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圆中的位置关系

点与圆的位置关系

点与圆的位置关系内容

PPA\odot A 的位置关系有三种:PPA\odot A 外;PPA\odot A 内;PPA\odot A 上.

PP 到圆心 AA 的距离为 ddA\odot A 的半径为 rr,则:

  • PPA\odot A 外,当且仅当 d>rd > r
  • PPA\odot A 内,当且仅当 d<rd < r
  • PPA\odot A 上,当且仅当 d=rd = r

标准式上快速判断点与圆位置关系

A\odot A(xxA)2+(yyA)2=r2(x - x_A)^2 + (y - y_A)^2 = r^2.快速判断 P(x0,y0)P(x_0, y_0)A\odot A 的大小关系.

注意到将 (x0,y0)(x_0, y_0) 代入上述方程等号左侧得到

(x0xA)2+(y0yA)2(x_0 - x_A)^2 + (y_0 - y_A)^2

不难看出这就是 PP 到圆心 AA 的距离 d2\* d^2,而等号右侧为 r2r^2,它们的大小关系可以直接说明 ddrr 的大小关系:

  • d2>r2d^2 > r^2,当且仅当 d>rd > r,当且仅当 PPA\odot A 外.
  • d2<r2d^2 < r^2,当且仅当 d<rd < r,当且仅当 PPA\odot A 内.
  • d2=r2d^2 = r^2,当且仅当 d=rd = r,当且仅当 PPA\odot A 上.

因此,在标准式中,只需:

  • 直接将 待判断点的坐标 代入 方程左侧
  • 方程左侧的结果与方程右侧的大小关系,即可确定 点与圆的位置关系
例题 1.1

判断点 (1,3)(1, -3) 与圆 (x2)2+(y+1)2=6(x - 2)^2 + (y + 1)^2 = 6 的位置关系.

例题 1.1 解答

(12)2+(3+1)2=5<6(1 - 2)^2 + (-3 + 1)^2 = 5 < 6.因此点在圆内.

一般式上快速判断点与圆位置关系

A\odot Ax2+y2+Dx+Ey+F=0x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0.快速判断 P(x0,y0)P(x_0, y_0)A\odot A 的大小关系.

注意到

x2+y2+Dx+Ey+F=(x+D2)2+(y+E2)2D2+E24F4x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = (x + \df D 2)^2 + (y + \df E 2)^2 - \df{D^2 + E^2 - 4F}{4}

因此对于一般式

x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0

P(x0,y0)P(x_0, y_0) 代入方程左侧后,左侧的结果为:

(x0+D2)2+(y0+E2)2d2D2+E24F4r2\underbrace{(x_0 + \df D 2)^2 + (y_0 + \df E 2)^2}_{\red{d^2}} - \underbrace{\df{D^2 + E^2 - 4F}{4}}_{\red{r^2}}

也即左侧的结果为 d2r2\* d^2 - r^2,显然其与 00 的大小关系决定 ddrr 的大小关系:

  • 小于 00d<rd < r,点在 圆内
  • 等于 00d=rd = r,点在 圆上
  • 大于 00d>rd > r,点在 圆外

因此 一般式 可以像 标准式 一样,将 点的坐标直接代入方程左侧,与 右侧比较,从而 判定点的位置

例题 1.2.1

判断点 (1,1)(1, 1) 与圆 x2+y24x8y+15=0x^2 + y^2 - 4x - 8y + 15 = 0 的位置关系.

例题 1.2.1 解答

12+1248+15=5>01^2 + 1^2 - 4 - 8 + 15 = 5 > 0.因此点在圆外.

例题 1.2.2

若过点 (1,2)(1, 2) 总可以作两条直线与圆 x2+y2+kx+2y+k215=0x^2 + y^2 + kx + 2y + k^2 - 15 = 0 相切,求实数 kk 的取值范围.

例题 1.2.2 解答

首先 方程要表示圆(至少需要让题目给出的方程是合法的圆一般式),Δ>0\Delta > 0,即

k2+224(k215)>0k^2 + 2^2 - 4(k^2 - 15) > 0

解得 833<k<833-\df 8 3 \sqrt 3 < k < \df 8 3 \sqrt 3

其次,过点能作圆的两条切线 等价于 点在圆外,类似地:

  • 能恰作一条切线 等价于 点在圆上
  • 至少能作一条切线 等价于 点在圆上点在圆外

这里点在圆外,因此

12+22+2k+2×2+k215>01^2 + 2^2 + 2k + 2 \times 2 + k^2 - 15 > 0

解得 k<3k < -3k>2k > 2

综合两个不等式的解集,可知 k(833,3)(2,833)k \in (-\df 8 3 \sqrt 3, -3) \cup (2, \df 8 3 \sqrt 3)

例题 1.2.3

无论 aa 取何值,直线 ax+a+y+1=0ax + a + y + 1 = 0 与圆 x2+y22x2y+b=0x^2 + y^2 - 2x - 2y + b = 0 始终相交,求 bb 的取值范围.

