内容正文:
第三讲 圆的方程
知识梳理
知识点一:基本概念
平面内到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫圆.
知识点二:基本性质、定理与公式
1、圆的四种方程
(1)圆的标准方程:,圆心坐标为(a,b),半径为
(2)圆的一般方程:,圆心坐标为,半径
(3)圆的直径式方程:若,则以线段AB为直径的圆的方程是
2、点与圆的位置关系判断
(1)点与圆的位置关系:
①点P在圆外;
②点P在圆上;
③点P在圆内.
(2)点与圆的位置关系:
①点P在圆外;
②点P在圆上;
③点P在圆内.
知识点三:直线与圆、圆与圆的位置关系
直线与圆的位置关系有3种,相离,相切和相交
1.直线与圆的位置关系判断
(1)几何法(圆心到直线的距离和半径关系)
圆心到直线的距离,则:
直线与圆相交,交于两点,;
直线与圆相切;
直线与圆相离
(2)代数方法(几何问题转化为代数问题即交点个数问题转化为方程根个数)
由,
消元得到一元二次方程,判别式为,则:
直线与圆相交;
直线与圆相切;
直线与圆相离.
2.两圆位置关系的判断
用两圆的圆心距与两圆半径的和差大小关系确定,具体是:
设两圆的半径分别是,(不妨设),且两圆的圆心距为,则:
两圆相交;
两圆外切;
两圆相离
两圆内切;
两圆内含(时两圆为同心圆)
设两个圆的半径分别为,,圆心距为,则两圆的位置关系可用下表来表示:
位置关系
相离
外切
相交
内切
内含
几何特征
代数特征
无实数解
一组实数解
两组实数解
一组实数解
无实数解
公切线条数
4
3
2
1
0
知识点四:关于圆的切线的几个重要结论
(1)过圆上一点的圆的切线方程为.
(2)过圆上一点的圆的切线方程为
(3)过圆上一点的圆的切线方程为
(4)求过圆外一点的圆的切线方程时,应注意理解:
①所求切线一定有两条;
②设直线方程之前,应对所求直线的斜率是否存在加以讨论.设切线方程为,利用圆心到切线的距离等于半径,列出关于的方程,求出值.若求出的值有两个,则说明斜率不存在的情形不符合题意;若求出的值只有一个,则说明斜率不存在的情形符合题意.
知识点五:圆的最值与范围问题
1、涉及与圆有关的最值,可借助图形性质,利用数形结合求解.一般地:
(1)形如的最值问题,可转化为动直线斜率的最值问题.
(2)形如的最值问题,可转化为动直线截距的最值问题.
(3)形如的最值问题,可转化为曲线上的点到点(a,b)的距离平方的最值问题.
考点精讲
考点一 圆的方程
【【例1-1】
已知圆经过点,则圆的标准方程为( )
A. B.
C. D.
【例1-2】
已知圆C的一般方程为,则圆C的圆心坐标为( )
A. B. C. D.
【例1-3】
“关于x,y的方程表示的曲线是圆”是“”的( )条件
A.充分不必要 B.必要不充分 C.充分必要 D.既不充分也不必要
【变1-1】
已知圆的圆心为,且直线与圆相切,则圆的标准方程为( )
A. B.
C. D.
【变1-2】
(2026·天津北辰·一模)若直线与两坐标轴的交点为A,B,则过A、B及原点O三点的圆的方程是________.
【变1-3】
“”是“方程表示圆”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
考点二 点与圆的位置关系
【例2-1】
点在圆外,则k的取值范围为( )
A. B. C. D.
【例2-2】
若圆过坐标原点,则实数m的值为( )
A.1 B.2 C.2或1 D.-2或-1
【变2-1】
已知点在圆外,则实数m的取值范围是( )
A. B. C. D.∪
【变2-2】
若点在圆的外部,则实数的取值范围是 .
