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§8.3 圆的方程
考试要求 1.理解确定圆的几何要素,在平面直角坐标系中,掌握圆的标准方程与一般方
程.2.能根据圆的方程解决一些简单的数学问题与实际问题.
知识梳理
1.圆的定义和圆的方程
定义 平面上到定点的距离等于定长的点的集合叫做圆
标 圆心C ( a , b )
(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0)
方 准 半径为r
程 一 圆心C
x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0)
般 半径r=
2.点与圆的位置关系
平面上的一点M(x,y)与圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2之间存在着下列关系:
0 0
(1)|MC|>r⇔M在圆外,即(x-a)2+(y-b)2>r2⇔M在圆外;
0 0
(2)|MC|=r⇔M在圆上,即(x-a)2+(y-b)2=r2⇔M在圆上;
0 0
(3)|MC|0.( √ )
(4)若点M(x,y)在圆x2+y2+Dx+Ey+F=0外,则x+y+Dx+Ey+F>0.( √ )
0 0 0 0
教材改编题
1.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),答案 D
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=.
2.圆心为(1,1)且过原点的圆的方程是( )
A.(x-1)2+(y-1)2=1 B.(x+1)2+(y+1)2=1
C.(x+1)2+(y+1)2=2 D.(x-1)2+(y-1)2=2
答案 D
解析 因为圆心为(1,1)且过原点,所以该圆的半径r==,则该圆的方程为(x-1)2+(y-1)2
=2.
3.若坐标原点在圆(x-m)2+(y+m)2=4的内部,则实数m的取值范围为________.
答案 (-,)
解析 ∵原点(0,0)在圆(x-m)2+(y+m)2=4的内部,
∴(0-m)2+(0+m)2<4,
解得-0),
则由题意得解得
所以圆E的一般方程为x2+y2-x-1=0,
即2+y2=.
方法二 (几何法)
因为圆E经过点A(0,1),B(2,0),所以圆E的圆心在线段AB的垂直平分线y-=2(x-1)上.
由题意知圆E的圆心在x轴上,
所以圆E的圆心坐标为.
则圆E的半径为
|EB|==,
所以圆E的标准方程为2+y2=.
2.在平面直角坐标系Oxy中,以点(0,1)为圆心且与直线x-by+2b+1=0相切的所有圆中,
半径最大的圆的标准方程为( )
A.x2+(y-1)2=4 B.x2+(y-1)2=2
C.x2+(y-1)2=8 D.x2+(y-1)2=16
答案 B
解析 由直线x-by+2b+1=0可得该直线过定点A(-1,2),设圆心为B(0,1),由题意可知
要使所求圆的半径最大,则r =|AB|==,所以半径最大的圆的标准方程为x2+(y-1)2=2.
max
思维升华 (1)直接法:直接求出圆心坐标和半径,写出方程.
(2)待定系数法
①若已知条件与圆心(a,b)和半径r有关,则设圆的标准方程,求出a,b,r的值;
②选择圆的一般方程,依据已知条件列出关于D,E,F的方程组,进而求出D,E,F的值.
跟踪训练1 (1)圆心在y轴上,半径长为1,且过点A(1,2)的圆的方程是( )A.x2+(y-2)2=1 B.x2+(y+2)2=1
C.(x-1)2+(y-3)2=1 D.x2+(y-3)2=4
答案 A
解析 根据题意可设圆的方程为x2+(y-b)2=1,因为圆过点A(1,2),所以12+(2-b)2=1,
解得b=2,所以所求圆的方程为x2+(y-2)2=1.
(2)(2022·长春模拟)若圆C的半径为1,圆心在第一象限,且与直线4x-3y=0和x轴都相切,
则该圆的标准方程是( )
A.(x-3)2+(y-1)2=1 B.(x-2)2+(y-1)2=1
C.(x+2)2+(y-1)2=1 D.(x-2)2+(y+1)2=1
答案 B
解析 设圆心坐标为(a,b)(a>0,b>0),
由圆与直线4x-3y=0相切,可得圆心到直线的距离d==r=1,
化简得|4a-3b|=5,①
又圆与x轴相切,可得|b|=r=1,解得b=1或b=-1(舍去),
把b=1代入①得4a-3=5或4a-3=-5,
解得a=2或a=-(舍去),
所以圆心坐标为(2,1),
则圆的标准方程为(x-2)2+(y-1)2=1.
