學(xué)生用書P174
1.圓的定義與方程
規(guī)律總結(jié)
(1)在圓的一般方程中:當(dāng)D2+E2-4F=0時(shí),方程x2+y2+Dx+Ey+F=0表示一個(gè)點(diǎn)(-D2,-E2);當(dāng)D2+E2-4F<0時(shí),方程x2+y2+Dx+Ey+F=0沒有意義,不表示任何圖形.
(2)以A(x1,y1),B(x2,y2)為直徑端點(diǎn)的圓的方程為(x-x1)(x-x2)+(y-y1)(y-y2)=0.
2.點(diǎn)與圓的位置關(guān)系
圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),圓心C的坐標(biāo)為(a,b),半徑為r,設(shè)M的坐標(biāo)為(x0,y0).
常用結(jié)論
向量法判斷點(diǎn)與圓的位置關(guān)系
若點(diǎn)P是以AB為直徑的圓O所在平面內(nèi)的一點(diǎn),則
PA·PB>0?點(diǎn)P在圓O外;
PA·PB=0?點(diǎn)P在圓O上;
PA·PB<0?點(diǎn)P在圓O內(nèi).
1.[2022北京高考]若直線2x+y-1=0是圓(x-a)2 +y2=1的一條對稱軸,則a=( A )
A.12B.-12C.1D.-1
解析 由題意知,圓心坐標(biāo)為(a,0),且圓心在直線2x+y-1=0上,所以2a-1=0,得a=12.故選A.
2.[2021上海高考]已知圓x2+y2-2x-4y=0,則該圓的圓心坐標(biāo)為 (1,2) .
解析 解法一 易知D=-2,E=-4,則-D2=1,-E2=2,故圓心坐標(biāo)為(1,2).
解法二 將圓的一般方程化為標(biāo)準(zhǔn)方程得(x-1)2+(y-2)2=5,則圓心坐標(biāo)為(1,2).
3.[易錯(cuò)題]半徑為3,圓心的橫、縱坐標(biāo)相等且與兩條坐標(biāo)軸都相切的圓的方程為 (x-3)2+(y-3)2=9或(x+3)2+(y+3)2=9 .
解析 由題意知圓心坐標(biāo)為(3,3)或(-3,-3),故所求圓的方程為x-32+y-32=9或x+32+y+32=9.
4.若方程x2+y2+2ax+2ay+2a2+a-1=0表示圓,則a的取值范圍是 (-∞,1) .
解析 解法一 方程x2+y2+2ax+2ay+2a2+a-1=0可化為(x+a)2+(y+a)2=1-a,若它表示圓,則需滿足1-a>0,故a<1.
解法二 要使方程x2+y2+2ax+2ay+2a2+a-1=0表示圓,則需滿足(2a)2+(2a)2-4(2a2+a-1)>0,解得a<1.
5.若點(diǎn)(1,1)在圓x2+y2+x+ay+1=0外,則實(shí)數(shù)a的取值范圍為 (-4,-3)∪(3,+∞) .
解析 由題可知12+a2-4×1>0,解得a>3或a<-3.又點(diǎn)(1,1)在圓外,所以12+12+1+a+1>0,解得a>-4.故實(shí)數(shù)a的取值范圍為(-4,-3)∪(3,+∞).
學(xué)生用書P175
命題點(diǎn)1 求圓的方程
例1 (1)[2022全國卷乙]過四點(diǎn)(0,0),(4,0),(-1,1),(4,2)中的三點(diǎn)的一個(gè)圓的方程為 x2+y2-4x-6y=0(答案不唯一) .
解析 設(shè)A(0,0),B(4,0),C(-1,1),M(4,2),圓的一般方程為x2+y2+Dx+Ey+F=0.若圓過A,B,C三點(diǎn),則分別將三點(diǎn)的坐標(biāo)代入,可得F=0,16+4D+F=0,2-D+E+F=0,解得D=-4,E=-6,F(xiàn)=0,易得D2+E2-4F>0,所以過A,B,C三點(diǎn)的圓的方程為x2+y2-4x-6y=0.
同理,得過A,B,M三點(diǎn)的圓的方程為x2+y2-4x-2y=0;
過A,C,M三點(diǎn)的圓的方程為x2+y2-83x-143y=0;
過B,C,M三點(diǎn)的圓的方程為x2+y2-165x-2y-165=0.
