内容正文:
第2章
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习题课 与圆有关的最值(范围)问题
1.能用直线与圆的方程解决一些简单的最值问题.
2.初步了解用代数方法处理几何问题的思想.
学习目标
一、与距离有关的最值问题
二、与面积有关的最值问题
课时对点练
三、利用数学式的几何意义求解最值问题
随堂演练
内容索引
与距离有关的最值问题
一
1.如图①,圆外一点到圆上任意一点距离的最小值=_____,最大值=_____.
图① 图②
2.如图②,直线与圆相离,圆上任意一点到直线距离的最小值=_____,最大值=_____.
d-r
d+r
d-r
d+r
知识梳理
5
3.如图③,过圆内一定点的直线被圆截得的弦长的最小值=__________,最大值=____.
图③ 图④
4.如图④,直线与圆相离,过直线上一点作圆的切线,切线长的最小值=_________.
2r
6
(1)当直线l:(2m+1)x+(m+1)y-7m-4=0(m∈R)被圆C:(x-1)2
+(y-2)2=25截得的弦最短时,m的值为______.
例 1
7
√
8
由已知得点(x1,y1)在圆(x-2)2+y2=5上,点(x2,y2)在直线x-2y+4=0上,
9
(1)形如(x-a)2+(y-b)2形式的最值问题,可转化为动点(x,y)到定点(a,b)的距离的平方的最值问题.
(2)定点到圆上动点距离的最值可以先计算定点到圆心的距离,然后利用数形结合确定距离的最值.
反
思
感
悟
10
(1)从点P(1,-2)向圆C:x2+y2-2mx-2y+m2=0作切线,当切线长最短时,m的值为
A.-1 B.1
C.2 D.0
跟踪训练 1
√
x2+y2-2mx-2y+m2=0可化为(x-m)2+(y-1)2=1,圆心C(m,1),半径为1,
即当m=1时,|CP|最小,切线长最短.
11
(2)过点A(3,1)作圆C:(x-2)2+(y-2)2=4的弦,其中最短弦长为_____.
易知圆心C(2,2),半径r=2.
当弦过点A(3,1)且与CA垂直时弦长最短,
12
二
与面积有关的最值问题
(1)已知点O(0,0),A(0,2),点M是圆(x-3)2+(y+1)2=4上的动点,则△OAM面积的最小值为_____.
例 2
1
根据题意,得圆(x-3)2+(y+1)2=4的圆心为(3,-1),半径r=2,
O(0,0),A(0,2),OA所在的直线是y轴,
当M到直线AO的距离最小时,△OAM的面积最小,
则M到直线AO的距离的最小值d=3-2=1,
14
(2)已知点P(x,y)是直线kx+y+4=0(k>0)上一动点,PA,PB是圆C:x2+y2-2y=0的两条切线,A,B是切点,若四边形PACB的最小面积是2,则k=____.
2
15
圆C:x2+y2-2y=0的圆心为C(0,1),半径r=1,
由圆的性质可知,四边形PACB的面积S=2S△PBC,
所以当|PC|取最小值时,|PB|最小.
又点P(x,y)是直线kx+y+4=0上的动点,
当CP垂直于直线kx+y+4=0时,|PC|最小,即为圆心C(0,1)到直线的距离,
16
因为k>0,所以k=2.
17
反
思
感
悟
求圆的面积的最值问题,一般转化为寻求圆的半径相关的函数关系或者几何图形的关系,借助函数求最值的方法,如配方法、基本不等式法等求解,有时可以通过转化思想,利用数形结合思想求解.
直线y=kx+3与圆O:x2+y2=1相交于A,B两点,则△OAB面积的最大值为
跟踪训练 2
√
19
设圆心到直线的距离为d(0<d<1),
20
利用数学式的几何意义求解最值问题
三
已知点P(x,y)在圆C:x2+y2-6x-6y+14=0上.
例 3
22
方程x2+y2-6x-6y+14=0可化为(x-3)2+(y-3)2=4.