例题 1.2.3 解答

将含参直线拆成交点直线系:

a(x+1)+y+1=0a(x + 1) + y + 1 = 0

即一个恰能取到经过定点 P(1,1)P(-1, -1) 的,除 x+1=0x + 1 = 0 外所有直线的直线系.

该直线系中所有直线与圆相交,有两种可能:

可能性一:定点 PP圆内

此时过 PP 的直线一定与圆相交.

可能性二:定点 PP圆上,且过 PP 的切线为 x+1=0x + 1 = 0

此时,过 PP 的所有直线中,除切线以外所有直线与圆相交,只要这个切线是那个恰好取不到的线,则这种情况也成立.

第二种情形是可以排除的:注意到圆心为 (1,1)(1, 1),与 P(1,1)P(-1, -1) 连线不水平,因此 PP 在圆上时,过 PP 的切线一定不竖直,不可能为 x+1=0x + 1 = 0

因此只可能是 PP 在圆内,有

(1)2+(1)22×(1)2×(1)+b<0(-1)^2 + (-1)^2 - 2 \times (-1) - 2 \times (-1) + b < 0

解得 b(,6)b \in (-\infty, -6)

判定一般式是否表示圆的必要性讨论

例题 1.2.2 中,需要特别判断 Δ>0\Delta > 0,但例题 1.2.3 不用.为什么?

对于任意满足下面形式(Δ\Delta 不一定大于 00)的方程

x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0

将待判断点 P(x0,y0)P(x_0, y_0) 代入方程左侧的式子,得到的结果为

x02+y02+Dx0+Ey0+F=(x0+D2)2+(y0+E2)2d2Δ4Δ>0时表示r2{x_0}^2 + {y_0}^2 + Dx_0 + Ey_0 + F = \underbrace{(x_0 + \df D 2)^2 + (y_0 + \df E 2)^2}_{d^2} - \underbrace{\df \Delta {4}}_{\Delta > 0 时表示 r^2}

例题 1.2.2 中,式子

x02+y02+Dx0+Ey0+F>0    d2>Δ4{x_0}^2 + {y_0}^2 + Dx_0 + Ey_0 + F > 0 \implies d^2 > \df{\Delta} 4

Δ>0\Delta > 0 时,方程表示圆,当且仅当 d2>Δ4=r2d^2 > \df{\Delta} 4 = r^2,表示 点在圆外,上式成立.

Δ0\Delta \le 0 时,方程不表示圆,此时只要 ddΔ\Delta 不同时为 00,上不等式也成立.

因此,上面的不等式成立 不一定 说明 方程表示圆,还需要加上 方程表示圆 的条件排除不表示圆的情形.

但在例题 1.2.3 中,判定 点在圆内,用到的不等式为

x02+y02+Dx0+Ey0+F>0    d2<Δ4{x_0}^2 + {y_0}^2 + Dx_0 + Ey_0 + F > 0 \implies d^2 < \df{\Delta} 4

这个不等式 自动限制了 Δ>0\Delta > 0,因此这个不等式成立时,方程表示的一定是圆,因此无需再加条件舍去解.

因此,对于 Δ\Delta 含参,不确定正负性的一般式:

  • 点在圆外 需要额外讨论 Δ\Delta,舍去非圆情形.
  • 点在圆内 不需要讨论 Δ\Delta(当然讨论也可).
  • 点在圆上 需要讨论 Δ\Delta,因为 d=Δ=0d = \Delta = 0 时,等式 x02+y02+Dx0+Ey0+F=0{x_0}^2 + {y_0}^2 + Dx_0 + Ey_0 + F = 0 成立,但原方程表示的不是圆.

点到圆上一动点距离值域

已知 C\odot C 和一点 AA,求点 AAC\odot C 上一动点 PP 的距离取值范围.

记号:

  • C\odot C 半径为 rr,为 动点圆心 的距离.
  • AC=d|AC| = d,为 定点圆心 的距离.
  • 所求距离 AP=a|AP| = a,为 动点定点 的距离.

