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圆的方程拓展

非圆系方程

圆的参数方程

圆心为 (x0,y0)(x_0, y_0),半径为 rr 的圆,可表示为含参数 θ\theta 的方程组:

{x=x0+rcosθy=y0+rsinθ\bcs x = x_0 + r\cos \theta \\ y = y_0 + r\sin \theta \ecs

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 tt 变成了 rr),但有本质的不同:

  • 直线方程中 θ\theta常量(代表倾斜角),而 tt参数
  • 这里 rr常量(代表直径),而 θ\theta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.

圆的直径式

已知坐标的两点 AABB,求以 ABAB 为直径的圆的方程.

可以直接刻画为圆心在 ABAB 中点,且半径为 AB2\df{|AB|}2,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)A(x_1, y_1)B(x2,y2)B(x_2, y_2) 的圆可以表示为

(xx1)(xx2)+(yy1)(yy2)=0(x - x_1)(x - x_2) + (y - y_1)(y - y_2) = 0
证明

考虑平面直角坐标系中任意一点 P(x,y)P(x, y)

  • 当它与 AA 或与 BB 重合时,显然 APBP\overrightarrow{AP} \perp \overrightarrow{BP}(因为其中一个是零向量).
  • 否则,它在圆上等价于 APB=π2\angle APB = \df \pi 2,即 APBP\overrightarrow{AP} \perp \overrightarrow{BP}
  • 可以证明,PP 不在圆上时,APBπ2\angle APB \ne \df \pi 2

因此 PP 在圆上等价于 APBP\overrightarrow{AP} \perp \overrightarrow{BP},即

(xx1,yy1)(xx2,yy2)=0(x - x_1, y - y_1) \cdot (x - x_2, y - y_2) = 0

将数量积展开后,即得目标方程.

公共弦所在直线方程

在两圆 A\odot AB\odot B 恰交于 PPQQ 两点时,称线段 PQPQ 为两圆的 公共弦.现在研究直线 PQPQ 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.

证明

A\odot A 的一般式为

x2+y2+D1x+E1y+F1=0x^2 + y^2 + D_1x + E_1y + F_1 = 0

B\odot B 的一般式为

x2+y2+D2x+E2y+F2=0x^2 + y^2 + D_2x + E_2y + F_2 = 0

两方程相减得

(D1D2)x+(E1E2)y+F1F2=0(D_1 - D_2)x + (E_1 - E_2)y + F_1 - F_2 = 0

两圆相交于两点,则圆心不可能重合,因此 D1=D2D_1 = D_2E1=E2E_1 = E_2 不可能同时成立,因此 D1D20D_1 - D_2 \ne 0E1E20E_1 - E_2 \ne 0.得到的方程表示一条直线.

考虑两圆的交点 PPQQ.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 PPQQ 在表示的直线上,两点确定一条直线,证毕.

例题 1.1

求两圆 x2+y22x+10y24=0x^2 + y^2 - 2x + 10y - 24 = 0x2+y2+2x+2y8=0x^2 + y^2 + 2x + 2y - 8 = 0 的公共弦所在直线方程.

例题 1.1 解答

两方程相减得 4x+8y16=0-4x + 8y - 16 = 0,整理得 x2y+4=0x - 2y + 4 = 0

两圆必须相交

当两圆的交点数量不为 22 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 11,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

证明

两圆圆心 A(D12,E12)A(-\df{D_1} 2, -\df{E_1} 2)B(D22,E22)B(-\df{D_2}2, -\df{E_2}2),有

AB=(D1D22,E1E22)=12(D1D2,E1E2)\overrightarrow{AB} = (\df{D_1 - D_2}2, \df{E_1 - E_2}2) = \df 1 2 (D_1 - D_2, E_1 - E_2)

考虑得到的直线方程

(D1D2)x+(E1E2)y+F1F2=0(D_1 - D_2)x + (E_1 - E_2)y + F_1 - F_2 = 0

其法向量 (D1D2,E1E2)(D_1 - D_2, E_1 - E_2) 恰好是 2AB2 \overrightarrow{AB},平行于 AB\overrightarrow{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.

