圆中的位置关系
点 P 和 ⊙A 的位置关系有三种:P 在 ⊙A 外;P 在 ⊙A 内;P 在 ⊙A 上.
设 P 到圆心 A 的距离为 d,⊙A 的半径为 r,则:
- P 在 ⊙A 外,当且仅当 d>r.
- P 在 ⊙A 内,当且仅当 d<r.
- P 在 ⊙A 上,当且仅当 d=r.
⊙A:(x−xA)2+(y−yA)2=r2.快速判断 P(x0,y0) 和 ⊙A 的大小关系.
注意到将 (x0,y0) 代入上述方程等号左侧得到
(x0−xA)2+(y0−yA)2
不难看出这就是 P 到圆心 A 的距离 d2,而等号右侧为 r2,它们的大小关系可以直接说明 d 与 r 的大小 关系:
- d2>r2,当且仅当 d>r,当且仅当 P 在 ⊙A 外.
- d2<r2,当且仅当 d<r,当且仅当 P 在 ⊙A 内.
- d2=r2,当且仅当 d=r,当且仅当 P 在 ⊙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.
- 看 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.
判断点 (1,−3) 与圆 (x−2)2+(y+1)2=6 的位置关系.
(1−2)2+(−3+1)2=5<6.因此点在圆内.
⊙A:x2+y2+Dx+Ey+F=0.快速判断 P(x0,y0) 和 ⊙A 的大小关系.
注意到
x2+y2+Dx+Ey+F=(x+2D)2+(y+2E)2−4D2+E2−4F
因此对于一般式
x2+y2+Dx+Ey+F=0
将 P(x0,y0) 代入方程左侧后,左侧的结果为:
d2(x0+2D)2+(y0+2E)2−r24D2+E2−4F
也即左侧的结果为 d2−r2,显然其与 0 的大小关系决定 d 与 r 的大小关系:
- 小于 0 时 d<r,点在 圆内.
- 等于 0 时 d=r,点在 圆上.
- 大于 0 时 d>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.
判断点 (1,1) 与圆 x2+y2−4x−8y+15=0 的位置关系.
12+12−4−8+15=5>0.因此点在圆外.
若过点 (1,2) 总可以作两条直线与圆 x2+y2+kx+2y+k2−15=0 相切,求实数 k 的取值范围.
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,即
k2+22−4(k2−15)>0解得 −383<k<383.
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 或 点在圆外.
这里点在圆外,因此
12+22+2k+2×2+k2−15>0解得 k<−3 或 k>2.
综合两个不等式的解集,可知 k∈(−383,−3)∪(2,383).
无论 a 取何值,直线 ax+a+y+1=0 与圆 x2+y2−2x−2y+b=0 始终相交,求 b 的取值范围.
将含参直线拆成交点直线系:
a(x+1)+y+1=0即一个恰能取到经过定点 P(−1,−1) 的,除 x+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 P 在 圆内.
此时过 P 的直线一定与圆相交.
可能性二:定点 P 在 圆上,且过 P 的切线为 x+1=0.
此时,过 P 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),与 P(−1,−1) 连线不水平,因此 P 在圆上时,过 P 的切线一定不竖直,不可能为 x+1=0.
因此只可能是 P 在圆内,有
(−1)2+(−1)2−2×(−1)−2×(−1)+b<0解得 b∈(−∞,−6).
例题 1.2.2 中,需要特别判断 Δ>0,但例题 1.2.3 不用.为什么?
对于任意满足下面形式(Δ 不一定大于 0)的方程
x2+y2+Dx+Ey+F=0将待判断点 P(x0,y0) 代入方程左侧的式子,得到的结果为
x02+y02+Dx0+Ey0+F=d2(x0+2D)2+(y0+2E)2−Δ>0时表示r24Δ例题 1.2.2 中,式子
x02+y02+Dx0+Ey0+F>0⟹d2>4Δ当 Δ>0 时,方程表示圆,当且仅当 d2>4Δ=r2,表示 点在圆外,上式成立.
Δ≤0 时,方程不表示圆,此时只要 d 与 Δ 不同时为 0,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<4Δ这个不等式 自动限制了 Δ>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 含参,不确定正负性的一般式:
- 点在圆外 需要额外讨论 Δ,舍去非圆情形.
- 点在圆内 不需要讨论 Δ(当然讨论也可).
- 点在圆上 需要讨论 Δ,因为 d=Δ=0 时,等式 x02+y02+Dx0+Ey0+F=0 成立,但原方程表示的不是圆.
已知 ⊙C 和一点 A,求点 A 到 ⊙C 上一动点 P 的距离取值范围.
记号:
- ⊙C 半径为 r,为 动点 与 圆心 的距离.
- ∣AC∣=d,为 定点 与 圆心 的距离.
- 所求距离 ∣AP∣=a,为 动点 与 定点 的距离.
结论:a 的值域为
[∣d−r∣,d+r]
下面只证明 a 的最小值是 ∣d−r∣,最大值是 d+r,至于为什么 [∣d−r∣,d+r] 中的每个值都一定能取到,可以感性理解为「P 移动时距离连续变化」,严格的证明没有必要.
根据两点之间线段最短,我们有:
⎩⎨⎧∣AP∣+∣PC∣≥∣AC∣∣AC∣+∣CP∣≥∣AP∣∣CA∣+∣AP∣≥∣CP∣
即
⎩⎨⎧d+r≥aa+r≥da+d≥r
这等价于 max(d−r,r−d)≤a≤d+r,即 ∣d−r∣≤a≤d+r.
现证明最小值 ∣d−r∣ 和最大值 d+r 均能被取到,并说明取到时的情形.
