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2022届高考数学一轮复习 第8章 平面解析几何 第3节 圆的方程教案 北师大版

2022届高考数学一轮复习 第8章 平面解析几何 第3节 圆的方程教案 北师大版

年级：
姓名：

　圆的方程
[考试要求]　
1.掌握确定圆的几何要素，掌握圆的标准方程与一般方程.
2.初步了解用代数方法处理几何问题的思想．

1．圆的定义及方程
定义
平面内与定点的距离等于定长的点的集合(轨迹)
标准
方程
(x－a)2＋(y－b)2＝r2(r＞0)
圆心(a，b)，半径r
一般
方程
x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0，
(D2＋E2－4F＞0)
圆心，
半径
提醒：当D2＋E2－4F＝0时，方程x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0表示一个点；当D2＋E2－4F＜0时，方程x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0没有意义，不表示任何图形．
2．点与圆的位置关系
点M(x0，y0)与圆(x－a)2＋(y－b)2＝r2的位置关系：
(1)若M(x0，y0)在圆外，则(x0－a)2＋(y0－b)2＞r2.
(2)若M(x0，y0)在圆上，则(x0－a)2＋(y0－b)2＝r2.
(3)若M(x0，y0)在圆内，则(x0－a)2＋(y0－b)2＜r2.

1．圆的三个性质
(1)圆心在过切点且垂直于切线的直线上；
(2)圆心在任一弦的中垂线上；
(3)两圆相切时，切点与两圆心三点共线．
2．以A(x1，y1)，B(x2，y2)为直径端点的圆的方程为(x－x1)(x－x2)＋(y－y1)(y－y2)＝0.

一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)确定圆的几何要素是圆心与半径．(　　)
(2)方程(x＋a)2＋(y＋b)2＝t2(t∈R)表示圆心为(a，b)，半径为t的一个圆．(　　)
(3)方程x2＋y2＋4mx－2y＝0不一定表示圆．(　　)
(4)若点M(x0，y0)在圆x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0外，则x＋y＋Dx0＋Ey0＋F＞0.(　　)
[答案]　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√
二、教材习题衍生
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)，
D　[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．已知点A(1，－1)，B(－1,1)，则以线段AB为直径的圆的方程是(　　)
A．x2＋y2＝2 B．x2＋y2＝
C．x2＋y2＝1 D．x2＋y2＝4
A　[AB的中点坐标为(0,0)，
|AB|＝＝2，所以圆的方程为x2＋y2＝2.]
3．过点A(1，－1)，B(－1,1)，且圆心在直线x＋y－2＝0上的圆的方程是
(　　)
A．(x－3)2＋(y＋1)2＝4 B．(x＋3)2＋(y－1)2＝4
C．(x－1)2＋(y－1)2＝4 D．(x＋1)2＋(y＋1)2＝4
C　[设圆心C的坐标为(a，b)，半径为r.因为圆心C在直线x＋y－2＝0上，所以b＝2－a.又|CA|2＝|CB|2，所以(a－1)2＋(2－a＋1)2＝(a＋1)2＋(2－a－1)2，所以a＝1，b＝1.所以r＝2.所以方程为(x－1)2＋(y－1)2＝4.]
4．在平面直角坐标系中，经过三点(0,0)，(1,1)，(2,0)的圆的方程为________．
x2＋y2－2x＝0　[设圆的方程为x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0.∵圆经过点(0,0)，(1,1)，(2,0)，
∴ 解得
∴圆的方程为x2＋y2－2x＝0.]

