2.1 圆 的 方 程
2.1.1 圆的方程(1)
一、 单项选择题
1 若点(a,0)在圆x2+y2=1的内部,则实数a的取值范围是( )
A. (-1,1) B. (-∞,1)
C. [0,1) D. (1,+∞)
2 (2023石家庄二十八中期中)过点A(-1,1),B(3,-3),半径最小的圆的方程为( )
A. (x-1)2+(y+1)2=8
B. (x+1)2+(y-1)2=8
C. (x-1)2+(y+1)2=32
D. (x+1)2+(y-1)2=32
3 已知圆C经过点A(1,3),若圆C上存在点B与点A关于直线y=x对称,且圆心C为(-1,a),则圆C的半径为( )
A. B. 2 C. 10 D. 20
4 (2023重庆渝南田家炳中学期中)若圆(x-1)2+(y-2)2=5的圆心到直线x-y+a=0的距离为,则实数a的值为( )
A. 0或2 B. 0或-2
C. 0或 D. -2或2
5 (2023成都期末)圆C:(x-1)2+(y-1)2=2关于直线l:y=x-1对称的圆的方程为( )
A. (x-2)2+y2=2
B. (x+2)2+y2=2
C. x2+(y-2)2=2
D. x2+(y+1)2=2
6 (2023昆明一中月考)已知直线x+y+4=0分别与x轴,y轴交于A,B两点,点P在圆x2+(y-2)2=2上,则△ABP面积的取值范围是( )
A. [2,6] B. [4,8]
C. [8,16] D. [4,8]
二、 多项选择题
7 过点A(1,-1)与B(-1,1)且半径为2的圆的方程可以为( )
A. (x-3)2+(y+1)2=4
B. (x-1)2+(y-1)2=4
C. (x+1)2+(y+1)2=4
D. (x+3)2+(y-1)2=4
8 已知圆C的方程是(x-1)2+y2=7,则下列说法中正确的是( )
A. 点(3,0)在圆C内
B. 点(0,)在圆C上
C. 点(1,)在圆C外
D. 点(4,a)在圆C外
三、 填空题
9 已知圆C:(x-6)2+(y+8)2=4,O为原点,则以OC为直径的圆的方程为________.
10 已知圆C过点A(6,0),B(1,5),且圆心在直线l:2x-7y+8=0上,则圆C的标准方程为________.
11 (2023佛山南海中学期中)如图是某圆拱桥一孔圆拱的示意图. 圆拱跨度AB=20m,拱高OP=4m,建造时每间隔4m需要用一根支柱支撑,则支柱A2P2的高度为________m.(精确到0.01m,参考数据:≈5.744)
四、 解答题
12 已知点A(-1,1),B(1,3).
(1) 求线段AB的垂直平分线的方程;
(2) 若圆C经过A,B两点,且圆心在 x轴上,求圆C的方程.
13 (2023积石山期中联考)已知圆C经过(2,4),(1,3)两点,圆心C在直线x-y+1=0上.
(1) 求圆C的标准方程;
(2) 若点P(x,y)在圆C上,求x2+y2的取值范围.
【答案解析】
2.1 圆 的 方 程
2.1.1 圆的方程(1)
1. A 因为点(a,0)在圆x2+y2=1的内部,所以<1,可得-1<a<1.
2. A 易知过点A(-1,1),B(3,-3),半径最小的圆,即以AB为直径的圆,则圆心为AB的中点M(1,-1),半径为r==2,所以圆的方程为(x-1)2+(y+1)2=8.
3. B 由题意,得直线y=x经过圆心(-1,a),所以a=-1,所以r=AC==2.
4. A 因为圆(x-1)2+(y-2)2=5的圆心为C(1,2),半径r=.又圆心C(1,2)到直线x-y+a=0的距离为,所以=,即|a-1|=1,解得a=0或a=2.
5. A 因为圆C:(x-1)2+(y-1)2=2,所以圆C的圆心为(1,1),半径为r=.设点(1,1)关于直线l:y=x-1对称的点为(x0,y0),则解得所以所求圆的圆心为(2,0),半径为r=,故所求圆的方程为(x-2)2+y2=2.
