第2章 2.5 2.5.1 直线与圆的位置关系

2.5直线与圆、圆与圆的位置关系2.5.1直线与圆的位置关系学习目标核心素养1.掌握直线与圆的三种位置关系：相交、相切、相离．(重点)2.会用代数法和几何法来判断直线与圆的三种位置关系．(难点)3.会用直线与圆的位置关系解决一些实际问题．(难点) 通过研究直线与圆的位置关系，提升逻辑推理、数学运算、直观想象的数学素养.“大漠孤烟直，长河落日圆”，这是唐代诗人王维的诗句．它描述了黄昏日落时分塞外特有的景象．如果我们把太阳看成一个圆，地平线看成一条直线，观察下面三幅太阳落山的图片．图片中，地平线与太阳的位置关系怎样？结合初中知识总结，直线与圆有几种位置关系？1．直线与圆的三种位置关系位置关系交点个数相交有两个公共点相切只有一个公共点相离没有公共点位置关系相交相切相离公共点个数两个一个零个判定方法几何法：设圆心到直线的距离d＝|Aa＋Bb＋C|A2＋B2d＜r d＝r d＞r 代数法：由Δ＞0Δ＝0Δ＜0⎩⎨⎧Ax ＋By ＋C ＝0，x －a 2＋y －b2＝r2消元得到一元二次方程的判别式Δ[提示] “几何法”与“代数法”判断直线与圆的位置关系，是从不同的方面，不同的思路来判断的．“几何法”更多地侧重于“形”，更多地结合了图形的几何性质；“代数法”则侧重于“数”，它倾向于“坐标”与“方程”．3．用坐标法解决平面几何问题的“三步曲”第一步：建立适当的平面直角坐标系，用坐标和方程表示问题中的几何要素，如点、直线、圆，把平面几何问题转化为代数问题；第二步：通过代数运算，解决代数问题； 第三步：把代数运算的结果“翻译”成几何结论．1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)直线与圆的位置关系可以用代数法或几何法判断． ( ) (2)过圆外一点作圆的切线有两条．( )(3)当直线与圆相离时，可求圆上点到直线的最大距离和最小距离． ( ) (4)若直线与圆有公共点，则直线与圆相交或相切． ( )[提示] (1)√ (2)√ (3)√ (4)√2．直线3x ＋4y －5＝0与圆x 2＋y 2＝1的位置关系是( ) A ．相交 B ．相切 C ．相离D ．无法判断B [圆心(0,0)到直线3x ＋4y －5＝0的距离d ＝|－5|32＋42＝1. ∵d ＝r ，∴直线与圆相切．故选B.]3．设A ，B 为直线y ＝x 与圆x 2＋y 2＝1的两个交点，则|AB |＝( ) A ．1 B ． 2 C ． 3D ．2D [直线y ＝x 过圆x 2＋y 2＝1的圆心C (0,0)，则|AB |＝2.]4．若点P (1,2)在以坐标原点为圆心的圆上，则该圆在点P 处的切线方程为________． x ＋2y －5＝0 [由题意，得k OP ＝2－01－0＝2，则该圆在点P 处的切线的斜率为－12，所以所求切线方程为y －2＝－12(x －1)，即x ＋2y －5＝0.]直线与圆的位置关系与直线：(1)有两个公共点；(2)只有一个公共点；(3)没有公共点．[解]法一：将直线mx－y－m－1＝0代入圆的方程化简整理得，(1＋m2)x2－2(m2＋2m＋2)x＋m2＋4m＋4＝0.∵Δ＝4m(3m＋4)，∴(1)当Δ>0时，即m>0或m<－43时，直线与圆相交，即直线与圆有两个公共点；(2)当Δ＝0时，即m＝0或m＝－43时，直线与圆相切，即直线与圆只有一个公共点；(3)当Δ<0时，即－43<m<0时，直线与圆相离，即直线与圆没有公共点．法二：已知圆的方程可化为(x－2)2＋(y－1)2＝4，即圆心为C(2,1)，半径r＝2.圆心C(2,1)到直线mx－y－m－1＝0的距离d＝|2m－1－m－1|1＋m2＝|m－2|1＋m2.(1)当d<2时，即m>0或m<－43时，直线与圆相交，即直线与圆有两个公共点；(2)当d＝2时，即m＝0或m＝－43时，直线与圆相切，即直线与圆只有一个公共点；(3)当d>2时，即－43<m<0时，直线与圆相离，即直线与圆没有公共点．直线与圆位置关系判断的三种方法(1)几何法：由圆心到直线的距离d与圆的半径r的大小关系判断．