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2020版数学(理)人教A版新设计大一轮讲义:第八章第3节圆与方程
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第3节 圆与方程
考试要求 掌握确定圆的几何要素,掌握圆的标准方程与一般方程.
知 识 梳 理
1.圆的定义和圆的方程
定义
平面内到定点的距离等于定长的点的轨迹叫做圆
方程
标准
(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)
圆心C(a,b)
半径为r
一般
x2+y2+Dx+Ey+F=0
(D2+E2-4F>0)
充要条件:D2+E2-4F>0
圆心坐标:
半径r=
2.点与圆的位置关系
平面上的一点M(x0,y0)与圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2之间存在着下列关系:
(1)|MC|>r⇔M在圆外,即(x0-a)2+(y0-b)2>r2⇔M在圆外;
(2)|MC|=r⇔M在圆上,即(x0-a)2+(y0-b)2=r2⇔M在圆上;
(3)|MC|<r⇔M在圆内,即(x0-a)2+(y0-b)2<r2⇔M在圆内.
[微点提醒]
1.圆心在坐标原点半径为r的圆的方程为x2+y2=r2.
2.以A(x1,y1),B(x2,y2)为直径端点的圆的方程为(x-x1)·(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.
基 础 自 测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)确定圆的几何要素是圆心与半径.( )
(2)方程x2+y2=a2表示半径为a的圆.( )
(3)方程x2+y2+4mx-2y+5m=0表示圆.( )
(4)方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0表示圆的充要条件是A=C≠0,B=0,D2+E2-4AF>0.( )
解析 (2)当a=0时,x2+y2=a2表示点(0,0);当a<0时,表示半径为|a|的圆.
(3)当(4m)2+(-2)2-4×5m>0,即m<或m>1时表示圆.
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√
2.(必修2P124A1改编)圆x2+y2-4x+6y=0的圆心坐标和半径分别是( )
A.(2,3),3 B.(-2,3),
C.(-2,-3),13 D.(2,-3),
解析 圆的方程可化为(x-2)2+(y+3)2=13,所以圆心坐标是(2,-3),半径r=.
答案 D
3.(必修2P130例3改编)过点A(1,-1),B(-1,1),且圆心在直线x+y-2=0上的圆的方程是( )
A.(x-3)2+(y+1)2=4 B.(x+3)2+(y-1)2=4
C.(x-1)2+(y-1)2=4 D.(x+1)2+(y+1)2=4
解析 设圆心C的坐标为(a,b),半径为r.因为圆心C在直线x+y-2=0上,所以b=2-a.又|CA|2=|CB|2,所以(a-1)2+(2-a+1)2=(a+1)2+(2-a-1)2,所以a=1,b=1.所以r=2.所以方程为(x-1)2+(y-1)2=4.
答案 C
4.(2019·日照调研)若点(1,1)在圆(x-a)2+(y+a)2=4的内部,则实数a的取值范围是( )
A.(-1,1) B.(0,1)
C.(-∞,-1)∪(1,+∞) D.a=±1
解析 因为点(1,1)在圆的内部,
所以(1-a)2+(1+a)2<4,所以-1 答案 A
5.(2019·荆州模拟)若圆(x-1)2+(y-1)2=2关于直线y=kx+3对称,则k的值是( )
A.2 B.-2 C.1 D.-1
解析 由题意知直线y=kx+3过圆心(1,1),
即1=k+3,解得k=-2.
答案 B
6.(2016·浙江卷)已知a∈R,方程a2x2+(a+2)y2+4x+8y+5a=0表示圆,则圆心坐标是______,半径是______.
解析 由已知方程表示圆,则a2=a+2,
解得a=2或a=-1.
当a=2时,方程不满足表示圆的条件,故舍去.
当a=-1时,原方程为x2+y2+4x+8y-5=0,
化为标准方程为(x+2)2+(y+4)2=25,
表示以(-2,-4)为圆心,半径为5的圆.
答案 (-2,-4) 5
考点一 圆的方程
【例1】 (1)(一题多解)(2018·天津卷)在平面直角坐标系中,经过三点(0,0),(1,1),(2,0)的圆的方程为________________.
(2)(一题多解)已知圆C的圆心在直线x+y=0上,圆C与直线x-y=0相切,且在直线x-y-3=0上截得的弦长为,则圆C的方程为________.
解析 (1)法一 设圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0),
则解得D=-2,E=0,F=0,
故圆的方程为x2+y2-2x=0.
法二 设O(0,0),A(1,1),B(2,0),则kOA=1,kAB=-1,所以kOA·kAB=-1,即OA⊥AB,所以△OAB是以角A为直角的直角三角形,则线段BO是所求圆的直径,则圆心为C(1,0),半径r=|OB|=1,圆的方程为(x-1)2+y2=1,即x2+y2-2x=0.
(2)法一 ∵所求圆的圆心在直线x+y=0上,
∴设所求圆的圆心为(a,-a).
又∵所求圆与直线x-y=0相切,
∴半径r==|a|.
又所求圆在直线x-y-3=0上截得的弦长为,圆心(a,-a)到直线x-y-3=0的距离d=,
∴d2+=r2,即+=2a2,解得a=1,
∴圆C的方程为(x-1)2+(y+1)2=2.
法二 设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),则圆心(a,b)到直线x-y-3=0的距离d=,
∴r2=+,即2r2=(a-b-3)2+3.①
由于所求圆与直线x-y=0相切,∴(a-b)2=2r2.②
又∵圆心在直线x+y=0上,∴a+b=0.③
联立①②③,解得
故圆C的方程为(x-1)2+(y+1)2=2.