6. C 由题意,得直线x+y+4=0交x轴于点A(-4,0),交y轴于点B(0,-4),所以AB=4.圆x2+(y-2)2=2的圆心(0,2)到直线AB的距离 d1==3,而圆的半径为,所以圆x2+(y-2)2=2上的点P到直线AB的距离d2的取值范围为[2,4],所以△ABP的面积S△ABP=AB·d2∈[8,16].
7. BC 设圆心为C(a,b),则圆心C在线段AB的中垂线y=x上,故a=b,则圆心C(a,a).由CA=2,得(a-1)2+(a+1)2=4,解得a=±1,故圆心C(1,1)或C(-1,-1),故圆的方程为(x-1)2+(y-1)2=4或(x+1)2+(y+1)2=4.故选BC.
8. ABD 因为圆C的方程是(x-1)2+y2=7,所以圆心坐标为C(1,0),半径为.因为点(3,0)到点C(1,0)的距离为2<,所以点(3,0)在圆C内,故A正确;因为点(0,)到点C(1,0)的距离为=,所以点(0,)在圆C上,故B正确;因为点(1,)到点C(1,0)的距离为,所以点(1,)在圆上,故C错误;因为点(4,a)到点C(1,0)的距离为=≥3>,所以点(4,a)在圆C外,故D正确.故选ABD.
9. (x-3)2+(y+4)2=25 由题意,得O(0,0),C(6,-8),则所求圆的圆心坐标为(3,-4),直径为=10,所以所求圆的方程为(x-3)2+(y+4)2=25.
10. (x-3)2+(y-2)2=13 直线AB的斜率k==-1,所以AB的垂直平分线m的斜率为1.又AB的中点为,所以直线m的方程为y-=x-,即x-y-1=0.联立解得所以圆心坐标为C(3,2).又半径r=CA=,故所求圆的方程是(x-3)2+(y-2)2=13.
11. 3.86 以O为坐标原点,AB,OP所在直线分别为x轴,y轴,建立平面直角坐标系xOy,则P(0,4),B(10,0).设圆心的坐标为(0,b),圆的半径为r,则圆的方程是x2+(y-b)2=r2.因为P,B两点都在圆上,所以解得所以圆的方程是x2+(y+10.5)2=14.52.将点P2的横坐标x=-2代入圆的方程,得(-2)2+(y+10.5)2=14.52,其中点P2的纵坐标y>0,所以y=-10.5=-10.5≈14.36-10.5=3.86(m),即支柱A2P2的高度约为3.86 m.
12. (1) 因为点A(-1,1),B(1,3),
所以线段AB的中点为(0,2).
又kAB==1,
所以线段AB的垂直平分线的斜率为-1,
所以线段AB的垂直平分线的方程为y-2=-(x-0),即x+y-2=0.
(2) 由(1)知,线段AB的垂直平分线的方程为x+y-2=0,
因为圆C经过A,B两点,
所以线段AB的垂直平分线经过圆心C.
因为圆C的圆心在x轴上,
所以在方程x+y-2=0中,令y=0,得x=2,即圆心为C(2,0),
所以圆的半径为r=AC==,
所以圆C的方程为(x-2)2+y2=10.
13. (1) 因为圆心在直线x-y+1=0上,
所以设圆心C(a,a+1).
由点(2,4),(1,3)在圆上,
可得(a-2)2+(a+1-4)2=(a-1)2+(a+1-3)2,
解得a=2,
所以圆心的坐标为C(2,3),半径r=1,
所以圆C的标准方程为(x-2)2+(y-3)2=1.
(2) 因为表示点P(x,y)到坐标原点O的距离,且点P(x,y)在圆C上,
所以OC-r≤PO≤OC+r.
