内容正文:
第二章 直线和圆的方程
2.4 圆的方程
2.4.1 圆的标准方程
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1.掌握圆的定义及标准方程.2.会用待定系数法求圆的标准方程,能准确判断点与圆的位置关系.
填一填
1.圆的标准方程
(1)圆的定义:圆是平面上到 eq \o(□,\s\up4(1)) 的距离等于 eq \o(□,\s\up4(2)) 的点的集合,定点称为圆的 eq \o(□,\s\up4(3)) ,定长称为圆的 eq \o(□,\s\up4(4)) .
(2)确定圆的要素是 eq \o(□,\s\up4(5)) 和 eq \o(□,\s\up4(6)) ,如图所示.
(3)圆的标准方程:圆心为A(a,b),半径为r的圆的标准方程是
eq \o(□,\s\up4(7)) .
当a=b=0时,方程为x2+y2=r2,表示以 eq \o(□,\s\up4(8)) 为圆心、半径为r的圆.
【提醒】 (1)圆的标准方程的右端r2>0,当方程右端小于或等于0时,方程不是圆的标准方程.
(2)圆的标准方程中含有三个参数a,b,r,只要求出a,b,r,圆的方程就确定了,因此,确定圆的方程需要三个独立条件,其中圆心是定位条件,半径是定形条件.
2.点与圆的位置关系
圆的标准方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,圆心为A(a,b),半径为r.设点M(x0,y0),则
位置关系
利用距离判断
利用方程判断
点M在圆上
|AM|=r
(x0-a)2+(y0-b)2=r2
点M在圆外
|AM|>r
(x0-a)2+(y0-b)2>r2
点M在圆内
|AM|<r
(x0-a)2+(y0-b)2<r2
练一练
1.判断正误
(1)方程(x-a)2+(y-b)2=m2一定表示圆.( )
(2)圆(x+1)2+(y+2)2=4的圆心坐标是(1,2),半径是4.( )
(3)若圆的标准方程为(x+m)2+(y+n)2=a2(a≠0),则圆的半径一定是a.( )
(4)若原点在圆(x-x0)2+(y-y0)2=r2上,则x eq \o\al(2,0)+y eq \o\al(2,0)=r2.( )
2.圆心为(-2,3),半径为2的圆的方程是( )
A.(x-2)2+(y+3)2=2
B.(x+2)2+(y-3)2=4
C.(x+2)2+(y-3)2=2
D.(x-2)2+(y+3)2=4
解析 因为圆心为(-2,3),半径为2,所以圆的标准方程为(x+2)2+(y-3)2=4.故选B.
3.点(1,1)在圆(x+2)2+y2=m上,则圆的方程是 .
解析 因为点(1,1)在圆(x+2)2+y2=m上,故(1+2)2+12=m,所以m=10,即圆的方程为(x+2)2+y2=10.
4.以两点A(-3,-1)和B(5,5)为直径端点的圆的标准方程是
.
解析 ∵AB为直径,∴AB的中点(1,2)为圆心, eq \f(1,2)|AB|= eq \f(1,2)
eq \r((5+3)2+(5+1)2)=5为半径,∴该圆的标准方程为(x-1)2+(y-2)2=25.
类型一 圆的标准方程的理解 自主探究
1.若某圆的标准方程为(x-1)2+(y+5)2=3,则此圆的圆心和半径分别为( )
A.(-1,5), eq \r(3)
B.(1,-5), eq \r(3)
C.(-1,5),3
D.(1,-5),3
解析 由圆的标准方程可知,圆心为(1,-5),半径为 eq \r(3).
2.与圆C:(x-1)2+y2=36同圆心,且面积等于圆C面积的一半的圆的标准方程为 .
解析 圆C的半径R=6,设所求圆的半径为r,则 eq \f(πr2,πR2)= eq \f(1,2),所以r2=18,
又圆心坐标为(1,0),则所求圆的标准方程为(x-1)2+y2=18.
已知圆心(a,b)和半径r(r>0),即可写出圆的标准方程(x-a)2+(y-b)2=r2.