(2)[2022全國卷甲]設(shè)點(diǎn)M在直線2x+y-1=0上,點(diǎn)(3,0)和(0,1)均在☉M上,則☉M的方程為 (x-1)2+(y+1)2=5 .
解析 解法一(待定系數(shù)法) 設(shè)☉M的方程為(x-a)2+(y-b)2=r2,則2a+b-1=0,(3-a)2+b2=r2,a2+(1-b)2=r2,解得a=1,b=-1,r2=5,∴☉M的方程為(x-1)2+(y+1)2=5.
解法二(幾何法) 設(shè)A(3,0),B(0,1),☉M的半徑為r,則kAB=1-00-3=-13,AB的中點(diǎn)坐標(biāo)為(32,12),∴AB的垂直平分線方程為y-12=3(x-32),即3x-y-4=0.聯(lián)立得3x-y-4=0,2x+y-1=0,解得M(1,-1),∴r2=|MA|2=(3-1)2+[0-(-1)]2=5,∴☉M的方程為(x-1)2+(y+1)2=5.
方法技巧
求圓的方程的兩種方法
訓(xùn)練1 (1)已知m為實(shí)數(shù),方程(m+2)x2+m2y2+8x+4y+5m=0表示圓,則實(shí)數(shù)m的值為 -1 .
解析 ∵(m+2)x2+m2y2+8x+4y+5m=0表示圓,∴m+2=m2,∴m=-1或m=2.(二次項(xiàng)系數(shù)相等)
當(dāng)m=-1時(shí),原方程為x2+y2+8x+4y-5=0,(二次項(xiàng)系數(shù)化為1后再使用公式)
即(x+4)2+(y+2)2=25.
當(dāng)m=2時(shí),原方程可化為x2+y2+2x+y+52=0,
即(x+1)2+(y+12)2=-54,不是圓的方程,∴m=2不合題意.綜上,m的值為-1.
(2)[2023鄭州市一測]經(jīng)過點(diǎn)P(1,1)以及圓x2+y2-4=0與圓x2+y2-4x+4y-12=0交點(diǎn)的圓的方程為 x2+y2+x-y-2=0 .
解析 解法一 聯(lián)立得x2+y2-4=0,x2+y2-4x+4y-12=0,解得x=-2,y=0或x=0,y=2,不妨設(shè)A-2,0,B0,2,過A,B,P三點(diǎn)的圓的一般方程為x2+y2+Dx+Ey+F=0(D2+E2-4F>0),分別將A,B,P三點(diǎn)的坐標(biāo)代入,得4-2D+F=0,4+2E+F=0,2+D+E+F=0,解得D=1,E=-1,F(xiàn)=-2,且D2+E2-4F>0,所以所求圓的方程為x2+y2+x-y-2=0.
解法二 聯(lián)立得x2+y2-4=0,x2+y2-4x+4y-12=0,解得x=-2,y=0或x=0,y=2,不妨設(shè)A(-2,0),B(0,2),如圖,在平面直角坐標(biāo)系中作出A,B,P三點(diǎn),并連接AB,AP,BP,顯然△ABP是以AP為斜邊的直角三角形,且AP為所求圓的直徑,記所求圓的圓心為E,半徑為R,則E為AP的中點(diǎn),且E(-12,12),R=(-2-1)2+(0-1)22=102,故所求圓的方程為(x+12)2+(y-12)2=52,即x2+y2+x-y-2=0.
解法三 設(shè)過圓x2+y2-4=0和圓x2+y2-4x+4y-12=0的交點(diǎn)的圓的方程為x2+y2-4x+4y-12+λx2+y2-4=0,因?yàn)榇藞A經(jīng)過點(diǎn)P(1,1),所以有1+1-4+4-12+λ1+1-4=0,解得λ=-5,即所求圓的方程為x2+y2-4x+4y-12-5(x2+y2-4)=0,化簡得,x2+y2+x-y-2=0.
命題點(diǎn)2 與圓有關(guān)的軌跡問題
例2 (1)若Rt△ABC的斜邊的兩端點(diǎn)A,B的坐標(biāo)分別為(-3,0)和(7,0),則直角頂點(diǎn)C的軌跡方程為( C )
A.x2+y2=25(y≠0)B.x2+y2=25
C.(x-2)2+y2=25(y≠0)D.(x-2)2+y2=25
解析 解法一(定義法) 線段AB的中點(diǎn)為D(2,0),因?yàn)椤鰽BC為直角三角形,C為直角頂點(diǎn), 所以|CD|=|AD|=|DB|,所以點(diǎn)C在以D為圓心,|AD|=5為半徑的圓上,所以點(diǎn)C的軌跡方程為(x-2)2+y2=25(y≠0).
