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数学-RJ·B-选择性必修第一册
2.3 圆及其方程
2.3.3 直线与圆的位置关系
第二章 平面解析几何
重点:直线与圆位置关系的判断和应用
难点:培养学生熟练地解二元二次方程组
1.理解直线与圆的三种位置关系.
2.会用代数法和几何法判断直线与圆的位置关系.
3.能解决直线与圆位置关系的综合问题.
学习目标
知识梳理
直线与圆的位置关系
如果⊙C的半径为r,圆心C到直线l的距离为d,则
直线l与⊙C相交 ;
直线l与⊙C相切 ;
直线l与⊙C相离 .
dd=r
d>r
直线l的方程为y=kx+b,⊙C的方程为x2+y2=r2.
当且仅当d当且仅当d=r,即 d= 时,直线与圆相切;
当且仅当d>r,即 d> 时,直线与圆相离.
常考题型
题组一 直线与圆的位置关系
<1>判断直线与圆的位置关系
例1 已知集合M={(x,y)|x,y为实数,且x2+y2=2},N={(x,y)|x,y为实数,且x+y=2},则M∩N中的元素的个数是 ( )
A.0 B.1 C.2 D.3
【解题提示】 集合M表示圆上的点构成的集合,集合N表示直线上的点构成的集合,所以可以把两个方程联立判断直线与圆交点的个数;也可以直接求圆心到直线的距离,利用几何法来判断直线与圆的位置关系.
【解析】 (方法1)联立方程组,得消去y,整理得x2-2x+1=0.因为判别式Δ=0 ,所以直线与圆相切,只有一个交点,故M∩N 中的元素只有一个.
(方法2)圆x2+y2=2的圆心为(0,0),半径r=,圆心到直线x+y=2的距离d===r,故直线与圆相切,只有一个交点,故M∩N 中的元素只有一个.
【答案】 B
【变式训练】
[2020·山东青岛高二检测]已知直线l:y=kx+2(k∈R),圆M:(x-1)2+y2=6,圆N:x2+(y+1)2=9,则 ( )
A.直线l必与圆M相切,直线l不可能与圆N相交
B.直线l必与圆M相交,直线l不可能与圆N相切
C.直线l必与圆M相切,直线l不可能与圆N相切
D.直线l必与圆M相交,直线l不可能与圆N相离
解析:∵ 直线l:y=kx+2(k∈R)过定点(0,2),
点(0,2)在圆M:(x-1)2+y2=6内, ∴ 直线l必与圆M相交.
又∵ 点(0,2)在圆N:x2+(y+1)2=9上, ∴ 直线l不可能与圆N相离.
【方法技巧】
判断直线与圆的位置关系的常用方法
1.几何法:利用圆心到直线的距离d与圆的半径r的关系进行判断,
(1)d(2)d=r?直线与圆相切;
(3)d>r?直线与圆相离.
2.代数法:联立直线与圆的方程,消元之后利用判别式Δ的符号进行判断,
(1)Δ>0?直线与圆相交;
(2)Δ=0?直线与圆相切;
(3)Δ<0?直线与圆相离.
<2>已知直线与圆的含参方程,位置关系限制条件下,求参数
例2 [2020·山西省运城中学高二段考]若曲线C1:x2+y2-2x=0与曲线
C2:y(y-mx-m)=0有四个不同的交点,则实数m的取值范围是( )
A. ∪ B.
C. ∪ D.
【解析】 由题意可知曲线C1:x2+y2-2x=0表示一个圆,
化为标准方程为(x-1)2+y2=1,∴ 圆心坐标为(1,0),半径r=1.
曲线C2:y(y-mx-m)=0表示两条直线y=0和y-mx-m=0,
直线y-mx-m=0过定点(-1,0).直线y=0与圆C1交于点(0,0)和(2,0),
因此直线y-mx-m=0与圆C1相交即可满足条件.
当直线y-mx-m=0与圆C1相切时,圆心到直线的距离d==r=1,化简得m2=,解得m=± .当m=0时,直线y-mx-m=0与y=0重合,不符合题意.