类型二 求圆的标准方程
【例1】 已知圆C经过点A(3,6)和点B(5,2),且CA⊥直线l:4x-3y+6=0,求圆C的标准方程.
解 解法一:设圆C的标准方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,则圆心为C(a,b).
由|CA|=|CB|=r,CA⊥l,
得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1((3-a)2+(6-b)2=r2,,(5-a)2+(2-b)2=r2,,\f(b-6,a-3)×\f(4,3)=-1,))解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=5,,b=\f(9,2),,r2=\f(25,4),))
所以圆C的标准方程为(x-5)2+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(9,2)))
eq \s\up42(2)= eq \f(25,4).
解法二:因为直线CA⊥l,故直线CA的方程为y-6=- eq \f(3,4)(x-3),即3x+4y-33=0.
又因为kAB= eq \f(6-2,3-5)=-2,线段AB的中点坐标为(4,4),
所以线段AB的垂直平分线方程为y-4= eq \f(1,2)(x-4),即x-2y+4=0,
解方程组 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3x+4y-33=0,,x-2y+4=0,))得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=5,,y=\f(9,2),))
所以圆心C eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(5,\f(9,2))),所以半径r=|AC|= eq \f(5,2).
所以圆C的标准方程为(x-5)2+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(9,2)))
eq \s\up42(2)= eq \f(25,4).
求圆的标准方程的方法
(1)待定系数法(代数法)
根据条件设出圆的标准方程(x-a)2+(y-b)2=r2,再由题目给出的条件,列出关于a,b,r的方程组,求出a,b,r,代入标准方程即可.
(2)直接法(几何法)
根据圆的几何性质,直接求得圆心坐标和半径,从而得到圆的标准方程.
[跟踪训练1] 求下列圆的标准方程:
(1)圆心在直线y=x+1上,半径为2 eq \r(2),点(-1,0)在圆上;
(2)圆心在x轴上,半径长为5,且截y轴所得线段长为8.
解 (1)设所求圆的圆心坐标为(a,a+1),则所求圆的标准方程为(x-a)2+(y-a-1)2=8,代入点(-1,0)的坐标,得(-1-a)2+(0-a-1)2=8,解得a=1或-3.
故所求圆的标准方程为(x-1)2+(y-2)2=8或(x+3)2+(y+2)2=8.
(2)解法一(几何性质法):如图所示,
由题设知|AC|=r=5,
|AB|=8,
∴|AO|=4.
在Rt△AOC中,
|OC|= eq \r(|AC|2-|AO|2)= eq \r(52-42)=3.
设点C坐标为(a,0),则|OC|=|a|=3,
∴a=±3.
∴所求圆的标准方程为(x+3)2+y2=25或(x-3)2+y2=25.
解法二(待定系数法):由题意设所求圆的标准方程为(x-a)2+y2=25.
∵圆截y轴所得线段长为8,
∴圆过点A(0,4),
代入方程得a2+16=25,∴a=±3.
∴所求圆的标准方程为(x+3)2+y2=25或(x-3)2+y2=25.
类型三 点与圆的位置关系
【例2】 已知点A(1,2)和圆C:(x-a)2+(y+a)2=2a2,试分别求满足下列条件的实数a的取值范围:
(1)点A在圆的内部;
(2)点A在圆上;
(3)点A在圆的外部.
解 (1)因为点A在圆的内部,所以(1-a)2+(2+a)2<2a2,且a≠0,解得a<- eq \f(5,2).
(2)因为点A在圆上,所以(1-a)2+(2+a)2 =2a2,且a≠0,解得a=- eq \f(5,2).
(3)因为点A在圆的外部,所以(1-a)2+(2+a)2>2a2,且a≠0,解得a>- eq \f(5,2)且a≠0.
判断点与圆位置关系的两种方法
(1)几何法:将点到圆心的距离与半径比较大小;
(2)代数法:把点的坐标代入圆的标准方程,比较式子两边的大小,并作出判断.
