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4.3 圆系方程

直线与圆的方程 · 高二
讲清楚它是什么

定义 过两个定点(或满足特定几何条件)的所有圆的方程集合,通常表示为 $C_1 + \lambda C_2 = 0$ 的形式。

从哪来 本节为高二第1讲起点,无前置知识点记录,直接基于圆的标准方程与一般方程构建。

为什么 圆系方程的核心逻辑是“线性组合”。 设两个圆 $C_1: x^2+y^2+D_1x+E_1y+F_1=0$ 和 $C_2: x^2+y^2+D_2x+E_2y+F_2=0$。 构造方程 $C_1 + \lambda C_2 = 0$($\lambda \neq -1$): 1. 保持二次项系数一致:$x^2, y^2$ 的系数均为 $1+\lambda$,且 $x^2$ 与 $y^2$ 系数相等,这是圆的代数特征。 2. 过公共点:若点 $P(x_0, y_0)$ 同时在 $C_1$ 和 $C_2$ 上,则 $C_1(P)=0$ 且 $C_2(P)=0$,故 $C_1(P)+\lambda C_2(P)=0$ 恒成立。 因此,该方程族表示所有经过 $C_1$ 与 $C_2$ 交点的圆(包括退化情形)。

讲法
代数推导法 适合:逻辑严密、擅长代数运算的学生 1. 写出两圆一般方程 $C_1=0, C_2=0$。 2. 令 $C_1 + \lambda C_2 = 0$,展开整理。 3. 验证二次项系数相等且不为0,确认其为圆。 4. 强调 $\lambda$ 的几何意义:$\lambda$ 控制圆在系中的位置,$\lambda \to \infty$ 时趋近于 $C_2$。
讲法
几何直观法 适合:空间想象力强、偏好图形理解的学生 1. 画出两个相交圆,标记交点 $A, B$。 2. 想象一个“圆族”像车轮一样绕着弦 $AB$ 转动。 3. 圆系方程就是描述这个“转动过程”的参数方程。 4. 特殊位置:当 $\lambda = -1$ 时,二次项消失,方程变为直线 $AB$(根轴),这是圆系的边界。
讲法
待定系数对比法 适合:基础薄弱、需要解题套路的学生 1. 记住模板:求过两圆交点的圆,直接设 $C_1 + \lambda C_2 = 0$。 2. 不需要展开所有项,只需代入已知点坐标求 $\lambda$。 3. 对比:若求过定点的圆,用标准方程;若求过两圆交点的圆,用圆系方程,计算量减半。
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练一道
基础题
已知圆 $C_1: x^2+y^2-2x-4y+1=0$ 与 $C_2: x^2+y^2+2x-2y-3=0$,求过两圆交点且圆心在 $x$ 轴上的圆的方程。
变式
求过圆 $x^2+y^2-4=0$ 与直线 $x+y-2=0$ 交点的圆系方程,并求其中半径最小的圆。
试试手自己判
检测题
已知圆 $C_1: x^2+y^2=1$ 与 $C_2: x^2+y^2-2x=0$,求过两圆交点且与 $x$ 轴相切的圆的方程。
看答案和判分标准
答案:$x^2+y^2-2x+1=0$ 或 $x^2+y^2-2x-1=0$(需验证)。
判对标准:
1. 正确设出圆系方程 $x^2+y^2-1 + \lambda(x^2+y^2-2x)=0$。
2. 正确整理圆心坐标与半径。
3. 利用“与 $x$ 轴相切”条件 $|y_{center}| = r$ 建立方程。
4. 解出 $\lambda$ 并写出最终方程,且化简正确。
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