切点弦所在直线方程

对于 C\odot C 和在该圆外的一点 PP,从 PP 出发可以作 C\odot C 的两条切线,从而形成两个切点 AABBABAB 连接得到的弦称作 切点弦,现求解直线 ABAB 的方程.

一个优于暴力求解,简单的算法如下:

连接 PCPC,作 PCPC 中点 MM,不难发现 PPAABBCC 都在以 MM 为圆心,MPMP 为半径的 M\odot M 上.从而,M\odot MC\odot 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\odot M 其实是以线段 PCPC 为直径作出的圆,因此可以利用直径式快速写出 M\odot M 的方程.

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例题 1.2.1

过点 P(3,2)P(3, 2)C\odot C(x1)2+y2=1(x - 1)^2 + y^2 = 1 的两条切线,切点分别为 AABB,求直线 ABAB 的方程.

例题 1.2.1 解答

由题可知 C(1,0)C(1, 0),以 PCPC 为直径作圆

(x3)(x1)+y(y2)=0(x - 3)(x - 1) + y(y - 2) = 0

整理得 x2+y24x2y+3=0x^2 + y^2 - 4x - 2y + 3 = 0C\odot C 方程整理得 x2+y22x=0x^2 + y^2 - 2x = 0,两方程相减得公共弦所在直线方程 2x+2y3=02x + 2y - 3 = 0,即所求切点弦所在直线方程.

例题 1.2.2

已知 M ⁣:x2+y22x2y2=0\odot M \colon x^2 + y^2 - 2x - 2y - 2 = 0,直线 l ⁣:2x+y+2=0l \colon 2x + y + 2 = 0PPll 上的动点,过点 PPM\odot M 作切线 PAPAPBPBAABB 为切点,当 AB|AB| 最小时,求直线 ABAB 的方程.

例题 1.2.2 解答

根据切点弦一节的结论,AB|AB| 最小对应 MP|MP| 最小,即 PP 应为 MMll 作垂线的垂足.

M(1,1)M(1, 1),t 值法计算垂足:t=2×1+1+222+12=1t = \df{2 \times 1 + 1 + 2}{2^2 + 1^2} = 1P=Mt(2,1)=(1,0)P = M - t(2, 1) = (-1, 0)

PMPM 直径作圆 (x1)(x+1)+(y1)y=0(x - 1)(x + 1) + (y - 1)y = 0,即 x2+y2y1=0x^2 + y^2 - y - 1 = 0

其与 M ⁣:x2+y22x2y2=0\odot M \colon x^2 + y^2 - 2x - 2y - 2 = 0 的相交弦所在直线可作差得到,为 2x+y+1=02x + y + 1 = 0

该直线即所求切点弦所在直线.

阿氏圆

认识阿氏圆

阿氏圆的内容如下:

对于两个定点 AABB 和一定值 λ>0\lambda > 0,若动点 PP 满足 PAPB=λ\df{|PA|}{|PB|} = \lambda,则:

  • λ=1\lambda = 1 时,动点 PP 的轨迹为 ABAB垂直平分线
  • λ1\lambda \ne 1 时,动点 PP 的轨迹为 一个圆,称作 阿波罗尼斯圆,简称 阿氏圆
证明

λ=1\lambda = 1 的情形显然,下讨论 λ1\lambda \ne 1

不失一般性,设 A(0,0)A(0, 0)B(m,0)B(m, 0),动点 P(x,y)P(x, y),则

x2+y2(xm)2+y2=λ\df{\sqrt{x^2 + y^2}}{\sqrt{(x - m)^2 + y^2}} = \lambda

整理得

(λ21)x2+(λ21)y22λ2mx+λ2m2=0(\lambda^2 - 1)x^2 + (\lambda^2 - 1)y^2 - 2\lambda^2mx + \lambda^2m^2 = 0

λ>0\lambda > 0λ1\lambda \ne 1 时,上方程整理得

x2+y22λ2mλ21x+λ2m2λ21=0x^2 + y^2 - \df{2\lambda^2m}{\lambda^2 - 1} x + \df{\lambda^2 m^2}{\lambda^2 - 1} = 0