题型二 与圆有关的轨迹问题
例2 已知Rt△ABC的斜边为AB,且A(-1,0),B(3,0).求:
(1)直角顶点C的轨迹方程;
(2)直角边BC的中点M的轨迹方程.
解 (1)方法一 设C(x,y),因为A,B,C三点不共线,所以y≠0.
因为AC⊥BC,且BC,AC斜率均存在,
所以k ·k =-1,
AC BC
又k =,k =,
AC BC
所以·=-1,
化简得x2+y2-2x-3=0.
因此,直角顶点C的轨迹方程为x2+y2-2x-3=0(y≠0).
方法二 设AB的中点为D,由中点坐标公式得D(1,0),由直角三角形的性质知|CD|=|AB|=
2.由圆的定义知,动点C的轨迹是以D(1,0)为圆心,2为半径的圆(由于A,B,C三点不共线,
所以应除去与x轴的交点).
所以直角顶点C的轨迹方程为(x-1)2+y2=4(y≠0).
(2)设M(x,y),C(x ,y),因为B(3,0),M是线段BC的中点,由中点坐标公式得x=,y
0 0=,
所以x=2x-3,y=2y.
0 0
由(1)知,点C的轨迹方程为(x-1)2+y2=4(y≠0),
将x=2x-3,y=2y代入得(2x-4)2+(2y)2=4,
0 0
即(x-2)2+y2=1(y≠0).
因此动点M的轨迹方程为(x-2)2+y2=1(y≠0).
教师备选
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点P坐标为(2x-2,2y).
因为点P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.
(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(图略),
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.
思维升华 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)相关点代入法:找到要求点与已知点的关系,代入已知点满足的关系式.
跟踪训练2 (1)当点P在圆x2+y2=1上运动时,连接它与定点Q(3,0),则线段PQ的中点M
的轨迹方程是( )
A.(x+3)2+y2=1 B.(x-3)2+y2=1
C.(2x-3)2+4y2=1 D.(2x+3)2+4y2=1
答案 C
解析 设M(x,y),P(x,y),因为PQ的中点为M,
0 0所以
所以
又因为P在圆x2+y2=1上,
所以(2x-3)2+4y2=1,
所以M的轨迹方程即为(2x-3)2+4y2=1.
(2)自圆C:(x-3)2+(y+4)2=4外一点P(x,y)引该圆的一条切线,切点为Q,PQ的长度等
于点P到原点O的距离,则点P的轨迹方程为( )
A.8x-6y-21=0 B.8x+6y-21=0
C.6x+8y-21=0 D.6x-8y-21=0
答案 D
解析 由题意得,圆心C的坐标为(3,-4),半径r=2,连接PC,CQ(图略),
因为|PQ|=|PO|,且PQ⊥CQ,
所以|PO|2+r2=|PC|2,
所以x2+y2+4=(x-3)2+(y+4)2,
即6x-8y-21=0,
所以点P的轨迹方程为6x-8y-21=0.
题型三 与圆有关的最值问题
命题点1 利用几何性质求最值
例3 已知M(x,y)为圆C:x2+y2-4x-14y+45=0上任意一点,且点Q(-2,3).
(1)求|MQ|的最大值和最小值;
(2)求的最大值和最小值;
(3)求y-x的最大值和最小值.
解 (1)由圆C:x2+y2-4x-14y+45=0,
可得(x-2)2+(y-7)2=8,
∴圆心C的坐标为(2,7),半径r=2.
又|QC|==4,
∴|MQ| =4+2=6,
max
|MQ| =4-2=2.
min
(2)可知表示直线MQ的斜率k.
设直线MQ的方程为y-3=k(x+2),
即kx-y+2k+3=0.
∵直线MQ与圆C有交点,
∴≤2,
可得2-≤k≤2+,∴的最大值为2+,最小值为2-.
(3)设y-x=b,则x-y+b=0.
当直线y=x+b与圆C相切时,截距b取到最值,∴=2,
∴b=9或b=1.
∴y-x的最大值为9,最小值为1.
命题点2 利用函数求最值
例4 (2022·湘潭质检)设点P(x,y)是圆x2+(y-3)2=1上的动点,定点A(2,0),B(-2,0).则
PA·PB的最大值为________.