法三 设所求圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,则圆心为,半径r=,
∵圆心在直线x+y=0上,∴--=0,即D+E=0,①
又∵圆C与直线x-y=0相切,
∴=,
即(D-E)2=2(D2+E2-4F),
∴D2+E2+2DE-8F=0.②
又知圆心到直线x-y-3=0的距离d=,
由已知得d2+=r2,
∴(D-E+6)2+12=2(D2+E2-4F),③
联立①②③,解得
故所求圆的方程为x2+y2-2x+2y=0,
即(x-1)2+(y+1)2=2.
答案 (1)x2+y2-2x=0 (2)(x-1)2+(y+1)2=2
规律方法 求圆的方程时,应根据条件选用合适的圆的方程.一般来说,求圆的方程有两种方法:
(1)几何法,通过研究圆的性质进而求出圆的基本量.确定圆的方程时,常用到的圆的三个性质:①圆心在过切点且垂直切线的直线上;②圆心在任一弦的中垂线上;③两圆内切或外切时,切点与两圆圆心三点共线;
(2)代数法,即设出圆的方程,用待定系数法求解.
【训练1】 (1)若圆C:x2+=n的圆心为椭圆M:x2+my2=1的一个焦点,且圆C经过M的另一个焦点,则圆C的标准方程为________.
(2)(2018·枣庄模拟)已知圆M与直线x-y=0及x-y+4=0都相切,且圆心在直线y=-x+2上,则圆M的标准方程为________.
解析 (1)∵圆C的圆心为,∴=,m=.又圆C经过M的另一个焦点,则圆C经过点(0,1),从而n=4.故圆C的标准方程为x2+(y+1)2=4.
(2)∵圆M的圆心在y=-x+2上,
∴设圆心为(a,2-a),
∵圆M与直线x-y=0及x-y+4=0都相切,
∴圆心到直线x-y=0的距离等于圆心到直线x-y+4=0的距离,
即=,解得a=0,
∴圆心坐标为(0,2),圆M的半径为=,
∴圆M的标准方程为x2+(y-2)2=2.
答案 (1)x2+(y+1)2=4 (2)x2+(y-2)2=2
考点二 与圆有关的最值问题 多维探究
角度1 斜率型、截距型、距离型最值问题
【例2-1】 已知实数x,y满足方程x2+y2-4x+1=0.
(1)求的最大值和最小值;
(2)求y-x的最大值和最小值;
(3)求x2+y2的最大值和最小值.
解 原方程可化为(x-2)2+y2=3,表示以(2,0)为圆心,为半径的圆.
(1)的几何意义是圆上一点与原点连线的斜率,
所以设=k,即y=kx.
当直线y=kx与圆相切时,斜率k取最大值或最小值,此时=,解得k=±(如图1).
所以的最大值为,最小值为-.
(2)y-x可看作是直线y=x+b在y轴上的截距,当直线y=x+b与圆相切时,纵截距b取得最大值或最小值,此时=,解得b=-2±(如图2).
所以y-x的最大值为-2+,最小值为-2-.
(3)x2+y2表示圆上的一点与原点距离的平方,由平面几何知识知,在原点和圆心连线与圆的两个交点处取得最大值和最小值(如图3).
又圆心到原点的距离为=2,
所以x2+y2的最大值是(2+)2=7+4,x2+y2的最小值是(2-)2=7-4.
规律方法 把有关式子进行转化或利用所给式子的几何意义解题,充分体现了数形结合以及转化的数学思想,其中以下几类转化较为常见:
(1)形如m=的最值问题,可转化为动直线斜率的最值问题;
(2)形如m=ax+by的最值问题,可转化为动直线截距的最值问题;
(3)形如m=(x-a)2+(y-b)2的最值问题,可转化为两点间距离的平方的最值问题.
角度2 利用对称性求最值
【例2-2】 已知圆C1:(x-2)2+(y-3)2=1,圆C2:(x-3)2+(y-4)2=9,M,N分别是圆C1,C2上的动点,P为x轴上的动点,则|PM|+|PN|的最小值为( )
A.5-4 B.-1
C.6-2 D.
解析 P是x轴上任意一点,则|PM|的最小值为|PC1|-1,同理|PN|的最小值为|PC2|-3,则|PM|+|PN|的最小值为|PC1|+|PC2|-4.作C1关于x轴的对称点C′1(2,-3).所以|PC1|+|PC2|=|PC1′|+|PC2|≥|C1′C2|=5,即|PM|+|PN|=|PC1|+|PC2|-4≥5-4.
答案 A
规律方法 求解形如|PM|+|PN|(其中M,N均为动点)且与圆C有关的折线段的最值问题的基本思路:
(1)“动化定”,把与圆上动点的距离转化为与圆心的距离;
(2)“曲化直”,即将折线段之和转化为同一直线上的两线段之和,一般要通过对称性解决.
【训练2】 (1)设点P是函数y=-图象上的任意一点,点Q坐标为(2a,a-3)(a∈R),则|PQ|的最小值为________.
(2)已知A(0,2),点P在直线x+y+2=0上,点Q在圆C:x2+y2-4x-2y=0上,则|PA|+|PQ|的最小值是________.
解析 (1)函数y=-的图象表示圆(x-1)2+y2=4在x轴及下方的部分,令点Q的坐标为(x,y),则得y=-3,即x-2y-6=0,作出图象如图所示,
由于圆心(1,0)到直线x-2y-6=0的距离d==>2,所以直线x-2y-6=0与圆(x-1)2+y2=4相离,因此|PQ|的最小值是-2.
(2)因为圆C:x2+y2-4x-2y=0,故圆C是以C(2,1)为圆心,半径r=的圆.设点A(0,2)关于直线x+y+2=0的对称点为A′(m,n),故
解得故A′(-4,-2).
连接A′C交圆C于Q,由对称性可知
|PA|+|PQ|=|A′P|+|PQ|≥|A′Q|=|A′C|-r=2.