[跟踪训练2] (1)已知点P(a,10),圆的标准方程为(x-1)2+(y-1)2=12,则点P( )
A.在圆内
B.在圆上
C.在圆外
D.与a的取值有关
(2)已知点(a+1,a-1)在圆x2+(y-a)2=a2+4外,则实数a的取值范围为( )
A.(-∞,1)
B.(1,+∞)
C.(0,1)
D. eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,5),+∞))
解析 (1)∵(a-1)2+(10-1)2=(a-1)2+81>12,∴点P在圆外.故选C.
(2)圆x2+(y-a)2=a2+4的圆心为(0,a),半径r= eq \r(a2+4).因为点(a+1,a-1)在圆x2+(y-a)2=a2+4外,所以点(a+1,a-1)到圆心(0,a)的距离大于半径,即 eq \r((a+1)2+(-1)2)> eq \r(a2+4),解得a>1,故a的取值范围为(1,+∞).
1.知识清单
(1)圆的标准方程.
(2)点与圆的位置关系.
2.方法归纳:直接法、待定系数法.
3.常见误区:几何法求圆的标准方程时易出现漏解情况.
1.圆心为(-3,4),半径为4的圆的标准方程为( )
A.(x-3)2+(y+4)2=16
B.(x-3)2+(y+4)2=4
C.(x+3)2+(y-4)2=16
D.(x+3)2+(y-4)2=4
解析 圆心为(-3,4),半径为4,故所求圆的标准方程为(x+3)2+(y-4)2=16,故选C.
2.点P(m2,5)与圆x2+y2=24的位置关系是( )
A.点P在圆内
B.点P在圆外
C.点P在圆上
D.不确定
解析 由(m2)2+52=m4+25>24,得点P在圆外.
3.圆心为C(1,1)且过点A(4,-3)的圆的标准方程是( )
A.(x-1)2+(y-1)2=5
B.(x+1)2+(y+1)2=5
C.(x+1)2+(y+1)2=25
D.(x-1)2+(y-1)2=25
解析 设圆的半径为r,因为圆的圆心为C(1,1)且过点A(4,-3),所以r= eq \r((1-4)2+(1+3)2)=5,所以所求圆的标准方程是(x-1)2+(y-1)2=25.故选D.
4.与圆(x-2)2+(y+3)2=16同圆心,且过点P(0,1)的圆的标准方程为
.
解析 因为已知圆的圆心为(2,-3),所以所求圆的圆心为(2,-3).又该圆的半径r= eq \r((2-0)2+(-3-1)2)=2 eq \r(5),所以所求圆的标准方程为(x-2)2+(y+3)2=20.
基础巩固
1.在平面直角坐标系xOy中,已知P1(0,2),P2(4,4)两点,若圆M以P1P2为直径,则圆M的标准方程为( )
A.(x-2)2+(y-3)2=5
B.(x-2)2+(y-3)2= eq \r(5)
C.(x-1)2+(y-4)2=5
D.(x-1)2+(y-4)2= eq \r(5)
解析 由题意可知,圆心M的横坐标为 eq \f(0+4,2)=2,纵坐标为 eq \f(2+4,2)=3,即点M(2,3),
圆M的半径为|MP1|= eq \r((2-0)2+(3-2)2)= eq \r(5),
因此,圆M的标准方程为(x-2)2+(y-3)2=5.故选A.
2.已知圆(x-a)2+(y-1)2=2a(0<a<1),则原点O在( )
A.圆内
B.圆外
C.圆上
D.圆上或圆外
解析 由圆的方程(x-a)2+(y-1)2=2a,知圆心为(a,1),则原点与圆心的距离为 eq \r(a2+1).
∵0<a<1,∴ eq \r(a2+1)> eq \r(2a)=r,即原点在圆外.
3.若圆C与圆(x+2)2+(y-1)2=1关于原点对称,则圆C的方程为( )
A.(x-2)2+(y+1)2=1
B.(x-2)2+(y-1)2=1
C.(x-1)2+(y+2)2=1
D.(x+1)2+(y-2)2=1
解析 由题意可知圆(x+2)2+(y-1)2=1的圆心坐标为(-2,1),半径为1,所以其关于原点对称的圆的圆心坐标为(2,-1),半径为1,所以所求圆C的方程为(x-2)2+(y+1)2=1.