已经满足了圆的一般式的结构,下面只需要验证 Δ\Delta

Δ=(2λ2mλ21)24λ2m2λ21\Delta = (\df{2\lambda^2m}{\lambda^2 - 1})^2 - 4 \cdot \df{\lambda^2 m^2}{\lambda^2 - 1}(λ21)24Δ=(λ2m)2(λ2m2)(λ21)=(λ2m2)λ2(λ2m2)(λ21)=λ2m2>0\bal \df {(\lambda^2 - 1)^2} 4 \Delta &= (\lambda^2m)^2 - (\lambda^2 m^2)(\lambda^2 - 1) \\ &= (\lambda^2m^2)\lambda^2 - (\lambda^2 m^2)(\lambda^2 - 1) \\ &= \lambda^2m^2 > 0 \eal

Δ\Delta 前的系数 (λ21)24\df {(\lambda^2 - 1)^2} 4 明显恒正,因此 Δ>0\Delta > 0,证毕.

例题 1.3.1

已知 A(2,0)A(-2, 0)B(2,0)B(2, 0),动点 PP 满足 PAPB=3\df{|PA|}{|PB|} = \sqrt 3,求点 PP 的轨迹与 x2+y2=4x^2 + y^2 = 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

例题 1.3.1 解答

动点 PP 构成的圆:

(x+2)2+y2(x2)2+y2=3\df{(x + 2)^2 + y^2}{(x - 2)^2 + y^2} = 3

整理得

x2+y2=8x4x^2 + y^2 = 8x - 4

x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 作差得 x=1x = 1,即相交弦所在直线方程.

x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 圆心到该弦距离为 11,半径为 22,半弦长为 3\sqrt 3,弦长为 232\sqrt 3

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.

阿氏圆的性质

考察阿氏圆 M\odot M 与直线 ABAB 的交点 CCDD,它是 直线 ABAB 上的两个满足 PAPB=λ\df{|PA|}{|PB|} = \lambda 的点,且阿氏圆以线段 CDCD 为直径.

基于此,求解阿氏圆方程,也可以考虑求出 CCDD 的坐标,列直径式求解.但有时 CCDD 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.

CCDD 作进一步的讨论:

  • 一定有一个为在 线段 ABAB,其将线段 ABAB 分为 λ:1\lambda : 1 的两部分,称作 内分点,令其为 CC
  • 另一个一定在 线段 ABAB,称作 外分点,令其为 DD
    • λ>1\lambda > 1 时,DA>DB|DA| > |DB|DD 在从 BB 出发远离 AA 方向的射线上.
    • 0<λ<10 < \lambda < 1 时,DA<DB|DA| < |DB|DD 在从 AA 出发远离 BB 方向的射线上.

综上,线段 ABAB线段 CDCD 一定 有交集,但 不存在包含关系

换个角度去思考,AABB 中,也一定一个在线段 CDCD 上,一个线段 CDCD 外.

直线 ABAB 上的点在线段 CDCD 上等价在圆内,因此 AABB 中 一定有一个在阿氏圆内,一定有一个在阿氏圆外.

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重要结论:

MAMB=r2|MA| \cdot |MB| = r^2

AABB 两个点到 圆心 距离的 乘积 等于 r2r^2,即 AABBM\odot 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

证明

不妨设 λ>1\lambda > 10<λ<10 < \lambda < 1 的情况是对称的(只需将 AABB 调换,则定义中的 λ\lambda 取倒数).