答案 (1)-2 (2)2
考点三 与圆有关的轨迹问题
【例3】 已知圆x2+y2=4上一定点A(2,0),B(1,1)为圆内一点,P,Q为圆上的动点.
(1)求线段AP中点的轨迹方程;
(2)若∠PBQ=90°,求线段PQ中点的轨迹方程.
解 (1)设AP的中点为M(x,y),由中点坐标公式可知,P点坐标为(2x-2,2y).
因为P点在圆x2+y2=4上,
所以(2x-2)2+(2y)2=4.
故线段AP中点的轨迹方程为(x-1)2+y2=1(x≠2).
(2)设PQ的中点为N(x,y).
在Rt△PBQ中,|PN|=|BN|.
设O为坐标原点,连接ON,则ON⊥PQ,
所以|OP|2=|ON|2+|PN|2=|ON|2+|BN|2,
所以x2+y2+(x-1)2+(y-1)2=4.
故线段PQ中点的轨迹方程为
x2+y2-x-y-1=0.
规律方法 求与圆有关的轨迹问题时,根据题设条件的不同常采用以下方法:
(1)直接法,直接根据题目提供的条件列出方程;
(2)定义法,根据圆、直线等定义列方程;
(3)几何法,利用圆的几何性质列方程;
(4)代入法,找到要求点与已知点的关系,代入已知点满足的关系式等.
【训练3】 已知过原点的动直线l与圆C1:x2+y2-6x+5=0相交于不同的两点A,B.
(1)求圆C1的圆心坐标;
(2)求线段AB的中点M的轨迹C的方程.
解 (1)由x2+y2-6x+5=0得(x-3)2+y2=4,
所以圆C1的圆心坐标为(3,0).
(2)设M(x,y),
因为点M为线段AB的中点,
所以C1M⊥AB,
所以kC1M·kAB=-1,当x≠3时可得·=-1,整理得+y2=,
又当直线l与x轴重合时,M点坐标为(3,0),代入上式成立.
设直线l的方程为y=kx,与x2+y2-6x+5=0联立,
消去y得:(1+k2)x2-6x+5=0.
令其判别式Δ=(-6)2-4(1+k2)×5=0,得k2=,此时方程为x2-6x+5=0,解上式得x=,因此
+y2=.
[思维升华]
1.确定一个圆的方程,需要三个独立条件.“选形式、定参数”是求圆的方程的基本方法,是指根据题设条件恰当选择圆的方程的形式,进而确定其中的三个参数.
2.解答圆的问题,应注意数形结合,充分运用圆的几何性质,简化运算.
[易错防范]
1.求圆的方程需要三个独立条件,所以不论是设哪一种圆的方程都要列出系数的三个独立方程.
2.熟练掌握配方法,能把圆的一般方程化为标准方程.
基础巩固题组
(建议用时:40分钟)
一、选择题
1.(2019·宁波调研)已知圆C的圆心为(2,-1),半径长是方程(x+1)(x-4)=0的解,则圆C的标准方程为( )
A.(x+1)2+(y-2)2=4 B.(x-2)2+(y-1)2=4
C.(x-2)2+(y+1)2=16 D.(x+2)2+(y-1)2=16
解析 根据圆C的半径长是方程(x+1)(x-4)=0的解,可得半径长为4,故要求的圆的标准方程为(x-2)2+(y+1)2=16.
答案 C
2.(2019·临沂模拟)已知圆C:(x-6)2+(y-8)2=4,O为坐标原点,则以OC为直径的圆的方程为( )
A.(x-3)2+(y+4)2=100 B.(x+3)2+(y-4)2=100
C.(x-3)2+(y-4)2=25 D.(x+3)2+(y-4)2=25
解析 圆C的圆心的坐标C(6,8),
则OC的中点坐标为E(3,4),
则所求圆的半径|OE|==5,
则以OC为直径的圆的方程为(x-3)2+(y-4)2=25.
答案 C
3.若方程x2+y2+ax+2ay+2a2+a-1=0表示圆,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,-2)∪ B.
C.(-2,0) D.
解析 方程为+(y+a)2=1-a-表示圆,则1-a->0,解得-2<a<.
答案 D
4.点P(4,-2)与圆x2+y2=4上任一点连线的中点的轨迹方程是( )
A.(x-2)2+(y+1)2=1 B.(x-2)2+(y+1)2=4
C.(x+4)2+(y-2)2=4 D.(x+2)2+(y-1)2=1
解析 设圆上任一点为Q(x0,y0),PQ的中点为M(x,y),则解得因为点Q在圆x2+y2=4上,所以x+y=4,即(2x-4)2+(2y+2)2=4,
化简得(x-2)2+(y+1)2=1.
答案 A
5.已知点A是直角三角形ABC的直角顶点,且A(2a,2),B(-4,a),C(2a+2,2),则△ABC外接圆的方程是( )
A.x2+(y-3)2=5 B.x2+(y+3)2=5
C.(x-3)2+y2=5 D.(x+3)2+y2=5
解析 由题意,得2a=-4,∴a=-2,
∴△ABC外接圆的半径为
==,圆心为(-3,0),
∴△ABC外接圆的方程为(x+3)2+y2=5.
答案 D
二、填空题
6.已知圆C:(x-2)2+(y+m-4)2=1,当m变化时,圆C上的点与原点O的最短距离是________.
解析 圆C:(x-2)2+(y+m-4)2=1表示圆心为C(2,-m+4),半径r=1的圆,则|OC|=,所以当m=4时,|OC|的最小值为2,故当m变化时,圆C上的点与原点的最短距离是|OC|-r=2-1=1.
答案 1
7.(2019·湖州模拟)已知圆C:x2+y2+kx+2y=-k2,当圆C的面积取最大值时,圆心C的坐标为________.
解析 圆C的方程可化为+(y+1)2=-k2+1.所以,当k=0时圆C的面积最大.