结论:aa 的值域为

[dr,d+r][|d - r|, d + r]

下面只证明 aa 的最小值是 dr|d - r|,最大值是 d+rd + r,至于为什么 [dr,d+r][|d - r|, d + r] 中的每个值都一定能取到,可以感性理解为「PP 移动时距离连续变化」,严格的证明没有必要.

最值外取不到

根据两点之间线段最短,我们有:

{AP+PCACAC+CPAPCA+APCP\begin{cases} |AP| + |PC| \ge |AC| \\ |AC| + |CP| \ge |AP| \\ |CA| + |AP| \ge |CP| \end{cases}

{d+raa+rda+dr\begin{cases} d + r \ge a \\ a + r \ge d \\ a + d \ge r \end{cases}

这等价于 max(dr,rd)ad+r\max(d - r, r - d) \le a \le d + r,即 drad+r|d - r| \le a \le d + r

最值可以取到

现证明最小值 dr|d - r| 和最大值 d+rd + r 均能被取到,并说明取到时的情形.

作直线 ACAC,其一定与圆有两个交点(因为 CC 在圆内部),且一个交点 P1P_1 位于从 CC 出发远离 AA 一侧的方向,一个交点 P2P_2 位于从 CC 出发靠近 AA 一侧的方向.

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不难发现 P1P_1 取到最大值 d+rd + rP2P_2 取到最小值 dr|d - r|,证毕.

例题 1.3

已知点 M(x,y)M(x, y)C\odot Cx2+y24x+6y+9=0x^2 + y^2 - 4x + 6y + 9 = 0 上,求 x2+y2+2x2y4x^2 + y^2 + 2x - 2y - 4 的取值范围.

例题 1.3 解答

根据隐距离的知识,容易发现所求可以转化为 (x+1)2+(y1)26(x + 1)^2 + (y - 1)^2 - 6 的取值范围,即 (x,y)(x, y)(1,1)(-1, 1) 的距离的平方 6-6 的取值范围.计算 (x,y)(x, y)(1,1)(-1, 1) 的距离取值范围即可.

所给圆配方得 (x2)2+(y+3)2=4(x - 2)^2 + (y + 3)^2 = 4,圆心为 (2,3)(2, -3),半径为 22

(1,1)(-1, 1) 与圆心 (2,3)(2, -3) 的距离为 55,圆的半径为 22,因此所求距离的取值范围是 [3,7][3, 7]

例题 1.3 图

原式取值范围为该距离的平方 6-6 的取值范围,即 [3,43][3, 43]

直线与圆的位置关系

直线与圆的位置关系内容

A\odot A 和直线 ll 的位置关系有三种:llA\odot A 相离;llA\odot A 相交;llA\odot A 相切.

设圆心 AAll 的距离为 ddA\odot A 的半径为 rr,则:

  • llA\odot A 相离,当且仅当 d>rd > r,当且仅当 llA\odot A 没有交点
  • llA\odot A 相交,当且仅当 d<rd < r,当且仅当 llA\odot A 有两个交点
  • llA\odot A 相切,当且仅当 d=rd = r,当且仅当 llA\odot A 恰有一个交点

判断直线与圆的位置关系有两种角度,对应地,在解析几何中我们也有两套判断方式.

距离法

用点到直线的距离公式算出 dd,直接和 rr 比较,即可得到圆与直线的位置关系.

判别式法

还可以从交点数量的角度判断直线与圆的位置关系.联立直线与圆的方程:

{Ax+By+C=0x2+y2+Dx+Ey+F=0\begin{cases} Ax + By + C = 0\\ x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0 \end{cases}

这虽然是一个二元二次方程组,但有一个方程是一次的.

不妨设 B0B \ne 0,此时 yy 可以由 xx 线性表出;利用这个线性关系将第二个方程的 yy 消去,使其变为二元一次方程.

(如果 B=0B = 0,则一定有 A0A \ne 0,反过来将 xxyy 线性表出即可.)

形式化地,当 B0B \ne 0 时,我们可以将方程等价变形为:

{y=f1(x)f2(x,y)=0\begin{cases} y = f_1(x) \\ f_2(x, y) = 0 \end{cases}

然后等价变形为:

{y=f1(x)f2(x,f1(x))=0\begin{cases} y = f_1(x) \\ f_2(x, f_1(x)) = 0 \end{cases}

根据第一个方程,一个 xx 恰好对应一个 yy.那么,

f2(x,f1(x))=0f_2(x, f_1(x)) = 0 方程解的个数 == 整个方程组解的个数 == 圆与直线的交点总数.