考点三 圆与圆的位置关系
【例3-1】
圆与圆的位置关系是( )
A.相切 B.外离 C.内含 D.相交
【例3-2】
若圆,圆,则圆与圆的公共弦所在直线的方程是( )
A. B. C. D.
【变3-1】
已知圆与圆交于两点,若点在直线上,则实数的取值范围为( )
A. B. C. D.
【变3-2】
已知圆与圆相交于A,B两点,则两圆公共弦所在直线的方程为( )
A. B.
C. D.
考点四 直线与圆的位置关系
【例4-1】
直线:与圆:的位置关系是( )
A.相离 B.相切 C.相交 D.无法确定的
【例4-2】
过原点且与圆相切的直线的方程为( )
A. B.
C. D.
【变4-1】
“”是直线与圆相交的( )条件
A.充分非必要 B.必要非充分 C.充分必要 D.既非充分也非必要
【变4-2】
若圆,点在直线上,过点作圆的切线,切点为,则切线长的最小值为( )
A.1 B.2 C. D.4
【例4-3】
已知直线与圆交于A,B两点,则的最大值为( )
A.2 B.4 C.5 D.10
【变4-3】
已知圆与直线交于A,B两点,若,则实数m的值为( )
A.6 B. C.6或16 D.或
【例4-4】
直线与圆相交于两点,若,则实数的取值范围是( )
A. B.
C. D.
【例4-5】
已知圆与,则圆与圆的公共弦长为________.
【变4-4】
过点作圆的切线,切点分别为,,则直线的方程为____________.
【变4-5】
已知圆与圆交于A、B两点,且平分圆的周长,则 的值为( )
A.0 B.2 C.4 D.6
考点五 圆的综合
【例5-1】
已知为圆上任意一点,且.
(1)求的最大值和最小值;
(2)若,求的最大值和最小值;
(3)若,求的最大值和最小值.
【例5-2】
已知直线:,是圆:上的一动点,则点到直线的距离的取值范围为( )
A. B. C. D.
【变5-1】
在平面直角坐标系中,,,点P满足,则点P到直线的最大值是( )
A.2 B. C. D.
【变5-2】
已知是直线上的任意一点,若过点作圆的两条切线,切点分别记为A,B,则弦长AB的最小值为( )
A.2 B. C. D.1
课后巩固
1.(2024·北京·高考真题)圆的圆心到直线的距离为( )
A. B. C. D.
2.(2023·上海·高考真题)已知圆的面积为,则 .
3.已知点、、,则外接圆的方程是( )
A. B.
C. D.
4.设,若方程表示关于直线对称的圆,则的取值范围为( )
A. B.
C. D.
5.圆恒过的定点为( )
A. B.
C. D.
6.圆和圆的位置关系为( )
A.内切 B.相交 C.外切 D.外离
7.已知圆,直线上存在点,过点作圆的两条切线,切点为,,使得,则的取值范围( )
A. B.
C. D.
8.已知圆和交于A,B两点,则( )
A. B. C. D.
9.已知动点到两定点和的距离之比为.
(1)求动点的轨迹的方程;
(2)已知圆:,判断和的位置关系,并求它们的公切线方程.
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第三讲 圆的方程
知识梳理
知识点一:基本概念
平面内到定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)叫圆.
知识点二:基本性质、定理与公式
1、圆的四种方程
(1)圆的标准方程:,圆心坐标为(a,b),半径为
(2)圆的一般方程:,圆心坐标为,半径
(3)圆的直径式方程:若,则以线段AB为直径的圆的方程是
2、点与圆的位置关系判断
(1)点与圆的位置关系:
①点P在圆外;
②点P在圆上;
③点P在圆内.
(2)点与圆的位置关系:
①点P在圆外;
②点P在圆上;
③点P在圆内.
知识点三:直线与圆、圆与圆的位置关系
直线与圆的位置关系有3种,相离,相切和相交
1.直线与圆的位置关系判断
(1)几何法(圆心到直线的距离和半径关系)
圆心到直线的距离,则:
直线与圆相交,交于两点,;
直线与圆相切;
直线与圆相离
(2)代数方法(几何问题转化为代数问题即交点个数问题转化为方程根个数)
由,
消元得到一元二次方程,判别式为,则:
直线与圆相交;
直线与圆相切;
直线与圆相离.