23
(2)求x2+y2+2x+3的最大值与最小值;
x2+y2+2x+3=(x+1)2+y2+2,它表示圆上的点P到E(-1,0)的距离的平方再加2,所以当点P与点E的距离最大或最小时,所求式子取得最大值或最小值,如图②所示,显然点E在圆C的外部,所以点P与点E距离的最大值为|P1E|=|CE|+2,点P与点E距离的最小值为|P2E|=|CE|-2.
24
(3)求x+y的最大值与最小值.
25
反
思
感
悟
(多选)已知实数x,y满足方程x2+y2-4x+1=0,则下列说法正确的是
跟踪训练 3
√
√
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1.知识清单:
(1)与距离、面积有关的最值问题.
(2)利用数学式的几何意义求解圆的最值问题.
2.方法归纳:数形结合、转化思想.
3.常见误区:忽略隐含条件导致范围变大.
课堂小结
随堂演练
四
1
2
3
4
1.圆x2+y2=4上的点到直线4x-3y+25=0的距离的取值范围是
A.[3,7] B.[1,9]
C.[0,5] D.[0,3]
√
x2+y2=4,圆心(0,0),半径r=2,
所以圆上的点到直线的距离的最小值为5-2=3,
最大值为5+2=7,所以圆上的点到直线的距离的取值范围为[3,7].
2.已知O为坐标原点,点P在单位圆上,过点P作圆C:(x-4)2+(y-3)2=4的切线,切点为Q,则|PQ|的最小值为
1
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√
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4
4.已知圆C1:x2+y2+4x-4y=0,动点P在圆C2:x2+y2-4x-12=0上,则△PC1C2面积的最大值为______.
1
2
3
4
课时对点练
五
1.已知过点(1,1)的直线l与圆x2+y2-4x=0交于A,B两点,则|AB|的最小值为
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基础巩固
√
将圆的方程x2+y2-4x=0化为标准方程为(x-2)2+y2=4,
2.已知直线l:x-y+4=0与圆C:(x-1)2+(y-1)2=2,则圆C上的点到直线l的距离的最小值为
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3.点P在圆C1:x2+y2-8x-4y+11=0上,点Q在圆C2:x2+y2+4x+2y+1=0上,则|PQ|的最小值是
√
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圆x2+y2-8x-4y+11=0化为标准方程为(x-4)2+(y-2)2=9,圆心为C1(4,2),半径为3;
圆x2+y2+4x+2y+1=0化为标准方程为(x+2)2+(y+1)2=4,
圆心为C2(-2,-1),半径为2,
∴两圆外离,
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4.已知实数x,y满足方程x2+y2-4x-1=0,则y-2x的最小值和最大值分别为
A.-9,1 B.-10,1
C.-9,2 D.-10,2
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y-2x可看作是直线y=2x+b在y轴上的截距,如图所示,
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如图,由题意得|PM|2=|PC|2-r2,
当PC⊥l时,|PC|最小,则|PM|最小.
6.(多选)已知点P在圆(x-5)2+(y-5)2=16上,点A(4,0),B(0,2),则
A.点P到直线AB的距离小于10
B.点P到直线AB的距离大于2
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7.在平面直角坐标系xOy中,以点(1,0)为圆心且与直线mx-y-2m-1=0(m∈R)相切的所有圆中,半径最大的圆的标准方程为_______________.
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(x-1)2+y2=2
∵直线mx-y-2m-1=0恒过定点(2,-1),
∴半径最大的圆的标准方程为(x-1)2+y2=2.
8.已知圆C:(x-4)2+(y-3)2=4和两点A(-m,0),B(m,0)(m>0).若圆C上存在点M,使得AM⊥MB,则m的最小值为____.
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根据题意,点A(-m,0),B(m,0)(m>0),
则AB的中点为(0,0),|AB|=2m,
若圆C上存在点M,使得AM⊥MB,
则圆C与圆O有交点,
又由m>0,解得3≤m≤7,即m的最小值为3.
9.已知M为圆C:x2+y2-4x-14y+45=0上任意一点,且点Q(-2,3).
