资源描述
第4节 直线与圆、圆与圆的位置关系
知识梳理
1.直线与圆的位置关系
设圆C:(x-a)2+(y-b)2=r2,直线l:Ax+By+C=0,圆心C(a,b)到直线l的距离为d,由
消去y(或x),得到关于x(或y)的一元二次方程,其判别式为Δ.
位置关系
相离
相切
相交
图形
量化
方程观点
Δ<0
Δ=0
Δ>0
几何观点
d>r
d=r
d<r
2.圆与圆的位置关系
已知两圆C1:(x-x1)2+(y-y1)2=r,
C2:(x-x2)2+(y-y2)2=r,
则圆心距d=|C1C2|=.
则两圆C1,C2有以下位置关系:
位置关系
外离
内含
相交
内切
外切
圆心距
与半径
的关系
d>r1+r2
d<|r1-r2|
|r1-r2|<d<r1+r2
d=|r1-r2|
d=r1+r2
图示
公切线
条数
4
0
2
1
3
1.圆的切线方程常用结论
(1)过圆x2+y2=r2上一点P(x0,y0)的圆的切线方程为x0x+y0y=r2.
(2)过圆(x-a)2+(y-b)2=r2上一点P(x0,y0)的圆的切线方程为(x0-a)(x-a)+(y0-b)(y-b)=r2.
(3)过圆x2+y2=r2外一点M(x0,y0)作圆的两条切线,则两切点所在直线方程为x0x+y0y=r2.
2.直线被圆截得的弦长的求法
(1)几何法:运用弦心距d、半径r和弦长的一半构成的直角三角形,计算弦长|AB|=2.
(2)代数法:设直线y=kx+m与圆x2+y2+Dx+Ey+F=0相交于点M,N,将直线方程代入圆的方程中,消去y,得关于x的一元二次方程,求出xM+xN和xM·xN,则|MN|=·.
诊断自测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)“k=1”是“直线x-y+k=0与圆x2+y2=1相交”的必要不充分条件.( )
(2)如果两个圆的方程组成的方程组只有一组实数解,则两圆外切.( )
(3)如果两圆的圆心距小于两圆的半径之和,则两圆相交.( )
(4)过圆O:x2+y2=r2外一点P(x0,y0)作圆的两条切线,切点分别为A,B,则O,P,A,B四点共圆且直线AB的方程是x0x+y0y=r2.( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√
解析 (1)“k=1”是“直线x-y+k=0与圆x2+y2=1相交”的充分不必要条件;(2)除外切外,还有可能内切;(3)两圆还可能内切或内含.
2.直线l:3x-y-6=0与圆x2+y2-2x-4y=0相交于A,B两点,则|AB|=______.
答案
解析 由x2+y2-2x-4y=0得(x-1)2+(y-2)2=5,所以该圆的圆心坐标为(1,2),半径r=.又圆心(1,2)到直线3x-y-6=0的距离为d==,由=r2-d2,得|AB|2=10,即|AB|=.
3.圆x2+y2-4=0与圆x2+y2-4x+4y-12=0的公共弦长为________.
答案 2
解析 由得两圆公共弦所在直线方程x-y+2=0.又圆x2+y2=4的圆心到直线x-y+2=0的距离为=.由勾股定理得弦长的一半为=,所求弦长为2.
4.(2020·菏泽模拟)若点(1,1)在圆(x-a)2+(y+a)2=4的内部,则实数a的取值范围是( )
A.(-1,1) B.(0,1)
C.(-∞,-1)∪(1,+∞) D.a=±1
答案 A
解析 因为点(1,1)在圆的内部,
所以(1-a)2+(1+a)2<4,所以-1<a<1.
5.(2021·重庆诊断)已知直线ax+by+c=0与圆O:x2+y2=1相交于A,B两点,且|AB|=,则·的值是( )
A.- B. C.- D.0
答案 A
解析 在△OAB中,|OA|=|OB|=1,|AB|=,可得∠AOB=120°,所以·=1×1×cos 120°=-.故选A.