答案 (0,-1)
8.已知点M(1,0)是圆C:x2+y2-4x-2y=0内的一点,那么过点M的最短弦所在直线的方程是________.
解析 过点M的最短弦与CM垂直,圆C:x2+y2-4x-2y=0的圆心为C(2,1),∵kCM==1,∴最短弦所在直线的方程为y-0=-(x-1),即x+y-1=0.
答案 x+y-1=0
三、解答题
9.已知以点P为圆心的圆经过点A(-1,0)和B(3,4),线段AB的垂直平分线交圆P于点C和D,且|CD|=4.
(1)求直线CD的方程;
(2)求圆P的方程.
解 (1)由题意知,直线AB的斜率k=1,中点坐标为(1,2).
则直线CD的方程为y-2=-(x-1),即x+y-3=0.
(2)设圆心P(a,b),则由点P在CD上得
a+b-3=0.①
又因为直径|CD|=4,所以|PA|=2,
所以(a+1)2+b2=40.②
由①②解得或
所以圆心P(-3,6)或P(5,-2).
所以圆P的方程为(x+3)2+(y-6)2=40或(x-5)2+(y+2)2=40.
10.已知点P(2,2),圆C:x2+y2-8y=0,过点P的动直线l与圆C交于A,B两点,线段AB的中点为M,O为坐标原点.
(1)求M的轨迹方程;
(2)当|OP|=|OM|时,求l的方程及△POM的面积.
解 (1)圆C的方程可化为x2+(y-4)2=16,所以圆心为C(0,4),半径为4.
设M(x,y),则=(x,y-4),=(2-x,2-y).
由题设知·=0,故x(2-x)+(y-4)(2-y)=0,
即(x-1)2+(y-3)2=2.
由于点P在圆C的内部,所以M的轨迹方程是(x-1)2+(y-3)2=2.
(2)由(1)可知M的轨迹是以点N(1,3)为圆心,为半径的圆.由于|OP|=|OM|,故O在线段PM的垂直平分线上,又P在圆N上,从而ON⊥PM.
因为ON的斜率为3,所以l的斜率为-,
故l的方程为x+3y-8=0.
又|OM|=|OP|=2,O到l的距离为,
所以|PM|=,S△POM=××=,
故△POM的面积为.
能力提升题组
(建议用时:20分钟)
11.若圆Ω过点(0,-1),(0,5),且被直线x-y=0截得的弦长为2,则圆Ω的方程为( )
A.x2+(y-2)2=9或(x+4)2+(y-2)2=25
B.x2+(y-2)2=9或(x-1)2+(y-2)2=10
C.(x+4)2+(y-2)2=25或(x+4)2+(y-2)2=17
D.(x+4)2+(y-2)2=25或(x-4)2+(y-1)2=16
解析 由于圆Ω过点(0,-1),(0,5),
所以圆心在直线y=2上,
设圆心坐标为(a,2),
由题意得=,
解得a=0或a=-4.
当a=0时,圆心坐标为(0,2),半径为3;
当a=-4时,圆心坐标为(-4,2),半径为5,
所以圆Ω的方程为x2+(y-2)2=9或(x+4)2+(y-2)2=25.
答案 A
12.已知圆C:(x-3)2+(y-4)2=1,设点P是圆C上的动点.记d=|PB|2+|PA|2,其中A(0,1),B(0,-1),则d的最大值为________.
解析 设P(x0,y0),d=|PB|2+|PA|2=x+(y0+1)2+x+(y0-1)2=2(x+y)+2.x+y为圆上任一点到原点距离的平方,∴(x+y)max=(5+1)2=36,∴dmax=74.
答案 74
13.(2017·天津卷)设抛物线y2=4x的焦点为F,准线为l.已知点C在l上,以C为圆心的圆与y轴的正半轴相切于点A.若∠FAC=120°,则圆的方程为________.
解析 由题意知该圆的半径为1,设圆心坐标为C(-1,a)(a>0),则A(0,a).
又F(1,0),所以=(-1,0),=(1,-a).
由题意得与的夹角为120°,
得cos 120°==-,解得a=.
所以圆的方程为(x+1)2+(y-)2=1.
答案 (x+1)2+(y-)2=1
14.(2018·全国Ⅱ卷)设抛物线C:y2=4x的焦点为F,过F且斜率为k(k>0)的直线l与C交于A,B两点,|AB|=8.
(1)求l的方程;
(2)求过点A,B且与C的准线相切的圆的方程.
解 (1)由题意得F(1,0),l的方程为y=k(x-1)(k>0).
设A(x1,y1),B(x2,y2).
由得k2x2-(2k2+4)x+k2=0.
Δ=16k2+16>0,故x1+x2=.
所以|AB|=|AF|+|BF|=(x1+1)+(x2+1)=.
由题设知=8,解得k=-1(舍去),k=1.
因此l的方程为y=x-1.
(2)由(1)得AB的中点坐标为(3,2),所以AB的垂直平分线方程为y-2=-(x-3),即y=-x+5.
设所求圆的圆心坐标为(x0,y0),则
解得或
因此所求圆的方程为(x-3)2+(y-2)2=16或(x-11)2+(y+6)2=144.
新高考创新预测
15.(多填题)已知实数x,y满足x2+y2-6x+8y-11=0,则的最大值为__________,|3x+4y-28|的最小值为__________.
解析 由题意知圆的标准方程为(x-3)2+(y+4)2=36,其表示的是一个圆心为(3,-4),半径为6的圆,而表示圆上的点到坐标原点的距离,∴()max=+6=11,由圆的标准方程(x-3)2+(y+4)2=36可设其圆上点的坐标为(θ为参数),∴|3x+4y-28|=|18cos θ+24sin θ-35|=|30sin(θ+φ)-35|,∴当sin(θ+φ)=1时,|3x+4y-28|min=5.