2.两圆位置关系的判断
用两圆的圆心距与两圆半径的和差大小关系确定,具体是:
设两圆的半径分别是,(不妨设),且两圆的圆心距为,则:
两圆相交;
两圆外切;
两圆相离
两圆内切;
两圆内含(时两圆为同心圆)
设两个圆的半径分别为,,圆心距为,则两圆的位置关系可用下表来表示:
位置关系
相离
外切
相交
内切
内含
几何特征
代数特征
无实数解
一组实数解
两组实数解
一组实数解
无实数解
公切线条数
4
3
2
1
0
知识点四:关于圆的切线的几个重要结论
(1)过圆上一点的圆的切线方程为.
(2)过圆上一点的圆的切线方程为
(3)过圆上一点的圆的切线方程为
(4)求过圆外一点的圆的切线方程时,应注意理解:
①所求切线一定有两条;
②设直线方程之前,应对所求直线的斜率是否存在加以讨论.设切线方程为,利用圆心到切线的距离等于半径,列出关于的方程,求出值.若求出的值有两个,则说明斜率不存在的情形不符合题意;若求出的值只有一个,则说明斜率不存在的情形符合题意.
知识点五:圆的最值与范围问题
1、涉及与圆有关的最值,可借助图形性质,利用数形结合求解.一般地:
(1)形如的最值问题,可转化为动直线斜率的最值问题.
(2)形如的最值问题,可转化为动直线截距的最值问题.
(3)形如的最值问题,可转化为曲线上的点到点(a,b)的距离平方的最值问题.
考点精讲
考点一 圆的方程
【【例1-1】
已知圆经过点,则圆的标准方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【分析】设圆的标准方程为,代入三点坐标解方程组可得答案.
【详解】设圆的标准方程为,
因为圆经过点,所以
,即,化简得,
解得,代入方程得,则圆的标准方程为.
故选:A.
【例1-2】
已知圆C的一般方程为,则圆C的圆心坐标为( )
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】由一般方程得到标准方程即可求解.
【详解】由,得,可知圆C的圆心坐标为.
故选:C
【例1-3】
“关于x,y的方程表示的曲线是圆”是“”的( )条件
A.充分不必要 B.必要不充分 C.充分必要 D.既不充分也不必要
【答案】B
【分析】根据方程表示圆求出参数范围,再由充分条件,必要条件的定义判断即可.
【详解】化成标准方程,
所以,解得或,
因为或推不出,可以推出或,
所以方程表示圆是的必要不充分条件.
故选:B.
【变1-1】
已知圆的圆心为,且直线与圆相切,则圆的标准方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【分析】由直线与圆相切结合点到直线距离公式求出圆的半径r即可得解.
【详解】因为直线与圆相切,设圆的半径为r,
则,所以圆的标准方程为.
故选:A.
【变1-2】
(2026·天津北辰·一模)若直线与两坐标轴的交点为A,B,则过A、B及原点O三点的圆的方程是________.
【答案】
【分析】设圆的方程,代入三点即可求出.
【详解】由题可得,设圆的方程为,
则,解得,则所求圆的方程为.
【变1-3】
“”是“方程表示圆”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
【答案】A
【分析】根据题意,化为圆的方程为标准方程,结合圆的方程,以及充分条件、必要条件的判定方法,即可求解.
【详解】由方程,可得,
若时,可得,此时方程表示圆,即充分性成立;
反之:方程表示圆时,
例如:当时,方程可化为也可以表示圆,所以必要性不成立,
所以“”是“方程表示圆”的充分不必要条件.
故选:A
考点二 点与圆的位置关系
【例2-1】
点在圆外,则k的取值范围为( )
A. B. C. D.
【答案】C
【分析】根据方程表示圆及点在圆外得到不等式,求出k的取值范围.
【详解】由题意可知:表示圆,可得:,解得,
又在圆外,所以,得,所以k的取值范围为.
故选:C
【例2-2】
若圆过坐标原点,则实数m的值为( )
A.1 B.2 C.2或1 D.-2或-1
【答案】A
【分析】把坐标代入圆方程求解.注意检验,方程表示圆.
【详解】将代入圆方程,得,解得或2,当时,,舍去,所以.