6.(2020·浙江卷)已知直线y=kx+b(k>0)与圆x2+y2=1和圆(x-4)2+y2=1均相切,则k=__________,b=__________.
答案 -
解析 法一 直线kx-y+b=0(k>0)分别与圆心坐标为(0,0),半径为1,及圆心坐标为(4,0),半径为1的两圆相切,
可得
由①②且k>0,解得
法二 如图,直线分别与两个半径相等的圆相切,由对称性可知,直线与x轴的交点为A(2,0).
由AB=2,BM=1,∠AMB=90°,得∠MAB=30°,
可得直线的斜率k=tan 30°=,
直线方程为y=(x-2)=x-,因此b=-.
考点一 直线与圆的位置关系
1.若直线x-y+1=0与圆(x-a)2+y2=2有公共点,则实数a的取值范围是( )
A.[-3,-1] B.[-1,3]
C.[-3,1] D.(-∞,-3]∪[1,+∞)
答案 C
解析 由题意可得,圆的圆心为(a,0),半径为,
∴≤,即|a+1|≤2,
解得-3≤a≤1.
2.(2020·衡水模拟)直线l:mx-y+1-m=0与圆C:x2+(y-1)2=5的位置关系是( )
A.相交 B.相切
C.相离 D.不确定
答案 A
解析 法一 (代数法)由消去y,整理得(1+m2)x2-2m2x+m2-5=0,因为Δ=16m2+20>0,所以直线l与圆相交.
法二 (几何法)由题意知,圆心(0,1)到直线l的距离d=<1<,故直线l与圆相交.
法三 易得直线l过定点(1,1).
把点(1,1)代入圆的方程有1+0<,∴点(1,1)在圆的内部,故直线l与圆C相交.
3.(多选题)(2021·武汉调研)设有一组圆Ck:(x-k)2+(y-k)2=4(k∈R),则下列命题正确的是( )
A.不论k如何变化,圆心Ck始终在一条直线上
B.所有圆Ck均不经过点(3,0)
C.存在定直线始终与圆Ck相切
D.若k∈,则圆Ck上总存在两点到原点的距离为1
答案 ABC
解析 圆心坐标为(k,k),在直线y=x上,A正确;
若(3-k)2+(0-k)2=4,化简得2k2-6k+5=0,Δ=36-40=-4<0,无解,B正确;
圆心在y=x上,半径为定值2,故定直线斜率一定为1,设为y=x+b,=2,b=±2,故存在定直线y=x±2始终与圆Ck相切,C正确;
圆Ck上总存在两点到原点的距离为1,问题转化为圆x2+y2=1与圆Ck有两个交点,1<|k|<3,
则k∈∪,D错误.
感悟升华 判断直线与圆的位置关系的常见方法
(1)几何法:利用d与r的关系.
(2)代数法:联立方程之后利用Δ判断.
(3)点与圆的位置关系法:若直线恒过定点且定点在圆内,可判断直线与圆相交.
上述方法中最常用的是几何法,点与圆的位置关系法适用于动直线问题.
考点二 圆的弦长问题
【例1】 (1)(2020·济南调研)已知圆C:(x-1)2+(y+1)2=1与直线kx+y+1=0相交于A,B两点,若△CAB为等边三角形,则k的值为( )
A.± B.±2 C.± D.±
(2)(2021·中原名校联考)设圆x2+y2-2x-2y-2=0的圆心为C,直线l过(0,3),且与圆C交于A,B两点,若|AB|=2,则直线l的方程为( )
A.3x+4y-12=0或4x-3y+9=0
B.3x-4y+12=0或4x+3y+9=0
C.4x-3y+9=0或x=0
D.3x+4y-12=0或x=0
答案 (1)A (2)D
解析 (1)圆C:(x-1)2+(y+1)2=1的圆心为C(1,-1),半径为1,故|CB|=|CA|=1,又△CAB为等边三角形,所以点C到直线kx+y+1=0的距离为,即=,解得k=±,故选A.