答案 11 5
考试要求 掌握确定圆的几何要素,掌握圆的标准方程与一般方程.
知 识 梳 理
1.圆的定义和圆的方程
定义
平面内到定点的距离等于定长的点的轨迹叫做圆
方程
标准
(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)
圆心C(a,b)
半径为r
一般
x2+y2+Dx+Ey+F=0
(D2+E2-4F>0)
充要条件:D2+E2-4F>0
圆心坐标:
半径r=
2.点与圆的位置关系
平面上的一点M(x0,y0)与圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2之间存在着下列关系:
(1)|MC|>r⇔M在圆外,即(x0-a)2+(y0-b)2>r2⇔M在圆外;
(2)|MC|=r⇔M在圆上,即(x0-a)2+(y0-b)2=r2⇔M在圆上;
(3)|MC|<r⇔M在圆内,即(x0-a)2+(y0-b)2<r2⇔M在圆内.
[微点提醒]
1.圆心在坐标原点半径为r的圆的方程为x2+y2=r2.
2.以A(x1,y1),B(x2,y2)为直径端点的圆的方程为(x-x1)·(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.
基 础 自 测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)确定圆的几何要素是圆心与半径.( )
(2)方程x2+y2=a2表示半径为a的圆.( )
(3)方程x2+y2+4mx-2y+5m=0表示圆.( )
(4)方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0表示圆的充要条件是A=C≠0,B=0,D2+E2-4AF>0.( )
解析 (2)当a=0时,x2+y2=a2表示点(0,0);当a<0时,表示半径为|a|的圆.
(3)当(4m)2+(-2)2-4×5m>0,即m<或m>1时表示圆.
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√
2.(必修2P124A1改编)圆x2+y2-4x+6y=0的圆心坐标和半径分别是( )
A.(2,3),3 B.(-2,3),
C.(-2,-3),13 D.(2,-3),
解析 圆的方程可化为(x-2)2+(y+3)2=13,所以圆心坐标是(2,-3),半径r=.
答案 D
3.(必修2P130例3改编)过点A(1,-1),B(-1,1),且圆心在直线x+y-2=0上的圆的方程是( )
A.(x-3)2+(y+1)2=4 B.(x+3)2+(y-1)2=4
C.(x-1)2+(y-1)2=4 D.(x+1)2+(y+1)2=4
解析 设圆心C的坐标为(a,b),半径为r.因为圆心C在直线x+y-2=0上,所以b=2-a.又|CA|2=|CB|2,所以(a-1)2+(2-a+1)2=(a+1)2+(2-a-1)2,所以a=1,b=1.所以r=2.所以方程为(x-1)2+(y-1)2=4.
答案 C
4.(2019·日照调研)若点(1,1)在圆(x-a)2+(y+a)2=4的内部,则实数a的取值范围是( )
A.(-1,1) B.(0,1)
C.(-∞,-1)∪(1,+∞) D.a=±1
解析 因为点(1,1)在圆的内部,
所以(1-a)2+(1+a)2<4,所以-1 答案 A
5.(2019·荆州模拟)若圆(x-1)2+(y-1)2=2关于直线y=kx+3对称,则k的值是( )
A.2 B.-2 C.1 D.-1
解析 由题意知直线y=kx+3过圆心(1,1),
即1=k+3,解得k=-2.
答案 B
6.(2016·浙江卷)已知a∈R,方程a2x2+(a+2)y2+4x+8y+5a=0表示圆,则圆心坐标是______,半径是______.
解析 由已知方程表示圆,则a2=a+2,
解得a=2或a=-1.
当a=2时,方程不满足表示圆的条件,故舍去.
当a=-1时,原方程为x2+y2+4x+8y-5=0,
化为标准方程为(x+2)2+(y+4)2=25,
表示以(-2,-4)为圆心,半径为5的圆.
答案 (-2,-4) 5
考点一 圆的方程
【例1】 (1)(一题多解)(2018·天津卷)在平面直角坐标系中,经过三点(0,0),(1,1),(2,0)的圆的方程为________________.
(2)(一题多解)已知圆C的圆心在直线x+y=0上,圆C与直线x-y=0相切,且在直线x-y-3=0上截得的弦长为,则圆C的方程为________.
解析 (1)法一 设圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0),
则解得D=-2,E=0,F=0,
故圆的方程为x2+y2-2x=0.
法二 设O(0,0),A(1,1),B(2,0),则kOA=1,kAB=-1,所以kOA·kAB=-1,即OA⊥AB,所以△OAB是以角A为直角的直角三角形,则线段BO是所求圆的直径,则圆心为C(1,0),半径r=|OB|=1,圆的方程为(x-1)2+y2=1,即x2+y2-2x=0.
(2)法一 ∵所求圆的圆心在直线x+y=0上,
∴设所求圆的圆心为(a,-a).
又∵所求圆与直线x-y=0相切,
∴半径r==|a|.
又所求圆在直线x-y-3=0上截得的弦长为,圆心(a,-a)到直线x-y-3=0的距离d=,
∴d2+=r2,即+=2a2,解得a=1,
∴圆C的方程为(x-1)2+(y+1)2=2.
法二 设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),则圆心(a,b)到直线x-y-3=0的距离d=,
∴r2=+,即2r2=(a-b-3)2+3.①
由于所求圆与直线x-y=0相切,∴(a-b)2=2r2.②
又∵圆心在直线x+y=0上,∴a+b=0.③
联立①②③,解得
故圆C的方程为(x-1)2+(y+1)2=2.
