高中数学圆的方程典型例题

高中数学圆的方程典型例题

类型一：圆的方程

例1 求过两点)4,1(A 、)2,3(B 且圆心在直线0=y 上的圆的标准方程并判断点)4,2(P 与圆的关系．

分析：欲求圆的标准方程，需求出圆心坐标的圆的半径的大小，而要判断点P 与圆的位置关系，只须看点P 与圆心的距离和圆的半径的大小关系，若距离大于半径，则点在圆外；若距离等于半径，则点在圆上；若距离小于半径，则点在圆内．

解法一：（待定系数法）

设圆的标准方程为2

2

2

)()(r b y a x =-+-． ∵圆心在0=y 上，故0=b ． ∴圆的方程为2

2

2

)(r y a x =+-． 又∵该圆过)4,1(A 、)2,3(B 两点．

∴⎪⎩⎪⎨⎧=+-=+-2

22

24)3(16)1(r

a r a

解之得：1-=a ，202

=r ．

所以所求圆的方程为20)1(2

2

=++y x ． 解法二：（直接求出圆心坐标和半径）

因为圆过)4,1(A 、)2,3(B 两点，所以圆心C 必在线段AB 的垂直平分线l 上，又因为

13

12

4-=--=

AB k ，故l 的斜率为1，又AB 的中点为)3,2(，故AB 的垂直平分线l 的方程为：23-=-x y 即01=+-y x ．

又知圆心在直线0=y 上，故圆心坐标为)0,1(-C ∴半径204)11(2

2=

++==AC r ．

故所求圆的方程为20)1(2

2

=++y x ． 又点)4,2(P 到圆心)0,1(-C 的距离为

r PC d >=++==254)12(22．

∴点P 在圆外．

说明：本题利用两种方法求解了圆的方程，都围绕着求圆的圆心和半径这两个关键的量，然后根据圆心与定点之间的距离和半径的大小关系来判定点与圆的位置关系，若将点换成直线又该如何来判定直线与圆的位置关系呢？

例2 求半径为4，与圆04242

2

=---+y x y x 相切，且和直线0=y 相切的圆的方程．

分析：根据问题的特征，宜用圆的标准方程求解．

解：则题意，设所求圆的方程为圆2

22)()(r b y a x C =-+-：

． 圆C 与直线0=y 相切，且半径为4，则圆心C 的坐标为)4,(1a C 或)4,(2-a C ． 又已知圆04242

2

=---+y x y x 的圆心A 的坐标为)1,2(，半径为3． 若两圆相切，则734=+=CA 或134=-=CA ．

(1)当)4,(1a C 时，2

2

2

7)14()2(=-+-a ，或2

2

2

1)14()2(=-+-a (无解)，故可得

1022±=a ．

∴所求圆方程为2224)4()1022(=-+--y x ，或2

224)4()1022(=-++-y x ．

(2)当)4,(2-a C 时，2

227)14()2(=--+-a ，或2

221)14()2(=--+-a (无解)，故

622±=a ．

∴所求圆的方程为2224)4()622(=++--y x ，或2

224)4()622(=+++-y x ．

说明：对本题，易发生以下误解：

由题意，所求圆与直线0=y 相切且半径为4，则圆心坐标为)4,(a C ，且方程形如

2224)4()(=-+-y a x ．又圆042422=---+y x y x ，即2223)1()2(=-+-y x ，其圆心为

)1,2(A ，

半径为3．若两圆相切，则34+=CA ．故2

227)14()2(=-+-a ，解之得1022±=a ．所以欲求圆的方程为2224)4()1022(=-+--y x ，或2

224)4()1022(=-++-y x ．

上述误解只考虑了圆心在直线0=y 上方的情形，而疏漏了圆心在直线0=y 下方的情形．另外，误解中没有考虑两圆内切的情况．也是不全面的．

例3 求经过点)5,0(A ，且与直线02=-y x 和02=+y x 都相切的圆的方程．

分析：欲确定圆的方程．需确定圆心坐标与半径，由于所求圆过定点A ，故只需确定圆心坐标．又圆与两已知直线相切，故圆心必在它们的交角的平分线上．

解：∵圆和直线02=-y x 与02=+y x 相切， ∴圆心C 在这两条直线的交角平分线上，

又圆心到两直线02=-y x 和02=+y x 的距离相等．

∴

5

25

2y x y x +=

-．

∴两直线交角的平分线方程是03=+y x 或03=-y x ． 又∵圆过点)5,0(A ，

∴圆心C 只能在直线03=-y x 上． 设圆心)3,(t t C

∵C 到直线02=+y x 的距离等于AC ，

∴

22)53(5

32-+=+t t t t ．

化简整理得0562

=+-t t ． 解得：1=t 或5=t

∴圆心是)3,1(，半径为5或圆心是)15,5(，半径为55． ∴所求圆的方程为5)3()1(2

2

=-+-y x 或125)15()5(2

2

=-+-y x ．

说明：本题解决的关键是分析得到圆心在已知两直线的交角平分线上，从而确定圆心坐标得到圆的方程，这是过定点且与两已知直线相切的圆的方程的常规求法．

例4、 设圆满足：(1)截y 轴所得弦长为2；(2)被x 轴分成两段弧，其弧长的比为1:3，在满足条件(1)(2)的所有圆中，求圆心到直线02=-y x l ：的距离最小的圆的方程．

分析：要求圆的方程，只须利用条件求出圆心坐标和半径，便可求得圆的标准方程．满足两个条件的圆有无数个，其圆心的集合可看作动点的轨迹，若能求出这轨迹的方程，便可利用点到直线的距离公式，通过求最小值的方法找到符合题意的圆的圆心坐标，进而确定圆的半径，求出圆的方程．

解法一：设圆心为),(b a P ，半径为r ． 则P 到x 轴、y 轴的距离分别为b 和a ．

由题设知：圆截x 轴所得劣弧所对的圆心角为︒90，故圆截x 轴所得弦长为r 2． ∴2

2

2b r =

又圆截y 轴所得弦长为2． ∴12

2

+=a r ．

又∵),(b a P 到直线02=-y x 的距离为