直线和圆
一.直线
1.斜率与倾斜角:tan k θ=,[0,)θπ∈ (1)[0,
)2
π
θ∈时,0k ≥;(2)2
πθ=
时,k 不存在;(3)(
,)2
π
θπ∈时,0k <
(4)当倾斜角从0?
增加到90?
时,斜率从0增加到+∞;
当倾斜角从90?
增加到180?
时,斜率从-∞增加到0 2.直线方程
(1)点斜式:)(00x x k y y -=- (2)斜截式:y kx b =+
(3)两点式:
1
21
121x x x x y y y y --=--
(4)截距式:
1x y
a b
+= (5)一般式:0C =++By Ax 3.距离公式
(1)点111(,)P x y ,222(,)P x y 之间的距离:12PP =
(2)点
00(,)P x y 到直线0Ax By C ++=的距离:d =
(3)平行线间的距离:
10Ax By C ++=与20Ax By C ++=的距离:d =
4.位置关系
(1)截距式:y kx b =+形式
重合:1212 k k b b == 相交:12k k ≠
平行:1212 k k b b =≠ 垂直:121k k ?=- (2)一般式:0Ax By C ++=形式
重合:1221A B A B =且1221A C A C =且1212B C C B = 平行:1221A B A B =且1221A C A C ≠且1212B C C B ≠
垂直:12120A A B B += 相交:1221A B A B ≠ 5.直线系
1112220A x B y C A x B y C λ++++=+()表示过两直线1111:0l A x B y C ++=和2222:0l A x B y C ++=交点的所
有直线方程(不含2l ) 二.圆 1.圆的方程
(1)标准形式:2
2
2
()()x a y b R -+-=(0R >)
(2)一般式:2
2
0x y Dx Ey F ++++=(22
40D E F +->)
(3)参数方程:00cos sin x x r y y r θ
θ=+??=+?
(θ是参数)
【注】题目中出现动点求量时,通常可采取参数方程转化为三角函数问题去解决.
(4)以11(,)A x y ,22(,)B x y 为直径的圆的方程是:()()()()0A B A B x x x x y y y y --+--= 2.位置关系
(1)点00(,)P x y 和圆222
()()x a y b R -+-=的位置关系:
当22200()()x a y b R -+-<时,点00(,)P x y 在圆222
()()x a y b R -+-=内部 当22200()()x a y b R -+-=时,点00(,)P x y 在圆222
()()x a y b R -+-=上 当22200()()x a y b R -+->时,点00(,)P x y 在圆222
()()x a y b R -+-=外
(2)直线0Ax By C ++=和圆222
()()x a y b R -+-=的位置关系: 判断圆心(,)O a b 到直线0Ax By C ++=
的距离d =R 的大小关系
当d R <时,直线和圆相交(有两个交点); 当d R =时,直线和圆相切(有且仅有一个交点); 当d R <时,直线和圆相离(无交点); 判断直线与圆的位置关系常见的方法
(1)几何法:利用圆心到直线的距离d 和圆半径r 的大小关系. (2)代数法:联立直线与圆的方程消元后利用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.
3.圆和圆的位置关系
判断圆心距12d OO =与两圆半径之和12R R +,半径之差12R R -(12R R >)的大小关系 当12d R R >+时,两圆相离,有4条公切线; 当12d R R =+时,两圆外切,有3条公切线; 当1212R R d R R -<<+时,两圆相交,有2条公切线; 当12d R R =-时,两圆内切,有1条公切线; 当120d R R ≤<-时,两圆内含,没有公切线; 4.当两圆相交时,两圆相交直线方程等于两圆方程相减
5.弦长公式:l =
例1若圆x 2
+y2