(2)当直线l的斜率不存在时,直线l的方程为x=0,由得或
∴|AB|=2,符合题意.
当直线l的斜率存在时,设直线l的方程为y=kx+3,由已知可得圆的标准方程为(x-1)2+(y-1)2=4,其圆心为C(1,1),半径r=2,∴圆心C(1,1)到直线kx-y+3=0的距离d==,∵d2=r2-,∴=4-,即(k+2)2=k2+1,解得k=-,∴直线l的方程为y=-x+3,即3x+4y-12=0.综上,满足题意的直线l的方程为x=0或3x+4y-12=0,故选D.
感悟升华 弦长的两种求法
(1)代数方法:将直线和圆的方程联立方程组,消元后得到一个一元二次方程.在判别式Δ>0的前提下,利用根与系数的关系,根据弦长公式求弦长.
(2)几何方法:若弦心距为d,圆的半径长为r,则弦长l=2.
【训练1】(2020·天津卷)已知直线x-y+8=0和圆x2+y2=r2(r>0)相交于A,B两点.若|AB|=6,则r的值为__________.
答案 5
解析 由题意知圆心为O(0,0),圆心到直线的距离d==4.取AB的中点M,连接OM(图略),则OM⊥AB.在Rt△OMA中,r==5.
考点三 圆的切线问题
【例2】 (1)(经典母题)过点P(2,4)引圆C:(x-1)2+(y-1)2=1的切线,则切线方程为________.
(2)点P为射线x=2(y≥0)上一点,过P作圆x2+y2=3的两条切线,若两条切线的夹角为90°,则点P的坐标为( )
A.(2,1) B.(2,2) C.(2,) D.(2,0)
答案 (1)x=2或4x-3y+4=0 (2)C
解析 (1)当直线的斜率不存在时,直线方程为x=2,此时,圆心到直线的距离等于半径,直线与圆相切,符合题意;当直线的斜率存在时,设直线方程为y-4=k(x-2),即kx-y+4-2k=0,∵直线与圆相切,∴圆心到直线的距离等于半径,即d===1,
解得k=,
∴所求切线方程为x-y+4-2×=0,
即4x-3y+4=0.
综上,切线方程为x=2或4x-3y+4=0.
(2)如图所示.
设切点为A,B,则OA⊥AP,OB⊥BP,OA=OB,AP=BP,AP⊥BP,
故四边形OAPB为正方形,
则|OP|=,
又xP=2,则P(2,).
【迁移】在例2(1)中,已知条件不变,设两个切点为A,B,求切点弦AB所在的直线方程.
解 由题意得,点P,A,C,B在以PC为直径的圆上,此圆的方程为(x-2)(x-1)+(y-4)(y-1)=0,
整理得x2+y2-3x-5y+6=0,①
圆C:(x-1)2+(y-1)2=1展开得x2+y2-2x-2y+1=0,②
由②-①得x+3y-5=0,即为直线AB的方程.
感悟升华 求过某点的圆的切线问题时,应首先确定点与圆的位置关系,再求切线方程.若点在圆上(即为切点),则过该点的切线只有一条;若点在圆外,则过该点的切线有两条,此时注意斜率不存在的切线.
【训练2】(2020·马鞍山二模)在平面直角坐标系xOy中,若圆C:(x-3)2+(y-a)2=4上存在两点A,B满足∠AOB=60°,则实数a的最大值是( )
A.5 B.3 C. D.2
答案 C
解析
根据题意,圆C的圆心为(3,a),在直线x=3上,
分析可得,当圆心距离x轴的距离越远,∠AOB越小.
如图:当a>0时,圆心C在x轴上方,若OA,OB为圆的切线且∠AOB=60°,此时a取得最大值,
此时∠AOC=30°,
有|OC|=2|AC|=4,
即(3-0)2+(a-0)2=16,
解得a=,故实数a的最大值是,故选C.
考点四 圆与圆的位置关系
【例3】已知两圆C1:x2+y2-2x-6y-1=0和C2:x2+y2-10x-12y+45=0.