又OC=,
所以-1≤PO≤+1,
即-1≤≤+1,
所以14-2≤x2+y2≤14+2,
即x2+y2的取值范围是[14-2,14+2].2.1.2 圆的方程(2)
一、 单项选择题
1 已知圆x2+y2-2x-1=0,则其圆心和半径分别为( )
A. (1,0),2 B. (-1,0),2
C. (1,0), D. (-1,0),
2 (2023天津南开中学月考)方程x2+y2-2mx-4y+2m2-4m=0所表示的圆的最大面积为( )
A. 4π B. 6π C. 8π D. 16π
3 (2023抚顺德才高级中学期中)已知圆x2+y2-2ax+4ay+5a2-9=0上的所有点都在第二象限,则实数a的取值范围是( )
A. (-∞,-3) B. (-∞,-3]
C. D.
4 (2023宿迁泗阳期中)圆x2+y2+2x+2y=0上的点到直线x-y-2=0距离的最大值为( )
A. B. 2 C. D.
5 (2023驻马店高级中学期末)若P(x,y)是圆C:x2+y2-8x+6y+16=0上一点,则x2+y2的最小值为( )
A. 2 B. 4 C. 6 D. 8
6 已知圆的内接正方形的一条对角线上的两个顶点的坐标分别是(5,6),(3,-4),则这个圆的方程为( )
A. x2+y2+4x-2y+7=0
B. x2+y2-8x-2y-9=0
C. x2+y2+8x+2y-6=0
D. x2+y2-4x+2y-5=0
二、 多项选择题
7 (2023广州南方学院番禺附属中学期中)已知圆C:x2+y2-4x-14y+45=0及点Q(-2,3),则下列说法中正确的是( )
A. 圆心C的坐标为(2,7)
B. 点Q在圆C外
C. 若点P(m,m+1)在圆C上,则直线PQ的斜率为
D. 若M是圆C上任一点,则MQ的取值范围为[2,6]
8 (2023西昌期中)已知直线l1:mx-y+2=0,l2:x+my+2=0,m∈R,则下列结论中正确的是( )
A. 无论m取何值,l1与l2都互相垂直
B. l1和l2分别过定点(0,2)和(-2,0)
C. 不论m为何值,l1和l2都关于直线x+y=0对称
D. 若l1和l2交于点M,则OM的最大值是2
三、 填空题
9 已知圆C的方程为 x2+y2-4x+6y+4=0,则圆心C的坐标为________,半径为________.
10 (2023邯郸阶段练习)若P为圆C:x2+y2-4x-6y+9=0上任意一点,点Q(1,2),则PQ的取值范围为________.
11 (2023西安西咸新区泾河新城一中练习)已知点A(-3,0),B(1,0),平面内的动点P满足PA=3PB,则点P的轨迹形成的图形面积是________.
四、 解答题
12 已知Rt△ABC的顶点A(8,5),直角顶点为B(3,8),顶点C在y轴上.
(1) 求顶点C的坐标;
(2) 求Rt△ABC外接圆的方程.
13 在平面直角坐标系中,已知点A(-2,0),B(2,0),动点M满足·=0.
(1) 求点M的轨迹方程;
(2) 设点C(4,0),若N是线段MC的中点,求点N的轨迹方程.
【答案解析】
2.1.2 圆的方程(2)