因此判断 f2(x,f1(x))=0f_2(x, f_1(x)) = 0 方程解的个数即可.

f2(x,f1(x))=0f_2(x, f_1(x)) = 0 是一个二元一次方程,判断其解的个数,我们可以判断 Δ\Delta 的正负性.

  • Δ=0\Delta = 0 时有一个解,对应一个交点,对应相切.
  • Δ>0\Delta > 0 时有两个解,对应两个交点,对应相交.
  • Δ<0\Delta < 0 时有零个解,对应零个交点,对应相离.
例题 2.1

判断直线 xy+4=0x - y + 4 = 0 与圆 x2+y2=8x^2 + y^2 = 8 的位置关系.

例题 2.1 解答

联立:

{xy+4=0x2+y2=8\begin{cases} x - y + 4 = 0 \\ x^2 + y^2 = 8 \end{cases}

变形为

{y=x+4x2+(x+4)2=8\begin{cases} y = x + 4 \\ x^2 + (x + 4)^2 = 8 \end{cases}

该方程组解的个数与 x2+(x+4)2=8x^2 + (x + 4)^2 = 8 中解的个数相同,整理得 x2+4x+4=0x^2 + 4x + 4 = 0

计算其判别式 Δ=424×4=0\Delta = 4^2 - 4 \times 4 = 0,直线与圆相切.

该方法可将直线与圆的交点坐标顺便解出.但这里有一个注意事项.来看下面的错误示范:

例题 2.1

判断直线 xy+4=0x - y + 4 = 0 与圆 x2+y2=8x^2 + y^2 = 8 的位置关系.

例题 2.1 错误解答示范

联立:

{xy+4=0x2+y2=8\begin{cases} x - y + 4 = 0 \\ x^2 + y^2 = 8 \end{cases}

变形为

{y=x+4x2+(x+4)2=8\begin{cases} y = x + 4 \\ x^2 + (x + 4)^2 = 8 \end{cases}

代入消元,第二个方程变形为 x2+4x+4=0x^2 + 4x + 4 = 0,解得 x=2x = -2.将 x=2x = -2 代入第二个方程后,有 (2)2+y2=8(-2)^2 + y^2 = 8,解得 y=2y = 2y=2y = -2

因此,直线与圆有两个交点,直线与圆相交.

上面做法的错误之处在于:

{y=x+4x2+(x+4)2=8\begin{cases} y = x + 4 \\ x^2 + (x + 4)^2 = 8 \end{cases}

其等价的结果应为:

{y=x+4x=2\begin{cases} y = x + 4 \\ x = 2 \end{cases}

利用圆方程解出 xx 后,必须重新代入 直线方程 才能得到正确的 yy

直线与圆的位置关系 两种方法比较

首选距离法.判别式法与距离法相比,计算量一般更大,尤其当方程含参时一定选择距离法

  • 当询问直线和圆的交点坐标时,再考虑联立法.
  • 当已知 含参直线 与圆 相切,求 切点坐标 时,先用距离法参数求出,再 联立方程 求坐标.

事实上,单纯运用判别式判定交点数几乎不用,因为使用判别式法的情景通常都是要进一步求具体交点坐标.

例题 2.2

若直线 3x+4y+5=03x + 4y + 5 = 0 与圆 (x+a)2+(y+1)2=1(x + a)^2 + (y + 1)^2 = 1 恰有一个公共点,求 aa 的值.

例题 2.2 解答

由题可知圆心为 (a,1)(-a, -1),半径为 11

圆心到直线的距离为 11,即 3a4+532+42=1\df{|-3a - 4 + 5|}{\sqrt{3^2 + 4^2}} = 1,解得 a=2a = -2a=43a = -\df 43

过一点作圆的切线方程

圆外或圆上 一点 AAC\odot C 的切线 ll,求 ll 的方程.

先根据 ll 过点 AA 列出斜率为参数 kk 的点斜式方程.

特判斜率不存在

这一步需要提前讨论 直线斜率不存在 的情形,即要先判断过 AA竖直线 是否与 C\odot C 相切.

然后利用距离法,根据 圆心 CCll 的距离等于 rr 列出方程,求出参数 kk 的值.

例题 2.3.1

C ⁣:(x1)2+(y1)2=1\odot C \colon (x-1)^2 + (y-1)^2 = 1 外一点 P(2,3)P(2, 3) 向圆引切线,求切线方程.