=1与直线y =kx +2没有公共点,则实数k 的取值范围是________. 解析:由题意知错误! >1,解得-错误! 例2已知两圆C1:x 2+y 2-2x +10y-24=0,C2:x 2+y 2 +2x +2y-8=0,则两圆公共弦所在的直线方程是____________. 解析:两圆相减即得x -2y +4=0. 答案:x -2y +4=0 例3设直线x -my -1=0与圆(x -1)2+(y-2)2 =4相交于A 、B 两点,且弦A B的长为23,则实数m 的值是________. 解析:由题意得,圆心(1,2)到直线x -my -1=0的距离d =\r(4-3)=1,即错误!=1,解得m =±错误!. 答案:±\f(\r(3),3) 例4若a ,b ,c 是直角三角形ABC 三边的长(c 为斜边),则圆C:x 2+y 2 =4被直线l :ax +by +c =0所截得的弦长为________. 解析:由题意可知圆C :x2+y 2=4被直线l :ax +by +c =0所截得的弦长为2 错误!,由于a 2+b 2=c 2 ,所以所求弦长为23. 答案:23 例5已知⊙M:x 2+(y-2)2 =1,Q 是x 轴上的动点,QA ,QB 分别切⊙M 于A ,B 两点. (1)若|AB |=错误!,求|MQ |及直线MQ 的方程; (2)求证:直线A B恒过定点. 解:(1)设直线MQ 交AB 于点P,则|AP |=错误!,又|AM |=1,AP ⊥MQ ,A M⊥AQ ,得|MP |= 错误!=错误!, 又∵|M Q|=\f (|MA |2 ,|M P|),∴|MQ |=3. 设Q (x ,0),而点M(0,2),由x2 +22 =3,得x =±5, 则Q 点的坐标为(错误!,0)或(-错误!,0). 从而直线MQ 的方程为2x +错误!y -2错误!=0或2x -错误!y +2错误!=0. (2)证明:设点Q (q,0),由几何性质,可知A,B 两点在以QM 为直径的圆上,此圆的方程为x(x -q )+y (y -2)=0,而线段AB 是此圆与已知圆的公共弦,相减可得AB的方程为qx -2y +3=0,所以直线AB 恒过定点错误!. 例6过点(-1,-2)的直线l 被圆x 2+y 2 -2x -2y +1=0截得的弦长为 \r(2),则直线l的斜率为________. 解析:将圆的方程化成标准方程为(x -1)2+(y -1)2 =1,其圆心为(1,1),半径r =1.由弦长为\r(2)得弦心距 为错误!. 设直线方程为y+2=k (x+1),即kx -y +k-2=0,则错误!=错误!,化简得7k 2 -24k+17=0, 得k =1或k =17 7 . 答案:1或错误! 例7圆x 2-2x +y2 -3=0的圆心到直线x +\r(3)y -3=0的距离为________. 解析:圆心(1,0),d =错误!=1. 答案:1 例8圆心在原点且与直线x +y-2=0相切的圆的方程为 ____________________. 解析:设圆的方程为x 2+y 2=a 2 (a >0) ∴错误!=a ,∴a =错误!, ∴x 2+y2 =2. 答案:x 2+y 2 =2 例9已知圆C 经过A(5,1),B (1,3)两点,圆心在x 轴上,则圆C的方程为________________. 圆C 的方程为x 2+y 2 +Dx +F=0, 则错误! 解得错误! 圆C 的方程为x 2+y2 -4x -6=0. [答案] (1)C (2)x2+y 2 -4x -6=0 例10 (1)与曲线C :x2+y 2 +2x +2y =0相内切,同时又与直线l :y=2-x 相切的半径最小的圆的半径是________. (2)已知实数x ,y 满足(x -2)2+(y+1)2 =1则2x -y 的最大值为________,最小值为________. 解析:(1)依题意,曲线C 表示的是以点C (-1,-1)为圆心,2为半径的圆,圆心C (-1,-1)到直线y =2-x 即x +y-2=0的距离等于错误!=2错误!,易知所求圆的半径等于错误!=错误!. (2)令b =2x -y ,则b 为直线2x -y=b 在y 轴上的截距的相反数,当直线2x -y=b 与圆相切时,b 取得最值.由错误!=1.解得b=5±错误!,所以2x -y的最大值为5+错误!,最小值为5-错误!. 答案:(1)错误! (2)5+错误! 5-错误! 例11已知x ,y 满足x 2+y2 =1,则\f(y-2,x -1)的最小值为________. 解析:错误!表示圆上的点P (x ,y )与点Q(1,2)连线的斜率,所以错误!的最小值是直线PQ 与圆相切时的斜率.设直线PQ 的方程为y -2=k(x-1)即kx -y +2-k=0.由错误!=1得k =错误!,结合图形可知,错误!≥错误!,故最小值为错误!. 答案:34 例12已知两点A (-2,0),B (0,2),点C 是圆x 2+y 2 -2x =0上任意一点,则△ABC 面积的最小值是________. 解析:l AB :x -y +2=0,圆心(1,0)到l 的距离d =错误!, 则AB 边上的高的最小值为3 2 -1. 故△ABC 面积的最小值是错误!×2错误!×错误!=3-错误!. 