(2)代数法：根据直线与圆的方程组成的方程组解的个数来判断．(3)直线系法：若直线恒过定点，可通过判断点与圆的位置关系判断，但有一定的局限性，必须是过定点的直线系．[跟进训练]1．已知直线l ：(2m ＋1)x ＋(m ＋1)y ＝7m ＋4，圆C ：(x －1)2＋(y －2)2＝25，则直线l 与圆C 的位置关系为________．相交 [由直线方程得(2x ＋y －7)m ＋x ＋y －4＝0，令⎩⎨⎧ 2x ＋y －7＝0，x ＋y －4＝0，得⎩⎨⎧x ＝3，y ＝1.故直线l 过定点A (3,1)． 由|AC |＝3－12＋1－22＝5＜5得A 点在圆内，因此直线l 与圆C 相交．]直线与圆相切问题1．怎样解决直线与圆相切问题？[提示] 一般采用几何法，即圆心到直线的距离等于半径．2．当点(x 0，y 0)在圆外时，过该点的直线与圆相切有几条？当设点斜式只求出一个解时怎么办？ [提示] 有两条．虽设点斜式但要分斜率存在与不存在两种情况，当只求出一个解时，另一条一定是x ＝x 0.【例2】 (1)已知直线l ：ax ＋by －3＝0与圆M ：x 2＋y 2＋4x －1＝0相切于点P (－1,2)，则直线l 的方程为________．(2)过点A (4，－3)作圆(x －3)2＋(y －1)2＝1的切线，求此切线方程． [思路探究] (1)利用MP ⊥l ，同时点P 在直线l 上． (2)先确定点A 在圆外，利用d ＝r 求切线方程． (1)x ＋2y －3＝0 [根据题意，圆M ：x 2＋y 2＋4x －1＝0， 即(x ＋2)2＋y 2＝5，其圆心M (－2,0)，直线l ：ax ＋by －3＝0与圆M ：x 2＋y 2＋4x －1＝0相切于点P (－1,2)， 则P 在直线l 上且MP 与直线l 垂直． k MP ＝2－0－1－－2＝2，则有－a b ＝－12，则有b ＝2a ，又由P 在直线l 上，则有－a ＋2b －3＝0，可解得a ＝1，b ＝2， 则直线l 的方程为x ＋2y －3＝0.] (2)[解] 因为(4－3)2＋(－3－1)2＝17>1， 所以点A 在圆外，故切线有两条．①若所求直线的斜率存在，设切线斜率为k ，则切线方程为y＋3＝k(x－4)，即kx－y－4k－3＝0. 设圆心为C，因为圆心C(3,1)到切线的距离等于半径1，所以|3k－1－3－4k|k2＋1＝1，即|k＋4|＝k2＋1，所以k2＋8k＋16＝k2＋1，解得k＝－15 8.所以切线方程为－158x－y＋152－3＝0，即15x＋8y－36＝0.②若直线斜率不存在，圆心C(3,1)到直线x＝4的距离为1，这时直线x＝4与圆相切，所以另一条切线方程为x＝4.综上，所求切线方程为15x＋8y－36＝0或x＝4.圆的切线方程的求法(1)点在圆上时求过圆上一点(x0，y0)的圆的切线方程：先求切点与圆心连线的斜率k，再由垂直关系得切线的斜率为－1k，由点斜式可得切线方程．如果斜率为零或不存在，则由图形可直接得切线方程y＝y0或x＝x0.(2)点在圆外时①几何法：设切线方程为y－y0＝k(x－x0)．由圆心到直线的距离等于半径，可求得k，也就得切线方程．②代数法：设切线方程为y－y0＝k(x－x0)，与圆的方程联立，消去y后得到关于x的一元二次方程，由Δ＝0求出k，可得切线方程．提醒：切线的斜率不存在的情况，不要漏解．[跟进训练]2．若圆C：x2＋y2＋2x－4y＋3＝0，关于直线2ax＋by＋6＝0对称，则由点(a，b)向圆C所作的切线长的最小值为________．4[因为圆C：x2＋y2＋2x－4y＋3＝0关于直线2ax＋by＋6＝0对称，所以圆心C(－1,2)在直线2ax＋by＋6＝0上，所以－2a＋2b＋6＝0，即a－b＝3.又圆的半径为2，当点(a，b)与圆心的距离最小时，切线长取得最小值，又点(a，b)与圆心的距离为a ＋12＋b －22＝2a －22＋18≥32，所以切线长的最小值为322－22＝4.]