内容正文:
第2章
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2.6.2 圆与圆的位置关系
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.
学习目标
观察这些生活中常见的图形,感受一下圆与圆之间的位置关系.
导 语
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,本节课我们类比之前的研究方法,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
二、公共弦及圆系方程问题
课时对点练
三、圆与圆的综合性问题
随堂演练
内容索引
两圆位置关系的判断
一
1.圆与圆的位置关系有五种,分别为_____、_____、_____、_____、_____.
2.位置关系的判断方法
(1)代数法:设两圆的一般方程为
内含
内切
相交
外切
外离
知识梳理
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,r2,两圆圆心的距离为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|
=
<
判断两圆的位置关系时,应优先使用几何法,因为利用代数法判断两圆位置关系时,若方程组无解或有一组解时,无法准确判断两圆的位置关系.
注 意 点
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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a为何值时,圆C1、圆C2的位置关系为:
(1)相切;
例 1
11
将圆C1、圆C2的方程配方后可得
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.
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.
12
(2)相交;
当3<|C1C2|<5,即3<a<5时,两圆相交.
(3)外离;
当|C1C2|>5,即a>5时,两圆外离.
(4)内含.
当|C1C2|<3,即0<a<3时,两圆内含.
13
(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.
反
思
感
悟
判断两圆的位置关系的两种方法
14
若圆C1:x2+y2-4x+3=0与圆C2:(x+1)2+(y-4)2=a恰有三条公切线,则实数a的值是
A.4 B.6
C.16 D.36
跟踪训练 1
√
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,
15
二
公共弦及圆系方程问题
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 2
17
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.
∵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.
18
19
(2)求经过两圆交点且圆心在直线x-y-4=0上的圆的方程.
20
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.
即x2+y2-x+7y-32=0.
21
方法二 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.
22
(1)公共弦方程的求法
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.
反
思
感
悟
23
(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).
反
思
感
悟
24
跟踪训练 2
求圆C1:x2+y2=1与圆C2:x2+y2-2x-2y+1=0的公共弦所在的直线l被圆C3:(x-1)2+(y-1)2= 截得的弦长.
由题意将两圆的方程相减,
可得圆C1和圆C2的公共弦所在的直线l的方程为x+y-1=0.
又圆C3的圆心为(1,1),
25
圆与圆的综合性问题
三
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 3
27
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,
28
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?
延伸探究
29
因为圆心在x轴上,
所以可设圆心坐标为(a,0),半径为r,
则所求圆的方程为(x-a)2+y2=r2,
所以圆的方程为(x-4)2+y2=4.
30
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.
已知圆C1:(x+2a)2+y2=4和圆C2:x2+(y-b)2=1只有一条公切线,若a,b∈R且ab≠0,则 的最小值为
A.2 B.4
C.8 D.9
跟踪训练 3
√
32
由题意可知,圆C1的圆心为(-2a,0),半径为2,圆C2的圆心为(0,b),半径为1,因为两圆只有一条公切线,所以两圆内切,
33
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.
(4)圆与圆的综合性问题.
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.
课堂小结
随堂演练
四
1
2
3
4
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
√
2.(多选)若圆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
1
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3
4
√
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.
即m2+3m-10=0,
解得m=2或m=-5.
√
1
2
3
4
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________________________________________.
设圆C的半径为r,
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.
(x-4)2+(y+3)2=16或(x-4)2+(y+3)2=36
1
2
3
4
4.若圆x2+y2=4与圆x2+y2+2ay-6=0(a>0)的公共弦长为 ,则a=____.
1
将两圆的方程相减,
所以a=1.
课时对点练
五
1.圆C1:x2+y2+4x+8y-5=0与圆C2:x2+y2+4x+4y-1=0的位置关系为
A.相交 B.外切
C.内切 D.外离
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基础巩固
√
由已知,得C1(-2,-4),r1=5,C2(-2,-2),r2=3,则圆心距d=|C1C2|=2,所以d=|r1-r2|,所以两圆内切.
2.圆(x-4)2+y2=1和圆x2+(y-3)2=4的公切线有
A.1条 B.2条
C.3条 D.4条
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√
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.
3.圆x2+y2-2x-5=0与圆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
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4.(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
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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.
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;
D项,圆心C4(2,-2),半径r4=7,
∵|C4C|=5=r4-r,∴两圆内切.
