2到直线AB的距离为时,
圆O2的半径为=2.
此时,圆O2的方程为(x-2)2+(y-1)2=4;
当圆心O2到直线AB的距离为3时,
圆O2的半径为=.
此时,圆O2的方程为(x-2)2+(y-1)2=20.
综上,圆O2的方程为(x-2)2+(y-1)2=4或(x-2)2+(y-1)2=20.
三、相交弦及圆系方程问题
例3 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;
(2)求经过两圆交点且圆心在直线x-y-4=0上的圆的方程.
解 (1)设两圆交点为A(x1,y1),B(x2,y2),
则A,B两点坐标是方程组
的解.
①-②,得x-y+4=0.
∵A,B两点的坐标都满足此方程,
∴x-y+4=0即为两圆公共弦所在直线的方程.
又圆C1的圆心为C1(-3,0),r=,
∴C1到直线AB的距离d==,
∴|AB|=2=2=5,
即两圆的公共弦长为5.
(2)方法一 解方程组
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.
则=,
解得a=,故圆心为,半径为.
故圆的方程为2+2=.
方法二 设所求圆的方程为x2+y2+6x-4+λ(x2+y2+6y-28)=0(λ≠-1),
其圆心为,代入x-y-4=0,
解得λ=-7.
故所求圆的方程为x2+y2-x+7y-32=0.
反思感悟 (1)若圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0与圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0相交,则两圆方程相减得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.
(3)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).
跟踪训练3 圆心在直线x-y-4=0上,且经过圆x2+y2-4x-6=0与圆x2+y2-4y-6=0的交点的圆的方程为________________.
答案 (x-3)2+(y+1)2=16(或x2+y2-6x+2y-6=0)
解析 方法一 由
解得
所以圆x2+y2-4x-6=0与圆x2+y2-4y-6=0的交点分别为A(-1,-1),B(3,3),连接AB,则线段AB的垂直平分线的方程为y-1=-(x-1).
由解得
所以所求圆的圆心坐标为(3,-1),半径为=4,
所以所求圆的方程为(x-3)2+(y+1)2=16.
方法二 同方法一求得A(-1,-1),B(3,3),
设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,
由解得
所以所求圆的方程为(x-3)2+(y+1)2=16.
方法三 设所求圆的方程为x2+y2-4x-6+λ(x2+y2-4y-6)=0,其中λ≠-1,
化简可得x2+y2-x-y-6=0,
圆心坐标为.
又圆心在直线x-y-4=0上,
所以--4=0,
解得λ=-,
所以所求圆的方程为x2+y2-6x+2y-6=0.
1.知识清单:
(1)两圆的位置关系.
(2)两圆的公共弦.
(3)圆系方程.
2.方法归纳:几何法、代数法.
3.常见误区:将两圆内切和外切相混.
1.圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2-4y=0的位置关系是( )
A.外离 B.相交
C.外切 D.内切
答案 B
解析 把圆O1和圆O2的方程化为标准方程,得圆O1:(x-1)2+y2=1,圆O2:x2+(y-2)2=4,则O1(1,0),O2(0,2),|O1O2|==<r1+r2,又r2-r1<,所以两圆相交.
2.(多选)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
答案 AB
解析 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.
3.已知以C(4,-3)为圆心的圆与圆O:x2+y2=1相切,则圆C的方程是______________________.
答案 (x-4)2+(y+3)2=16或(x-4)2+(y+3)2=36
解析 设圆C的半径为r,
圆心距d==5,
当圆C与圆O外切时,r+1=5,解得r=4;
当圆C与圆O内切时,|r-1|=5,解得r=6,
则圆C的方程为(x-4)2+(y+3)2=16
或(x-4)2+(y+3)2=36.
4.若圆x2+y2=4与圆x2+y2+2ay-6=0(a>0)的公共弦长为2,则a=________.
答案 1
解析 将两圆的方程相减,
得相交弦所在的直线方程为y=,
圆心(0,0)到直线的距离d===1,
所以a=1.
[分值:100分]
单选题每小题5分,共40分;多选题每小题6分,共12分
1.若圆x2+y2=r2与圆x2+y2+2x-4y+4=0有公共点,则r满足的条件是( )
A.r<+1 B.r>+1
C.|r-|≤1 D.|r-|<1
答案 C
解析 由x2+y2+2x-4y+4=0,得(x+1)2+(y-2)2=1,所以两圆圆心之间的距离为=.因为两圆有公共点,所以|r-1|≤≤r+1,所以-1≤r≤+1,即-1≤r-≤1,所以|r-|≤1.
2.圆M:x2+y2-2x-5=0与圆N:x2+y2+2x-4y-4=0的交点为A,B,则线段AB的垂直平分线的方程是( )
A.x+y-1=0 B.2x-y+1=0
C.x-2y+1=0 D.x-y+1=0
答案 A
解析 圆x2+y2-2x-5=0的圆心为M(1,0),圆x2+y2+2x-4y-4=0的圆心为N(-1,2),两圆的相交弦AB的垂直平分线即为直线MN,其方程为=,即x+y-1=0.