直线与圆相交问题【例3】 (1)求直线l ：3x ＋y －6＝0被圆C ：x 2＋y 2－2y －4＝0截得的弦长|AB |.(2)过点(－4,0)作直线l 与圆x 2＋y 2＋2x －4y －20＝0交于A ，B 两点，如果|AB |＝8，求直线l 的方程．[思路探究] (1)利用交点坐标直接求解．(2)直线l 要分斜率存在和不存在两种情况，建立方程，通过解方程得解．[解] (1)联立直线l 与圆C 的方程，得⎩⎨⎧ 3x ＋y －6＝0，x 2＋y 2－2y －4＝0，解得⎩⎨⎧ x 1＝1，y 1＝3，⎩⎨⎧x 2＝2，y 2＝0，所以交点为A (1,3)，B (2,0)．故直线l ：3x ＋y －6＝0被圆C ：x 2＋y 2－2y －4＝0截得的弦长|AB |＝1－22＋3－02＝10.(2)将圆的方程配方得(x ＋1)2＋(y －2)2＝25， 由圆的性质可得，圆心到直线l 的距离d ＝252－⎝ ⎛⎭⎪⎫822＝3. ①当直线l 的斜率不存在时，x ＝－4满足题意；②当直线l 的斜率存在时，设l 的方程为y ＝k (x ＋4)，即kx －y ＋4k ＝0. 由点到直线的距离公式，得3＝|－k －2＋4k |1＋k2， 解得k ＝－512，所以直线l 的方程为5x ＋12y ＋20＝0. 综上所述，直线l 的方程为x ＋4＝0或5x ＋12y ＋20＝0.求弦长常用的三种方法(1)利用圆的半径r ，圆心到直线的距离d ，弦长l 之间的关系⎝ ⎛⎭⎪⎫12l 2＋d 2＝r 2解题．(2)利用交点坐标，若直线与圆的交点坐标易求出，求出交点坐标后，直接用两点间距离公式计算弦长．(3)利用弦长公式，设直线l ：y ＝kx ＋b ，与圆的两交点(x 1，y 1)，(x 2，y 2)，将直线方程代入圆的方程，消元后利用根与系数的关系得弦长l ＝1＋k 2|x 1－x 2|＝1＋k 2[x 1＋x 22－4x 1x 2].[跟进训练]3．直线m ：x ＋y －1＝0被圆M ：x 2＋y 2－2x －4y ＝0截得的弦长为( ) A ．4 B ．23 C ．12 D ．13B[∵x2＋y2－2x－4y＝0，∴(x－1)2＋(y－2)2＝5，∴圆M的圆心坐标为(1,2)，半径为5，又点(1,2)到直线x＋y－1＝0的距离d＝|1×1＋1×2－1|12＋12＝2，直线m被圆M截得的弦长等于2()52－()22＝2 3.故选B.]直线与圆位置关系的综合受影响的范围是半径为30 km的圆形区域，已知港口位于台风中心正北40 km处，如果这艘轮船不改变航线，那么它是否会受到台风的影响？[思路探究]先以台风中心为原点建立适当的直角坐标系，把有关的几何元素用坐标和方程表示出来，然后把此实际问题转化为代数问题来解决．[解]以台风中心为坐标原点，以东西方向为x轴建立平面直角坐标系(如图所示)，其中取10 km 为单位长度，则受台风影响的圆形区域为圆x2＋y2＝9及其内部，港口所对应的点的坐标为(0,4)，轮船的初始位置所对应的点的坐标为(7,0)，则轮船航线所在直线l的方程为x7＋y4＝1，即4x＋7y－28＝0.圆心(0,0)到直线4x＋7y－28＝0的距离d＝|28|42＋72＝2865，而半径r＝3，因为d＞r，所以直线与圆相离，所以轮船不会受到台风的影响．直线与圆的方程的实际应用问题的解题步骤(1)审题：认真审题，明确题意，从题目中抽象出几何模型，明确已知和未知；(2)建系：建立平面直角坐标系，求出相关各点的坐标，用方程表示曲线，从而在实际问题中建立直线与圆的方程；(3)求解：利用直线与圆的方程的有关知识求解问题；(4)还原：将运算结果还原到实际问题中去．[跟进训练]4．如图所示，一座圆弧形拱桥，当水面在如图所示的位置时，拱顶离水面2米，水面宽12米，则水面下降1米后，水面宽度为()A．14米B．15米C．51米D．251米D[以圆弧形拱桥的顶点为原点，以过圆弧形拱桥的顶点的水平切线为x轴，以过圆弧形拱桥的顶点的竖直直线为y轴，建立平面直角坐标系，如图所示．设圆心为C，水面所在弦的端点为A，B，则由已知可得A(6，－2)，设圆的半径长为r，则C(0，－r)，则圆的方程为x2＋(y＋r)2＝r2.