如图,可知m的取值范围是 ∪ ,故选A.
【答案】 A
【变式训练】
1. [2020·浙江海宁高二检测]若圆(x-3)2+(y-5)2=r2(r>0)上有且只有四个点到直线5x+12y=10的距离等于1,则r的取值范围是 ( )
A.(4,6) B.(6,+∞) C.(0,4) D.[4,6]
解析:圆(x-3)2+(y-5)2=r2(r>0)的圆心为(3,5),
圆心到直线5x+12y=10的距离为=5.
由题意知r-5>1,解得r>6,故选B.
【变式训练】
2.若直线y=k(x-2)+4与曲线y=1有两个不同的交点,则实数k的取值范围是 .
(]
解析:由题意可得,直线y=k(x-2)+4恒过点A(2,4),又曲线y=1+ 是以(0,1)为圆心,2为半径的半圆,故可画出图形,如图所示.当直线与半圆相切,C为切点时,圆心到直线的距离d=r,即=2,解得k=.当直线过点B(-2,1)时,直线的斜率为=,则直线与半圆有两个不同的交点时,实数k的取值范围为.
题型二 圆的切线方程
<1>已知切点,求圆的切线方程
例3 已知圆C:x2+y2-4x=0与直线l切于点P(1,,则直线l的方程为( )
A.x- y+2=0 B.x- y+4=0
C.x+ y-4=0 D.x+ y-2=0
【解析】 圆C:x2+y2-4x=0的方程可化为(x-2)2+y2=4 ,显然过点P(1,)的直线x=1不与圆C相切.点P与圆心连线的斜率为=-,则所求直线的斜率为 ,代入直线的点斜式方程可得y- = (x-1) ,整理得x-y+2=0.
【答案】 A
1.若直线ax+by+7=0与圆x2+y2+4x-1=0切于点P(-3,2),则ab的值为 .
【变式训练】
解析:把圆的方程化为标准方程为(x+2)2+y2=5,则圆心坐标为(-2,0),则过圆心与点P的直线的斜率k==-2,故直线ax+by+7=0的斜率存在且为,故=,所以b=-2a①.
把P点坐标代入ax+by+7=0,得-3a+2b+7=0②.
把①代入②,解得a=1,把a=1代入①,解得b=-2,则ab=-2.
-2
【变式训练】
解析:圆x2+y2=4在点(- ,1)处的切线l的斜率为-=,所以切线l的方程为y-1=(x+),即y=x+4(此处也可以直接由结论写出切线方程).圆x2-4x+y2=0,即(x-2)2+y2=4的圆心为M(2,0),半径r=2,圆心M到直线l的距离为d== +2,所以点P到直线l的距离的最小值为d-r=.
2.直线l是圆x2+y2=4在点(-,1)处的切线,点P是圆x2-4x+y2=0上的动点,则点P到直线l的距离的最小值等于( )
A.1 B. C. D.2
C
【方法技巧】
已知切点(x0,y0),求圆的切线方程的方法
先求切点与圆心连线的斜率k(k≠0),由垂直关系知切线斜率为- ,由直线的点斜式方程可求得切线方程;若切线斜率为0或不存在,则结合图形可直接得切线方程为y=y0或x=x0.
<2>已知圆外一点,求过该点的圆的切线方程
例5 已知方程x2+y2+6mx-4my+12=0(m∈R).
(1)若此方程表示圆,求实数m的取值范围;
(2)若此方程表示圆C,且点A(-2,2)在圆C上,求过点P(1,1)的圆C的切线方程.
【解题提示】 (1)若此方程表示圆,则根据D2+E2-4F>0,即可得解;
(2)将点A(-2,2)的坐标代入圆C的方程可求得m的值,从而得圆C的方程及圆心和半径,先判断点P与圆C的位置关系,然后根据具体的类型进行求解.
【解】 (1)若此方程表示圆,则36m2+16m2-4×12>0,解得m<-或m> .故实数m的取值范围为∪(,+).
