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第十一章:解析几何与圆锥曲线
圆的标准方程
最后
更新:
2025-02-07 16:13
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圆的标准方程
圆;圆的标准方程;点圆;虚圆
## 圆的方程 已知定点$C(a,b)$, 定长$r$, 我们来求以$C$为圆心,$r$为半径的圆的方程(图5.37). 设$P(x,y)$是一动点,由圆的定义可知,点$P$在圆上当且仅当$|CP|=r$ 由平面上[两点距离公式](https://kb.kmath.cn/kbase/detail.aspx?id=159)可知 $$ \boxed{ \begin{equation}\label{circle1} (x-a)^2+(y-b)^2=r^2 \end{equation} ...(1) } $$ 这就是说,以$C$为圆心,$r$为半径的圆上的任一点$P$, 它的坐标都满足方程 ; 反过来,一个点的坐标如果满足方程 , 那么它必在以$C$为圆心$r$为半径的圆上,方程叫做以$C$为圆心,$r$为半径的圆的方程,如果圆心在原点(图3.38),那么圆的方程为 $$ \boxed{ x^2+y^2=r^2 ...(2) } $$  把圆一般方程展开得 $x^2+y^2-2ax-2by+a^2+b^2-r^2=0 $ 由此可见,任一圆的方程都可写为下面的形式 $$ \boxed{ x^2+y^2+2Dx+2Ey+F=0. ...(3) } $$ 由于$\lambda(x^2+y^2+2Dx+2Ey+F)=0$和表示了同一个圆,于是圆的方程是一般二次方程 $$ Ax^2+2Bxy+Cy^2+2Dx+2Ey+F=0, \quad (A=C) $$ 的一种特殊形式,它具有两个特点: ①$x^2$与$y^2$项的系数相同且不等于0; ②不含$xy$项. 现在要问,是否任一个形如上面的方程的图象都是一个圆呢? 将(3)左边配方,得 $$ (x+D)^2+(y+E)^2=D^2+E^2-F $$ 当$D^2+E^2-F>0$时,方程表示以$(-D,-E)$为圆心,以$\sqrt{D^2+E^2-F}$为半径的圆; 当$D^2+E^2-F=0$时,方程的图象只有一个点$(-D,-E)$; 当$D^2+E^2-F<0$时,没有实数偶$(x,y)$满足方程, 因此方程 没有图象. 为统一叙述,我们常把情况2的轨迹叫做**点圆** ,情况3 的轨迹叫做**虚圆**. 综上所述,我们把形如$x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$ 叫做**圆的一般方程**。 表示圆(包括点圆虚圆)的充要条件是 $A=C\ne 0,\quad B=0 $ ## 例题 `例`已知$C(3,4)$, 求以$C$为圆心,半径等于5的圆的方程. 解:设$P(x,y)$在以$C$为圆心,半径等于5的圆上,则以$C$为圆心,半径等于5的圆的方程为 $(x-3)^2+(y-4)^2=5^2 $ 即 $x^2+y^2-6x-8y=0 $ `例`求圆$x^2+y^2-6x+2y+6=0$的圆心和半径. 解: 将原方程配方得 $(x-3)^2+(y+1)^2=4 $ 所以所求圆的圆心的坐标是$(3,-1)$, 半径是2. `例`已知$A(9,-3)$, $B(3,-1)$, 求以$\overline{AB}$为直径 圆的方程(图5.39). 解1:设$\overline{AB}$的中点为$C$, 则$C$点的坐标 $x=\frac{9+3}{2}=6,\qquad y=\frac{-3-1}{2}=-2 $ 依题意$C(6,-2)$为所求圆的圆心,由距离公式得 $r^2=(9-6)^2+(-3+2)^2=10 $ 因此,所求圆的方程为 $(x-6)^2+(y+2)^2=10 $ 或 $x^2+y^2-12x+4y+30=0 $  解2:设$P(x,y)$为所求圆上任一点,依平面几何 定理可知,$P$点在以$\overline{AB}$为直径的圆上的充要条件是 $\angle APB=\frac{\pi}{2}$, 或 $ \vec{AP}\cdot \vec{BP}=0$. 