解法二(直接法) 線段AB的中點(diǎn)坐標(biāo)為(2,0),因?yàn)椤鰽BC為直角三角形,C為直角頂點(diǎn),所以點(diǎn)C到點(diǎn)(2,0)的距離為12|AB|=5,所以點(diǎn)C(x,y)滿足(x-2)2+y2=5(y≠0),即(x-2)2+y2=25(y≠0).
(2)已知線段AB的端點(diǎn)B的坐標(biāo)為(8,6),端點(diǎn)A在圓C:x2+y2+4x=0上運(yùn)動(dòng),則線段AB的中點(diǎn)P的軌跡方程為 (x-3)2+(y-3)2=1 .
解析 設(shè)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x,y),點(diǎn)A的坐標(biāo)為(x0,y0),由于點(diǎn)B的坐標(biāo)為(8,6),且P為線段AB的中點(diǎn),∴x=x0+82,y=y(tǒng)0+62,于是有x0=2x-8,y0=2y-6.
∵點(diǎn)A在圓C上運(yùn)動(dòng),
∴點(diǎn)A的坐標(biāo)滿足方程x2+y2+4x=0,即x02+y02+4x0=0,
∴(2x-8)2+(2y-6)2+4(2x-8)=0,
化簡整理,得x2+y2-6x-6y+17=0,
即(x-3)2+(y-3)2=1.
方法技巧
求與圓有關(guān)的軌跡問題的幾種方法
1.直接法:當(dāng)題目條件中含有與該點(diǎn)有關(guān)的等式時(shí),可設(shè)出該點(diǎn)的坐標(biāo),用坐標(biāo)表示等式,直接求解軌跡方程.
2.定義法:當(dāng)題目條件符合圓的定義時(shí),可直接利用定義確定其圓心和半徑,寫出圓的方程.
3.相關(guān)點(diǎn)代入法:當(dāng)題目條件中已知某動(dòng)點(diǎn)的軌跡方程,而要求的點(diǎn)與該動(dòng)點(diǎn)有關(guān)時(shí),常找出要求的點(diǎn)與已知點(diǎn)的關(guān)系,代入已知點(diǎn)滿足的關(guān)系式求軌跡方程.
訓(xùn)練2 已知定點(diǎn)M(1,0),N(2,0),動(dòng)點(diǎn)P滿足|PN|=2|PM|.
(1)求動(dòng)點(diǎn)P的軌跡C的方程;
(2)已知點(diǎn)B(6,0),點(diǎn)A在軌跡C上運(yùn)動(dòng),求線段AB上靠近點(diǎn)B的三等分點(diǎn)Q的軌跡方程.
解析 (1)設(shè)動(dòng)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x,y),
因?yàn)镸(1,0),N(2,0),且|PN|=2|PM|,
所以(x-2)2+y2=2·(x-1)2+y2,
整理得x2+y2=2,
所以動(dòng)點(diǎn)P的軌跡C的方程為x2+y2=2.
(2)設(shè)點(diǎn)Q的坐標(biāo)為(x,y),點(diǎn)A的坐標(biāo)為(xA,yA),
因?yàn)镼是線段AB上靠近點(diǎn)B的三等分點(diǎn),
所以AQ=2QB,即(x-xA,y-yA)=2(6-x,-y),
解得xA=3x-12,yA=3y,
又點(diǎn)A在軌跡C上運(yùn)動(dòng),
由(1)有(3x-12)2+(3y)2=2,化簡得(x-4)2+y2=29,
即點(diǎn)Q的軌跡方程為(x-4)2+y2=29.
命題點(diǎn)3 與圓有關(guān)的最值問題
角度1 幾何法求最值
例3 (1)[多選/2021新高考卷Ⅰ]已知點(diǎn)P在圓(x-5)2+(y-5)2=16上,點(diǎn)A(4,0),B(0,2),則( ACD )
A.點(diǎn)P到直線AB的距離小于10
B.點(diǎn)P到直線AB的距離大于2
C.當(dāng)∠PBA最小時(shí),|PB|=32
D.當(dāng)∠PBA最大時(shí),|PB|=32
解析 設(shè)圓(x-5)2+(y-5)2=16的圓心為M(5,5),由題易知直線AB的方程為x4+y2=1,即x+2y-4=0,則圓心M到直線AB的距離d=|5+2×5-4|5=115>4,所以直線AB與圓M相離,所以點(diǎn)P到直線AB的距離的最大值為4+d=4+115,4+115<5+1255=10,故A正確.