(1)求|MQ|的最大值和最小值;
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由圆C的方程x2+y2-4x-14y+45=0化为标准方程得(x-2)2+(y-7)2=8,
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设直线MQ的方程为y-3=k(x+2),
由直线MQ与圆C有交点,
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10.已知直线l:3x+4y+1=0,一个圆与x轴正半轴、y轴正半轴都相切,且圆心C到直线l的距离为3.
(1)求圆的方程;
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∵圆与x,y轴正半轴都相切,
∴圆的方程可设为(x-a)2+(y-a)2=a2(a>0),
∵圆心C到直线l的距离为3,
解得a=2,∴圆的方程为(x-2)2+(y-2)2=4.
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(2)P是直线l上的动点,PE,PF是圆的两条切线,E,F分别为切点,求四边形PECF的面积的最小值.
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PE,PF是圆的两条切线,E,F分别为切点,
∴△PCE≌△PCF,
∴S四边形PECF=2S△PCE,PE是圆的切线,且E为切点,
∴PE⊥CE,|CE|=2,|PE|2=|PC|2-|CE|2=|PC|2-4,
∴当斜边PC取最小值时,PE也最小,即四边形PECF的面积最小.|PC|min即为点C到直线l的距离,由(1)知|PC|min=3,
11.若圆(x+1)2+(y-2)2=8关于直线2ax+by+6=0对称,则由点M(a,b)向圆所作的切线长的最小值是
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综合运用
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13.已知圆C的方程为(x-2)2+(y-1)2=5,点B的坐标为(0,2),设P,Q分别是直线l:x+y+2=0和圆C上的动点,则|PB|+|PQ|的最小值为______.
由于点B(0,2)关于直线l:x+y+2=0的对称点为B′(-4,-2),
则|PB|+|PQ|=|PB′|+|PQ|≥|B′Q|,
14.已知圆O:x2+y2=4,直线l过点(1,1)且与圆O交于A,B两点,当△AOB的面积最大时,直线l的方程为____________.
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x+y-2=0
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当直线l的斜率存在时,
设l的方程为y-1=k(x-1),k≠1,
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当且仅当4-d2=d2,即d2=2时,
S△OAB取得最大值2,
则直线l的方程为x+y-2=0.
15.点A是圆C1:(x-2)2+y2=1上的任一点,圆C2是过点(5,4)且半径为1的动圆,点B是圆C2上的任一点,则AB长度的最小值为
A.1 B.2
C.3 D.4
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拓广探究
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由题可知点C2的轨迹方程是(x-5)2+(y-4)2=1,
即得点C2是圆C3:(x-5)2+(y-4)2=1上的动点,
又由题知点B是圆C2上的动点,
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(1)求圆C的标准方程;
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所以C(-1,0),
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即r=2,
所以圆C的标准方程为(x+1)2+y2=4.
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(2)已知N(2,1),经过原点且斜率为正数的直线l1与圆C交于P(x1,y1),Q(x2,y2).
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设直线l1:y=kx(k>0),与圆联立方程组可得(1+k2)x2+2x-3=0,
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②求|PN|2+|QN|2的最大值.
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|PN|2+|QN|2
=(x1-2)2+(y1-1)2+(x2-2)2+(y2-1)2
=(x1-2)2+(kx1-1)2+(x2-2)2+(kx2-1)2
令t=3+k(t>3),则k=t-3,
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解得m=-.
-
直线l的方程可化为(2x+y-7)m+x+y-4=0,令
解得定点坐标为M(3,1),因为圆心C(1,2),当直线l与CM垂直时,直线被圆截得的弦长最短,kCM==-,kl=-,
所以kCM×kl=×=-1,
(2)在平面直角坐标系xOy中,已知(x1-2)2+y=5,x2-2y2+4=0,则(x1-x2)2+(y1-y2)2的最小值为
A. B. C. D.
故(x1-x2)2+(y1-y2)2表示圆(x-2)2+y2=5上的点和直线x-2y+4=0上点的距离的平方,又直线与圆相离,所以距离的最小值为-=,故(x1-x2)2+(y1-y2)2的最小值为.
切线长最短时,|CP|最小,|CP|=,
2
|CA|==.
∴最短弦长=2=2=2.
