圆心为 (x0,y0),半径为 r 的圆,可表示为含参数 θ 的方程组:
{x=x0+rcosθy=y0+rsinθ
值得注意的是,其形式与直线的参数方程看起来一致(只是字母从 t 变成了 r),但有本质的不同:
- 直线方程中 θ 为 常量(代表倾斜角),而 t 为 参数.
- 这里 r 为 常量(代表直径),而 θ 为 参数.
圆的参数方程相比于标准方程,从二次变成了一次,引入了三角函数.善用圆的参数方程可能可以达到简便计算的目的.
已知坐标的两点 A,B,求以 AB 为直径的圆的方程.
可以直接刻画为圆心在 AB 中点,且半径为 2∣AB∣,列标准方程,但有一个更简单的做法——圆的直径式:
直径端点分别为 A(x1,y1) 和 B(x2,y2) 的圆可以表示为
(x−x1)(x−x2)+(y−y1)(y−y2)=0
考虑平面直角坐标系中任意一点 P(x,y).
- 当它与 A 或与 B 重合时,显然 AP⊥BP(因为其中一个是零向量).
- 否则,它在圆上等价于 ∠APB=2π,即 AP⊥BP.
- 可以证明,P 不在圆上时,∠APB=2π.
因此 P 在圆上等价于 AP⊥BP,即
(x−x1,y−y1)⋅(x−x2,y−y2)=0将数量积展开后,即得目标方程.
在两圆 ⊙A,⊙B 恰交于 P,Q 两点时,称线段 PQ 为两圆的 公共弦.现在研究直线 PQ 的方程.
有结论:将两个圆方程的 一般式 形式 相减,会得到一个 一次方程,这个方程就是两圆的公共弦方程.
设 ⊙A 的一般式为
x2+y2+D1x+E1y+F1=0⊙B 的一般式为
x2+y2+D2x+E2y+F2=0两方程相减得
(D1−D2)x+(E1−E2)y+F1−F2=0两圆相交于两点,则圆心不可能重合,因此 D1=D2 与 E1=E2 不可能同时成立,因此 D1−D2=0 或 E1−E2=0.得到的方程表示一条直线.
考虑两圆的交点 P 和 Q.由于它们各自都 同时满足两个圆的方程,因此也一定满足 两个圆方程相减得到的方程.即 P 和 Q 在表示的直线上,两点确定一条直线,证毕.
求两圆 x2+y2−2x+10y−24=0 与 x2+y2+2x+2y−8=0 的公共弦所在直线方程.
两方程相减得 −4x+8y−16=0,整理得 x−2y+4=0.
当两圆的交点数量不为 2 时,不存在 公共弦,两圆相减得到的方程不再是公共弦.
不过比较值得注意的是,当两圆交点数量为 1,即 相切(包含内切与外切)时,会得到两个圆在 切点 上的一条 公切线.
两圆圆心 A(−2D1,−2E1),B(−2D2,−2E2),有
AB=(2D1−D2,2E1−E2)=21(D1−D2,E1−E2)考虑得到的直线方程
(D1−D2)x+(E1−E2)y+F1−F2=0其法向量 (D1−D2,E1−E2) 恰好是 2AB,平行于 AB.
因此 直线与圆心连线垂直.
而先前证明了 直线一定经过两圆交点,因此 直线过切点.
综合两点即得 直线为过切点的公切线,证毕.
注意:上面得到的方程仅能给出 过两圆切点的公切线.两圆内切时,公切线确实仅此一条;而两圆外切时,还有两条 不过两圆切点的公切线,上面的方程无法给出.
对于 ⊙C 和在该圆外的一点 P,从 P 出发可以作 ⊙C 的两条切线,从而形成两个切点 A 和 B.AB 连接得到的弦称作 切点弦,现求解直线 AB 的方程.
一个优于暴力求解,简单的算法如下:
连接 PC,作 PC 中点 M,不难发现 P,A,B,C 都在以 M 为圆心,MP 为半径的 ⊙M 上.从而,⊙M 和 ⊙C 的公共弦就是所求的切点弦.算出公共弦直线方程即可.
上面的 ⊙M 其实是以线段 PC 为直径作出的圆,因此可以利用直径式快速写出 ⊙M 的方程.