将点A的坐标代入上述方程，可得r＝10，所以圆的方程为x2＋(y＋10)2＝100，当水面下降1米后，水面所在弦的端点为A′，B′，可设A′(x0，－3)(x0＞0)，代入x2＋(y＋10)2＝100，解得x0＝51，∴水面宽度|A′B′|＝251米．]1．直线与圆的位置关系反映在三个方面：一是点到直线的距离与半径大小的关系；二是直线与圆的公共点的个数；三是两方程组成的方程组解的个数．因此，若给出图形，可根据公共点的个数判断；若给出直线与圆的方程，可选择用几何法或代数法，几何法计算量小，代数法可一同求出交点．解题时可根据条件作出恰当的选择．2．与圆有关的弦长、切线问题常利用几何法求解，体现了直观想象的数学素养，但注意验证所求直线的斜率不存在的情形，避免漏解．3．坐标法解决问题的一般步骤(1)建立适当的平面直角坐标系；(2)设出已知点的坐标，求出未知点的坐标及曲线的方程；(3)利用所学公式列出方程(组)，通过计算得出代数结论；(4)反演回去，得到几何问题的结论．1．直线3x＋4y＋12＝0与圆(x－1)2＋(y＋1)2＝9的位置关系是()A ．过圆心B ．相切C ．相离D ．相交但不过圆心D [圆心坐标为(1，－1)，圆心到直线3x ＋4y ＋12＝0的距离为d ＝|3－4＋12|32＋42＝115＜r ＝3.又点(1，－1)不在直线3x ＋4y ＋12＝0上，所以直线与圆相交且不过圆心．选D.]2．过点P (0,1)的直线l 与圆(x －1)2＋(y －1)2＝1相交于A ，B 两点，若|AB |＝2，则该直线的斜率为( )A ．±1B ．±2C ．±3D ．±2A [由题意设直线l 的方程为y ＝kx ＋1，因为圆(x －1)2＋(y －1)2＝1的圆心为(1,1)，半径为r ＝1，又弦长|AB |＝2，所以圆心到直线的距离为d ＝r 2－⎝ ⎛⎭⎪⎫|AB |22＝1－12＝22，所以有|k |k 2＋1＝22，解得k ＝±1.]3．若直线3x －2y ＝0与圆(x －4)2＋y 2＝r 2(r ＞0)相切，则r ＝( ) A ．487 B ．5 C ．4217D ．25C [设圆心到直线的距离为d ，则d ＝|43－0|32＋－22＝4217.由直线与圆相切可得r ＝4217.故选C.]4．过点A (－1,4)作圆C ：(x －2)2＋(y －3)2＝1的切线l ，则切线l 的方程为________．y ＝4或3x ＋4y －13＝0 [设方程为y －4＝k (x ＋1)，即kx －y ＋k ＋4＝0.∴d ＝|2k －3＋k ＋4|k 2＋1＝1，∴4k 2＋3k ＝0，解得k ＝0或k ＝－34.故切线l 的方程为y ＝4或3x ＋4y －13＝0.] 5．已知圆C 经过点A (2,0)，B (1，－3)，且圆心C 在直线y ＝x 上． (1)求圆C 的方程；(2)过点⎝⎛⎭⎪⎫1，33的直线l 截圆所得弦长为23，求直线l 的方程．[解] (1)AB 的中点坐标⎝ ⎛⎭⎪⎫32，－32，AB 的斜率为 3.可得AB 垂直平分线方程为23x ＋6y ＝0，与x ―y ＝0的交点为(0,0)，圆心坐标(0,0)，半径为2，所以圆C 的方程为x 2＋y 2＝4.(2)直线的斜率存在时，设直线的斜率为k ，又直线l 过⎝ ⎛⎭⎪⎫1，33，∴直线l 的方程为y －33＝k (x －1)， 即y ＝kx ＋33－k ，则圆心(0,0)到直线的距离d ＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪33－k 1＋k 2，又圆的半径r ＝2，截得的弦长为23，则有⎝ ⎛⎭⎪⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪33－k 1＋k 22＋(3)2＝4，解得：k ＝－33，则直线l 的方程为y ＝－33x ＋233.当直线的斜率不存在时，直线方程为x ＝1，满足题意． ∴直线l 的方程为x ＝1或y ＝－33x ＋233.。