故选:A.
【变2-1】
已知点在圆外,则实数m的取值范围是( )
A. B. C. D.∪
【答案】B
【分析】根据二元二次方程表示圆及点在圆外列不等式求参数范围即可.
【详解】圆的方程可化为,则,可得,
又点在圆外,则,可得,所以.
故选:B
【变2-2】
若点在圆的外部,则实数的取值范围是 .
【答案】
【分析】由于点在圆的外部,圆的半径需大于0,将点代入圆的方程列出不等式,即可求出实数的取值范围.
【详解】解:圆的标准方程为,则,
若点在圆的外部,则,
综上所述,实数的取值范围为,
故答案为:.
考点三 圆与圆的位置关系
【例3-1】
圆与圆的位置关系是( )
A.相切 B.外离 C.内含 D.相交
【答案】B
【分析】将两圆的方程化为标准形式,求出圆心和半径,根据圆心距与半径和差的大小关系判断圆与圆的位置关系即可.
【详解】圆即,圆心为,半径为;
圆即,圆心为,半径为;
圆心距为,因为,所以两个圆外离.
故选:B
【例3-2】
若圆,圆,则圆与圆的公共弦所在直线的方程是( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解题思路】根据题设,将两圆方程作差即可得公共线方程.
【解答过程】由题设,将两圆作差,有,
整理可得,即公共弦所在直线为.
故选:B.
【变3-1】
已知圆与圆交于两点,若点在直线上,则实数的取值范围为( )
A. B. C. D.
【答案】A
【分析】两圆方程相减可得直线的方程,代入点,可得的关系式,利用函数单调性可求答案.
【详解】两圆方程相减得,,令,则.
由两圆相交知,,解得,
又,则,易得在上单调递增,
且,所以.
故选:A.
【变3-2】
已知圆与圆相交于A,B两点,则两圆公共弦所在直线的方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解题思路】两圆方程相减可得答案.
【解答过程】,①
,②
①②得.
故选:B.
考点四 直线与圆的位置关系
【例4-1】
直线:与圆:的位置关系是( )
A.相离 B.相切 C.相交 D.无法确定的
【答案】A
【详解】因为圆心到直线的距离为,
又圆的半径.由可知,直线与圆相离.
故选:A.
【例4-2】
过原点且与圆相切的直线的方程为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【分析】判断原点与圆的位置关系,再求出切线方程.
【详解】原点在圆上,而圆心,
直线斜率为,因此切线的斜率为,方程为,即.
故选:A
【变4-1】
“”是直线与圆相交的( )条件
A.充分非必要 B.必要非充分 C.充分必要 D.既非充分也非必要
【答案】A
【解题思路】根据直线与圆相交的判定方法,以及充分条件和必要条件的定义分别判断即可.
【解答过程】当时,直线为,即,显然此时直线和圆相交,
当直线与圆相交时,
圆心到直线的距离,
化简得,显然恒成立,故不能推出.
所以“”是直线与圆相交的充分非必要条件.
故选:A.
【变4-2】
若圆,点在直线上,过点作圆的切线,切点为,则切线长的最小值为( )
A.1 B.2 C. D.4
【答案】B
【解题思路】先求出圆心到直线的距离,根据勾股定理,切线长、圆的半径和圆心到点的距离构成直角三角形,圆的半径固定,当圆心到点的距离最小时,切线长最小,而圆心到直线上点的最小距离就是圆心到直线的距离.
【解答过程】对于圆,其圆心坐标为,半径.
根据点到直线的距离公式,
则.
根据切线长、圆半径和圆心到点距离构成直角三角形,设切线长为,圆心到点的距离为,圆半径.
由勾股定理,当取最小值时,最小,
此时.
故选:B.
【例4-3】
已知直线与圆交于A,B两点,则的最大值为( )
A.2 B.4 C.5 D.10
【答案】B
【分析】确定直线所过的定点,再求出圆心到该定点的距离,进而确定圆心到直线距离的取值范围,最后根据三角形面积公式求出面积的最大值.
【详解】直线过定点,圆,
易知
设到距离为,,
当时,.