(1)求证:圆C1和圆C2相交;
(2)求圆C1和圆C2的公共弦所在直线的方程和公共弦长.
(1)证明 圆C1的圆心C1(1,3),半径r1=,圆C2的圆心C2(5,6),半径r2=4,两圆圆心距d=|C1C2|=5,r1+r2=+4,|r1-r2|=4-,所以|r1-r2|<d<r1+r2,所以圆C1和C2相交.
(2)解 圆C1和圆C2的方程左、右分别相减,得4x+3y-23=0,所以两圆的公共弦所在直线的方程为4x+3y-23=0.圆心C2(5,6)到直线4x+3y-23=0的距离d==3,故公共弦长为2=2.
感悟升华 1.判断两圆的位置关系时常用几何法,即利用两圆圆心之间的距离与两圆半径之间的关系,一般不采用代数法.
2.若两圆相交,则两圆公共弦所在直线的方程可由两圆的方程作差消去x2,y2项得到.
【训练3】 (1)已知圆O1的方程为x2+y2=1,圆O2的方程为(x+a)2+y2=4,若这两个圆有且只有一个公共点,那么a的所有取值构成的集合是( )
A.{1,-1,3,-3} B.{5,-5,3,-3}
C.{1,-1} D.{3,-3}
(2)(2021·东北三省三校联考)圆x2-4x+y2=0与圆x2+y2+4x+3=0的公切线共有( )
A.1条 B.2条 C.3条 D.4条
答案 (1)A (2)D
解析 (1)圆心距d=|a|=2+1=3或d=|a|=2-1=1,所以a=1,-1,3,-3.故选A.
(2)x2-4x+y2=0⇒(x-2)2+y2=22,圆心坐标为(2,0),半径为2;x2+y2+4x+3=0⇒(x+2)2+y2=12,圆心坐标为(-2,0),半径为1,圆心距为4,两圆半径和为3,因为4>3,所以两圆的位置关系是外离,故两圆的公切线共有4条.故选D.
A级 基础巩固
一、选择题
1.直线y=x-和圆x2+y2-4x+2y-20=0( )
A.相交且过圆心 B.相交但不过圆心
C.相离 D.相切
答案 A
解析 将圆的方程配方,得(x-2)2+(y+1)2=25,圆心为(2,-1),半径r=5,将(2,-1)代入y=x-中,得×2-=-1,故直线过圆心,与圆相交.故选A.
2.圆x2+y2=4与圆(x-3)2+(y-4)2=49的位置关系为( )
A.内切 B.相交 C.外切 D.相离
答案 A
解析 圆x2+y2=4的圆心为(0,0),半径为2,圆(x-3)2+(y-4)2=49的圆心为(3,4),半径为7,圆心距为=5=7-2(等于两圆半径的差),所以圆x2+y2=4与圆(x-3)2+(y-4)2=49的位置关系是内切.故选A.
3.过点P(1,-2)作圆C:(x-1)2+y2=1的两条切线,切点分别为A,B,则AB所在直线的方程为( )
A.y=- B.y=-
C.y=- D.y=-
答案 B
解析 由题意知,点P,A,C,B在以PC为直径的圆上,易求得这个圆为(x-1)2+(y+1)2=1,此圆的方程与圆C的方程作差可得AB所在直线的方程为y=-.
4.已知过原点的直线l与圆C:x2+y2-6x+5=0相交于不同的两点A,B,且线段AB的中点坐标为D(2,),则弦长为( )
A.2 B.3 C.4 D.5
答案 A
解析 将圆C:x2+y2-6x+5=0整理,得其标准方程为(x-3)2+y2=4,所以圆C的圆心坐标为(3,0),半径为2.因为线段AB的中点坐标为D(2,),所以|CD|==,所以|AB|=2=2.故选A.