5.设圆C1 ,C2 都和两坐标轴相切,且都过点(4,1),则两圆的圆心距|C1C2|等于
A.32 B.16
C.8 D.1
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∵两圆与两坐标轴都相切,且都过点(4,1),
∴两圆的圆心均在第一象限且每个圆心的横、纵坐标相等.设两圆的圆心坐标分别为(a,a),(b,b),
则有(4-a)2+(1-a)2=a2,(4-b)2+(1-b)2=b2,
∴a,b为方程(4-x)2+(1-x)2=x2 的两个实数根,
即a,b为方程x2-10x+17=0 的两个实数根,
∴a+b=10 ,ab=17 .
∴(a-b)2=(a+b)2-4ab=100-4×17=32,
6.已知点A(1,0),B(1,6),圆C:x2+y2-10x-12y+m=0,若在圆C上存在唯一的点P使∠APB=90°,则m等于
A.-3或3 B.57
C.-3或57 D.3或57
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由题意得,只需以AB为直径的圆与圆C有且仅有一个公共点,即两圆相切.
因为A(1,0),B(1,6),所以以AB为直径的圆M的方程为(x-1)2+(y-3)2=9,
圆C:(x-5)2+(y-6)2=61-m.
因为两圆相切,
解得m=57或m=-3.
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7.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___________.
圆C1:x2+y2+4ax+4a2-4=0,化为标准方程为(x+2a)2+y2=4,圆心坐标为(-2a,0),半径长为2.
圆C2:x2+y2-2by+b2-1=0,化为标准方程为x2+(y-b)2=1.圆心坐标为(0,b),半径长为1.
4a2+b2=1
8.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
______________________.
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9.已知两圆C1:x2+y2=4,C2:(x-1)2+(y-2)2=r2(r>0),直线l:x+2y=0.
(1)当圆C1与圆C2相交且公共弦长为4时,求r的值;
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由圆C1:x2+y2=4,知圆心C1(0,0),半径r1=2,又由圆C2:(x-1)2+(y-2)2=r2(r>0),可得x2+y2-2x-4y+5-r2=0,两式相减可得公共弦所在的直线方程为2x+4y-9+r2=0.因为圆C1与圆C2相交且公共弦长为4,此时相交弦过圆心C1(0,0),即r2=9(r>0),解得r=3.
(2)当r=1时,求经过圆C1与圆C2的交点且和直线l相切的圆的方程.
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10.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;
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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,
综上,直线l1的方程为x=1和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.
依题意,设圆心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,
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.
11.已知m是正实数,则“m≥16”是“圆C1:x2+y2=1与圆C2:(x-4)2+(y+3)2=m有公共点”的
A.充分而不必要条件
B.必要而不充分条件
C.充要条件
D.既不充分又不必要条件
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综合运用
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12.(多选)若圆O1:x2+y2-2x=0和圆O2:x2+y2+2x-4y=0的交点为A,B,则有
A.公共弦AB所在直线的方程为x-y=0
B.线段AB中垂线的方程为x+y-1=0
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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所在直线的方程为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中垂线的斜率为-1,即线段AB中垂线的方程为y-0=-1×(x-1),整理可得x+y-1=0,故B正确;
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13.若圆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)
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转化为圆C1:x2+y2=2与圆C:(x-a)2+(y-a)2=8有两个交点,
解得-3<a<-1或1<a<3,∴实数a的取值范围是(-3,-1)∪(1,3).
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14.过点P(2,2)作圆C:x2+y2+2x-3=0的两条切线,切点分别为A,B,
则|AB|=________.
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圆C:x2+y2+2x-3=0,即(x+1)2+y2=4,
所以圆心为C(-1,0),半径为2,(2+1)2+22=13>4,所以点P在圆C外.
以PC为直径的圆的方程为
即x2+y2-x-2y-2=0,
由x2+y2+2x-3=0,x2+y2-x-2y-2=0两式相减并化简得3x+2y-1=0,
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拓广探究
15.在平面直角坐标系xOy中,已知圆C1 : x2 +y2=8与圆C2 : x2+y2+2x+y-a=0相交于A,B两点.若圆C1上存在点P,使得△ABP为等腰直角三角形,则实数a的值组成的集合为____________________.