故选:B.
【变4-3】
已知圆与直线交于A,B两点,若,则实数m的值为( )
A.6 B. C.6或16 D.或
【答案】D
【分析】先将圆的一般方程化为标准方程得到圆心坐标与半径,再结合垂径定理和点到直线的距离公式列方程求解m的值.
【详解】化圆的一般方程为标准方程,
因此圆心为,半径.
已知弦长,则弦长的一半为,
根据垂径定理,圆心到直线的距离满足,
代入已知数据得,解得.
圆心到直线的距离为,即,解得或.
【例4-4】
直线与圆相交于两点,若,则实数的取值范围是( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【解题思路】根据题意可得圆心到直线的距离,结合弦长可得,代入求解即可.
【解答过程】圆的圆心为,半径,
则圆心到直线的距离,
由题意可得:,解得,
即,整理可得,解得,
所以实数的取值范围是.
故选:A.
【例4-5】
已知圆与,则圆与圆的公共弦长为________.
【答案】
【分析】将两圆方程作差得到公共弦所在直线的方程,再利用点到直线距离公式和勾股定理求弦长即可.
【详解】将两圆方程作差得公共弦所在直线的方程,
圆,其圆心,半径,
则圆心到直线的距离为,则两圆的公共弦长为.
【变4-4】
过点作圆的切线,切点分别为,,则直线的方程为____________.
【答案】
【分析】根据切线的性质易判断,,,四点共圆,且圆心为中点,半径为,进而可以求出新的圆的方程,直线即为公共弦所在的直线,方程即为两个圆方程的差,代入计算即可.
【详解】由题意知,圆心为,半径,点在圆外面,
由切线的性质定理可知,,,即,
所以点,在以为直径的圆上,即,,,四点共圆,且圆心为中点,半径,
设圆心为,根据中点坐标公式,则为,半径,
所以圆的方程为,
因此直线即为圆与圆公共弦所在的直线,方程为两个圆方程的差,
即,化简得,
所以直线的方程为.
【变4-5】
已知圆与圆交于A、B两点,且平分圆的周长,则 的值为( )
A.0 B.2 C.4 D.6
【答案】C
【分析】由题知,弦所在直线方程为,且在弦所在直线上,进而得.
【详解】解:因为圆与圆交于A、B两点,
所以弦所在直线方程为,
因为圆的圆心为,平分圆的周长,
所以,在弦所在直线上,即,
所以.故选:C
考点五 圆的综合
【例5-1】
已知为圆上任意一点,且.
(1)求的最大值和最小值;
(2)若,求的最大值和最小值;
(3)若,求的最大值和最小值.
【解析】(1)因为,即在圆外,
圆的圆心,半径,
,
因为,即,
所以的最大值为,最小值为;
(2)圆的圆心,半径,
令可得,即圆和直线总有公共点求的最大值和最小值,
即,解得,
所以的最大值为,最小值为;
(3),
令,
当即时,
此时点在圆外,所以,求的最大值和最小值转化为求
圆与圆总有公共点求的最大值和最小值,而
两圆心的距离为,
当两圆外切时,解得,此时,
当两圆内切时,两圆心的距离,所以只能圆在圆的内部,
所以,解得,此时,
所以的最大值为,最小值为.
【例5-2】
已知直线:,是圆:上的一动点,则点到直线的距离的取值范围为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【分析】先将直线方程变形求出直线所过的定点,再结合点与圆的位置关系,分析点到直线距离的最值情况,进而确定距离的取值范围.
【详解】直线:,可化为,
由,解得,,所以过定点,
又因为点在圆上,且,圆的圆心为,半径,
所以当,且,,三点共线时,点到直线的距离最大,最大为,
此时,所以直线的斜率为1,即,无解,
故直线不存在,所以;
当直线与圆相交或相切时,点到直线的距离最小,最小为0,
故点到直线的距离的取值范围为.
故选:B.
【变5-1】
在平面直角坐标系中,,,点P满足,则点P到直线的最大值是( )
A.2 B. C. D.
【答案】B
【分析】由点到直线的距离公式求出点的轨迹可得.