考点一　圆的方程
　求圆的方程的两种方法

1．若不同的四点A(5,0)，B(－1,0)，C(－3,3)，D(a,3)共圆，则a的值为________．
7　[设圆的方程为x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0(D2＋E2－4F＞0)，分别代入A，B，C三点坐标，得
解得
所以A，B，C三点确定的圆的方程为
x2＋y2－4x－y－5＝0.
因为D(a,3)也在此圆上，所以a2＋9－4a－25－5＝0.
所以a＝7或a＝－3(舍去)．即a的值为7.]
2．(2020·包头青山区模拟)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的方程为________．
(x－3)2＋(y－2)2＝13　[法一：(几何法)kAB＝＝－1，
则AB的垂直平分线方程为y－＝x－，
即x－y－1＝0，
联立方程解得
r＝＝，
故圆C的方程为(x－3)2＋(y－2)2＝13.
法二：(待定系数法)设所求圆的方程为(x－a)2＋(y－b)2＝r2.由题意可得
解得
故所求圆C的方程为(x－3)2＋(y－2)2＝13.]
3．已知圆C的圆心在直线x＋y＝0上，圆C与直线x－y＝0相切，且在直线x－y－3＝0上截得的弦长为，则圆C的方程为________．
(x－1)2＋(y＋1)2＝2　[法一：由圆C的圆心在直线x＋y＝0上，∴设圆C的圆心为(a，－a)．
又∵圆C与直线x－y＝0相切，
∴半径r＝＝|a|.
又圆C在直线x－y－3＝0上截得的弦长为，
圆心(a，－a)到直线x－y－3＝0的距离d＝，
∴d2＋2＝r2，即＋＝2a2，
解得a＝1，∴圆C的方程为(x－1)2＋(y＋1)2＝2.
法二：设所求圆的方程为x2＋y2＋Dx＋Ey＋F＝0，
则圆心为，半径r＝，
∵圆心在直线x＋y＝0上，
∴－－＝0，即D＋E＝0，①
又∵圆C与直线x－y＝0相切，
∴＝，
即(D－E)2＝2(D2＋E2－4F)，
∴D2＋E2＋2DE－8F＝0.②
又知圆心到直线x－y－3＝0的距离
d＝，
由已知得d2＋2＝r2，
∴(D－E＋6)2＋12＝2(D2＋E2－4F)，③
联立①②③，解得
故所求圆的方程为x2＋y2－2x＋2y＝0，
即(x－1)2＋(y＋1)2＝2.]
4．已知a∈R，方程a2x2＋(a＋2)y2＋4x＋8y＋5a＝0表示圆，则圆心坐标是________，半径是________．
(－2，－4)　5　[由已知方程表示圆，则a2＝a＋2，
解得a＝2或a＝－1.
当a＝2时，方程不满足表示圆的条件，故舍去．
当a＝－1时，原方程为x2＋y2＋4x＋8y－5＝0，
化为标准方程为(x＋2)2＋(y＋4)2＝25，
表示以(－2，－4)为圆心，半径为5的圆．]
点评：(1)几何法的关键是定圆心．
(2)已知圆心位置常设圆的标准形式，已知圆上三点常设圆的一般式．
(3)涉及圆的弦长问题，一般是利用半弦长、弦心距和半径构成直角三角形求解．
(4)方程Ax2＋By2＋Cxy＋Dx＋Ey＋F＝0表示圆的充要条件为A＝B＞0，C＝0，D2＋E2－4AF＞0.
考点二　与圆有关的最值问题
　与圆有关的最值问题的三种几何转化法
(1)形如μ＝形式的最值问题可转化为动直线斜率的最值问题．
(2)形如t＝ax＋by形式的最值问题可转化为动直线截距的最值问题．
(3)形如m＝(x－a)2＋(y－b)2形式的最值问题可转化为动点到定点的距离的平方的最值问题．
　斜率型、截距型、距离型最值问题
[典例1－1]　已知实数x，y满足方程x2＋y2－4x＋1＝0.
(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]　原方程可化为(x－2)2＋y2＝3，表示以(2,0)为圆心，为半径的圆．
(1)的几何意义是圆上一点与原点连线的斜率，
所以设＝k，即y＝kx.
当直线y＝kx与圆相切时，斜率k取最大值或最小值，此时＝，解得k＝±(如图1)．
所以的最大值为，最小值为－.