易知點(diǎn)P到直線AB的距離的最小值為d-4=115-4,115-4<1255-4=1,故B不正確.
過點(diǎn)B作圓M的兩條切線,切點(diǎn)分別為N,Q,如圖所示,連接MB,MN,MQ,則當(dāng)∠PBA最小時(shí),點(diǎn)P與N重合,|PB|=|MB|2-|MN|2=52+(5-2)2-42=32,當(dāng)∠PBA最大時(shí),點(diǎn)P與Q重合,|PB|=32,故C,D都正確.綜上,選ACD.
(2)已知實(shí)數(shù)x,y滿足方程x2+y2-4x+1=0.
①則yx的最大值和最小值分別為 3 和 -3 ;
②則y-x的最大值和最小值分別為 -2+6 和 -2-6 ;
③則x2+y2的最大值和最小值分別為 7+43 和 7-43 .
解析 ①(斜率型)原方程可化為(x-2)2+y2=3,表示以(2,0)為圓心,3為半徑的圓,yx的幾何意義是圓上一點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率,所以設(shè)yx=k,即y=kx.
當(dāng)直線y=kx與圓相切時(shí),斜率k取最大值或最小值,此時(shí)|2k-0|k2+1=3,解得k=±3.
所以yx的最大值為3,最小值為-3.
②解法一(截距型) y-x可看作是直線y=x+b在y軸上的截距,當(dāng)直線y=x+b與圓相切時(shí),b取得最大值或最小值,此時(shí)|2-0+b|2=3,解得b=-2±6.
所以y-x的最大值為-2+6,最小值為-2-6.
解法二(換元法) 圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為(x-2)2+y2=3,所以設(shè)x-2=3cs θ,y=3sinθ,
則y-x=3sin θ-3cs θ-2=6sin(θ-π4)-2,當(dāng)θ=3π4時(shí),y-x取最大值6-2;當(dāng)θ=7π4時(shí),y-x取最小值-6-2.
③解法一(距離型) x2+y2表示圓上的一點(diǎn)與原點(diǎn)距離的平方,由平面幾何知識知,最大值和最小值在過原點(diǎn)與圓心的直線與圓的兩個(gè)交點(diǎn)處取得.
又圓心到原點(diǎn)的距離為(2-0)2+(0-0)2=2,
所以x2+y2的最大值是(2+3)2=7+43,
x2+y2的最小值是(2-3)2=7-43.
解法二 由②中解法二可知,x2+y2=(2+3cs θ)2+(3sin θ)2=7+43cs θ,從而得x2+y2的最大值和最小值分別為7+43,7-43.
角度2 代數(shù)法求最值
例4 (1)[2023全國卷乙]已知實(shí)數(shù)x,y滿足 x2+y2-4x-2y-4=0,則x-y的最大值是( C )
A.1+322B.4C.1+32D.7
解析 將方程x2+y2-4x-2y-4=0化為(x-2)2+(y-1)2=9,其表示圓心為(2,1),半徑為3的圓.設(shè)z=x-y,數(shù)形結(jié)合知,只有當(dāng)直線x-y-z=0與圓相切時(shí),z才能取到最大值,此時(shí)|2-1-z|2=3,解得z=1±32,故z=x-y的最大值為1+32,故選C.
(2)[2023全國卷乙]已知☉O的半徑為1,直線PA與☉O相切于點(diǎn)A,直線PB與☉O交于B,C兩點(diǎn),D為BC的中點(diǎn),若|PO|=2,則PA·PD的最大值為( A )
A.1+22B.1+222C.1+2D.2+2
解析 解法一 連接OA,由題可知|OA|=1,OA⊥PA,因?yàn)椋麿P|=2,所以在Rt△PAO中,由勾股定理可得|PA|=1,則∠POA=π4.設(shè)直線OP繞點(diǎn)P按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)θ后與直線PD重合,則-π4<θ<π4,∠APD=π4+θ,且|PD|=2cs θ,所以PA·PD=|PA||PD|·cs(π4+θ)=2cs θcs(π4+θ)=12+22cs(2θ+π4)≤12+22,(利用結(jié)論cs αcs β=12[cs(α+β)+cs(α-β)])
故選A.