例题 2.3.1 解答

C\odot C 的圆心为 (1,1)(1, 1),半径为 11,设过 PP 的直线 ll 为圆的切线.

ll 不存在斜率时,l ⁣:x=2l \colon x = 2,圆心到 ll 的距离等于半径,因此 x=2x = 2 是一条切线.

ll 存在斜率 kk 时,设 l ⁣:y3=k(x2)l \colon y - 3 = k(x - 2),则圆心到 ll 的距离等于 rr

ll 的一般式为 kxy2k+3=0kx - y - 2k + 3 = 0,则

k12k+3k2+1=1\df{|k - 1 - 2k + 3|}{\sqrt{k^2 + 1}} = 1

解得 k=34k = \df 3 4,整理可得 l ⁣:3x4y+6=0l \colon 3x - 4y + 6 = 0

综上,ll 的方程为 x=2x = 23x4y+6=03x - 4y + 6 = 0

善用圆外一点必能引出两条切线

圆外 一点向圆必定可以引出两条切线.

因此,在 填选 中,对于 圆外一点 向圆引切线的题目,可直接考虑设 kk 解方程:

  • 如果只算出来 一个解,说明另一个解是 竖直线
  • 如果算出 两个解,则 竖直线 一定 不是解

大题 中该讨论还是要讨论,当然可以根据 必定引出两条切线 检验自己是否算错.

注意:圆上一点 只能引出一条切线,没有上述结论.

圆上一点求切线方程 简便做法

圆上 一点 AAC\odot C 的切线 ll,求 ll 的方程.

考虑到 圆上一点的切线与过该点的半径垂直ll 存在法向量 CA\overrightarrow{CA}

再根据 AAll 上,可直接根据点法式写出 ll 的方程.

这个做法比设 kk 简单很多,因此 对于点在圆上的题目请采用这种策略计算切线方程

例题 2.3.2

过点 P(3,1)P(3, 1)(x1)2+y2=5(x - 1)^2 + y^2 = 5 的切线,求切线方程.

例题 2.3.2 解答

先判定一下 PP 的位置(31)2+12=5(3 - 1)^2 + 1^2 = 5,因此 PP圆上

圆心 C(1,0)C(1, 0)CP=(2,1)\overrightarrow{CP} = (2, 1),点法式给出切线方程

2x+y=2×3+1×1=72x + y = 2 \times 3 + 1 \times 1 = 7

2x+y7=02x + y - 7 = 0

备注

过一点求切线方程的题目,应 优先判定点与圆的位置关系,从而找到最简单的解题策略.

圆的弦长公式

一直线 llC\odot C 交于 AABB 两点,求 AB|AB|

联立 llC\odot C,求出两个交点的坐标,用两点间距离公式计算是最直接的方案,但 很繁琐,完全不推荐使用

更明智的策略是:

  • 计算 圆心 C\odot C直线 ll 的距离 dd.这个距离即 圆心到弦的距离,称作 弦心距
  • C\odot C 半径为 rr,则 2r2d2\red{2}\sqrt{r^2 - d^2} 即为答案.

正确性:基于 垂径定理勾股定理,可以发现 半弦长r2d2\sqrt{r^2 - d^2},其二倍即为弦长.

该公式可以将 难求的弦长 转化为 易求的弦心距

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例题 2.4.1

求直线 x3y+23=0x - \sqrt 3 y + 2 \sqrt 3 = 0 被圆 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 截得的弦长.

例题 2.4.1 解答

弦心距为 2312+32=3\df{2 \sqrt 3}{\sqrt{1^2 + \sqrt 3^2}} = \sqrt 3,圆的半径为 4=2\sqrt 4 = 2

因此半弦长为 2232=1\sqrt{2^2 - \sqrt 3^2} = 1,弦长为 22

解决弦长问题,核心的几何结构是 弦心距半弦长 为直角边,半径 为斜边的直角三角形,后文称之为「弦三角」.弦三角不仅能求弦长,还可以 处理很多与弦有关的条件.比如 C\odot C 的弦 ABAB 中,

  • AB|AB|(弦长条件).
  • ACB\angle ACB(圆心角).
  • ACB\triangle ACB 的面积.
  • CACB\overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB}(即 r2cosACBr^2\cos \angle ACB,重点仍然是圆心角).

这些条件都要联想到 弦三角,从而简化运算.

