高中圆的方程典型例题[1]
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高中新课标 数学必修2
■■■ 第 1 页 共 21 页 ■■■ 高中数学圆的方程典型例题
类型一:圆的方程 例1 求过两点)4,1(A、)2,3(B且圆心在直线0y上的圆的标准方程并判断点)4,2(P与圆的关系. 分析:欲求圆的标准方程,需求出圆心坐标的圆的半径的大小,而要判断点P与圆的位置关系,只须看点P与圆心的距离和圆的半径的大小关系,若距离大于半径,则点在圆外;若距离等于半径,则点在圆上;若距离小于半径,则点在圆内. 解法一:(待定系数法)
设圆的标准方程为222)()(rbyax.
∵圆心在0y上,故0b. ∴圆的方程为222)(ryax. 又∵该圆过)4,1(A、)2,3(B两点.
∴22224)3(16)1(rara 解之得:1a,202r. 所以所求圆的方程为20)1(22yx. 解法二:(直接求出圆心坐标和半径) 因为圆过)4,1(A、)2,3(B两点,所以圆心C必在线段AB的垂直平分线l上,又因为
13124ABk,故l的斜率为1,又AB的中点为)3,2(,故AB的垂直平分线l的方程为:
23xy即01yx.
又知圆心在直线0y上,故圆心坐标为)0,1(C ∴半径204)11(22ACr. 故所求圆的方程为20)1(22yx. 又点)4,2(P到圆心)0,1(C的距离为 rPCd254)12(22.
∴点P在圆外. 说明:本题利用两种方法求解了圆的方程,都围绕着求圆的圆心和半径这两个关键的量,然后根据圆心与定点之间的距离和半径的大小关系来判定点与圆的位置关系,若将点换成直线又该如何来判定直线与圆的位置关系呢? 高中新课标 数学必修2
■■■ 第 2 页 共 21 页 ■■■ 例2 求半径为4,与圆042422yxyx相切,且和直线0y相切的圆的方程. 分析:根据问题的特征,宜用圆的标准方程求解. 解:则题意,设所求圆的方程为圆222)()(rbyaxC:.
圆C与直线0y相切,且半径为4,则圆心C的坐标为)4,(1aC或)4,(2aC. 又已知圆042422yxyx的圆心A的坐标为)1,2(,半径为3. 若两圆相切,则734CA或134CA. (1)当)4,(1aC时,2227)14()2(a,或2221)14()2(a(无解),故可得1022a.
∴所求圆方程为2224)4()1022(yx,或2224)4()1022(yx. (2)当)4,(2aC时,2227)14()2(a,或2221)14()2(a(无解),故622a.
∴所求圆的方程为2224)4()622(yx,或2224)4()622(yx. 说明:对本题,易发生以下误解: 由题意,所求圆与直线0y相切且半径为4,则圆心坐标为)4,(aC,且方程形如
2224)4()(yax.又圆042422yxyx,即2223)1()2(yx,其圆心为
)1,2(A,半径为3.若两圆相切,则34CA.故2227)14()2(a,解之得1022a.所
以欲求圆的方程为2224)4()1022(yx,或2224)4()1022(yx. 上述误解只考虑了圆心在直线0y上方的情形,而疏漏了圆心在直线0y下方的情形.另外,误解中没有考虑两圆内切的情况.也是不全面的. 例3 求经过点)5,0(A,且与直线02yx和02yx都相切的圆的方程. 分析:欲确定圆的方程.需确定圆心坐标与半径,由于所求圆过定点A,故只需确定圆心坐标.又圆与两已知直线相切,故圆心必在它们的交角的平分线上.
解:∵圆和直线02yx与02yx相切, ∴圆心C在这两条直线的交角平分线上, 又圆心到两直线02yx和02yx的距离相等. 高中新课标 数学必修2
■■■ 第 3 页 共 21 页 ■■■ ∴5252yxyx.
∴两直线交角的平分线方程是03yx或03yx. 又∵圆过点)5,0(A, ∴圆心C只能在直线03yx上. 设圆心)3,(ttC ∵C到直线02yx的距离等于AC,
∴22)53(532tttt. 化简整理得0562tt. 解得:1t或5t ∴圆心是)3,1(,半径为5或圆心是)15,5(,半径为55.
∴所求圆的方程为5)3()1(22yx或125)15()5(22yx. 说明:本题解决的关键是分析得到圆心在已知两直线的交角平分线上,从而确定圆心坐标得到圆的方程,这是过定点且与两已知直线相切的圆的方程的常规求法.