作直线 AC,其一定与圆有两个交点(因为 C 在圆内部),且一个交点 P1 位于从 C 出发远离 A 一侧的方向,一个交点 P2 位于从 C 出发靠近 A 一侧的方向.
不难发现 P1 取到最大值 d+r,P2 取到最小值 ∣d−r∣,证毕.
已知点 M(x,y) 在 ⊙C:x2+y2−4x+6y+9=0 上,求 x2+y2+2x−2y−4 的取值范围.
根据隐距离的知识,容易发现所求可以转化为 (x+1)2+(y−1)2−6 的取值范围,即 (x,y) 到 (−1,1) 的距离的平方 −6 的取值范围.计算 (x,y) 到 (−1,1) 的距离取值范围即可.
所给圆配方得 (x−2)2+(y+3)2=4,圆心为 (2,−3),半径为 2.
(−1,1) 与圆心 (2,−3) 的距离为 5,圆的半径为 2,因此所求距离的取值范围是 [3,7].
原式取值范围为该距离的平方 −6 的取值范围,即 [3,43].
⊙A 和直线 l 的位置关系有三种:l 与 ⊙A 相离;l 与 ⊙A 相交;l 与 ⊙A 相切.
设圆心 A 到 l 的距离为 d,⊙A 的半径为 r,则:
- l 与 ⊙A 相离,当且仅当 d>r,当且仅当 l 与 ⊙A 没有交点.
- l 与 ⊙A 相交,当且仅当 d<r,当且仅当 l 与 ⊙A 有两个交点.
- l 与 ⊙A 相切,当且仅当 d=r,当且仅当 l 与 ⊙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.
用点到直线的距离公式算出 d,直接和 r 比较,即可得到圆与 直线的位置关系.
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
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 B=0,此时 y 可以由 x 线性表出;利用这个线性关系将第二个方程的 y 消去,使其变为二元一次方程.
(如果 B=0,则一定有 A=0,反过来将 x 用 y 线性表出即可.)
形式化地,当 B=0 时,我们可以将方程等价变形为:
{y=f1(x)f2(x,y)=0
然后等价变形为:
{y=f1(x)f2(x,f1(x))=0
根据第一个方程,一个 x 恰好对应一个 y.那么,
f2(x,f1(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))=0 方程 解的个数即可.
f2(x,f1(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 的正负性.
- Δ=0 时有一个解,对应一个交点,对应相切.
- Δ>0 时有两个解,对应两个交点,对应相交.
- Δ<0 时有零个解,对应零个交点,对应相离.
判断直线 x−y+4=0 与圆 x2+y2=8 的位置关系.
联立:
{x−y+4=0x2+y2=8变形为
{y=x+4x2+(x+4)2=8该方程组解的个数与 x2+(x+4)2=8 中解的个数相同,整理得 x2+4x+4=0.
计算其判别式 Δ=42−4×4=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:
判断直线 x−y+4=0 与圆 x2+y2=8 的位置关系.
联立:
{x−y+4=0x2+y2=8变形为
{y=x+4x2+(x+4)2=8代入消元,第二个方程变形为 x2+4x+4=0,解得 x=−2.将 x=−2 代入第二个方程后,有 (−2)2+y2=8,解得 y=2 或 y=−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
其等价的结果应为:
{y=x+4x=2
利用圆方程解出 x 后,必须重新代入 直线方程 才能得到正确的 y.
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 把 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.
若直线 3x+4y+5=0 与圆 (x+a)2+(y+1)2=1 恰有一个公共点,求 a 的值.
由题可知圆心为 (−a,−1),半径为 1.
圆心到直线的距离为 1,即 32+42∣−3a−4+5∣=1,解得 a=−2 或 a=−34.
过 圆外或圆上 一点 A 作 ⊙C 的切线 l,求 l 的方程.
先根据 l 过点 A 列出斜率为参数 k 的点斜式方程.
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 A 的 竖直线 是否与 ⊙C 相切.
然后利用距离法,根据 圆心 C 到 l 的距离等于 r 列出方程,求出参数 k 的值.
从 ⊙C:(x−1)2+(y−1)2=1 外一点 P(2,3) 向圆引切线,求切线方程.
⊙C 的圆心为 (1,1),半径为 1,设过 P 的直线 l 为圆的切线.
当 l 不存在斜率时,l:x=2,圆心到 l 的距离等于半径,因此 x=2 是一条切线.
当 l 存在斜率 k 时,设 l:y−3=k(x−2),则圆心到 l 的距离等于 r.
l 的一般式为 kx−y−2k+3=0,则
k2+1∣k−1−2k+3∣=1解得 k=43,整理可得 l:3x−4y+6=0.
综上,l 的方程为 x=2 或 3x−4y+6=0.
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 k 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.
在 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.
过 圆上 一点 A 作 ⊙C 的切线 l,求 l 的方程.
考虑到 圆上一点的切线与过该点的半径垂直,l 存在法向量 CA.
再根据 A 在 l 上,可直接根据点法式写出 l 的方程.
这个做法比设 k 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.
过点 P(3,1) 作 (x−1)2+y2=5 的切线,求切线方程.
先判定一下 P 的位置.(3−1)2+12=5,因此 P 在 圆上.
圆心 C(1,0),CP=(2,1),点法式给出切线方程
2x+y=2×3+1×1=7即 2x+y−7=0.
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.
一直线 l 与 ⊙C 交于 A,B 两点,求 ∣AB∣.
联立 l 与 ⊙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 到 直线 l 的距离 d.这个距离即 圆心到弦的距离,称作 弦心距.
- 设 ⊙C 半径为 r,则 2r2−d2