过点 P(3,2) 作 ⊙C:(x−1)2+y2=1 的两条切线,切点分别为 A,B,求直线 AB 的方程.
由题可知 C(1,0),以 PC 为直径作圆
(x−3)(x−1)+y(y−2)=0整理得 x2+y2−4x−2y+3=0.⊙C 方程整理得 x2+y2−2x=0,两方程相减得公共弦所在直线方程 2x+2y−3=0,即所求切点弦所在直线方程.
已知 ⊙M:x2+y2−2x−2y−2=0,直线 l:2x+y+2=0,P 为 l 上的动点,过点 P 向 ⊙M 作切线 PA,PB,A、B 为切点,当 ∣AB∣ 最小时,求直线 AB 的方程.
根据切点弦一节的结论,∣AB∣ 最小对应 ∣MP∣ 最小,即 P 应为 M 向 l 作垂线的垂足.
M(1,1),t 值法计算垂足:t=22+122×1+1+2=1,P=M−t(2,1)=(−1,0).
PM 直径作圆 (x−1)(x+1)+(y−1)y=0,即 x2+y2−y−1=0.
其与 ⊙M:x2+y2−2x−2y−2=0 的相交弦所在直线可作差得到,为 2x+y+1=0.
该直线即所求切点弦所在直线.
阿氏圆的内容如下:
对于两个定点 A,B 和一定值 λ>0,若动点 P 满足 ∣PB∣∣PA∣=λ,则:
- λ=1 时,动点 P 的轨迹为 AB 的 垂直平分线.
- λ=1 时,动点 P 的轨迹为 一个圆,称作 阿波罗尼斯圆,简称 阿氏圆.
λ=1 的情形显然,下讨论 λ=1.
不失一般性,设 A(0,0),B(m,0),动点 P(x,y),则
(x−m)2+y2x2+y2=λ整理得
(λ2−1)x2+(λ2−1)y2−2λ2mx+λ2m2=0λ>0 且 λ=1 时,上方程整理得
x2+y2−λ2−12λ2mx+λ2−1λ2m2=0已经满足了圆的一般式的结构,下面只需要验证 Δ.
Δ=(λ2−12λ2m)2−4⋅λ2−1λ2m24(λ2−1)2Δ=(λ2m)2−(λ2m2)(λ2−1)=(λ2m2)λ2−(λ2m2)(λ2−1)=λ2m2>0Δ 前的系数 4(λ2−1)2 明显恒正,因此 Δ>0,证毕.
已知 A(−2,0),B(2,0),动点 P 满足 ∣PB∣∣PA∣=3,求点 P 的轨迹与 x2+y2=4 相交的弦长.
提示:相交弦长可 先求相交弦方程,再利用弦三角,使用 弦心距 计算出 弦长.
动点 P 构成的圆:
(x−2)2+y2(x+2)2+y2=3整理得
x2+y2=8x−4与 x2+y2=4 作差得 x=1,即相交弦所在直线方程.
x2+y2=4 圆心到该弦距离为 1,半径为 2,半弦长为 3,弦长为 23.
对于这种求解阿氏圆的问题,其实 直接朴素地计算 就行了,笔者认为记结论没有必要.
考察阿氏圆 ⊙M 与直线 AB 的交点 C 与 D,它是 直线 AB 上的两个满足 ∣PB∣∣PA∣=λ 的点,且阿氏圆以线段 CD 为直径.
基于此,求解阿氏圆方程,也可以考虑求出 C 与 D 的坐标,列直径式求解.但有时 C 与 D 坐标的形式并不好,如例题 1.3.1,此时笔者觉得朴素求解更好.
对 C 与 D 作进一步的讨论:
- 一定有一个为在 线段 AB 上,其将线段 AB 分为 λ:1 的两部分,称作 内分点,令其为 C.
- 另一个一定在 线段 AB 外,称作 外分点,令其为 D.
- λ>1 时,∣DA∣>∣DB∣,D 在从 B 出发远离 A 方向的射线上.
- 0<λ<1 时,∣DA∣<∣DB∣,D 在从 A 出发远离 B 方向的射线上.
综上,线段 AB 与 线段 CD 一定 有交集,但 不存在包含关系.
换个角度去思考,A 与 B 中,也一定一个在线段 CD 上,一个线段 CD 外.