(2)由点A(-2,2)在圆C上,代入圆的方程得m=1,由(1)知m=1符合题意,故圆C的方程为x2+y2+6x-4y+12=0,即(x+3)2+(y-2)2=1,圆心C(-3,2),半径r=1.
可知点P在圆C外,直线x=1与圆C不相切,故所求圆的切线斜率存在,设为k,
则切线方程为 y-1=k(x-1),即y-kx+k-1=0,则有=1,解得k=0或k=-,故切线方程为y-1=0·(x-1)或y-1=-(x-1),
即y=1或8x+15y-23=0.
已知圆C经过点(0,1),且圆心为C(1,2).
(1)写出圆C的标准方程;(2)过点P(2,-1)作圆C的切线,求该切线的方程.
【变式训练】
解:(1)由已知得圆C的半径r==,
所以圆C的标准方程为(x-1)2+(y-2)2=2.
(2)由题意知切线斜率存在,设过点P(2,-1)的切线方程为y+1=k(x-2),即kx-y-2k-1=0,则=,整理得k2-6k-7=0,解得k=7或k=-1.
故所求切线方程为7x-y-15=0或x+y-1=0.
【方法技巧】
过圆外一点(x0,y0)的圆的切线方程的求法
1.几何法:当切线斜率存在时,设为k,则切线方程为y-y0=k(x-x0),即kx-y-kx0+y0=0,由圆心到直线的距离等于半径求出k,即可得切线方程;当切线斜率不存在时,结合图形可得切线方程为x=x0.
2.代数法:当切线斜率存在时,设为k,则切线方程为y-y0=k(x-x0),即y=kx-kx0+y0.代入圆的方程,得到一个关于x的一元二次方程,由判别式Δ=0求得k,即可求得切线方程; 当切线斜率不存在时,结合图形可得切线方程为x=x0.
<3>圆的切线长问题
例6 由直线y=x+2上的一点向圆(x-3)2+y2=1引切线,则切线长的最小值为( )
A. B. C. D.-3
【解析】 由题意可知,直线y=x+2上的点到圆心(3,0)的距离最小时,切线长最小.直线y=x+2上的点到圆心(3,0)的最小距离即为圆心(3,0)到直线y=x+2的距离d=,∴ 切线长的最小值为==.
【答案】 A
已知圆M过两点A(1,-1),B(-1,1),且圆心M在直线x+y-2=0上.
(1)求圆M的方程;
(2)设P是直线3x+4y+8=0上的动点,PC,PD是圆M的两条切线,C,D为切点,求四边形PCMD面积的最小值.
【变式训练】
解: (1)设圆M的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),
根据题意得解得
故圆M的方程为(x-1)2+(y-1)2=4.
(2)由题意知,四边形PCMD的面积为S=S△PCM+S△PDM=|CM|·|PC|+|DM|·|PD|.
又|CM|=|DM|=2,|PC|=|PD|,所以S=2|PC|.
而|PC|==.即S=2 ,
因此要求S的最小值,只需求PM的最小值即可.
易知|PM|的最小值为圆心M到直线3x+4y+8=0的距离,
即|PM|min==3,
所以四边形PCMD面积的最小值为Smin===2.
【方法技巧】
圆的切线长的求法
圆的切线长的求解要抓住圆心到切线的距离等于半径这一几何性质.记切线长为l,点到圆心的距离为d,半径为r,根据勾股定理可得l=.
题组三 圆的弦长问题
<1>求圆的弦长
例6 [2020·河北石家庄高二检测]已知圆C过点A(1,0)和B(3,0),且圆心在直线y=x上.
(1)求圆C的标准方程;
(2)求直线l:3x-4y+1=0被圆C截得的弦长.
【解题提示】 (1)设出圆心坐标和圆的标准方程,将点A,B的坐标代入求出结果即可;(2)利用圆心到直线的距离和圆的半径解直角三角形求得弦长.
【解】 (1)由题意可设圆C的圆心坐标为C(a,a),半径为r,
则圆C的标准方程为(x-a)2+(y-a)2=r2.