解法二 以圓心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系,則圓O:x2+y2=1,令點(diǎn)P(2,0),因?yàn)椋麿A|=1,且OA⊥PA,所以∠POA=π4,不妨令A(yù)(22,22).設(shè)直線PD的方程為y=k(x-2),B(x1,y1),C(x2,y2),由y=k(x-2),x2+y2=1,得(k2+1)x2-22k2x+2k2-1=0,由Δ=8k4-4(k2+1)(2k2-1)=4-4k2>0,解得-1<k<1,則x1+x2=22k2k2+1,y1+y2=k(x1+x2-22)=-22kk2+1,所以D(2k2k2+1,-2kk2+1),于是PA=(-22,22),PD=(-2k2+1,-2kk2+1),所以PA·PD=1-kk2+1.設(shè)t=1-k,則0<t<2,PA·PD=t(1-t)2+1=tt2-2t+2=1t+2t-2≤122-2=12+22,當(dāng)且僅當(dāng)t=2時(shí)等號成立,故選A.
方法技巧
與圓有關(guān)的最值問題的常見類型及求解策略
1.利用幾何法求最值
(1)借助兩點(diǎn)之間線段最短或垂線段最短求最值,往往會涉及折線段的距離和問題.
(2)利用常見代數(shù)式的幾何意義求最值,如斜率(μ=y(tǒng)-bx-a),兩點(diǎn)之間的距離或其平方(m=(x-a)2+(y-b)2),點(diǎn)到直線的距離(d=1A2+B2|Ax0+By0+C|)等.
2.利用代數(shù)法求最值
通常會利用已知條件通過換元(如利用sin2α+cs2α=1),消元,整體代入等構(gòu)造函數(shù)或利用不等式求最值.
注意 到圓上一點(diǎn)的最值問題通常轉(zhuǎn)化為到圓心的最值問題.
訓(xùn)練3 (1)[2024安徽太和中學(xué)模擬]已知點(diǎn)P(t,t-1),t∈R,O是坐標(biāo)原點(diǎn),Q是圓C:(x-3)2+(y+1)2=1上的動(dòng)點(diǎn),則|PQ|-|PO|的最大值為( C )
A.2B.52C.3D.4
解析 易得點(diǎn)P在直線l:x-y-1=0上.圓C:(x-3)2+(y+1)2=1的圓心為C(3,-1),半徑r=1,而點(diǎn)Q在圓C上,則|PQ|max=|PC|+r,因此(|PQ|-|PO|)max=r+(|PC|-|PO|)max.設(shè)點(diǎn)C關(guān)于直線l的對稱點(diǎn)為C'(a,b),則|PC|=|PC'|,且有b+1a-3=-1,a+32-b-12-1=0,解得a=0,b=2,即C'(0,2),因此PC-PO=PC'-PO≤OC'=2,當(dāng)且僅當(dāng)點(diǎn)P,O,C'共線,且點(diǎn)O在線段PC'上時(shí)取等號,易得此時(shí)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(0,-1),所以(|PQ|-|PO|)max=1+2=3.
(2)[2023四省聯(lián)考]若P,Q分別是拋物線x2=y(tǒng)與圓(x-3)2+y2=1上的點(diǎn),則|PQ|的最小值為 5-1 .
解析 由題意,知圓的圓心為C(3,0),半徑為1.
設(shè)P(x0,x02),如圖,易知|PQ|min=|CP|min-1,|CP|2=(x0-3)2+(x02-0)2=x04+x02-6x0+9.設(shè)fx=x4+x2-6x+9,則f'x=4x3+2x-6=2x-12x2+2x+3.因?yàn)?x2+2x+3=2(x+12)2+52>0恒成立,所以當(dāng)x<1時(shí),f'x

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備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第6講雙曲線(Word版附解析)

備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第6講雙曲線(Word版附解析)

備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第7講拋物線(Word版附解析)

備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第7講拋物線(Word版附解析)

備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第8講直線與圓錐曲線的位置關(guān)系(Word版附解析)

備戰(zhàn)2025年高考數(shù)學(xué)精品教案第八章平面解析幾何第8講直線與圓錐曲線的位置關(guān)系(Word版附解析)

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