答案 12
解析 由题意,得PA=(2-x,-y),
PB=(-2-x,-y),
所以PA·PB=x2+y2-4,
由于点P(x,y)是圆上的点,故其坐标满足方程x2+(y-3)2=1,
故x2=-(y-3)2+1,
所以PA·PB=-(y-3)2+1+y2-4
=6y-12.
易知2≤y≤4,所以当y=4时,PA·PB的值最大,最大值为6×4-12=12.
延伸探究 若将本题改为“设点P(x,y)是圆(x-3)2+y2=4上的动点,定点A(0,2),B(0,
-2)”,则|PA+PB|的最大值为________.
答案 10
解析 由题意,知PA=(-x,2-y),
PB=(-x,-2-y),
所以PA+PB=(-2x,-2y),
由于点P(x,y)是圆上的点,
故其坐标满足方程(x-3)2+y2=4,
故y2=-(x-3)2+4,
所以|PA+PB|==2.
由圆的方程(x-3)2+y2=4,易知1≤x≤5,
所以当x=5时,|PA+PB|的值最大,最大值为2=10.
教师备选
1.已知圆C:(x-3)2+(y-4)2=1和两点A(-m,0),B(m,0)(m>0).若圆C上存在点P,
使得∠APB=90°,则m的最大值为( )
A.7 B.6 C.5 D.4
答案 B解析 ∵在Rt△APB中,原点O为斜边中点,
|AB|=2m(m>0),
∴|OC|-r≤m=|OP|≤|OC|+r,
又C(3,4),r=1,
∴4≤|OP|≤6,即4≤m≤6.
2.若点P为圆x2+y2=1上的一个动点,A(-1,0),B(1,0)为两个定点,则|PA|+|PB|的最大
值为( )
A.2 B.2 C.4 D.4
答案 B
解析 由已知得线段AB为圆的直径.
所以|PA|2+|PB|2=4,
由基本不等式得
2≤=2,
所以|PA|+|PB|≤2,
当且仅当|PA|=|PB|=时,等号成立.
思维升华 与圆有关的最值问题的求解方法
(1)借助几何性质求最值:形如μ=,t=ax+by,(x-a)2+(y-b)2形式的最值问题.
(2)建立函数关系式求最值:列出关于所求目标式子的函数关系式,然后根据关系式的特征
选用配方法、判别式法、基本不等式法等求最值.
(3)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.
跟踪训练3 (1)已知A(-2,0),B(2,0),点P是圆C:(x-3)2+(y-)2=1上的动点,则|AP|2
+|BP|2的最小值为( )
A.9 B.14 C.16 D.26
答案 D
解析 设O为坐标原点,P(x,y),
则|AP|2+|BP|2=(x+2)2+y2+(x-2)2+y2
=2(x2+y2)+8=2|PO|2+8.
圆C的圆心为C(3,),半径为r=1,OC=4,
所以|PO|2的最小值为(OC-r)2=(4-1)2=9,
所以|AP|2+|BP|2的最小值为26.
(2)已知x,y满足x2+y2-4x-2y-4=0,则的最大值为( )
A.2 B. C. D.答案 B
解析 由x2+y2-4x-2y-4=0
得(x-2)2+(y-1)2=9.
=2+3×=2+3k ,
PA
其中A(-3,1)为定点,点P(x,y)为圆上一点.
设过定点A的直线l:y-1=k(x+3)与圆相切,
则=3,
解得k=±,
所以-≤k ≤,
PA
所以的最大值为2+3×=.
课时精练
1.圆x2+y2+4x-6y-3=0的圆心坐标和半径分别为( )
A.(4,-6),16 B.(2,-3),4
C.(-2,3),4 D.(2,-3),16
答案 C
解析 将圆的一般方程化为标准方程得(x+2)2+(y-3)2=16,则圆心坐标为(-2,3),半径为
4.
2.圆(x-1)2+(y-2)2=1关于直线y=x对称的圆的方程为( )
A.(x-2)2+(y-1)2=1 B.(x+1)2+(y-2)2=1
C.(x+2)2+(y-1)2=1 D.(x-1)2+(y+2)2=1
答案 A
解析 已知圆的圆心C(1,2)关于直线y=x对称的点为C′(2,1),所以圆(x-1)2+(y-2)2=1
关于直线y=x对称的圆的方程为(x-2)2+(y-1)2=1.