又圆C过点A(1,0)和B(3,0),
∴ 解得
故圆C的标准方程为(x-2)2+(y-2)2=5.
(2)由(1)知,圆C的圆心为(2,2),半径r=,圆心到直线l:3x-4y+1=0的距离d=,∴ 弦长为==.
故直线l被圆C截得的弦长为.
[2020·辽宁大连高二期末]已知圆O以原点为圆心,且圆O与直线y=-x+ 相切.
(1)求圆O的方程;
(2)若直线l:y=x+2与圆O交于A,B两点,分别过点A,B作直线l的垂线,交x轴于C,D两点,求线段CD的长.
【变式训练】
解:(1)把直线y=-x+化为一般式,得x+y- =0.
圆心O(0,0)到直线x+y- =0的距离d= =2.
∵ 圆O与直线y=-x+ 相切,∴ 圆O的半径r=2,∴ 圆O的方程为x2+y2=4.
(2)依题意画出示意图,如图.点O到直线l:y=x+2的距离d=.
∵ 圆O的半径为2,∴ |AB|==2.过点C作CE⊥BD于E,则|CE|=|AB|=2.
又∵ 直线y= x+2的倾斜角为30°,∴ ∠ECD=30°,
∴ |CD|==|CE|= ×2= ,∴ 线段CD的长为 .
<2>中点弦问题
例7 [2020·河南濮阳高三检测]若P(2,-2)为圆(x-1)2+y2=100的弦AB的中点,则直线AB的方程为 ( )
A.2x-y-6=0 B.x+2y+2=0
C.2x+y-2=0 D.x-2y-6=0
解析:由(x-1)2+y2=100知,圆心为(1,0) ,∴ 弦AB中垂线的斜率k==-2,
∴ 直线AB的斜率kAB=.又直线AB过点P(2,-2),
∴ 直线AB的方程为y+2=(x-2),即x-2y-6=0.
答案:D
<3>已知圆的弦长,求参数
例8 [2020·河北唐山高二检测]已知圆C与x轴交于A(-2,0),B(6,0)两点,且圆心C在直线3x+2y=0上.
(1)求圆C的标准方程;
(2)过点(6,-1)的直线l与圆C相交于M,N两点,且|MN|=6,求直线l的方程.
【解题提示】 (1)根据题意列方程求出圆心坐标,求得圆的半径r,写出圆的方程;
(2)分过点(6,-1)的直线l斜率不存在和斜率存在两种情况,求出对应直线的方程.
【解】 (1)∵ 圆C与x轴交于A(-2,0),B(6,0)两点,
∴ 圆心C在线段AB的中垂线x=2上.由得圆心C(2,-3),
∴ 圆C的半径==5,
∴ 圆C的标准方程为(x-2)2+(y+3)2=25.
(2)∵ 圆C的半径为5,|MN|=6,∴ 圆心C到直线l的距离d=4.
当直线l的斜率不存在时,圆心C(2,-3)到直线x=6的距离为4,符合题意;
当直线l的斜率存在时,设l:y+1=k(x-6),
∴ 圆心C到直线l的距离d==4,解得k=-,
∴ 直线l的方程为3x+4y-14=0.
综上所述,直线l的方程为x=6或3x+4y-14=0.
[2020·河北衡水中学高三检测]直线y=kx+3与圆(x-2)2+(y-3)2=4相交于M,N两点,若|MN|≥,则k的取值范围是 ( )
A. B. C. D.
【变式训练】
解析:当|MN|=时,圆心(2,3) 到直线y=kx+3 的距离d====1,故当|MN|≥ 时,d= ≤1,解得-≤k≤ .
D
【方法技巧】
以圆内一点(x0,y0)为中点的弦所在直线的方程的求法
根据圆的几何性质:过弦的中点与圆心的直线与弦所在直线垂直.利用直线垂直的条件,即可求出弦所在直线的斜率(斜率存在且不为0),再利用点斜式方程写出弦所在直线的方程即可.
若弦所在直线的斜率不存在或斜率为0,则可直接写出其方程为x=x0或y=y0.