答案:3-2 例13平面直角坐标系x oy中,直线10x y -+=截以原点 O (1)求圆O 的方程; (2)若直线l 与圆O 切于第一象限,且与坐标轴交于D ,E,当DE 长最小时,求直线l 的方程; (3)设M ,P是圆O上任意两点,点M 关于x 轴的对称点为N,若直线MP 、NP 分别交于x 轴于点(m ,0)和(n ,0),问mn 是否为定值?若是,请求出该定值;若不是,请说明理由. 解: ⑴因为O 点到直线10x y -+= , 所以圆O = 故圆O 的方程为222x y +=. ⑵设直线l 的方程为1(0,0)x y a b a b +=>>,即0bx ay ab +-=, 由直线l 与圆O 相切, =22111 2a b +=, 222222211 2()()8DE a b a b a b =+=++≥, 当且仅当2a b ==时取等号,此时直线l 的方程为20x y +-=. ⑶设11(,)M x y ,22(,)P x y ,则11(,)N x y -,22112x y +=,22222x y +=, 直线MP 与x 轴交点122121(,0)x y x y y y --,12 21 21x y x y m y y -=-, 直线NP 与x 轴交点122121(,0)x y x y y y ++,12 21 21 x y x y n y y +=+, 22222222 12211221122112212222 21212121(2)(2)2x y x y x y x y x y x y y y y y mn y y y y y y y y -+----====-+--, 故mn 为定值2. 例14圆x2+y 2 =8内一点P (-1,2),过点P 的直线l 的倾斜角为α,直线l 交圆于A 、B 两点. (1)当α= 4 3π 时,求AB 的长; (2)当弦AB 被点P平分时,求直线l 的方程. 解:(1)当α= 4 3π 时,k AB =-1, 直线AB 的方程为y-2=-(x+1),即x +y-1=0. 故圆心(0,0)到A B的距离d=2 1 00-+= 2 2, 从而弦长|AB |=22 1 8- =30. (2)设A(x 1,y1),B (x 2,y 2),则x 1+x 2=-2,y 1+y 2=4. 由?????=+=+,8, 82222 2121y x y x 两式相减得(x1+x 2)(x 1-x2)+(y 1+y 2)(y1-y 2)=0, 即-2(x 1-x 2)+4(y 1-y 2)=0, ∴kAB = 2 1 2121=--x x y y . ∴直线l 的方程为y-2=2 1 (x+1),即x -2y +5=0. 例15已知半径为5的动圆C 的圆心在直线l :x -y +10=0上. (1)若动圆C 过点(-5,0),求圆C 的方程; (2)是否存在正实数r,使得动圆C 中满足与圆O :x 2+y 2=r2 相外切的圆有且仅有一个,若存在,请求出来;若不存在,请说明理由. 解: (1)依题意,可设动圆C 的方程为(x -a)2+(y-b )2=25, 其中圆心(a ,b)满足a-b+10=0. 又∵动圆过点(-5,0),∴(-5-a)2 +(0-b )2=25. 解方程组???? ?=-+--=+-25 )0()5(0 102 2b a b a , 可得?? ?=-=010b a 或? ??=-=55 b a , 故所求圆C 的方程为(x+10)2 +y 2=25或(x+5)2+(y-5)2=25. (2)圆O 的圆心(0,0)到直线l的距离d= 1 110+=52. 当r 满足r+5<d时,动圆C 中不存在与圆O:x2+y 2=r 2相外切的圆; 当r 满足r+5>d 时,r 每取一个数值,动圆C中存在两个圆与圆O :x 2+y 2=r 2相外切; 当r 满足r +5=d,即r=52-5时,动圆C中有且仅有1个圆与圆O :x 2+y 2=r 2 相外切. 题目 1.自点(1,4)A -作圆22(2)(3)1x y -+-=的切线l ,则切线l 的方程为 . 2.求与圆52 2=+y x 外切于点)2,1(-P ,且半径为52的圆的方程. 3.若点P 在直线l 1:x +y+3=0上,过点P 的直线l 2与曲线C:(x -5)2+y 2=16相切于点M ,则PM 的最小值 . 4.设O 为坐标原点,曲线x2 +y 2+2x -6y +1=0上有两点P 、Q ,满足关于直线x +m y+4=0对称,又满足· OQ =0. (1)求m 的值; (2)求直线PQ 的方程. 5.已知圆C :x 2+y 2-2x +4y-4=0,问是否存在斜率是1的直线l,使l 被圆C 截得的弦AB ,以A B为直径的圆经过原点,若存在,写出直线l 的方程;若不存在,说明理由. 6. 已知曲线C :x 2 +y2-4ax +2ay -20+20a =0. (1)证明:不论a取何实数,曲线C必过定点; (2)当a≠2时,证明曲线C是一个圆,且圆心在一条直线上;(3)若曲线C与x轴相切,求a的值.