3.已知圆C的半径为2,圆心在x轴正半轴上,直线3x+4y+4=0与圆C相切,则圆C的
方程为( )
A.x2+y2-2x-3=0 B.x2+y2+4x=0
C.x2+y2+2x-3=0 D.x2+y2-4x=0
答案 D
解析 设圆心为(a,0)(a>0),由题意知圆心到直线3x+4y+4=0的距离d===r=2,解得
a=2,所以圆心坐标为(2,0),则圆C的方程为(x-2)2+y2=4,化简得x2+y2-4x=0,故选
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
答案 A
解析 设圆上任一点为Q(x,y),PQ的中点为M(x,y),
0 0
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.
5.(多选)已知△ABC的三个顶点为A(-1,2),B(2,1),C(3,4),则下列关于△ABC的外接圆
圆M的说法正确的是( )
A.圆M的圆心坐标为(1,3)
B.圆M的半径为
C.圆M关于直线x+y=0对称
D.点(2,3)在圆M内
答案 ABD
解析 设△ABC的外接圆圆M的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
则解得
所以△ABC的外接圆圆M的方程为x2+y2-2x-6y+5=0,即(x-1)2+(y-3)2=5.故圆M的
圆心坐标为(1,3),圆M的半径为,因为直线x+y=0不经过圆M的圆心(1,3),所以圆M不
关于直线x+y=0对称.因为(2-1)2+(3-3)2=1<5,故点(2,3)在圆M内.
6.(多选)设有一组圆C:(x-k)2+(y-k)2=4(k∈R),下列命题正确的是( )
k
A.不论k如何变化,圆心C始终在一条直线上
B.所有圆C 均不经过点(3,0)
k
C.经过点(2,2)的圆C 有且只有一个
k
D.所有圆的面积均为4π
答案 ABD
解析 圆心坐标为(k,k),在直线y=x上,
A正确;
令(3-k)2+(0-k)2=4,
化简得2k2-6k+5=0,
∵Δ=36-40=-4<0,
∴2k2-6k+5=0无实数根,∴B正确;
由(2-k)2+(2-k)2=4,
化简得k2-4k+2=0,
∵Δ=16-8=8>0,有两个不相等实根,
∴经过点(2,2)的圆C 有两个,C错误;
k
由圆的半径为2,得圆的面积为4π,D正确.
7.已知圆C的圆心在x轴上,并且经过点A(-1,1),B(1,3),若M(m,)在圆C内,则m的
取值范围为________.
答案 (0,4)
解析 设圆心为C(a,0),由|CA|=|CB|,
得(a+1)2+12=(a-1)2+32,解得a=2.
半径r=|CA|==.
故圆C的方程为(x-2)2+y2=10.
由题意知(m-2)2+()2<10,解得00),
∵圆经过点A和B,
且圆心在直线l:x+y-1=0上,
∴
解得a=3,b=-2,r=5,∴圆的标准方程为(x-3)2+(y+2)2=25.
(2)∵圆心C到直线x-y+5=0的距离为
d==5>5,
∴直线与圆C相离,
∴|PQ|的最小值为d-r=5-5.
10.已知点A(-3,0),B(3,0),动点P满足|PA|=2|PB|.
(1)若点P的轨迹为曲线C,求此曲线的方程;
(2)若点Q在直线l :x+y+3=0上,直线l 经过点Q且与曲线C只有一个公共点M,求|
1 2
QM|的最小值.
解 (1)设点P的坐标为(x,y),
则=2,
化简可得(x-5)2+y2=16,此方程即为所求.
(2)曲线C是以点(5,0)为圆心,4为半径的圆,如图所示.
由题意知直线l 是此圆的切线,
2
连接CQ,
则|QM|==,
当|QM|最小时,|CQ|最小,此时CQ⊥l,
1
|CQ|==4,
则|QM|的最小值为=4.
11.点A为圆(x-1)2+y2=1上的动点,PA是圆的切线,|PA|=1,则点P的轨迹方程是(
)
A.(x-1)2+y2=4 B.(x-1)2+y2=2
C.y2=2x D.y2=-2x
答案 B
解析 ∵|PA|=1,
∴点P和圆心的距离恒为,
又圆心坐标为(1,0),设P(x,y),
∴由两点间的距离公式,得(x-1)2+y2=2.
