圓系方程

圓系方程

圓系方程是一種特殊的方程。在解析幾何中,符合特定條件的某些圓構成一個圓系,一個圓系所具有的共同形式的方程稱為圓系方程。例如求半逕到直線距離的方程就可以叫圓系方程。

簡要說明

圓系方程 圓系方程

在方程(x-a)^2+(y-b)^2=r^2中,若圓心(a,b)為定點,r為參變數,則它表示同心圓的圓系方程.若r是常量,a(或b)為參變數,則它表示半徑相同,圓心在同一直線上(平行於x軸或y軸)的圓系方程.

經過兩圓x^2+y^2+D1x+E1y+F1=0與x^2+y^2+D2x+E2y+F2=0

的交點圓系方程為:

x^2+y^2+D1x+E1y+F1+λ(x^2+y^2+D2x+E2y+F2)=0 (λ≠-1)

經過直線Ax+By+C=0與圓x^2+y^2+Dx+Ey+F=0的交點圓系方程

x^2+y^2+Dx+Ey+F+λ(Ax+By+C)=0

類型1:方程 表示半徑為定長 的圓系

類型2:方程 表示以定點為圓心的同心圓系。

拓展1:方程 表示圓心落在定直線上,半徑為r(r為正數) 的圓系。

拓展2:方程 表示圓心落在任意直線上,半徑為定長 的圓系。

拓展3:方程 表示圓心落在直線 上的圓系。

拓展4:方程 表示圓心落在圓 上,半徑為 的圓系。

類型3:共軸圓系

若⊙C1與⊙C2交於A、B兩點,則直線AB稱為這兩個圓的根軸。經過A、B兩點的所有的圓形成一個圓系,這圓系內任何兩個圓的根軸均為直線AB,因此我們稱這種圓係為共軸圓系。

理解

理解:1.例題:求x+(m+1)y+m=0所過定點

解:可將原式化為x+y+m(y+1)=0

即為x+y=0;y+1=0

解得恆過點(1,-1)

由此我們理解到當除了x,y(為一次冪)還有一未知數m時,依然可求得一定點。

由此可聯想:當有二次方程組x^2+y^2+D1x+E1y+F1=0與x^2+y^2+D2x+E2y+F2=0我們便能求出兩定點。

過一已知圓與一直線的兩個交點的圓系方程為:

x^2+y^2+D1x+E1y+F1+λ(Ax+By+C)=0

理解2:有二次方程組x^2+y^2+D1x+E1y+F1=0 ①式

x^2+y^2+D2x+E2y+F2=0 ②式

①式+②式得x^2+y^2+D1x+E1y+F1+x^2+y^2+D2x+E2y+F2=0

此方程僅符合交點坐標(即帶入交點後成立)

加入參數λ讓方程代表恆過兩點的所有圓。

例題

例2:求過兩圓x^2+y^2=25和(x-1)^2+(y-1)^2=16的交點且面積最小的圓的方程。

分析:本題若先聯立方程求交點,再設所求圓方程,尋求各變數關係,求半徑最值,雖然可行,但運算量較大。自然選用過兩圓交點的圓系方程簡便易行。為了避免討論,先求出兩圓公共弦所在直線方程。則問題可轉化為求過兩圓公共弦及圓交點且面積最小的圓的問題。

解:圓x^2+y^2=25和(x-1)^2+(y-1)^2=16的公共弦方程為

x^2+y^2-25-[(x-1)^2+(y-1)^2-16]=0,即2x+2y-9=0

過直線2x+2y-9=0與圓x^2+y^2=25的交點的圓系方程為

x^2+y^2-25+λ(2x+2y-9)=0,即x^2+y^2+2λy+2λx-(9λ+25)=0

依題意,欲使所求圓面積最小,只需圓半徑最小,則兩圓的公共弦必為所求圓的直徑,圓心(-λ,-λ)必在公共弦所在直線2x+2y-9=0上。即-2λ-2λ-9=0,則λ=-9/4

代回圓系方程得所求圓方程(x-9/4)^2+(y-9/4)^2=79/8

總結

圓系方程的主要智慧是將參數的形態放置在圖像中。

參數不僅可在一次環境中表示一個變數,可在直角坐標系中表示一條數軸,還可讓二次圖像以一定的條件變化成無數條函式圖像。

套用

套用一:求圓方程

套用二:證明四點共圓

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