5.(多选题)(2021·青岛调研)已知直线l与圆C:x2+y2+2x-4y+a=0相交于A,B两点,弦AB的中点为M(0,1),则下列结论正确的是( )
A.实数a的取值范围为a<3
B.实数a的取值范围为a<5
C.直线l的方程为x+y-1=0
D.直线l的方程为x-y+1=0
答案 AD
解析 若弦AB的中点为M(0,1),则点M(0,1)一定在圆内,且方程表示圆,即得a<3,故A正确;
由圆的方程得,圆心坐标为C(-1,2),又M(0,1),则kCM=-1,则kAB=1,
由点斜式得,直线l的方程为y-1=x,即x-y+1=0,故D正确.
6.(2020·全国Ⅲ卷)若直线l与曲线y=和圆x2+y2=都相切,则l的方程为( )
A.y=2x+1 B.y=2x+
C.y=x+1 D.y=x+
答案 D
解析 易知直线l的斜率存在,设直线l的方程y=kx+b,则= ①,设直线l与曲线y=的切点坐标为(x0,)(x0≥0),则y′|x=x0=x0-=k ②,=kx0+b ③,由②③可得b=,将b=,k=x0-代入①得x0=1或x0=-(舍去),所以k=b=,故直线l的方程为y=x+.
二、填空题
7.在圆x2+y2-2x-6y=0内,过点E(0,1)的最长弦和最短弦分别为AC和BD,则四边形ABCD的面积为______.
答案 10
解析 圆的标准方程为(x-1)2+(y-3)2=10,则圆心(1,3),半径r=,圆心(1,3)与E(0,1)距离=,由题意知AC⊥BD,且|AC|=2,|BD|=2=2,所以四边形ABCD的面积为S=|AC|·|BD|=×2×2=10.
8.(2020·海南三模)已知点P(1,2)和圆C:x2+y2+kx+2y+k2=0,过点P作圆C的切线有两条,则实数k的取值范围是________.
答案
解析 因为C:x2+y2+kx+2y+k2=0为圆,所以k2+4-4k2>0,解得-<k<,又过点P作圆C的切线有两条,所以点P在圆的外部,故1+4+k+4+k2>0,解得k∈R,综上可知-<k<.故k的取值范围是.
9.已知圆C的圆心坐标是(0,m),半径长是r.若直线2x-y+3=0与圆C相切于点A(-2,-1),则m=________,r=________.
答案 -2
解析
根据题意画出图形,可知
A(-2,-1),C(0,m),B(0,3),
则|AB|=
=2,
|AC|=
=,
|BC|=|m-3|.
∵直线2x-y+3=0与圆C相切于点A,
∴∠BAC=90°,
∴|AB|2+|AC|2=|BC|2.
即20+4+(m+1)2=(m-3)2,
解得m=-2.
因此r=|AC|==.
三、解答题
10.已知圆C:(x-1)2+(y+2)2=10,求满足下列条件的圆的切线方程;
(1)与直线l1:x+y-4=0平行;
(2)与直线l2:x-2y+4=0垂直;
(3)过切点A(4,-1).
解 (1)设切线方程为x+y+b=0(b≠-4),
则=,∴b=1±2,
∴切线方程为x+y+1±2=0.
(2)设切线方程为2x+y+m=0,
则=,∴m=±5,
∴切线方程为2x+y±5=0.
(3)∵kAC==,
∴过切点A(4,-1)的切线斜率为-3,
∴过切点A(4,-1)的切线方程为y+1=-3(x-4),
即3x+y-11=0.
11.已知过点A(0,1)且斜率为k的直线l与圆C:(x-2)2+(y-3)2=1交于M,N两点.
(1)求k的取值范围;
(2)若·=12,其中O为坐标原点,求|MN|.
解 (1)易知圆心坐标为(2,3),半径r=1,
由题设,可知直线l的方程为y=kx+1,
因为l与C交于两点,所以<1.
解得<k<.
所以k的取值范围为.
(2)设M(x1,y1),N(x2,y2).
将y=kx+1代入方程(x-2)2+(y-3)2=1,整理得
(1+k2)x2-4(1+k)x+7=0.