3.圆(x-4)2+y2=9和圆x2+(y-3)2=4的公切线有( )
A.1条 B.2条
C.3条 D.4条
答案 C
解析 圆(x-4)2+y2=9的圆心为(4,0),半径为3,圆x2+(y-3)2=4的圆心为(0,3),半径为2.
两圆的圆心距为=5=2+3,所以两圆外切,故两圆的公切线的条数为3.
4.已知圆x2+y2-2x+m=0与圆(x+3)2+(y+3)2=36内切,则实数m的值为( )
A.0 B.-120
C.0或-120 D.5
答案 C
解析 将圆x2+y2-2x+m=0化为标准方程为(x-1)2+y2=1-m(m<1),由两圆内切可得
|6-|=5,解得m=0或m=-120.
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( )
A. B.4 C. D.
答案 D
解析 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=.
6.(多选)下列圆中与圆C:x2+y2+2x-4y+1=0相切的是( )
A.(x+2)2+(y+2)2=9
B.(x-2)2+(y+2)2=9
C.(x-2)2+(y-2)2=25
D.(x-2)2+(y+2)2=49
答案 BCD
解析 由圆C:x2+y2+2x-4y+1=0,可知圆心C的坐标为(-1,2),半径r=2.
A项,圆心C1(-2,-2),半径r1=3,
∵|C1C|=∈(r1-r,r1+r),
∴两圆相交,不满足条件;
B项,圆心C2(2,-2),半径r2=3,
∵|C2C|=5=r+r2,
∴两圆外切,满足条件;
C项,圆心C3(2,2),半径r3=5,
∵|C3C|=3=r3-r,
∴两圆内切,满足条件;
D项,圆心C4(2,-2),半径r4=7,
∵|C4C|=5=r4-r,
∴两圆内切,满足条件.
7.(5分)已知圆C1:x2+y2+4ax+4a2-4=0和圆C2:x2+y2-2by+b2-1=0只有一条公切线,则实数a,b的关系是________________.
答案 4a2+b2=1
解析 圆C1:x2+y2+4ax+4a2-4=0化为标准方程为(x+2a)2+y2=4,圆心为C1(-2a,0),半径为2.
圆C2:x2+y2-2by+b2-1=0化为标准方程为x2+(y-b)2=1,圆心为C2(0,b),半径为1.
由于两圆只有一条公切线,所以两圆内切,
所以=2-1=1,
整理得4a2+b2=1.
8.(5分)经过直线x+y+1=0与圆x2+y2=2的交点,且过点(1,2)的圆的方程为____________________.
答案 x2+y2-x-y-=0
解析 由已知可设所求圆的方程为x2+y2-2+λ(x+y+1)=0,
将(1,2)代入,可得λ=-,
故所求圆的方程为x2+y2-x-y-=0.
9.(10分)已知两圆C1:x2+y2-2x+10y-24=0和C2:x2+y2+2x+2y-8=0.
(1)试判断两圆的位置关系;(3分)
(2)求公共弦所在的直线方程;(3分)
(3)求公共弦的长度.(4分)
解 (1)将两圆方程分别化为标准方程为C1:(x-1)2+(y+5)2=50,C2:(x+1)2+(y+1)2=10,则圆C1的圆心为(1,-5),半径r1=5;圆C2的圆心为(-1,-1),半径r2=.又|C1C2|=2,r1+r2=5+,r1-r2=5-,所以r1-r2<|C1C2|<r1+r2,所以两圆相交.
(2)将两圆方程相减,得公共弦所在的直线方程为x-2y+4=0.
(3)方法一 将公共弦所在直线的方程与圆C2方程联立,得方程组
解得y1=0,y2=2,
所以或
所以两圆交点坐标为(-4,0)和(0,2),
所以两圆的公共弦长为=2.
方法二 由(2)知x-2y+4=0为两圆公共弦所在直线的方程.
由(1)知圆C1的圆心为(1,-5),半径r1=5,圆心C1到直线x-2y+4=0的距离d==3,
所以两圆的公共弦长为
2=2×=2.
10.(11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;(6分)
(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.(5分)
解 (1)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l1的方程为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C(3,4)到直线l1的距离等于半径,
所以=2,即=2,
解得k=,
所以直线C1的方程为5x-12y+7=0.
综上,直线l1的方程为x=1或5x-12y+7=0.
(2)依题意,设D(a,a+2).
又已知圆C的圆心为(3,4),半径为2,
由两圆外切,可知|CD|=5,
∴=5,
化简得a2-5a-6=0,
解得a=-1或a=6.
∴D(-1,1)或D(6,8),
∴圆D的方程为(x+1)2+(y-1)2=9或(x-6)2+(y-8)2=9.
