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在圆中,有这样两种类型:
第一类:圆C1:x2+y2+2x+8y-8=0,圆C2:x2+y2-4x-4y-2=0
① 证明两圆相交;
② 求两圆的交线所在的方程;
③ 求过(2,3)且过两圆交点的圆的方程.
第二类:圆C1:x2+y2+4x-4y-5=0,圆C2:x2+y2-8x+4y+7=0
① 两圆相切
② 求过切点的公切线方程;
③ 求过(2,3)且与两圆相切于上述切点的圆的方程.
对两类题型的②③解法如下:
第一类②:(x2+y2+2x+8y-8)-(x2+y2-4x-4y-2)=0
6x+12y-6=0即为交线
③:(x2+y2+2x+8y-8)+λ(x2+y2-4x-4y-2)=0
代入(2,3) 得λ=113
从而所求圆的方程为7x2+7y2-19x-10y-23=0
第二类②:(x2+y2+4x-4y-5)-(x2+y2-8x+4y+7)=0
3x-2y-3=0即为过切点的切线
③:(x2+y2+4x-4y-5)+λ(x2+y2-8x+4y+7)=0
代入(2,3) 得λ=-14
从而所求圆的方程为3x2+3y2+24x-20y-27=0
观察它们的解法,你会发现不论相交还是相切,虽然位置关系不同,但解法相似,而且这两类题的解法都可以概括成G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)的形式.下面探讨这种形式所表示的含义.
设圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0,圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0.
记G(x,y)=x2+y2+D1x+E1y+F1
记F(x,y)=x2+y2+D2x+E2y+F2
1. 若两圆有公共点(x0,y0),则G(x0,y0)=0、F(x0,y0)=0
则G(x0,y0)+λF(x0,y0)=0
这说明G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)过两圆的公共点.
2. 假设G(x,y)-F(x,y)=0还过G(x,y)=0上异于公共点的另一点,设为(x1,y1)
则G(x1,y1)=0,且F(x1,y1)≠0
则G(x1,y1)+λF(x1,y1)≠0(λ≠0)
同理:G(x,y)-F(x,y)=0也不过F(x,y)=0上异于公共点的其它点.
综合1、2,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)只过两圆的公共点.
3. 若λ=-1,G(x,y)+λF(x,y)=0
即为G(x,y)-F(x,y)=0
即(D1-D2)x+(E1-E2)y+(F1-F2)=0
不论两圆相切还是相交,圆心都不可能相同, 都表示一直线.结合1、2,若两圆相交,则是交线;两圆相切,则是过切点的切线.另外,若两圆外离或内含, 所表示的直线与两圆圆心所在的直线垂直,证略.
4. 若λ≠1,有以下结论:
① 两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示圆;
② 当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)可能表示圆也可能表示点.
③ 当两圆外离或内含时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示虚圆.
下进行证明.为了便于证明,这里给出标准式
设圆C1:(x-a)2+(y-b)2=r2,圆C2:(x-m)2+(y-n)2=R2
记G(x,y)=(x-a)2+(y-b)2-r2
F(x,y)=(x-m)2+(y-n)2-R2
G(x,y)+λF(x,y)=0表示
(1+λ)x2+(1+λ)y2-2(a+mλ)x-2(b+nλ)y+a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)=0
先证①:两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)表示圆.
证明:要证是圆,证
[-2(a+mλ)]2+[-2(b+nλ)]2>4(1+λ)[a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)]恒成立
证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立 (λ≠0且λ≠-1)
由于λ=0时, 符合;λ=-1时, 符合
故只需证明R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立,λ∈R
证[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]2<4R2r2恒成立
证[(a-m)2+(b-n)2]2+(R2-r2)2<2[(a-m)2+(b-m)2](R2+r2)成立
设(a-m)2+(b-n)2=d2
证d4+(R2-r2)2<2d2(R2+r2)
证[d2-(R2+r2)]2<4R2r2
证|d2-(R2+r2)|<2Rr
证|d2-(R2+r2)|<2Rr
证-2Rr<d2-(R2+r2)<2Rr
证(R-r)2<d2<(R+r)2
因为相交,所以成立,原题得证;
再证②:当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)可能表示圆也可能表示点
证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2≥0
若内切,则(a-m)2+(b-n)2=(R-r)2
证R2λ2+2Rrλ+r2≥0
证(Rλ+r)2≥0
显然成立,原题得证
若外切,则(a-m)2+(b-n)2=(R+r)2
R2λ2-2Rrλ+r2≥0
(Rλ-r)2≥0
显然成立,原题得证
③的证明与①正好相反,此处证明略.
第一类:圆C1:x2+y2+2x+8y-8=0,圆C2:x2+y2-4x-4y-2=0
① 证明两圆相交;
② 求两圆的交线所在的方程;
③ 求过(2,3)且过两圆交点的圆的方程.