1. C 圆的方程可整理为(x-1)2+y2=2,所以圆心为(1,0),半径为.
2. C 方程x2+y2-2mx-4y+2m2-4m=0,可化为(x-m)2+(y-2)2=-m2+4m+4,则半径r==,所以当m=2时,半径r取最大值2,此时最大面积是8π.
3. A 由x2+y2-2ax+4ay+5a2-9=0,得(x-a)2+(y+2a)2=9,所以圆心的坐标为(a,-2a),半径为3.因为圆x2+y2-2ax+4ay+5a2-9=0上的所有点都在第二象限,所以解得a<-3.
4. B 圆x2+y2+2x+2y=0可化为(x+1)2+(y+1)2=2,圆心为(-1,-1),半径为,则点(-1,-1)到直线x-y-2=0的距离为=,所以圆x2+y2+2x+2y=0上的点到直线x-y-2=0距离的最大值为2.
5. B 圆C:x2+y2-8x+6y+16=0可化为(x-4)2+(y+3)2=9,则x2+y2表示点P(x,y)到点 O(0,0)的距离的平方.因为CO==5,所以x2+y2的最小值为(5-3)2=4.
6. B 根据题意,圆的内接正方形的一条对角线上的两个顶点的坐标分别是(5,6),(3,-4),则圆的圆心为(4,1),半径r=×=,则圆的方程为(x-4)2+(y-1)2=26,即x2+y2-8x-2y-9=0.
7. AB 对于A,由x2+y2-4x-14y+45=0,得 (x-2)2+(y-7)2=8,显然该圆的圆心C的坐标为(2,7),故A正确;对于B,因为(-2-2)2+(3-7)2>8,所以点Q在圆C外,故B正确;对于C,若点P(m,m+1)在圆C上,则(m-2)2+(m+1-7)2=8,解得m=4,即P(4,5),所以直线PQ的斜率为=,故C不正确;对于D,因为CQ==4,该圆的半径为2,所以4-2≤MQ≤4+2,即2≤MQ≤6,故D不正确.故选AB.
8. ABD 对于A,因为m×1+(-1)×m=0,所以无论m取何值,l1与l2都互相垂直,故A正确;对于B,对于直线l1:mx-y+2=0,当x=0时,y=2恒成立,即l1过定点(0,2),记为A,对于直线l2:x+my+2=0,当y=0时,x=-2恒成立,则l2恒过定点(-2,0),记为B,故B正确;对于C,在l1上任取点(x,mx+2),关于直线x+y=0对称的点的坐标为(-mx-2,-x),代入l2的方程,得点(-mx-2,-x)不恒在l2上,故C错误;对于D,由A,B可知MA⊥MB,即点M的轨迹为以AB为直径的圆,可知圆心为C(-1,1),半径为R=AB=,所以MO的最大值是OC+R=2,故D正确.故选ABD.
9. (2,-3) 3 圆C的方程为x2+y2-4x+6y+4=0,整理,得(x-2)2+(y+3)2=9.故圆心C的坐标为(2,-3),半径为3.
10. [2-,2+] 圆C:x2+y2-4x-6y+9=0化为标准方程,得(x-2)2+(y-3)2=4,因为(1-2)2+(2-3)2=2<4,所以点Q(1,2)在圆C内,且CQ==,所以PQ的取值范围为[2-,2+].
11. 设点P的坐标为(x0,y0).因为PA=3PB,所以=3,整理,得x+y-3x0=0,即+y=,所以点P的轨迹方程为+y2=,其轨迹为以点为圆心,为半径的圆,所以轨迹形成的图形面积为.
12. (1) 设顶点C的坐标为(0,m),
由题意,得kAB·kBC=-1,且kAB==-,
所以kBC==,
解得m=3,
所以顶点C的坐标为(0,3).
(2) 因为Rt△ABC的斜边AC的中点为圆心,边AC为直径,
所以圆心的坐标为M(4,4),
半径为r==,
故Rt△ABC外接圆的方程为(x-4)2+(y-4)2=17.
13. (1) 设M(x,y),
则=(-2-x,-y),=(2-x,-y),
所以·=(-2-x)(2-x)+y2=0,
即x2+y2=4,
所以点M的轨迹方程为x2+y2=4.