题组四 由直线与圆的位置关系求圆的方程
例9 [2020·甘肃镇原二中高二检测]求圆心在直线3x-y=0上,与x轴相切,且被直线x-y=0截得的弦长为 的圆的方程.
【解题提示】 设出圆的标准方程,求出圆心到直线x-y=0的距离,根据圆心在直线3x-y=0上,圆与x轴相切以及勾股定理建立方程组,即可得到所求圆的方程.
【解】 设所求圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2.圆心到直线x-y=0的距离d=.
依题意,有解得或
所以,所求圆的方程为(x-1)2+(y-3)2=9或(x+1)2+(y+3)2=9.
已知以点M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M于点C和D,且|CD|=.
(1)求直线CD的方程;(2)求圆M的方程.
【变式训练】
解:(1)∵ 直线AB的斜率为1,线段AB的中点坐标为(1,2),
∴ 直线CD的斜率为-1,且过点(1,2),
故直线CD的方程为y-2=-(x-1),即x+y-3=0.
(2)设圆心M(a,b),则由点M在CD上,得a+b-3=0.①
又∵ 直径|CD|=,∴ |MA|= ,∴ (a+1)2+b2=10.②
由①②解得或 ∴ 圆心M的坐标为(0,3)或(2,1) ,
∴ 圆M的方程为x2+(y-3)2=10或(x-2)2+(y-1)2=10.
【方法技巧】
由直线与圆的位置关系,求圆的方程的两种方法
1.直接法(几何法):根据圆的几何性质,直接求得圆心坐标和半径.常用到的几何性质有:(1)圆心在过切点且与切线垂直的直线上;(2)圆心在任意弦的中垂线上,且弦长的一半、弦心距d、半径r满足r2=d2+;(3)两圆相切时,切点与两圆心三点共线.
2.待定系数法(代数法):根据条件设出圆的方程,再由题目给出的条件,列出方程组,求出相关量.一般地,与圆心和半径有关时,选择圆的标准方程,否则,选择圆的一般方程.
题组五 与圆的方程有关的最值问题
例10 已知实数x,y满足方程(x-2)2+y2=3.
(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】 将实数x,y看作点P(x,y)的坐标,满足(x-2)2+y2=3的点P(x,y)组成的图形是以M(2,0)为圆心,为半径的圆,如图.
(1)设 ==k,即是圆上的点P与原点O连线的斜率.
由图知直线y=kx和圆M在第一象限相切时,k取最大值,此时有OP⊥PM,|PM|=,|OM|=2,∴ ∠POM=60°.
此时k=tan 60°=,∴ 的最大值是 .
同理知直线y=kx和圆M在第四象限相切时,k取最小值, 的最小值为 .
(2)设y-x=b,则y=x+b,b是直线y=x+b在y轴上的截距.
由图知当直线y=x+b和圆M在第四象限相切时,b(b<0)取最小值,此时有=,解得b= .
∴ y-x的最小值是 .同理,y-x的最大值是 .
(3)x2+y2表示圆上的点与原点距离的平方,
由平面几何知识知,它在原点与圆心所在直线与圆的两个交点处取得最大值和最小值,又圆心到原点的距离为2,
故(x2+y2)max=(2+ )2=7+ 4 ,(x2+y2)min=(2- )2=7- 4 .
已知P(a,b)为圆C:x2+y2-2x-4y+4=0上任意一点,则 的最大值为( )
A.2 B.- C. D.0
【变式训练】
解析:圆的方程可化为(x-1)2+(y-2)2=1,则圆心坐标为(1,2),半径为1.
设k=,其表示圆上的点(a,b)与定点(-1,1)连线的斜率,由题意知斜率必存在,则连线方程为y-1=k(x+1),即kx-y+k+1=0,当此直线与圆相切时,k分别取得最大值和最小值.
由圆心到直线的距离d==1, 解得k=0或,则 的最大值为 .