法三 设所求圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,则圆心为,半径r=,
∵圆心在直线x+y=0上,∴--=0,即D+E=0,①
又∵圆C与直线x-y=0相切,
∴=,
即(D-E)2=2(D2+E2-4F),
∴D2+E2+2DE-8F=0.②
又知圆心到直线x-y-3=0的距离d=,
由已知得d2+=r2,
∴(D-E+6)2+12=2(D2+E2-4F),③
联立①②③,解得
故所求圆的方程为x2+y2-2x+2y=0,
即(x-1)2+(y+1)2=2.
答案 (1)x2+y2-2x=0 (2)(x-1)2+(y+1)2=2
规律方法 求圆的方程时,应根据条件选用合适的圆的方程.一般来说,求圆的方程有两种方法:
(1)几何法,通过研究圆的性质进而求出圆的基本量.确定圆的方程时,常用到的圆的三个性质:①圆心在过切点且垂直切线的直线上;②圆心在任一弦的中垂线上;③两圆内切或外切时,切点与两圆圆心三点共线;
(2)代数法,即设出圆的方程,用待定系数法求解.
【训练1】 (1)若圆C:x2+=n的圆心为椭圆M:x2+my2=1的一个焦点,且圆C经过M的另一个焦点,则圆C的标准方程为________.
(2)(2018·枣庄模拟)已知圆M与直线x-y=0及x-y+4=0都相切,且圆心在直线y=-x+2上,则圆M的标准方程为________.
解析 (1)∵圆C的圆心为,∴=,m=.又圆C经过M的另一个焦点,则圆C经过点(0,1),从而n=4.故圆C的标准方程为x2+(y+1)2=4.
(2)∵圆M的圆心在y=-x+2上,
∴设圆心为(a,2-a),
∵圆M与直线x-y=0及x-y+4=0都相切,
∴圆心到直线x-y=0的距离等于圆心到直线x-y+4=0的距离,
即=,解得a=0,
∴圆心坐标为(0,2),圆M的半径为=,
∴圆M的标准方程为x2+(y-2)2=2.
答案 (1)x2+(y+1)2=4 (2)x2+(y-2)2=2
考点二 与圆有关的最值问题 多维探究
角度1 斜率型、截距型、距离型最值问题
【例2-1】 已知实数x,y满足方程x2+y2-4x+1=0.
(1)求的最大值和最小值;
(2)求y-x的最大值和最小值;
(3)求x2+y2的最大值和最小值.
解 原方程可化为(x-2)2+y2=3,表示以(2,0)为圆心,为半径的圆.
(1)的几何意义是圆上一点与原点连线的斜率,
所以设=k,即y=kx.
当直线y=kx与圆相切时,斜率k取最大值或最小值,此时=,解得k=±(如图1).
所以的最大值为,最小值为-.
(2)y-x可看作是直线y=x+b在y轴上的截距,当直线y=x+b与圆相切时,纵截距b取得最大值或最小值,此时=,解得b=-2±(如图2).
所以y-x的最大值为-2+,最小值为-2-.
(3)x2+y2表示圆上的一点与原点距离的平方,由平面几何知识知,在原点和圆心连线与圆的两个交点处取得最大值和最小值(如图3).
又圆心到原点的距离为=2,
所以x2+y2的最大值是(2+)2=7+4,x2+y2的最小值是(2-)2=7-4.
规律方法 把有关式子进行转化或利用所给式子的几何意义解题,充分体现了数形结合以及转化的数学思想,其中以下几类转化较为常见:
(1)形如m=的最值问题,可转化为动直线斜率的最值问题;
(2)形如m=ax+by的最值问题,可转化为动直线截距的最值问题;
(3)形如m=(x-a)2+(y-b)2的最值问题,可转化为两点间距离的平方的最值问题.
角度2 利用对称性求最值
【例2-2】 已知圆C1:(x-2)2+(y-3)2=1,圆C2:(x-3)2+(y-4)2=9,M,N分别是圆C1,C2上的动点,P为x轴上的动点,则|PM|+|PN|的最小值为( )
A.5-4 B.-1
C.6-2 D.
解析 P是x轴上任意一点,则|PM|的最小值为|PC1|-1,同理|PN|的最小值为|PC2|-3,则|PM|+|PN|的最小值为|PC1|+|PC2|-4.作C1关于x轴的对称点C′1(2,-3).所以|PC1|+|PC2|=|PC1′|+|PC2|≥|C1′C2|=5,即|PM|+|PN|=|PC1|+|PC2|-4≥5-4.
答案 A
规律方法 求解形如|PM|+|PN|(其中M,N均为动点)且与圆C有关的折线段的最值问题的基本思路:
(1)“动化定”,把与圆上动点的距离转化为与圆心的距离;
(2)“曲化直”,即将折线段之和转化为同一直线上的两线段之和,一般要通过对称性解决.
【训练2】 (1)设点P是函数y=-图象上的任意一点,点Q坐标为(2a,a-3)(a∈R),则|PQ|的最小值为________.
(2)已知A(0,2),点P在直线x+y+2=0上,点Q在圆C:x2+y2-4x-2y=0上,则|PA|+|PQ|的最小值是________.
解析 (1)函数y=-的图象表示圆(x-1)2+y2=4在x轴及下方的部分,令点Q的坐标为(x,y),则得y=-3,即x-2y-6=0,作出图象如图所示,
由于圆心(1,0)到直线x-2y-6=0的距离d==>2,所以直线x-2y-6=0与圆(x-1)2+y2=4相离,因此|PQ|的最小值是-2.
(2)因为圆C:x2+y2-4x-2y=0,故圆C是以C(2,1)为圆心,半径r=的圆.设点A(0,2)关于直线x+y+2=0的对称点为A′(m,n),故
解得故A′(-4,-2).
连接A′C交圆C于Q,由对称性可知
|PA|+|PQ|=|A′P|+|PQ|≥|A′Q|=|A′C|-r=2.