11.古希腊数学家阿波罗尼奥斯(约公元前262~公元前190年)的著作《圆锥曲线论》是古代世界光辉的科学成果,著作中有这样一个命题:平面内与两定点距离的比为常数k(k>0且k≠1)的点的轨迹是圆,后人将这个圆称为阿波罗尼斯圆.已知O(0,0),A(3,0),动点P(x,y)满足=2,则动点P的轨迹与圆(x-1)2+y2=1的位置关系是( )
A.外离 B.外切 C.相交 D.内切
答案 C
解析 由|PA|=2|PO|,得(x-3)2+y2=4x2+4y2,整理得(x+1)2+y2=4,表示圆心为(-1,0),半径R=2的圆,圆(x-1)2+y2=1表示圆心为(1,0),半径r=1的圆,两圆的圆心距为2,满足1=R-r<2<R+r=3,所以两个圆相交.
12.如果圆C:(x-a)2+(y-a)2=8上总存在两个点到原点的距离均为,则实数a的取值范围是( )
A.(-3,-1)∪(1,3) B.(-3,3)
C.[-1,1] D.(-3,-1]∪[1,3)
答案 A
解析 依题意,圆C:(x-a)2+(y-a)2=8与圆O:x2+y2=2有两个交点,即两圆相交.
又|CO|==|a|,
2-<|a|<2+,
即1<|a|<3.
故-3<a<-1或1<a<3.
13.(多选)圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2+2x-4y=0的交点为A,B,则下列结论正确的为( )
A.公共弦AB所在直线的方程为x-y=0
B.线段AB的垂直平分线的方程为x+y-1=0
C.公共弦AB的长为
D.若P为圆O1上一动点,则点P到直线AB距离的最大值为+1
答案 ABD
解析 对于A,由圆O1:x2+y2-2x=0与圆O2:x2+y2+2x-4y=0的交点为A,B,
两式作差可得4x-4y=0,即公共弦AB所在直线方程为x-y=0,故A正确;
对于B,圆O1:x2+y2-2x=0的圆心为(1,0),
又kAB=1,
则线段AB的垂直平分线的斜率为-1,
即线段AB的垂直平分线的方程为
y-0=-1×(x-1),
整理可得x+y-1=0,故B正确;
对于C,圆心O1(1,0)到直线x-y=0的距离d==,半径r=1,所以|AB|=2=,故C不正确;
对于D,P为圆O1上一动点,圆心O1(1,0)到直线x-y=0的距离d=,半径r=1,即点P到直线AB距离的最大值为+1,故D正确.
14.设两圆C1,C2都和两坐标轴相切,且都过点(4,1),则两圆的圆心距|C1C2|为( )
A.4 B.4
C.8 D.8
答案 C
解析 ∵两圆与两坐标轴都相切,且都经过点(4,1),
∴两圆圆心均在第一象限且都在直线y=x上.
设两圆的圆心分别为(a,a),(b,b),
则有(4-a)2+(1-a)2=a2,(4-b)2+(1-b)2=b2,
即a,b为方程(4-x)2+(1-x)2=x2的两个根,
整理得x2-10x+17=0,∴a+b=10,ab=17.
∴(a-b)2=(a+b)2-4ab=100-4×17=32,
∴|C1C2|===8.
15.(5分)若圆O:x2+y2=5与圆O1:(x-m)2+y2=20(m∈R)相交于A,B两点,且两圆在点A处的切线互相垂直,则线段AB的长为________.
答案 4
解析 如图所示,由于⊙O与⊙O1在点A处的切线互相垂直,
因此OA⊥O1A,
所以|OO1|==5.
又OO1垂直平分线段AB,设线段AB与x轴的交点为C,
在Rt△AOO1中,|OO1|·|AC|=|OA|·|O1A|,
所以|AC|===2,
故|AB|=2|AC|=4.
16.(12分)如图,已知⊙C的圆心在坐标原点,且与直线x+3y+4=0相切.点P在直线x=8上,过点P引⊙C的两条切线PA,PB,切点分别为A,B.
(1)求四边形OAPB面积的最小值;(6分)
(2)求证:直线AB过定点.(6分)
(1)解 依题意得,圆心(0,0)到直线x+3y+4=0的距离d=r,
∴r=d==,
∴圆C的方程为x2+y2=.
如图所示,连接OA,OB,OP,
∵PA,PB是圆C的两条切线,
∴ OA⊥AP,OB⊥BP,
∴S四边形OAPB=2S△OAP
=2×|OA|·|PA|
=.
∴当|PO|取最小值8时,
(S四边形OAPB)min=×=.
(2)证明 由(1)得,A,B在以OP为直径的圆上,
设点P的坐标为(8,b),b∈R,
则线段OP的中点坐标为,
∴以OP为直径的圆的方程为
(x-4)2+2=16+,
即x2+y2-8x-by=0.
∵AB为两圆的公共弦,
∴由
得直线AB的方程为8x+by=,b∈R,
即8+by=0,
则直线AB恒过定点.
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