例题 2.4.2

已知 P(1,1)P(1, -1) 为圆 x2+y26x=0x^2 + y^2 - 6x = 0 的弦 MNMN 的中点,求弦 MNMN 所在直线方程.

例题 2.4.2 解答

设圆心 C(3,0)C(3, 0),根据垂径定理,不难发现 MNMN 是一条 经过点 PP,法向量 PC\overrightarrow{PC} 的直线.

PC=(2,1)\overrightarrow{PC} = (2, 1),点法式给出

MN ⁣:2x+y=2×1+1×(1)=1MN\colon 2x + y = 2 \times 1 + 1 \times (-1) = 1

2x+y1=02x + y - 1 = 0

例题 2.4.3

已知直线 l ⁣:mx+y+3m3=0l \colon mx + y + 3m - \sqrt 3 = 0 与圆 x2+y2=12x^2 + y^2 = 12 交于 AABB,过 AABB 分别作 ll 的垂线与 xx 轴交于 CCDD 两点,若 AB=23|AB| = 2\sqrt 3,求 CD|CD| 的值.

例题 2.4.3 解答

AB=23|AB| = 2\sqrt 3 为弦长,考虑转化为弦心距.

半弦长 3\sqrt 3,半径 232 \sqrt 3,勾股可知弦心距为 33

因此圆心 (0,0)(0, 0) 到直线 mx+y+3m3=0mx + y + 3m - \sqrt 3 = 0 的距离为 33,解得 m=33m = -\df{\sqrt 3} 3

因此 l ⁣:y=33x+23l \colon y = \df{\sqrt 3}3 x + 2\sqrt 3,画图:

例题 2.4.2 图

当然,我们可以选择将 AABB 的坐标算出,然后作垂线,再求 CCDD 的坐标,最后计算结果.但是不要忘记:我们还有通常比解析法更简单的几何法

作垂 CEBDCE \perp BDBDBDEE,则四边形 ABCEABCE 构成矩形,CE=AB=23|CE| = |AB| = 2\sqrt 3

ll 的斜率为 33\df {\sqrt 3} 3,倾斜角为 π6\df \pi 6,又 CElCE \parallel l,因此 ECD=π6\angle ECD = \df \pi 6

这样以来,CD=CEcosπ6=4|CD| = \df{|CE|}{\cos \fr \pi 6} = 4,计算完毕.

圆的弦长值域

对于 C\odot C 和在 圆内 的一点 PP,经过 PP 的无数条弦中:

  • 连接 CPCP
  • 弦长 最大值直径,将 CPCP 两端延长至与圆相交时,该弦即最长弦.
  • 弦长 最小值垂直于 CPCP 的弦

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最大值的证明是显然的.最小值的证明,是考虑到半弦长 ll 与弦心距 dd 满足关系式

d2+l2=r2d^2 + l^2 = r^2

ll 最小时,dd 应当最大,即 弦心距最大

由于弦过定点 PP,可知弦心距最大 CP|CP|.上面的动画可以直观看出,任意弦的弦心距 CHCP|CH| \le |CP|

例题 2.5

已知 P ⁣:x2+(y+23)2=25\odot P \colon x^2 + (y + 2\sqrt 3)^2 = 25 被直线 x+my+2=0x + my + 2 = 0 被直线 x+my+2=0x + my + 2 = 0 截得的弦长为整数,求满足条件的 mm 的数量.

例题 2.5 解答

直线拆为交点直线系 x+2+my=0x + 2 + my = 0,可知过定点 Q(2,0)Q(-2, 0) 且取不到 y=0y = 0,即 x 轴.

(2)2+(0+23)2<25(-2)^2 + (0 + 2\sqrt 3)^2 < 25,可知 QQ 在圆内,假设直线可以任意转动,根据结论:

  • 弦长最大值为直径 1010
  • 弦长最小值为弦心距等于 PQ=4|PQ| = 4 时,此时半弦长为 5242=3\sqrt{5^2 - 4^2} = 3,弦长为 66

根据对称性,弦长为整数的弦应有 88 条:

例题 2.5 图

现在检验取不到的 x 轴是否对应这里的一条弦.弦心距为 232\sqrt 3,此时半弦长为 13\sqrt{13},不为整数,因此不对应这里的弦.