直线 AB 上的点在线段 CD 上等价在圆内,因此 A 与 B 中 一定有一个在阿氏圆内,一定有一个在阿氏圆外.
重要结论:
∣MA∣⋅∣MB∣=r2
即 A 与 B 两个点到 圆心 距离的 乘积 等于 r2,即 A 与 B 在 ⊙M 上构成 反演关系.
几何学中,对于一个圆,在从圆心出发的 同一射线 上,到圆心距离为半径平方的两点互称 反演点,具有 反演关系.
不妨设 λ>1,0<λ<1 的情况是对称的(只需将 A,B 调换,则定义中的 λ 取倒数).
∣CB∣∣CA∣∣MC∣−∣MB∣∣MA∣−∣MC∣r−∣MB∣∣MA∣−r∣MA∣⋅∣MB∣=∣DB∣∣DA∣=∣MB∣+∣MD∣∣MA∣+∣MD∣=∣MB∣+r∣MA∣+r=r2
注意到上面的推导在逆方向也成立,即任意直线 AB,该直线上任意一点 M 为圆心作圆,与直线 AB 交于 C、D,只要
∣MA∣⋅∣MB∣=r2
则
∣CB∣∣CA∣=∣DB∣∣DA∣
设这个值为 λ,则 ∣PB∣∣PA∣=λ 导出的阿氏圆就是 ⊙M.
因此,一个点 A 和一个圆 ⊙M 可以确定 另一个点 B,使得 ⊙M 是 A、B 导出的一个 阿氏圆.
确定方式是:在射线 AM 上,找到 A 关于 ⊙M 的 反演点 B.
这类问题解决的最值问题有以下特征:
- 求动点 P 到定点 A,B 的 带权 距离和 m∣PA∣+n∣PB∣ 的 最值.
- P 的活动范围是一个 圆.
A(4,0),B(1,4),点 M 在 ⊙C:(x+4)2+y2=16 上活动,求 ∣MA∣+2∣MB∣ 的最小值.

构造 A 关于 ⊙C 的反演点 A′,根据 ∣CA∣⋅∣CA′∣=r2 不难算出 A′(−2,0).
此时 ⊙C 为 A 与 A′ 导出的阿氏圆,注意到其与 x 轴的一个交点为 O,
且 ∣OA′∣∣OA∣=2,因此 ⊙C 上任意一点 M 均满足 ∣MA′∣∣MA∣=2,即 ∣MA∣=2∣MA′∣.
因此 ∣MA∣+2∣MB∣=2∣MA′∣+2∣MB∣=2(∣MA′∣+∣MB∣)≥2∣A′B∣=10.
从上面的例题可以看出这种问题的思路:
- 将一个定点 A 作 已知圆 的 反演点 A′,使得已知圆是这个定点与其反演点的 阿氏圆.
- 从而将 ∣PA∣ 转化为一定比例的 ∣PA′∣,从而将目标式 不等比例的 m:n 转为 等比例 1:1.
- 最后通过两点之间线段最短,使用两点间距离公式求解最小距离.
已知 x2+y2=4,求 35−2x+13−6y 的最小值.
=35−2x+13−6y=3x2+y2−2x+1+x2+y2−6y+9=3(x−1)2+y2+x2+(y−3)2即 P(x,y),A(1,0),B(0,3),P 在圆 x2+y2=4 上,求 3∣PA∣+∣PB∣ 的最小值.

同时作 A 与 B 关于圆的反演点,则该圆同时为 A 与 A′ 导出的阿氏圆与 B 与 B′ 导出的阿氏圆.
不难发现 ∣PA′∣∣PA∣=21,∣PB′∣∣PB∣=23(观察圆与坐标轴的交点可知).
因此 3∣PA∣+∣PB∣=23(∣PA′∣+∣PB′∣)=210.
一个二元方程 F(x,y)=0 可以表示平面上的曲线,而 F(x,y)=0 中含有参数时,参数不同,方程导出的曲线就不同,这一簇曲线就叫做 曲线系.
下面几节我们就会研究几种比较有价值的 圆系,即上面的 F(x,y)=0 为 含参圆方程 的情形.
参数为 r 的方程
(x−x0)2+(y−y0)2=r2
可以表示 圆心为 (x0,y0) 的所有圆,是 一组同心圆.