4.(2024·湖南益阳期末)以点A(1,2)为圆心,两平行线x-y+1=0与2x-2y+7=0之间的距离为半径的圆的方程为( )
A.(x+1)2+(y+2)2= eq \f(9,2)
B.(x-1)2+(y-2)2= eq \f(25,8)
C.(x+1)2+(y+2)2= eq \f(25,8)
D.(x-1)2+(y-2)2= eq \f(9,2)
解析 直线方程2x-2y+7=0可化为x-y+ eq \f(7,2)=0,则两条平行线之间的距离d= eq \f(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(7,2)-1)),\r(12+(-1)2))= eq \f(5\r(2),4),即圆的半径r= eq \f(5\r(2),4),所以所求圆的方程为(x-1)2+(y-2)2= eq \f(25,8).故选B.
5.(多选)已知圆M:(x-4)2+(y+3)2=25,则下列说法正确的是( )
A.圆M的圆心为(4,-3)
B.圆M的圆心为(-4,3)
C.圆M的半径为5
D.y轴被圆M截得的线段长为6
解析 由圆M:(x-4)2+(y+3)2=52,
得圆心为(4,-3),半径为5,则A、C正确;
令x=0,得y=0或y=-6,则y轴被圆M截得的线段长为6,故D正确.
6.方程|x|-1= eq \r(1-(y-1)2)所表示的曲线是( )
A.一个圆
B.两个圆
C.一个半圆
D.两个半圆
解析 由题意,得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1((|x|-1)2+(y-1)2=1,,|x|-1≥0,))
即 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1((x-1)2+(y-1)2=1,,x≥1))
或 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1((x+1)2+(y-1)2=1,,x≤-1,))
故原方程表示两个半圆.
7.若圆(x+1)2+(y-3)2=9上相异两点P,Q关于直线kx+2y-4=0对称,则k的值为 .
解析 圆是轴对称图形,过圆心的直线都是它的对称轴.已知圆的圆心为(-1,3),由题设知,直线kx+2y-4=0过圆心,即k×(-1)+2×3-4=0,所以k=2.
8.(2023·河南郑州质检)△ABC三个顶点分别是A(1,1),B(4,2),C(3,0),则△ABC外接圆的方程是 .
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(5,2))) eq \s\up42(2)+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(3,2))) eq \s\up42(2)= eq \f(5,2)
解析 依题意,直线AC的斜率kAC= eq \f(0-1,3-1)=- eq \f(1,2),直线BC的斜率kBC= eq \f(0-2,3-4)=2,则kAC·kBC =-1,即AC⊥BC.因此△ABC外接圆是以线段AB为直径的圆.AB的中点为 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5,2),\f(3,2))),半径r= eq \f(1,2)|AB|= eq \f(\r(10),2),所以△ABC外接圆的方程是 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(5,2))) eq \s\up42(2)+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(y-\f(3,2))) eq \s\up42(2)= eq \f(5,2).
9.求圆心在直线x-2y-3=0上,且过点A(2,-3),B(-2,-5)的圆的标准方程.
解 解法一:设点C为圆心,
∵点C在直线x-2y-3=0上,
∴可设点C的坐标为(2a+3,a).
又∵该圆经过A,B两点,∴|CA|=|CB|,
∴ eq \r((2a+3-2)2+(a+3)2)
= eq \r((2a+3+2)2+(a+5)2),
解得a=-2.
∴圆心为C(-1,-2),半径r= eq \r(10),
故所求圆的标准方程为(x+1)2+(y+2)2=10.
解法二:设所求圆的标准方程为(x-a)2+(y-b)2=r2,
由条件知 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1((2-a)2+(-3-b)2=r2,,(-2-a)2+(-5-b)2=r2,,a-2b-3=0,))
解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=-1,,b=-2,,r2=10,))
故所求圆的标准方程为(x+1)2+(y+2)2=10.