因此 88 条弦均能取到,而一条弦对应一个参数取值(在交点直线系已给出证明),答案为 88

圆的切线长公式

C\odot C 外一点 PPC\odot C 引出两条切线 PM1PM_1PM2PM_2,切点分别为 M1M_1M2M_2,求 PM1|PM_1|PM2|PM_2|

可以联立求切点坐标,用两点间距离公式计算,但同理 很繁琐,完全不推荐使用

更好的策略是:

  • 切线长定理给出 PM1=PM2|PM_1| = |PM_2|,这两个一致的长度统一称作 切线长
  • 计算 PP 到圆心 C\odot C 的距离 dd
  • C\odot C 半径为 rr,则切线长等于 d2r2\sqrt{d^2 - r^2}

上面的做法根据 过切点的半径与切线垂直,由勾股定理易得.

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切线长 对应的几何结构是 半径切线长 为直角边,点心距 为斜边的直角三角形,下文称之为「切三角」.与弦长类似,只要遇到 有关圆的切线长 的条件,就可以考虑利用切三角转化为 点心距 的条件.

例题 2.6

已知 M ⁣:(x+1)2+(y2)2=1\odot M \colon (x+1)^2 + (y-2)^2 = 1,点 PP 在直线 l ⁣:y=x1l \colon y = x - 1 上,设半径为 55N\odot NM\odot M 相离,过点 PP 分别作 M\odot MN\odot N 的切线,切点分别为 AABB,若对任意点 PP 均有 PA=PB|PA| = |PB|,求圆心 NN 的坐标.

例题 2.6 解答

P(p,p1)P(p, p - 1),将切线长条件处理为点心距条件:

PA=PB    PA2=PB2    PM212=PN252|PA| = |PB| \iff |PA|^2 = |PB|^2 \iff |PM|^2 - 1^2 = |PN|^2 - 5^2

N(m,n)N(m, n),则

(p+1)2+(p12)212=(pm)2+(p1n)252(p + 1)^2 + (p - 1 - 2)^2 - 1^2 = (p - m)^2 + (p - 1 - n)^2 - 5^2

该方程应对任意 pRp \in \R 恒成立,将其整理为 pp 为未知元,mmnn 为参数的方程:

2(m+n1)p+33m2n22n=02(m + n - 1)p + 33 - m^2 - n^2 - 2n = 0

因此有

{2(m+n1)=033m2n22n=0\bcs 2(m + n - 1) = 0 \\ 33 - m^2 - n^2 - 2n = 0 \ecs

解得 {m=5n=4\bcs m = 5 \\ n = -4 \ecs{m=3n=4\bcs m = -3 \\ n = 4 \ecs,即 N1(5,4)N_1(5, -4)N2(3,4)N_2(-3, 4)

根据 N\odot NM\odot M 相离,NM>6|NM| > 6,可舍去 N2N_2N(5,4)N(5, -4)

切点弦

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

切点弦 综合了 切线 两个元素,就同时涉及到了「弦三角」与「切三角」两个结构.

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结论:点心距 PC|PC| 越大,切线长 PA|PA| 越大,切点弦 AB|AB| 越长.

结论证明

PC|PC| 越大,切线长 PA=PC2AC2|PA| = \sqrt{|PC|^2 - |AC|^2} 越大.

α(0,π2)\alpha \in (0, \df \pi 2),此时 sinα\sin \alphaα\alpha 正相关,cosα\cos \alphaα\alpha 负相关.

PC|PC| 越大,cosα\cos \alpha 越小,sinα\sin \alpha 越大,AMAC\df{|AM|}{|AC|} 越大,AM|AM| 越大,AB|AB| 越大.

圆上一动点坐标线性加和值域

已知圆上一动点 (x,y)(x, y),求 mx+nymx + ny 的值域.

可以转化为 mx+ny=tmx + ny = t 何时与已知圆有交点,转化为直线与圆有交点(相交或相切)求参数问题.

例题 2.7

x2+y28x6y+21=0x^2 + y^2 - 8x - 6y + 21 = 0 上一动点 P(x0,y0)P(x_0, y_0),求 2x0+y02x_0 + y_0 的取值范围.

例题 2.7 解答

2x+y=m2x + y = m,问题转为 mm 取何值时,直线 2x+ym=02x + y - m = 0 与给定圆存在交点.

配方得 (x4)2+(y3)2=22(x - 4)^2 + (y - 3)^2 = 2^2,圆心 (4,3)(4, 3),半径 22

条件等价于圆心到直径的距离小于等于半径,即

2×4+3m22+122\df{|2 \times 4 + 3 - m|}{\sqrt{2^2 + 1^2}} \le 2

解得 mm 值域为 [1125,11+25][11 - 2\sqrt 5, 11 + 2\sqrt 5],即答案.