第二类:圆C1:x2+y2+4x-4y-5=0,圆C2:x2+y2-8x+4y+7=0
① 两圆相切
② 求过切点的公切线方程;
③ 求过(2,3)且与两圆相切于上述切点的圆的方程.
对两类题型的②③解法如下:
第一类②:(x2+y2+2x+8y-8)-(x2+y2-4x-4y-2)=0
6x+12y-6=0即为交线
③:(x2+y2+2x+8y-8)+λ(x2+y2-4x-4y-2)=0
代入(2,3) 得λ=113
从而所求圆的方程为7x2+7y2-19x-10y-23=0
第二类②:(x2+y2+4x-4y-5)-(x2+y2-8x+4y+7)=0
3x-2y-3=0即为过切点的切线
③:(x2+y2+4x-4y-5)+λ(x2+y2-8x+4y+7)=0
代入(2,3) 得λ=-14
从而所求圆的方程为3x2+3y2+24x-20y-27=0
观察它们的解法,你会发现不论相交还是相切,虽然位置关系不同,但解法相似,而且这两类题的解法都可以概括成G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)的形式.下面探讨这种形式所表示的含义.
设圆C1:x2+y2+D1x+E1y+F1=0,圆C2:x2+y2+D2x+E2y+F2=0.
记G(x,y)=x2+y2+D1x+E1y+F1
记F(x,y)=x2+y2+D2x+E2y+F2
1. 若两圆有公共点(x0,y0),则G(x0,y0)=0、F(x0,y0)=0
则G(x0,y0)+λF(x0,y0)=0
这说明G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)过两圆的公共点.
2. 假设G(x,y)-F(x,y)=0还过G(x,y)=0上异于公共点的另一点,设为(x1,y1)
则G(x1,y1)=0,且F(x1,y1)≠0
则G(x1,y1)+λF(x1,y1)≠0(λ≠0)
同理:G(x,y)-F(x,y)=0也不过F(x,y)=0上异于公共点的其它点.
综合1、2,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)只过两圆的公共点.
3. 若λ=-1,G(x,y)+λF(x,y)=0
即为G(x,y)-F(x,y)=0
即(D1-D2)x+(E1-E2)y+(F1-F2)=0
不论两圆相切还是相交,圆心都不可能相同, 都表示一直线.结合1、2,若两圆相交,则是交线;两圆相切,则是过切点的切线.另外,若两圆外离或内含, 所表示的直线与两圆圆心所在的直线垂直,证略.
4. 若λ≠1,有以下结论:
① 两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示圆;
② 当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)可能表示圆也可能表示点.
③ 当两圆外离或内含时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0)表示虚圆.
下进行证明.为了便于证明,这里给出标准式
设圆C1:(x-a)2+(y-b)2=r2,圆C2:(x-m)2+(y-n)2=R2
记G(x,y)=(x-a)2+(y-b)2-r2
F(x,y)=(x-m)2+(y-n)2-R2
G(x,y)+λF(x,y)=0表示
(1+λ)x2+(1+λ)y2-2(a+mλ)x-2(b+nλ)y+a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)=0
先证①:两圆相交时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)表示圆.
证明:要证是圆,证
[-2(a+mλ)]2+[-2(b+nλ)]2>4(1+λ)[a2+b2-r2+λ(m2+n2-R2)]恒成立
证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立 (λ≠0且λ≠-1)
由于λ=0时, 符合;λ=-1时, 符合
故只需证明R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2>0恒成立,λ∈R
证[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]2<4R2r2恒成立
证[(a-m)2+(b-n)2]2+(R2-r2)2<2[(a-m)2+(b-m)2](R2+r2)成立
设(a-m)2+(b-n)2=d2
证d4+(R2-r2)2<2d2(R2+r2)
证[d2-(R2+r2)]2<4R2r2
证|d2-(R2+r2)|<2Rr
证|d2-(R2+r2)|<2Rr
证-2Rr<d2-(R2+r2)<2Rr
证(R-r)2<d2<(R+r)2
因为相交,所以成立,原题得证;
再证②:当圆相切时时,G(x,y)+λF(x,y)=0(λ≠0,λ≠-1)可能表示圆也可能表示点
证R2λ2-[(a-m)2+(b-n)2-r2-R2]λ+r2≥0
若内切,则(a-m)2+(b-n)2=(R-r)2
证R2λ2+2Rrλ+r2≥0
证(Rλ+r)2≥0
显然成立,原题得证
若外切,则(a-m)2+(b-n)2=(R+r)2
R2λ2-2Rrλ+r2≥0
(Rλ-r)2≥0
显然成立,原题得证
③的证明与①正好相反,此处证明略.