图1　　 　图2　　　　　图3
(2)y－x可看作是直线y＝x＋b在y轴上的截距，当直线y＝x＋b与圆相切时，纵截距b取得最大值或最小值，此时＝，解得b＝－2±(如图2)．
所以y－x的最大值为－2＋，最小值为－2－.
(3)x2＋y2表示圆上的一点与原点距离的平方，由平面几何知识知，x2＋y2在原点和圆心连线与圆的两个交点处取得最大值和最小值(如图3)．
又圆心到原点的距离为＝2，
所以x2＋y2的最大值是(2＋)2＝7＋4，x2＋y2的最小值是(2－)2＝7－4.
点评： 与圆有关的斜率型、截距型、距离型最值问题一般根据相应几何意义，利用圆的几何性质数形结合求解．
　利用对称性求最值
[典例1－2]　已知圆C1：(x－2)2＋(y－3)2＝1，圆C2：(x－3)2＋(y－4)2＝9，M，N分别是圆C1，C2上的动点，P为x轴上的动点，则|PM|＋|PN|的最小值为(　　)
A．5－4 B.－1
C．6－2 D.
A　[P是x轴上任意一点，则|PM|的最小值为|PC1|－1，同理|PN|的最小值为|PC2|－3(图略)，则|PM|＋|PN|的最小值为|PC1|＋|PC2|－4.作C1关于x轴的对称点C′1(2，－3)．所以|PC1|＋|PC2|＝|PC1′|＋|PC2|≥|C1′C2|＝5，即|PM|＋|PN|＝|PC1|＋|PC2|－4≥5－4.]
点评：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．

1．(2018·全国卷Ⅲ)直线x＋y＋2＝0分别与x轴、y轴交于A，B两点，点P在圆(x－2)2＋y2＝2上，则△ABP面积的取值范围是(　　)
A．[2,6] B．[4,8]
C．[，3] D．[2，3]
A　[圆心(2,0)到直线的距离d＝＝2，所以点P到直线的距离d1∈[，3]．根据直线的方程可知A，B两点的坐标分别为A(－2,0)，B(0，－2)，所以|AB|＝2，所以△ABP的面积S＝|AB|d1＝d1.因为d1∈[，3]，所以S∈[2,6]，即△ABP面积的取值范围是[2,6]．]
2．(2020·南宁模拟)一束光线从点A(－3,2)出发，经x轴反射到圆C：(x－2)2＋(y－3)2＝1上的最短路径的长度是(　　)
A．4 B．5
C．5－1 D．2－1
C　[根据题意，设A′与A关于x轴对称，且A(－3,2)，则A′的坐标为(－3，－2)，又由A′C＝＝5，则A′到圆C上的点的最短距离为5－1.故这束光线从点A(－3,2)出发，经x轴反射到圆C：(x－2)2＋(y－3)2＝1上的最短路径的长度是5－1，故选C.]
考点三　与圆有关的轨迹问题
　求与圆有关的轨迹问题的四种方法

[典例2]　已知直角三角形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)法一：(直接法)设C(x，y)，因为A，B，C三点不共线，所以y≠0.
因为AC⊥BC，所以kAC·kBC＝－1，
又kAC＝，kBC＝，
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)．
法二：(定义法)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)(代入法)设M(x，y)，C(x0，y0)，因为B(3,0)，M是线段BC的中点，由中点坐标公式得x＝，y＝，所以x0＝2x－3，y0＝2y.由(1)知，点C的轨迹方程为(x－1)2＋y2＝4(y≠0)，将x0＝2x－3，y0＝2y代入得(2x－4)2＋(2y)2＝4，即(x－2)2＋y2＝1.因此动点M的轨迹方程为(x－2)2＋y2＝1(y≠0)．
点评：此类问题在解题过程中，常因忽视对特殊点的验证而造成解题失误．

1．古希腊数学家阿波罗尼奥斯的著作《圆锥曲线论》中给出了圆的另一种定义：平面内，到两个定点A，B距离之比是常数λ(λ＞0，λ≠1)的点M的轨迹是圆．若两定点A，B的距离为3，动点M满足|MA|＝2|MB|，则点M的轨迹围成区域的面积为(　　)
A．π B．2π
C．3π D．4π
D　[以A为原点，直线AB为x轴建立平面直角坐标系(图略)，则B(3,0)．设M(x，y)，依题意有＝2，化简整理得，x2＋y2－8x＋12＝0，即(x－4)2＋y2＝4，则圆的面积为4π.故选D.]
2．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
A　[设圆上任一点为Q(x0，y0)，PQ中点为M(x，y)，根据中点坐标公式得，因为Q(x0，y0)在圆x2＋y2＝4上，所以x＋y＝4，即(2x－4)2＋(2y＋2)2＝4，化为(x－2)2＋(y＋1)2＝1，故选A.]