【详解】设点,因为,所以,整理得,
所以点的轨迹是以为圆心,以为半径的圆,所以点到直线的最大距离.
故选:B.
【变5-2】
已知是直线上的任意一点,若过点作圆的两条切线,切点分别记为A,B,则弦长AB的最小值为( )
A.2 B. C. D.1
【答案】C
【分析】根据圆心到直线的距离可得,由于,所以与互补,从而得弦长AB最小得情况,即可得所求.
【详解】圆心到直线的距离为,
在直角三角形OAP中,,所以,由于,
所以可得,则,因为,所以与互补,
所以当时,弦长AB最小,此时,弦长.
故选:C.
课后巩固
1.(2024·北京·高考真题)圆的圆心到直线的距离为( )
A. B. C. D.
【答案】D
【分析】求出圆心坐标,再利用点到直线距离公式即可.
【详解】由题意得,即,
则其圆心坐标为,则圆心到直线的距离为.
故选:D.
2.(2023·上海·高考真题)已知圆的面积为,则 .
【答案】
【分析】根据圆的面积求出圆的半径,利用圆的标准方程求出半径即可列方程求解.
【详解】圆化为标准方程为:,
圆的面积为,圆的半径为,,解得.
故答案为:
3.已知点、、,则外接圆的方程是( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解题思路】设外接圆的方程为,将三个顶点代入圆的方程,求出、、的值,即可得出所求圆的方程.
【解答过程】设外接圆的方程为,
由题意可得,解得,
因此,外接圆的方程是.
故选:B.
4.设,若方程表示关于直线对称的圆,则的取值范围为( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解题思路】利用方程表示圆的充要条件列式,结合圆心在直线上求解即得.
【解答过程】由方程表示圆,得,
圆的圆心为,又此圆关于直线对称,则,即,
因此,解得或,
所以的取值范围为.
故选:B.
5.圆恒过的定点为( )
A. B.
C. D.
【答案】D
【解题思路】将方程进行变形整理,解方程组即可求得结果.
【解答过程】圆的方程化为,
由得或,
故圆恒过定点.
故选:D.
6.圆和圆的位置关系为( )
A.内切 B.相交 C.外切 D.外离
【答案】A
【解题思路】根据圆心距和半径的关系判断两圆的位置关系.
【解答过程】圆,可化为,所以圆心,半径为2,
圆 ,可化为,所以圆心,半径为7,
则,故圆和圆内切.
故选:A.
7.已知圆,直线上存在点,过点作圆的两条切线,切点为,,使得,则的取值范围( )
A. B.
C. D.
【答案】C
【解题思路】由结合切线长定理可得,再借助圆心到直线的距离建立不等式求解.
【解答过程】圆的圆心为,半径,
由,得,又,则,
而直线上存在点P,满足,于是点到该直线的距离,
解得,所以的取值范围是.
故选:C.
8.已知圆和交于A,B两点,则( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解题思路】两圆方程相减求得直线方程,然后求得一个圆心到直线的距离,由勾股定理求得弦长.
【解答过程】由已知,两圆方程相减得,这是两圆公共弦所在直线方程,
圆的圆心为,半径为,
到直线的距离为,
所以,
故选:B.
9.已知动点到两定点和的距离之比为.
(1)求动点的轨迹的方程;
(2)已知圆:,判断和的位置关系,并求它们的公切线方程.
【答案】(1)
(2)相交;或
【解题思路】(1)设,根据题意得到,利用两点间距离公式列式化简即可得解;
(2)利用两圆的位置关系判断得和的位置关系,再利用公切线的性质,结合点线距离公式列式即可得解.
【解答过程】(1)依题意,设,则,即,
所以,则,整理得,
故动点的轨迹的方程为.
(2)由(1)知,动点的轨迹是一个圆,其圆心,半径为,
圆:的圆心,半径为,
所以,显然,则圆和圆相交,
所以圆和圆的公切线有两条,且斜率都存在,
不妨设为,即,
则有,则,解得或,
当时,得,解得或,
当时,,此时公切线方程为;
当时,,此时公切线方程为;
当时,得,方程无解;
综上,公切线方程为或.
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