答案 (1)-2 (2)2
考点三 与圆有关的轨迹问题
【例3】 已知圆x2+y2=4上一定点A(2,0),B(1,1)为圆内一点,P,Q为圆上的动点.
(1)求线段AP中点的轨迹方程;
(2)若∠PBQ=90°,求线段PQ中点的轨迹方程.
解 (1)设AP的中点为M(x,y),由中点坐标公式可知,P点坐标为(2x-2,2y).
因为P点在圆x2+y2=4上,
所以(2x-2)2+(2y)2=4.
故线段AP中点的轨迹方程为(x-1)2+y2=1(x≠2).
(2)设PQ的中点为N(x,y).
在Rt△PBQ中,|PN|=|BN|.
设O为坐标原点,连接ON,则ON⊥PQ,
所以|OP|2=|ON|2+|PN|2=|ON|2+|BN|2,
所以x2+y2+(x-1)2+(y-1)2=4.
故线段PQ中点的轨迹方程为
x2+y2-x-y-1=0.
规律方法 求与圆有关的轨迹问题时,根据题设条件的不同常采用以下方法:
(1)直接法,直接根据题目提供的条件列出方程;
(2)定义法,根据圆、直线等定义列方程;
(3)几何法,利用圆的几何性质列方程;
(4)代入法,找到要求点与已知点的关系,代入已知点满足的关系式等.
【训练3】 已知过原点的动直线l与圆C1:x2+y2-6x+5=0相交于不同的两点A,B.
(1)求圆C1的圆心坐标;
(2)求线段AB的中点M的轨迹C的方程.
解 (1)由x2+y2-6x+5=0得(x-3)2+y2=4,
所以圆C1的圆心坐标为(3,0).
(2)设M(x,y),
因为点M为线段AB的中点,
所以C1M⊥AB,
所以kC1M·kAB=-1,当x≠3时可得·=-1,整理得+y2=,
又当直线l与x轴重合时,M点坐标为(3,0),代入上式成立.
设直线l的方程为y=kx,与x2+y2-6x+5=0联立,
消去y得:(1+k2)x2-6x+5=0.
令其判别式Δ=(-6)2-4(1+k2)×5=0,得k2=,此时方程为x2-6x+5=0,解上式得x=,因此
[思维升华]
1.确定一个圆的方程,需要三个独立条件.“选形式、定参数”是求圆的方程的基本方法,是指根据题设条件恰当选择圆的方程的形式,进而确定其中的三个参数.
2.解答圆的问题,应注意数形结合,充分运用圆的几何性质,简化运算.
[易错防范]
1.求圆的方程需要三个独立条件,所以不论是设哪一种圆的方程都要列出系数的三个独立方程.
2.熟练掌握配方法,能把圆的一般方程化为标准方程.
基础巩固题组
(建议用时:40分钟)
一、选择题
1.(2019·宁波调研)已知圆C的圆心为(2,-1),半径长是方程(x+1)(x-4)=0的解,则圆C的标准方程为( )
A.(x+1)2+(y-2)2=4 B.(x-2)2+(y-1)2=4
C.(x-2)2+(y+1)2=16 D.(x+2)2+(y-1)2=16
解析 根据圆C的半径长是方程(x+1)(x-4)=0的解,可得半径长为4,故要求的圆的标准方程为(x-2)2+(y+1)2=16.
答案 C
2.(2019·临沂模拟)已知圆C:(x-6)2+(y-8)2=4,O为坐标原点,则以OC为直径的圆的方程为( )
A.(x-3)2+(y+4)2=100 B.(x+3)2+(y-4)2=100
C.(x-3)2+(y-4)2=25 D.(x+3)2+(y-4)2=25
解析 圆C的圆心的坐标C(6,8),
则OC的中点坐标为E(3,4),
则所求圆的半径|OE|==5,
则以OC为直径的圆的方程为(x-3)2+(y-4)2=25.
答案 C
3.若方程x2+y2+ax+2ay+2a2+a-1=0表示圆,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,-2)∪ B.
C.(-2,0) D.
解析 方程为+(y+a)2=1-a-表示圆,则1-a->0,解得-2<a<.
答案 D
4.点P(4,-2)与圆x2+y2=4上任一点连线的中点的轨迹方程是( )
A.(x-2)2+(y+1)2=1 B.(x-2)2+(y+1)2=4
C.(x+4)2+(y-2)2=4 D.(x+2)2+(y-1)2=1
解析 设圆上任一点为Q(x0,y0),PQ的中点为M(x,y),则解得因为点Q在圆x2+y2=4上,所以x+y=4,即(2x-4)2+(2y+2)2=4,
化简得(x-2)2+(y+1)2=1.
答案 A
5.已知点A是直角三角形ABC的直角顶点,且A(2a,2),B(-4,a),C(2a+2,2),则△ABC外接圆的方程是( )
A.x2+(y-3)2=5 B.x2+(y+3)2=5
C.(x-3)2+y2=5 D.(x+3)2+y2=5
解析 由题意,得2a=-4,∴a=-2,
∴△ABC外接圆的半径为
==,圆心为(-3,0),
∴△ABC外接圆的方程为(x+3)2+y2=5.
答案 D
二、填空题
6.已知圆C:(x-2)2+(y+m-4)2=1,当m变化时,圆C上的点与原点O的最短距离是________.
解析 圆C:(x-2)2+(y+m-4)2=1表示圆心为C(2,-m+4),半径r=1的圆,则|OC|=,所以当m=4时,|OC|的最小值为2,故当m变化时,圆C上的点与原点的最短距离是|OC|-r=2-1=1.
答案 1
7.(2019·湖州模拟)已知圆C:x2+y2+kx+2y=-k2,当圆C的面积取最大值时,圆心C的坐标为________.
解析 圆C的方程可化为+(y+1)2=-k2+1.所以,当k=0时圆C的面积最大.