圆与圆的位置关系

圆与圆的位置关系内容

两圆之间的位置关系共有五种:外离;外切;相交;内切;内含.设两圆半径分别为 r1r_1r2r_2,两圆圆心的距离(圆心距)为 dd,则:

  • d>r1+r2d > r_1 + r_2 时,两圆 外离
  • d=r1+r2d = r_1 + r_2 时,两圆 外切
  • r1r2<d<r1+r2|r_1 - r_2| < d < r_1 + r_2 时,两圆 相交
  • d=r1r2d = |r_1 - r_2| 时,两圆 内切
  • d<r1r2d < |r_1 - r_2| 时,两圆 内含

特别地:

  • d=0d = 0 时,两圆互为 同心圆(它们的圆心相同).
  • r1=r2r_1 = r_2 时,两圆没有内含的情形,内切等价于重合.

确定两圆的位置关系,我们要比较 圆心距半径和、半径差 两个量的大小关系.

两圆上两动点距离值域

已知两个圆 C1\odot C_1C2\odot C_2C1\odot C_1 上有一动点 P1P_1C2\odot C_2 上有一动点 P2P_2,求 P1P_1P2P_2 间距离的取值范围.

C1\odot C_1 半径为 r1r_1C2\odot C_2 半径为 r2r_2,圆心距 C1C2|C_1C_2|dd,所求 P1P2|P_1P_2| 距离为 aa

根据两点之间线段最短,有:

{P1C1+C1C2+C2P2P1P2C1P1+P1P2+P2C2C1C2P1P2+P2C2+C2C1P1C1P2P1+P1C1+C1C2P2C2\begin{cases} |P_1C_1| + |C_1C_2| + |C_2P_2| \ge |P_1P_2| \\ |C_1P_1| + |P_1P_2| + |P_2C_2| \ge |C_1C_2| \\ |P_1P_2| + |P_2C_2| + |C_2C_1| \ge |P_1C_1| \\ |P_2P_1| + |P_1C_1| + |C_1C_2| \ge |P_2C_2| \end{cases}

{r1+d+r2ar1+a+r2da+r2+dr1a+r1+dr2\begin{cases} r_1 + d + r_2 \ge a \\ r_1 + a + r_2 \ge d \\ a + r_2 + d \ge r_1 \\ a + r_1 + d \ge r_2 \end{cases}

综合 a0a \ge 0,整理得:

max(r1r2d,dr1r2,0)ar1+r2+d\max(|r_1 - r_2| - d, d - r_1 - r_2, 0) \le a \le r_1 + r_2 + d

现证明最小值 max(r1r2d,dr1r2,0)\max(|r_1 - r_2| - d, d - r_1 - r_2, 0) 和最大值 r1+r2+dr_1 + r_2 + d 均能被取到,并说明取到时的情形.

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左图为两圆 相离 时的情形.

  • 绿色的 P1P2P_1P_2 点对距离取到最大值 r1+r2+dr_1 + r_2 + d
  • 红色的 P1P2P_1P_2 点对距离取到最小值 max(r1r2d,dr1r2,0)=dr1r2\max(|r_1 - r_2| - d, d - r_1 - r_2, 0) = d - r_1 - r_2

中图为两圆 相交 / 内切 / 外切 时的情形.

  • 绿色的 P1P2P_1P_2 点对距离取到最大值 r1+r2+dr_1 + r_2 + d
  • 此时两圆存在交点(紫点),令 P1P2P_1P_2 同时落在同一个紫点上,可取到最小值 max(r1r2d,dr1r2,0)=0\max(|r_1 - r_2| - d, d - r_1 - r_2, 0) = 0

右图为两圆 内含 时的情形.这里设 C1\odot C_1 内含 C2\odot C_2

  • 绿色点 P1P_1 和橙色点 P2P_2 间距离取到最大值 r1+r2+dr_1 + r_2 + d
  • 红色点 P1P_1 和橙色点 P2P_2 间距离取到最小值 max(r1r2d,dr1r2,0)=r1r2d\max(|r_1 - r_2| - d, d - r_1 - r_2, 0) = r_1 - r_2 - d

交换 C1\odot C_1C2\odot C_2 便为 C2\odot C_2 内含 C1\odot C_1 的情形,此时最小值取到 r2r1dr_2 - r_1 - d.综合考虑最小值为 r1r2d|r_1 - r_2| - d