CACB=DADBMAMCMCMB=MA+MDMB+MDMArrMB=MA+rMB+rMAMB=r2\bal \df{|CA|}{|CB|} &= \df{|DA|}{|DB|} \\[1em] \df{|MA| - |MC|}{|MC| - |MB|} &= \df{|MA| + |MD|}{|MB| + |MD|} \\[1em] \df{|MA| - r}{r - |MB|} &= \df{|MA| + r}{|MB| + r} \\[1em] |MA| \cdot |MB| &= r^2 \eal

注意到上面的推导在逆方向也成立,即任意直线 ABAB,该直线上任意一点 MM 为圆心作圆,与直线 ABAB 交于 CCDD,只要

MAMB=r2|MA| \cdot |MB| = r^2

CACB=DADB\df{|CA|}{|CB|} = \df{|DA|}{|DB|}

设这个值为 λ\lambda,则 PAPB=λ\df{|PA|}{|PB|} = \lambda 导出的阿氏圆就是 M\odot M

因此,一个点 AA 和一个圆 M\odot M 可以确定 另一个点 BB,使得 M\odot MAABB 导出的一个 阿氏圆

确定方式是:在射线 AMAM 上,找到 AA 关于 M\odot M反演点 BB

构造反演点解决最值问题

这类问题解决的最值问题有以下特征:

  • 求动点 PP 到定点 AABB带权 距离和 mPA+nPBm|PA| + n|PB|最值
  • PP 的活动范围是一个
例题 1.3.2

A(4,0)A(4, 0)B(1,4)B(1, 4),点 MMC ⁣:(x+4)2+y2=16\odot C \colon (x + 4)^2 + y^2 = 16 上活动,求 MA+2MB|MA| + 2|MB| 的最小值.

例题 1.3.2 解答

例题 1.3.2 图

构造 AA 关于 C\odot C 的反演点 AA',根据 CACA=r2|CA| \cdot |CA'| = r^2 不难算出 A(2,0)A'(-2, 0)

此时 C\odot CAAAA' 导出的阿氏圆,注意到其与 xx 轴的一个交点为 OO

OAOA=2\df{|OA|}{|OA'|} = 2,因此 C\odot C 上任意一点 MM 均满足 MAMA=2\df{|MA|}{|MA'|} = 2,即 MA=2MA|MA| = 2|MA'|

因此 MA+2MB=2MA+2MB=2(MA+MB)2AB=10|MA| + 2|MB| = 2|MA'| + 2|MB| = 2(|MA'| + |MB|) \ge 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 AA已知圆反演点 AA',使得已知圆是这个定点与其反演点的 阿氏圆
  • 从而将 PA|PA| 转化为一定比例的 PA|PA'|,从而将目标式 不等比例的 m:nm : n 转为 等比例 1:11 : 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.
例题 1.3.3

已知 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4,求 352x+136y3\sqrt{5 - 2x} + \sqrt{13 - 6y} 的最小值.

例题 1.3.3 解答
=352x+136y=3x2+y22x+1+x2+y26y+9=3(x1)2+y2+x2+(y3)2\bal & \phantom = 3\sqrt{5 - 2x} + \sqrt{13 - 6y}\\ &= 3\sqrt{x^2 + y^2 - 2x + 1} + \sqrt{x^2 + y^2 -6y + 9}\\ &= 3 \sqrt{(x - 1)^2 + y^2} + \sqrt{x^2 + (y - 3)^2} \eal

P(x,y)P(x, y)A(1,0)A(1, 0)B(0,3)B(0, 3)PP 在圆 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 上,求 3PA+PB3|PA| + |PB| 的最小值.

例题 1.3.3 图

同时作 AABB 关于圆的反演点,则该圆同时为 AAAA' 导出的阿氏圆与 BBBB' 导出的阿氏圆.

不难发现 PAPA=12\df{|PA|}{|PA'|} = \df 1 2PBPB=32\df{|PB|}{|PB'|} = \df 3 2(观察圆与坐标轴的交点可知).

因此 3PA+PB=32(PA+PB)=2103|PA| + |PB| = \df 3 2 (|PA'| + |PB'|) = 2\sqrt{10}

圆系方程

一个二元方程 F(x,y)=0F(x, y) = 0 可以表示平面上的曲线,而 F(x,y)=0F(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)=0F(x, y) = 0含参圆方程 的情形.

同心圆系方程

参数为 rr 的方程

(xx0)2+(yy0)2=r2(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2 = r^2

可以表示 圆心为 (x0,y0)(x_0, y_0) 的所有圆,是 一组同心圆

交点圆系方程

共轴圆系方程