例4、 设圆满足:(1)截y轴所得弦长为2;(2)被x轴分成两段弧,其弧长的比为1:3,在满足条件(1)(2)的所有圆中,求圆心到直线02yxl:的距离最小的圆的方程. 分析:要求圆的方程,只须利用条件求出圆心坐标和半径,便可求得圆的标准方程.满足两个条件的圆有无数个,其圆心的集合可看作动点的轨迹,若能求出这轨迹的方程,便可利用点到直线的距离公式,通过求最小值的方法找到符合题意的圆的圆心坐标,进而确定圆的半径,求出圆的方程.
解法一:设圆心为),(baP,半径为r.
则P到x轴、y轴的距离分别为b和a. 由题设知:圆截x轴所得劣弧所对的圆心角为90,故圆截x轴所得弦长为r2. ∴222br 又圆截y轴所得弦长为2.
∴122ar. 高中新课标 数学必修2
■■■ 第 4 页 共 21 页 ■■■ 又∵),(baP到直线02yx的距离为
52bad
∴2225bad abba4422 )(242222baba 1222ab
当且仅当ba时取“=”号,此时55mind. 这时有1222abba ∴11ba或11ba 又2222br 故所求圆的方程为2)1()1(22yx或2)1()1(22yx 解法二:同解法一,得
52bad.
∴dba52. ∴2225544dbdba. 将1222ba代入上式得: 01554222dbdb.
上述方程有实根,故 0)15(82d,
∴55d. 高中新课标 数学必修2
■■■ 第 5 页 共 21 页 ■■■ 将55d代入方程得1b.
又1222ab ∴1a. 由12ba知a、b同号. 故所求圆的方程为2)1()1(22yx或2)1()1(22yx. 说明:本题是求点到直线距离最小时的圆的方程,若变换为求面积最小呢?
类型二:切线方程、切点弦方程、公共弦方程 例5 已知圆422yxO:,求过点42,P与圆O相切的切线.
解:∵点42,P不在圆O上, ∴切线PT的直线方程可设为42xky 根据rd
∴ 21422kk
解得 43k 所以 4243xy 即 01043yx 因为过圆外一点作圆得切线应该有两条,可见另一条直线的斜率不存在.易求另一条切线为2x.
说明:上述解题过程容易漏解斜率不存在的情况,要注意补回漏掉的解. 本题还有其他解法,例如把所设的切线方程代入圆方程,用判别式等于0解决(也要注意漏
解).还可以运用200ryyxx,求出切点坐标0x、0y的值来解决,此时没有漏解.
例6 两圆0111221FyExDyxC:与0222222FyExDyxC:相交于A、B两点,求它们的公共弦AB所在直线的方程. 分析:首先求A、B两点的坐标,再用两点式求直线AB的方程,但是求两圆交点坐标的过程太繁.为了避免求交点,可以采用“设而不求”的技巧.
解:设两圆1C、2C的任一交点坐标为),(00yx,则有:
0101012020FyExDyx ①
0202022020FyExDyx ② 高中新课标 数学必修2
■■■ 第 6 页 共 21 页 ■■■ ①-②得:0)()(21021021FFyEExDD.
∵A、B的坐标满足方程0)()(212121FFyEExDD. ∴方程0)()(212121FFyEExDD是过A、B两点的直线方程. 又过A、B两点的直线是唯一的. ∴两圆1C、2C的公共弦AB所在直线的方程为0)()(212121FFyEExDD. 说明:上述解法中,巧妙地避开了求A、B两点的坐标,虽然设出了它们的坐标,但并没有去求它,而是利用曲线与方程的概念达到了目标.从解题的角度上说,这是一种“设而不求”的技巧,从知识内容的角度上说,还体现了对曲线与方程的关系的深刻理解以及对直线方程是一次方程的本质认识.它的应用很广泛.
例7、过圆122yx外一点)3,2(M,作这个圆的两条切线MA、MB,切点分别是A、B,求直线AB的方程。
练习: 1.求过点(3,1)M,且与圆22(1)4xy相切的直线l的方程. 解:设切线方程为1(3)ykx,即310kxyk, ∵圆心(1,0)到切线l的距离等于半径2,
∴22|31|21kkk,解得34k,
∴切线方程为31(3)4yx,即34130xy, 当过点M的直线的斜率不存在时,其方程为3x,圆心(1,0)到此直线的距离等于半径2, 故直线3x也适合题意。 所以,所求的直线l的方程是34130xy或3x.
2、过坐标原点且与圆0252422yxyx相切的直线的方程为
解:设直线方程为kxy,即0ykx.∵圆方程可化为25)1()2(22yx,∴圆心为(2,
-1),半径为210.依题意有2101122kk,解得3k或31k,∴直线方程为xy3或xy31.
3、已知直线0125ayx与圆0222yxx相切,则a的值为 .