10.已知矩形ABCD的两条对角线相交于点M(2,0),AB边所在直线的方程为x-3y-6=0,点T(-1,1)在AD边所在的直线上.
(1)求AD边所在直线的方程;
(2)求矩形ABCD外接圆的标准方程.
解 (1)因为AB边所在直线的方程为x-3y-6=0,且AD与AB垂直,所以AD边所在直线的斜率为-3.
又点T(-1,1)在AD边所在的直线上,
所以AD边所在直线的方程为y-1=-3(x+1),即3x+y+2=0.
(2)由 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x-3y-6=0,,3x+y+2=0,))解得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=0,,y=-2,))
即点A的坐标为(0,-2).
因为矩形ABCD的两条对角线的交点为M(2,0),
所以点M为矩形ABCD外接圆的圆心.
又矩形ABCD外接圆的半径r=|AM|= eq \r((2-0)2+(0+2)2)=2 eq \r(2),
所以矩形ABCD外接圆的标准方程为(x-2)2+y2=8.
能力提升
11.若实数x,y满足(x+5)2+(y-12)2=142,则x2+y2的最小值为( )
A.2
B.1
C. eq \r(3)
D. eq \r(2)
解析 方程(x+5)2+(y-12)2=142表示以(-5,12)为圆心,14为半径的圆,x2+y2表示圆上的点到原点距离的平方,∵圆心到原点的距离为13,∴ eq \r(x2+y2)的最小值为14-13=1,∴x2+y2的最小值为1.
12.(多选)已知直线l:ax-y+b=0,圆M:(x-a)2+(y+b)2=a2+b2,则l与M在同一平面直角坐标系中的图形可能是( )
解析 圆M的圆心为(a,-b),且过原点,可排除A;B项中由直线l可知,a>0,b<0,∴圆心(a,-b)在第一象限,满足条件;C项中由直线l可知a<0,b>0,∴圆心(a,-b)在第三象限,满足条件;D项中由直线l可知a<0,b<0,∴圆心(a,-b)在第二象限,与图形不符.故选BC.
13.已知A,B两点是圆C:x2+(y-1)2=4上的两点,若A,B关于直线x+ay-3=0对称,则实数a= ;若点A,B关于点P(1,2)对称,则直线AB的方程为
.
解析 圆x2+(y-1)2=4的圆心C的坐标为(0,1),若A,B关于直线x+ay-3=0对称,则直线经过圆心(0,1),将点(0,1)代入直线方程解得a=3.若圆x2+(y-1)2=4上存在A,B两点关于点P(1,2)对称,则CP⊥AB,P为AB的中点,
∵kCP= eq \f(2-1,1-0)=1,∴kAB=-1,
∴直线AB的方程为y-2=-(x-1),即x+y-3=0.
多元数学
14.(直观想象)(2024·湖南长沙长郡中学检测)已知在平面直角坐标系中,A(0,1),B(0,2),若动点C在直线y=x上,圆M过A,B,C三点,求圆M面积的最小值.
解 如图,要使圆M的面积尽可能小,则点C位于第一象限,设C(a,a)(a>0),
又A(0,1),B(0,2),所以线段AB的中垂线方程为y= eq \f(3,2),则圆心在直线y= eq \f(3,2)上,
不妨设圆心为M eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(m,\f(3,2))),圆的半径为r,
所以|MC|=|BM|=r,
即r2=(m-a)2+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2)-a))
eq \s\up42(2)=m2+ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2-\f(3,2)))
eq \s\up42(2)=m2+ eq \f(1,4),则m2-2am+a2+a2-3a+ eq \f(9,4)=m2+ eq \f(1,4),
所以2am=2a2-3a+2,
所以m= eq \f(2a2-3a+2,2a)=a+ eq \f(1,a)- eq \f(3,2)≥
2 eq \r(a·\f(1,a))- eq \f(3,2)= eq \f(1,2),
当且仅当a= eq \f(1,a),即a=1时取等号.
所以(r2)min= eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))
eq \s\up42(2)+ eq \f(1,4)= eq \f(1,2),
所以圆M面积的最小值为 eq \f(π,2),此时C(1,1).
$