所以x1+x2=,x1x2=.
·=x1x2+y1y2
=(1+k2)x1x2+k(x1+x2)+1=+8.
由题设可得+8=12,
解得k=1,所以l的方程为y=x+1.
故圆心C在l上,所以|MN|=2.
B级 能力提升
12.(2020·全国Ⅰ卷)已知⊙M:x2+y2-2x-2y-2=0,直线l:2x+y+2=0,P为l上的动点.过点P作⊙M的切线PA,PB,切点为A,B,当|PM|·|AB|最小时,直线AB的方程为( )
A.2x-y-1=0 B.2x+y-1=0
C.2x-y+1=0 D.2x+y+1=0
答案 D
解析
(x-1)2+(y-1)2=4,r=2,
M(1,1),如图,由题意可知,AB⊥PM,
|PM|·|AB|=2S四边形APBM
=2(S△PAM+S△PBM)
=2(|PA|+|PB|),
∵|PA|=|PB|,∴|PM|·|AB|=4|PA|=4=4,
当|PM|最小时,|PM|·|AB|最小,
易知|PM|min==,
此时|PA|=1,AB∥l,
设直线AB的方程为y=-2x+b(b≠-2),
圆心M到直线AB的距离为d=,
|AB|==,
∴d2+=|MA|2,
即+=4,解得b=-1或b=7(舍).
综上,直线AB的方程为y=-2x-1,即2x+y+1=0,故选D.
13.(多选题)(2021·南京质检)已知圆M:x2+y2+D1x+E1y+F1=0与圆N:x2+y2+D2x+E2y+F2=0的圆心不重合,直线l:(D1-D2)x+(E1-E2)y+F1-F2=0.下列说法正确的是( )
A.若两圆相交,则l是两圆的公共弦所在直线
B.直线l过线段MN的中点
C.过直线l上一点P(在两圆外)作两圆的切线,切点分别为A,B,则|PA|=|PB|
D.直线l与直线MN相互垂直
答案 ACD
解析 A.联立两圆方程得D1x+E1y+F1=D2x+E2y+F2整理得(D1-D2)x+(E1-E2)y+F1-F2=0,为两圆的公共弦所在直线,故A正确;
B.设圆M的半径为r1,圆N的半径为r2,
M,N,
线段MN的中点为,代入直线l的方程
得(D1-D2)+(E1-E2)+F1-F2=--+F1-F2=-=r-r,所以只有当两圆半径相等时才成立,故B错误;
C.设P(x0,y0),则(D1-D2)x0+(E1-E2)y0+F1-F2=0,由切线长定理得:|PA|2=|PM|2-=x+y+D1x0+E1y0+F1,|PB|2=|PN|2-=x+y+D2x0+E2y0+F2,所以|PA|2-|PB|2=0,即|PA|=|PB|,故C正确;
D.因为M,N,所以直线MN的斜率k1=,直线l的斜率为k2=,则k1k2=-1,所以l与直线MN相互垂直,故D正确.故选ACD.
14.(2020·衡水模拟)已知A(2,0),直线4x+3y+1=0被圆C:(x+3)2+(y-m)2=13(m<3)所截得的弦长为4,且P为圆C上任意一点.
(1)求|PA|的最大值与最小值;
(2)圆C与坐标轴相交于三点,求以这三个点为顶点的三角形的内切圆的半径.
解 (1)∵直线4x+3y+1=0被圆C: (x+3)2+(y-m)2=13(m<3)所截得的弦长为4,∴圆心到直线的距离d===1.
∵m<3,∴m=2,
∴|AC|==,
∴|PA|的最大值与最小值分别为+,-.
(2)由(1)可得圆C的方程为(x+3)2+(y-2)2=13,令x=0,得y=0或4;
令y=0,得x=0或-6,
∴圆C与坐标轴相交于三点M(0,4),O(0,0),N(-6,0),∴△MON为直角三角形,斜边|MN|=2,∴△MON内切圆的半径为=5-.
展开阅读全文