(2) 设M(x0,y0),N(x,y),
因为N是MC的中点,
所以即
又因为点M(x0,y0)在圆x2+y2=4上,
所以(2x-4)2+4y2=4,即(x-2)2+y2=1,
所以点N的轨迹方程为(x-2)2+y2=1.2.1.3 圆的方程(3)
一、 单项选择题
1 若直线3x-4y+12=0与两坐标轴的交点为A,B,则过A,B及原点O三点的圆的方程是( )
A. x2+y2+4x-3y=0
B. x2+y2-4x-3y=0
C. x2+y2+4x-3y-4=0
D. x2+y2-4x-3y+8=0
2 (2023白银靖远二中期末)若圆C的圆心在直线y=2x上,且和y轴相切于点A(0,2),则圆C的标准方程为( )
A. (x+1)2+(y-2)2=1
B. (x-1)2+(y-2)2=1
C. (x+2)2+(y-1)2=1
D. (x-2)2+(y-1)2=1
3 (2023泰安期中)已知曲线x-1=,则的最大值,最小值分别为( )
A. +2,-2 B. +2,
C. ,-2 D. ,
4 如图,已知ACB为一弓形,且点A,B,C的坐标分别为(-4,0),(4,0),(0,2),则弓形ACB所在圆的方程为( )
A. x2+y2=16
B. x2+y2=4
C. x2+(y+2)2=20
D. x2+(y+3)2=25
5 已知直线ax+by-1=0(ab>0)过圆(x-1)2+(y-1)2=2 022的圆心,则a2+b2的最小值为( )
A. B. 1 C. D. 2
6 (2023北京顺义一中月考)已知点A,B在圆x2+y2=4上,且AB=2,P为圆O上任意一点,则·的最小值为( )
A. 0 B. -4 C. -6 D. -8
二、 多项选择题
7 设圆的方程是(x-a)2+(y+b)2=a2+b2,其中a>0,b>0,则下列说法中正确的是( )
A. 该圆的圆心为(a,b)
B. 该圆过原点
C. 该圆与x轴相交于两个不同的点
D. 该圆的半径为a2+b2
8 (2023广州期末)已知动点P与两定点A(0,0),B(3,0)的距离之比为1∶2,则下列结论中正确的是( )
A. 点P的轨迹所围成的图形的面积是4π
B. 点P到点A距离的最大值是2
C. 点P到点B距离的最大值是6
D. 当点P,A,B不共线时,△PAB面积的最大值是3
三、 填空题
9 已知圆C:x2+y2+mx-4=0上存在两点关于直线x-y+3=0对称,则实数m的值为________.
10 过点A(1,-2),B(-1,4),且周长最小的圆的一般方程为____________
________.
11 (2023太原期中)已知M是直线x=4上的动点,点N在线段OM上(O是坐标原点),且满足OM·ON=16,则动点N的轨迹方程为____________________.
四、 解答题
12 (2023北京丰台期中)赵州桥,又名安济桥,位于河北省石家庄市赵县的洨河上,距今已有1 400多年的历史,是保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥,其高超的技术水平和不朽的艺术价值,彰显了中国劳动人民的智慧和力量.2023年以来,中国文旅市场迎来强劲复苏,某地一旅游景点为吸引游客,参照赵州桥的样式在景区兴建圆拱桥,该圆拱桥的圆拱跨度为16m,拱高为4m,在该圆拱桥的示意图中建立如图所示的平面直角坐标系.
(1) 求这座圆拱桥的拱圆的方程;
(2) 若该景区游船的宽为10m,水面以上的高为3m,试判断该景区游船能否从桥下通过,并说明理由. (参考数据:≈1.732)
13 (2023淮安中学期中)在△ABC中,已知点A(-4,1),B(8,5),△ABC的内心为点D(6,1).
(1) 求△ABC内切圆的方程;
(2) 求△ABC外接圆的方程.
【答案解析】
2.1.3 圆的方程(3)
1. A 由题可得A(0,3),B(-4,0),设圆的方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,则解得则所求圆的方程为x2+y2+4x-3y=0.
2. B 因为圆心在直线y=2x上,所以设圆心为C(a,2a).又因为圆C和y轴相切于点A(0,2),所以2a=2,即a=1,则半径r=a=1,故圆C的标准方程为(x-1)2+(y-2)2=1.
3. B 由x-1=,可得(x-1)2+y2=4,x≥1,如图,此方程表示的曲线为以点A(1,0)为圆心,2为半径的圆的右半部分,则表示点P(0,4)与此半圆上点的距离,其最大值为PA+2,最小值为PB.又B(1,2),则PB==,PA==,故的最大值为+2,最小值为.