答案 (0,-1)
8.已知点M(1,0)是圆C:x2+y2-4x-2y=0内的一点,那么过点M的最短弦所在直线的方程是________.
解析 过点M的最短弦与CM垂直,圆C:x2+y2-4x-2y=0的圆心为C(2,1),∵kCM==1,∴最短弦所在直线的方程为y-0=-(x-1),即x+y-1=0.
答案 x+y-1=0
三、解答题
9.已知以点P为圆心的圆经过点A(-1,0)和B(3,4),线段AB的垂直平分线交圆P于点C和D,且|CD|=4.
(1)求直线CD的方程;
(2)求圆P的方程.
解 (1)由题意知,直线AB的斜率k=1,中点坐标为(1,2).
则直线CD的方程为y-2=-(x-1),即x+y-3=0.
(2)设圆心P(a,b),则由点P在CD上得
a+b-3=0.①
又因为直径|CD|=4,所以|PA|=2,
所以(a+1)2+b2=40.②
由①②解得或
所以圆心P(-3,6)或P(5,-2).
所以圆P的方程为(x+3)2+(y-6)2=40或(x-5)2+(y+2)2=40.
10.已知点P(2,2),圆C:x2+y2-8y=0,过点P的动直线l与圆C交于A,B两点,线段AB的中点为M,O为坐标原点.
(1)求M的轨迹方程;
(2)当|OP|=|OM|时,求l的方程及△POM的面积.
解 (1)圆C的方程可化为x2+(y-4)2=16,所以圆心为C(0,4),半径为4.
设M(x,y),则=(x,y-4),=(2-x,2-y).
由题设知·=0,故x(2-x)+(y-4)(2-y)=0,
即(x-1)2+(y-3)2=2.
由于点P在圆C的内部,所以M的轨迹方程是(x-1)2+(y-3)2=2.
(2)由(1)可知M的轨迹是以点N(1,3)为圆心,为半径的圆.由于|OP|=|OM|,故O在线段PM的垂直平分线上,又P在圆N上,从而ON⊥PM.
因为ON的斜率为3,所以l的斜率为-,
故l的方程为x+3y-8=0.
又|OM|=|OP|=2,O到l的距离为,
所以|PM|=,S△POM=××=,
故△POM的面积为.
能力提升题组
(建议用时:20分钟)
11.若圆Ω过点(0,-1),(0,5),且被直线x-y=0截得的弦长为2,则圆Ω的方程为( )
A.x2+(y-2)2=9或(x+4)2+(y-2)2=25
B.x2+(y-2)2=9或(x-1)2+(y-2)2=10
C.(x+4)2+(y-2)2=25或(x+4)2+(y-2)2=17
D.(x+4)2+(y-2)2=25或(x-4)2+(y-1)2=16
解析 由于圆Ω过点(0,-1),(0,5),
所以圆心在直线y=2上,
设圆心坐标为(a,2),
由题意得=,
解得a=0或a=-4.
当a=0时,圆心坐标为(0,2),半径为3;
当a=-4时,圆心坐标为(-4,2),半径为5,
所以圆Ω的方程为x2+(y-2)2=9或(x+4)2+(y-2)2=25.
答案 A
12.已知圆C:(x-3)2+(y-4)2=1,设点P是圆C上的动点.记d=|PB|2+|PA|2,其中A(0,1),B(0,-1),则d的最大值为________.
解析 设P(x0,y0),d=|PB|2+|PA|2=x+(y0+1)2+x+(y0-1)2=2(x+y)+2.x+y为圆上任一点到原点距离的平方,∴(x+y)max=(5+1)2=36,∴dmax=74.
答案 74
13.(2017·天津卷)设抛物线y2=4x的焦点为F,准线为l.已知点C在l上,以C为圆心的圆与y轴的正半轴相切于点A.若∠FAC=120°,则圆的方程为________.
解析 由题意知该圆的半径为1,设圆心坐标为C(-1,a)(a>0),则A(0,a).
又F(1,0),所以=(-1,0),=(1,-a).
由题意得与的夹角为120°,
得cos 120°==-,解得a=.
所以圆的方程为(x+1)2+(y-)2=1.
答案 (x+1)2+(y-)2=1
14.(2018·全国Ⅱ卷)设抛物线C:y2=4x的焦点为F,过F且斜率为k(k>0)的直线l与C交于A,B两点,|AB|=8.
(1)求l的方程;
(2)求过点A,B且与C的准线相切的圆的方程.
解 (1)由题意得F(1,0),l的方程为y=k(x-1)(k>0).
设A(x1,y1),B(x2,y2).
由得k2x2-(2k2+4)x+k2=0.
Δ=16k2+16>0,故x1+x2=.
所以|AB|=|AF|+|BF|=(x1+1)+(x2+1)=.
由题设知=8,解得k=-1(舍去),k=1.
因此l的方程为y=x-1.
(2)由(1)得AB的中点坐标为(3,2),所以AB的垂直平分线方程为y-2=-(x-3),即y=-x+5.
设所求圆的圆心坐标为(x0,y0),则
解得或
因此所求圆的方程为(x-3)2+(y-2)2=16或(x-11)2+(y+6)2=144.
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15.(多填题)已知实数x,y满足x2+y2-6x+8y-11=0,则的最大值为__________,|3x+4y-28|的最小值为__________.
解析 由题意知圆的标准方程为(x-3)2+(y+4)2=36,其表示的是一个圆心为(3,-4),半径为6的圆,而表示圆上的点到坐标原点的距离,∴()max=+6=11,由圆的标准方程(x-3)2+(y+4)2=36可设其圆上点的坐标为(θ为参数),∴|3x+4y-28|=|18cos θ+24sin θ-35|=|30sin(θ+φ)-35|,∴当sin(θ+φ)=1时,|3x+4y-28|min=5.
答案 11 5
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