则△OAM面积的最小值S=×|OA|×d=1.
又四边形PACB的最小面积是2,则S△PBC的最小
值为S=1=r|PB|min=|PB|min,则|PB|min=2,
因为|PB|==,
所以==,解得k=±2,
A.1 B. C. D.
当且仅当d=时,等号成立.
则|AB|=2,
所以S△ABO=·2·d=,
由基本不等式,可得S△ABO=≤=,
(1)求的最大值和最小值;
表示圆上的点P与原点连线所在直线的斜率,如图①所示,显然PO(O为坐标原点)与圆相切时,斜率最大或最小.
设切线方程为y=kx(由题意知,斜率一定存在),即kx-y=0,由圆心C(3,3)到切线的距离等于半径2,可得=2,解得k=,所以的最大值为,最小值为.
又|CE|==5,所以x2+y2+2x+3的最大值为(5+2)2+2=51,最小值为(5-2)2+2=11.
设x+y=b,则b表示动直线y=-x+b在y轴上的截距,如图③所示,显然当动直线y=-x+b与圆(x-3)2+(y-3)2=4相切时,b取得最大值或最小值,此时圆心C(3,3)到切线x+y=b的距离等于圆的半径2,则=2,即|b-6|=2,解得b=6±2,所以x+y的最大值为6+2,最小值为6-2.
(1)形如u=形式的最值问题,可转化为过点(x,y)和(a,b)的动直线斜率的最值问题.
(2)形如l=ax+by形式的最值问题,可转化为动直线y=-x+的截距的最值问题.
A.y-x的最大值为-2
B.x2+y2的最大值为7+4
C.的最大值为
D.x+y的最大值为2+
对于A,设z=y-x,则y=x+z,z表示直线y=x+z的纵截距,当直线与圆(x-2)2+y2=3有公共点时,≤,解得--2≤z≤-2,所以y-x的最大值为-2,故A说法正确;
对于B,x2+y2的几何意义是表示圆上的点到原点距离的平方,易知原点到圆心的距离为2,则原点到圆上的最大距离为2+,所以x2+y2的最大值为(2+)2=7+4,故B说法正确;
对于D,设m=x+y,则y=-x+m,m表示直线y=-x+m的纵截距,当直线与圆(x-2)2+y2=3有公共点时,≤,解得-+2≤m≤+2,所以x+y的最大值为+2,故D说法错误.
对于C,设=k,则y=kx,把y=kx代入圆的方程得(1+k2)x2-4x+1=0,则Δ=16-4(1+k2)≥0,解得-≤k≤,所以的最大值为,故C说法错误;
圆心到直线4x-3y+25=0的距离d==5,
A. B.2 C.2 D.4
根据题意,圆C:(x-4)2+(y-3)2=4,其圆心C(4,3),半径r=2,过点P作圆C:(x-4)2+(y-3)2=4的切线,切点为Q,则|PQ|=,当|PC|最小时,|PQ|最小,又由点P在单位圆上,则|PC|的最小值为|OC|-1=-1=4,则|PQ|的最小值为=2.
3.点M(x,y)在圆x2+(y-2)2=1上运动,则的取值范围是
A.[,+∞)
B. (-∞,-]
C. (-∞,-]∪[,+∞)
D. [-,]
将看作圆上动点(x,y)与原点O(0,0)连线的斜率,
设=k,如图,
可得k≥或k≤-.
所以|C1C2|==2,
当PC2⊥C1C2时,△PC1C2的面积最大,其最大值为×2×4=4.
4
因为C1(-2,2),r1=2,C2(2,0),r2=4,
A. B.2 C.2 D.4
则圆心为(2,0),半径r=2,则圆心(2,0)到定点(1,1)的距离为,
|AB|的最小值为2=2.
A. B. C.1 D.3
由题意知,圆C上的点到直线l的距离的最小值等于圆心(1,1)到直线l的距离减去圆的半径,即-=.
A.5 B.1 C.3-5 D.3+5
∴两圆的圆心距为|C1C2|==3>5,
∴|PQ|的最小值是两圆的圆心距减去两圆半径的和,即3-5.