4. D 因为圆心在弦AB的中垂线上,所以圆心在y轴上,可设圆心为P(0,b).因为AP=CP,所以=|2-b|,解得b=-3,所以圆心P(0,-3),半径r=CP=5,所以圆的标准方程为x2+(y+3)2=25.
5. A 由题意,得圆心为(1,1),因为直线ax+by-1=0(ab>0)过圆心,所以a+b=1,即a=1-b,所以a2+b2=(1-b)2+b2=2b2-2b+1=2+,所以当b=时,a2+b2取得最小值.
6. C 由题意,得OA=OB=2=AB,所以△OAB是等边三角形,则∠AOB=,不妨取A(-1,-),B(1,-),设点P(2cos α,2sin α),则=(2,0),=(2cos α-1,2sin α+),所以·=2(2cos α-1)=4cos α-2∈[-6,2],即·的最小值为-6.
7. BC 由圆的标准方程可知,该圆的圆心坐标为(a,-b),半径为,故A,D不正确;因为(0-a)2+(0+b)2=a2+b2,所以该圆过原点,故B正确;在圆的方程(x-a)2+(y+b)2=a2+b2中,令y=0,得(x-a)2+b2=a2+b2,即(x-a)2=a2,得x=2a或x=0.因为a>0,所以该圆与x轴相交于两个不同的点,故C正确.故选BC.
8. ACD 对于A,设P(x,y),因为动点P与两定点A(0,0),B(3,0)的距离之比为1∶2,所以(x-0)2+(y-0)2=[(x-3)2+(y-0)2],即x2+y2+2x=3,即(x+1)2+y2=4,所以P是以点(-1,0)为圆心,2为半径的圆上的一点,所以点P的轨迹所围成的图形的面积是4π,故A正确;对于B,点P到点A的距离的最大值为圆心C(-1,0)到点A的距离加上圆的半径,又AC=1,所以点P到点A的距离的最大值为1+2=3,故B错误;对于C,点P到点B的距离的最大值为圆心C(-1,0)到点B的距离加上圆的半径,又BC=4,所以点P到点B的距离的最大值是4+2=6,故C正确;对于D,当P,A,B三点不共线时,点P到直线AB的最大距离为2,则△PAB面积的最大值为×3×2=3,故D正确.故选ACD.
9. 6 由题意,得直线x-y+3=0经过圆心,即-+3=0,解得m=6.
10. x2+y2-2y-9=0 显然当AB为直径时,圆周长最小,此时圆心为,即(0,1),半径为==,故圆的方程为 x2+(y-1)2=10,即x2+y2-2y-9=0.
11. (x-2)2+y2=4(012. (1) 设这座圆拱桥的拱圆的一般方程为x2+y2+Dx+Ey+F=0,
因为该拱圆过点A(-8,0),B(8,0),C(0,4),
所以解得
所以拱圆的一般方程为x2+y2+12y-64=0,
即x2+(y+6)2=100.
(2) 当x=5时,52+(y+6)2=100,
解得y=5-6≈2.66<3,
所以该景区的游船不能从桥下通过.
13. (1) 由A(-4,1),B(8,5)可得直线AB的方程为 y-1=(x+4),即x-3y+7=0,
所以点D(6,1)到直线AB:x-3y+7=0的距离为 d==,
所以△ABC内切圆的半径为,圆心为D(6,1),
所以内切圆的方程为(x-6)2+(y-1)2=10.
(2) 如图,设直线AB与内切圆相切于点M,内切圆半径为r,连接AD,BD,DM.
因为AB==4,AM===3,
所以BM=AB-AM==r,
所以∠ABD=45°.
因为BD平分∠ABC,
所以∠ABC=2∠ABD=90°,则AB⊥BC,
所以△ABC为以B为直角的直角三角形.
由kAB==,得kBC=-=-3,
所以直线BC的方程为y=-3(x-8)+5.
又AD∥x轴,所以直线AB,AC关于AD对称,
所以kAC=-kAB=-,
所以直线AC的方程为y=-(x+4)+1.
联立解得
即点C(11,-4),
所以AC的中点坐标为,且为外接圆的圆心.
又外接圆的半径为AC==,
故外接圆的方程为+=.