用坐标表达,则为 $(x-9)(x-3)+(y+3)(y+1)=0 $ 展开整理得 $x^2+y^2-12x+4y+30=0 $ 这就是所求圆的方程, `例`已知$A(2,2)$, $B(5,3)$, $C(3,-1)$, 求通过$A$、$B$、$C$三点圆的方程. 解:设所求圆的方程为 $x^2+y^2+2Dx+2Ey+F=0 $ 因为$A$、$B$、$C$ 三点都在圆上,所以它们的坐标都满足方 程,故得 $$ \begin{cases} 4D+4E+F+8=0\\ 10D+6E+F+34=0\\ 6D-2E+F+10=0 \end{cases} $$ 解这个方程组,得 $D=-4,\qquad E=-1,\qquad F=12 $ 于是所求圆的方程为 $x^2+y^2-8x-2y+12=0 $ `例`求与$x$轴相交于$A(1,0)$, $B(5,0)$两点且半径为$\sqrt{5}$的圆的方程. 解:设所求圆的方程为 $x^2+y^2+2Dx+2Ey+F=0 $ 因$A$、$B$两点在圆上,所以$A$、$B$的坐标满足所设方程. 即 $$ \begin{cases} 1+2D+F=0\\ 25+10D+F=0 \end{cases} $$ 解之得:$D=-3,\quad F=5$. 但因为 $r^2=D^2+E^2-F $ 所以: $5=(-3)^2+E^2-5 $ 即:$E=\pm 1$, 因此所求圆的方程有两个 $x^2+y^2-6x+2y+5=0 $ 或 $x^2+y^2-6x-2y+5=0 $ `例`求到两定点$A$和$B$的距离之比等于常数$k\; (k\ne 1)$ 的点的轨迹. 解:  建立坐标系,取$A$为坐标原点,取射线$AB$为$X$轴的正半轴,设点$B$的坐标是$(a,0)$, 点$P(x,y)$是一动点, 依题意可知点$P(x,y)$是轨迹上的点的充分必要条件 是 $\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{(x-a)^2+y^2}}=k $ 或 $\frac{{x^2+y^2}}{{(x-a)^2+y^2}}=k^2 $ 经过变形、配方,这方程可化为 $\left(x-\frac{ak^2}{k^2-1}\right)^2+y^2=\left(\frac{ak}{k^2-1}\right)^2 $ 因此,所求轨迹是一个圆心在$\left(\frac{ak^2}{k^2-1},0\right)$, 半径为$\frac{ak}{|k^2-1|}$的圆. `例`求通过圆$C_1:\; x^2+y^2-4x-1=0$和圆$C_2: x^2+y^2-8x+11=0$的交点和点$(-2,2)$的圆的方程. 解:类似于用[直线束](https://kb.kmath.cn/kbase/detail.aspx?id=1341)的解题方法,我们考虑圆族 $$ \lambda_1(x^2+y^2-4x-1)+\lambda_2(x^2+y^2-8x+11)=0 $$ 当$\lambda_1,\lambda_2$不同时为零,方程表示的圆都通过两圆$C_1$, $C_2$的两个交点,如果方程是所求圆的方程,那么点$(-2,2)$的坐标应满足方程, 由此,我们可定$\lambda_1:\lambda_2$, 把$x=-2$, $y=2$代入 得 $\lambda_1[(-2)^2+2^2-4(-2)-1]+\lambda_2[(-2)^2+2^2-8(-2)+11]=0 $ 由此,得 $\lambda_1=-\frac{3}{7}\lambda_2 $ 所以,所求圆的方程为 $-7\lambda_2(x^2+y^2-4x-1)+3\lambda_2(x^2+y^2-8x+11)=0 $ 消去$\lambda_2$, 整理最后得所求圆的方程为 $x^2+y^2-x-10=0 $
其他版本
【高中数学】圆的第二定义-阿波罗尼斯圆
【高中数学】椭圆极坐标方程
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