C
【方法技巧】
与圆有关的最值问题的类型及求解方法
涉及与圆有关的最值问题,利用表达式的几何意义,借助于平面几何知识,利用数形结合求解,常见的表达式:
(1)形如k=的最值问题,可转化为圆上的点(x,y)与点(a,b)连线的斜率的最值问题.
(2)形如t=ax+by形式的最值问题,可转化为与圆有公共点的动直线y=-x+的截距的最值问题.
(3)形如m=(x-a)2+(y-b)2的最值问题,可转化为圆上的点(x,y)到点(a,b)的距离的平方的最值问题.
题组六 实际应用问题
例11 如图,直线l是森林的边界线,图中阴影部分是与l垂直的一道铁丝网,兔子和狼分别位于草原上点A和点B处,其中AB=BC=1 km,现兔子随机的沿直线AD,以速度2v准备越过森林边界l逃入森林,同时,狼沿线段BM以速度v进行追击,若狼比兔子先到或同时到达点M处,狼就会吃掉兔子.某同学为了探究兔子能否逃脱狼的追捕,建立了平面直角坐标系xCy,并假设点M的坐标为(x,y).
(1)求兔子的所有不幸点M(即兔子被狼吃掉的地方)组成的区域的面积S;
(2)若兔子随机沿与AC成锐角θ(θ=∠CAD)的路线越过l向森林逃跑,求兔子能够逃脱的θ的取值范围.
【解题提示】 (1)由题意,可知狼要想吃掉兔子,就必须先到达M点或与兔子同时到达M点,即t狼≤t兔,由此可得x,y满足的不等式,再求面积.
(2)先寻找兔子能够逃脱的边界线AD0,然后结合图形,即可求出兔子能够逃脱的θ的取值范围.
【解】 (1)由题意知B(0,1),A(0,2),M(x,y).
狼要想吃掉兔子,就必须先到达M点或与兔子同时到达M点,
即有t狼=≤t兔=.化简得2|BM|≤|AM|,即≤,
两边平方并整理得3x2+3y2-4y≤0,即x2+≤.
又x≥0,∴ 兔子的所有不幸点M构成的区域为半圆及其内部.∴ S=π·=π.
故兔子的所有不幸点M组成的区域的面积S为π.
(2)如图,过点A作半圆P:x2+=的切线,切点为F,连接PF.
在Rt△APF中,
sin∠PAF===,
所以∠PAF=30°.
兔子要想不被狼吃掉,则不能沿∠CAF及其以内的方向逃跑,
故所求θ的取值范围为30°<θ<90°.
如图,已知一艘船O上配有雷达,其监测范围是半径为25 km的圆形区域,一艘轮船从位于船O正东40 km的A处出发,径直驶向位于船O正北30 km的B处岛屿,速度为28 km/h.
问:这艘轮船能否被船O监测到?若能,求出持续时间.(要求用坐标法)
【变式训练】
解:如图,以O为原点,东西方向为x轴建立平面直角坐标系,则A(40,0),
B(0,30),圆O方程为x2+y2=252.
直线AB的方程为+=1,即3x+4y-120=0.
设O到直线AB的距离为d,则d==24<25,故直线AB与圆O相交,所以轮船能被船O监测到.
直线AB被圆O截得的弦长为=14,
设监测时间为t,则t==(h).
答:轮船能被船O监测到,持续时间是0.5 h.
【方法技巧】
与直线与圆有关的实际问题的解题方法
首先,把实际问题转化为数学问题,转化的前提是建立平面直角坐标系,写出相应的圆与直线的方程;其次注意实际问题在圆中所求的是什么,可能是已知横(纵)坐标的点的另一个坐标,可能是弦长,可能是判断直线与圆(或半圆、圆拱)是否相切等问题;然后利用所学数学知识,解决数学问题;最后, 再回到实际问题,根据实际意义作答.
小结
直线与圆的位置关系
直线l的方程为y=kx+b,⊙C的方程为x2+y2=r2.
当且仅当d当且仅当d=r,即 d= 时,直线与圆相切;
当且仅当d>r,即 d> 时,直线与圆相离.
知易行难,重在行动
千里之行,始于足下
谢谢
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