12.等边△ABC的面积为 9,且△ABC的内心为 M,若平面内的点 N满足|MN|=1,则NA·NB的最小值为( )
A.-5-2 B.-5-4
C.-6-2 D.-6-4
答案 A
解析 设等边△ABC的边长为a,
则面积S=a2=9,
解得a=6.
以AB所在直线为x轴,AB的垂直平分线为y轴建立如图所示的平面直角坐标系.
由M为△ABC的内心,则M在OC上,且OM=OC,
则A(-3,0),B(3,0),C(0,3),M(0,),
由|MN|=1,则点N在以M为圆心,1为半径的圆上.
设N(x,y),则x2+(y-)2=1,
即x2+y2-2y+2=0,
且-1≤y≤1+,
又NA=(-3-x,-y),NB=(3-x,-y),
所以NA·NB=(x+3)(x-3)+y2
=x2+y2-9=2y-11
≥2×(-1)-11=-5-2.
13.(多选)已知圆C过点M(1,-2)且与两坐标轴均相切,则下列叙述正确的是( )
A.满足条件的圆C的圆心在一条直线上
B.满足条件的圆C有且只有一个
C.点(2,-1)在满足条件的圆C上
D.满足条件的圆C有且只有两个,它们的圆心距为4
答案 ACD
解析 因为圆C和两个坐标轴都相切,且过点 M(1,-2),所以设圆心坐标为(a,-a)
(a>0),故圆心在直线y=-x上,A正确;圆C的方程为(x-a)2+(y+a)2=a2,把点M的坐
标代入可得a2-6a+5=0,解得a=1或a=5,则圆心坐标为(1,-1)或(5,-5),所以满足
条件的圆C有且只有两个,故B错误;圆C的方程分别为(x-1)2+(y+1)2=1,(x-5)2+(y
+5)2=25,将点(2,-1)代入这两个方程可知其在圆C上,故C正确;它们的圆心距为=
4,D正确.14.已知长为2a(a>0)的线段AB的两个端点A和B分别在x轴和y轴上滑动,则线段AB的
中点的轨迹方程为________.
答案 x2+y2=a2
解析 如图,不论直线怎么移动,线段AB的中点P(x,y)与原点O的连线始终为Rt△OAB
斜边上的中线,即|OP|=a,即x2+y2=a2.故所求的轨迹方程为x2+y2=a2.
15.已知直线l:3x+4y+m=0,圆C:x2+y2-4x+2=0,则圆C的半径r=________;若
在圆C上存在两点A,B,在直线l上存在一点P,使得∠APB=90°,则实数m的取值范围
是______.
答案
解析 圆的标准方程为(x-2)2+y2=2,圆心为C(2,0),半径为r=,
若在圆C上存在两点A,B,在直线l上存在一点P,使得∠APB=90°,过P作圆的两条切线
PM,PN(M,N为切点),则由题意得,∠MPN≥90°,而当CP⊥l时,∠MPN最大,只要此
最大角≥90°即可,此时圆心C到直线l的距离为
d=|CP|=.
所以=≥,解得-16≤m≤4.
16.在平面直角坐标系Oxy中,曲线Γ:y=x2-mx+2m(m∈R)与x轴交于不同的两点A,
B,曲线Γ与y轴交于点C.
(1)是否存在以AB为直径的圆过点C?若存在,求出该圆的方程;若不存在,请说明理由;
(2)求证:过A,B,C三点的圆过定点.
解 由曲线Γ:y=x2-mx+2m(m∈R),
令y=0,得x2-mx+2m=0.
设A(x,0),B(x,0),
1 2
可得Δ=m2-8m>0,
则m<0或m>8,x+x=m,xx=2m.
1 2 1 2
令x=0,得y=2m,即C(0,2m).
(1)若存在以AB为直径的圆过点C,
则AC·BC=0,
得xx+4m2=0,
1 2即2m+4m2=0,
所以m=0(舍去)或m=-.
此时C(0,-1),AB的中点M即圆心,
半径r=|CM|=,
故所求圆的方程为2+y2=.
(2)证明 设过A,B两点的圆的方程为x2+y2-mx+Ey+2m=0,
将点C(0,2m)代入可得E=-1-2m,
所以过A,B,C三点的圆的方程为x2+y2-mx-(1+2m)y+2m=0.
整理得x2+y2-y-m(x+2y-2)=0.
令
可得或
故过A,B,C三点的圆过定点(0,1)和.