当直线y=2x+b与圆x2+y2-4x-1=0相切时,b取得最大值或最小值,此时=,解得b=-9或b=1,所以y-2x的最大值为1,最小值为-9.
5.已知点P是直线l:3x+4y-7=0上的动点,过点P引圆C:(x+1)2+y2=r2(r>0)的两条切线PM,PN,M,N为切点,则当PM的最小值为时,r的值为
A.2 B. C. D.1
由题意得|PC|min=d==2,
所以()2=22-r2,解得r=1.
C.当∠PBA最小时,|PB|=3
D.当∠PBA最大时,|PB|=3
设圆(x-5)2+(y-5)2=16的圆心为M(5,5),由题易知直线AB的方程为+=1,即x+2y-4=0,则圆心M到直线AB的距离d==>4,所以直线AB与圆M相离,所以点P到直线AB的距离的最大值为4+d=4+,4+<5+=10,故A正确.
易知点P到直线AB的距离的最小值为d-4=-4,-4<-4=1,故B不正确.
过点B作圆M的两条切线,切点分别为N,Q,如图所示,连接MB,MN,MQ,则当∠PBA最小时,点P与N重合,|PB|===3,当∠PBA最大时,点P与Q重合,|PB|=3,故C,D都正确.
∴圆心(1,0)到直线mx-y-2m-1=0的最大距离为d==,
∴半径最大为,
则以AB的中点为圆心,半径r=×|AB|的圆为x2+y2=m2,设该圆为圆O,
必有|m-2|≤|OC|≤m+2,即
∴圆心C的坐标为(2,7),半径r=2,
又|QC|==4,
∴|MQ|max=4+2=6,
|MQ|min=4-2=2.
由题意可知表示直线MQ的斜率,
即kx-y+2k+3=0,则=k.
得≤2,可得2-≤k≤2+,
(2)若M(m,n),求的最大值和最小值.
∴的最大值为2+,最小值为2-.
由点到直线的距离公式,得d==3,
∴|PE|=32-4=5,即|PE|min=,
∴(S△PCE)min=|EC|·|PE|min=×2×=,
∴四边形PECF的面积的最小值为2.
A. B.3 C. D.2
由圆(x+1)2+(y-2)2=8关于直线2ax+by+6=0对称,得圆心(-1,2)在直线2ax+by+6=0上,可得b=a-3,点M(a,b)到圆心的距离为,则由点M(a,b)向圆所作的切线长为=,当a=2时,所求的切线长取得最小值,为.
12.已知实数x,y满足方程y=,则的最大值为
A.0 B.1 C. D.2
方程y=化为(x-2)2+y2=3(y≥0),表示的图形是一个半圆,令=k,即y=kx,
如图所示,当直线与半圆相切时,k=(负值舍去),所以的最大值为.
2
又B′到圆C上点Q的最短距离为|B′C|-r=3-=2,
所以|PB|+|PQ|的最小值为2.
当直线l的斜率不存在时,l的方程为x=1,则A,B的坐标为(1,),(1,-),
∴S△OAB=×2×1=;
则圆心到直线l的距离d==,
由平面几何知识得|AB|=2,
∴S△OAB=|AB|×d=×2×d=×d≤=2,
∵<2,∴S△OAB的最大值为2,
此时,由=,解得k=-1.
如图可得|AB|min=-1-1-1=2.
16.已知圆心在x轴上的圆C与直线l:4x+3y-6=0切于点M.
由圆心在x轴上的圆C与直线l:4x+3y-6=0切于点M,设C(a,0),
则kCM=,
直线l:4x+3y-6=0的斜率为-,
所以·=-1,所以a=-1,
|CM|==2,
①求证:+为定值;
Δ=4+12(1+k2)>0,x1+x2=-,
x1x2=-,
则 +==为定值.
=(1+k2)(x1+x2)2-2(1+k2)x1x2-(4+2k)(x1+x2)+10=+16,
所以+16=+16
=+16≤+16=2+22,
当且仅当t=,即t=时取等号,此时k=-3,
所以|PN|2+|QN|2的最大值为2+22.
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