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由题意知,直线AB为2x+y+8-a=0,
当∠PAB=90°或∠PBA=90°时,
设C1到AB的距离为d,
因为△ABP为等腰直角三角形,
当∠APB=90°时,AB经过圆心C1,
则8-a=0,即a=8.
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16.已知圆A:x2+y2+2x+2y-2=0,圆B:x2+y2-2ax-2by+a2-1=0,如果圆B始终平分圆A的周长.
(1)求动圆圆B的圆心的轨迹方程;
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把两圆的方程相减,即得两圆公共弦所在直线l的方程为2(a+1)x+2(b+1)y-a2-1=0,
由圆B始终平分圆A的周长,
知直线l经过圆A的圆心(-1,-1),
因而a2+2a+2b+5=0,
设动圆B的圆心为(x,y),
则由圆B的方程x2+y2-2ax-2by+a2-1=0,
可得B(a,b),即x=a,y=b,
则所求方程为x2+2x+2y+5=0.
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(2)当圆B的半径最小时,求圆B的标准方程.
圆B:(x-a)2+(y-b)2=1+b2,
即2b+4=-(a+1)2≤0,
所以当圆B的半径最小时,其标准方程为(x+1)2+(y+2)2=5.
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
∴|C1C2|==a.
∴=1+,解得a=16.
的解,
又圆C1的圆心(-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.
方法一 解方程组
则=,
解得a=,故圆心为,半径为.
故圆的方程为2+2=,
其圆心为,代入x-y-4=0,
其到直线l的距离d==,
所以所求弦长为2=.
解由①②③组成的方程组得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
=r. ③
又因为与圆x2+y2-2x=0外切,且过点(3,-),
所以
解得或(舍去).
+
所以=2-1,即4a2+b2=1,所以+=·(4a2+b2)=5++≥5+2=9,当且仅当=,即a2=,b2=时,等号成立,所以+的最小值为9.
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.
依题意有=3+2,
圆心距d==5,
2
圆心(0,0)到直线的距离d===1,
得相交弦所在的直线方程为y=,
两圆的圆心距为=5=2+3,两圆相外切,故两圆的公切线的条数为3.
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.
∵|C1C|=∈(r1-r,r1+r),∴两圆相交;
∴|C1C2|===8.
所以|CM|=|3±|,即5=|3±|,
由于两圆只有一条公切线,所以两圆相内切,所以=2-1=1,整理得4a2+b2=1.
x2+y2-x-y-=0
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.
设过圆C1与圆C2的圆系方程为(x-1)2+(y-2)2-1+λ(x2+y2-4)=0(λ≠-1),即(1+λ)x2+(1+λ)y2-2x-4y+4(1-λ)=0,所以2+2=,由圆心到直线x+2y=0的距离等于圆的半径,可得=,解得λ=1,故所求圆的方程为x2+y2-x-2y=0.
所以=2,即=2,
解得k=,所以直线方程为5x-12y+7=0.
所以=5,
圆x2+y2=1的圆心C1(0,0),半径r1=1,圆(x-4)2+(y+3)2=m的圆心C2(4,-3),半径r2=(m>0),则|C1C2|==5,两圆有公共点⇔|-1|≤5≤+1,解得16≤m≤36,显然[16,36][16,+∞).故“m≥16”是“圆C1:x2+y2=1与圆C2:(x-4)2+(y+3)2=m有公共点”的必要而不充分条件.
C.公共弦AB的长为
D.P为圆O1上一动点,则P到直线AB距离的最大值为+1
对于C,圆O1:x2+y2-2x=0的圆心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的距离为d
=,半径r=1,即P到直线AB距离的最大值为+1,故D正确.
到原点的距离为的点的轨迹为圆C1:x2+y2=2,
因此圆C:(x-a)2+(y-a)2=8上总存在两个点到原点的距离均为,
∵两圆的圆心和半径分别为C1(0,0),r1=,C(a,a),r=2,
∴r-r1<|C1C|<r1+r,∴<|a|<3,
线段PC的中点坐标为,|PC|==,
2+(y-1)2=2,
又C(-1,0)到直线3x+2y-1=0的距离为
=,
所以|AB|=2=.
所以d=AB,即d=,
所以d=2,所以=d=2,
解得a=8±2;
其半径为,由(1)知a2+2a+2b+5=0,
所以b≤-2,因而≥,
$