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6.3 圆系与公共弦

直线与圆的方程 · 高二
讲清楚它是什么

定义 由两个相交圆方程线性组合而成的曲线系,其公共弦所在直线方程可由两圆方程相减直接得到。

从哪来 本节为高二第1讲起点,图谱未记录前置知识点,故基于高中数学必修二“直线与圆”及选修坐标系与参数方程中关于圆的标准方程与一般方程的基础知识展开。

为什么 设两圆 $C_1: x^2+y^2+D_1x+E_1y+F_1=0$ 与 $C_2: x^2+y^2+D_2x+E_2y+F_2=0$。 若点 $P(x,y)$ 在两圆交点上,则它同时满足两个方程。 将两式相减:$(D_1-D_2)x + (E_1-E_2)y + (F_1-F_2) = 0$。 这是一个关于 $x,y$ 的一次方程,代表一条直线。 由于交点 $P$ 满足该方程,所以两交点确定的直线(即公共弦)必然满足此方程。 反之,该直线方程不包含二次项,故不经过其他非交点位置,唯一确定了公共弦所在的直线。 圆系方程 $(1-\lambda)C_1 + \lambda C_2 = 0$ 则包含了所有过这两交点的圆(及公共弦直线),体现了代数结构上的线性组合性质。

代数消元法** **适合学生类型
逻辑严密、擅长代数运算、对几何直观不敏感的学生。 讲解步骤: 1. 强调“交点”是同时满足两个方程的解。 2. 引导观察:两个二元二次方程相减,二次项 $x^2, y^2$ 系数均为1,相减后抵消。 3. 结论:剩余部分是一次方程,几何意义即为直线。 4. 强调:这条直线必过两个交点,故为公共弦所在直线。
几何直观法** **适合学生类型
空间想象力强、偏好图形理解、对纯代数推导感到枯燥的学生。 讲解步骤: 1. 画出两个相交圆,标出交点 $A, B$。 2. 连接两圆圆心 $O_1, O_2$,指出连心线 $O_1O_2$ 垂直平分公共弦 $AB$。 3. 解释:公共弦 $AB$ 是两圆“重叠区域”的边界线。 4. 类比:就像两个硬币重叠,重叠部分的边缘就是那条直线。 5. 引入代数:方程相减的过程,本质上是在“剥离”两个圆共有的二次部分,只留下区分它们的线性差异,这个差异恰好定义了边界线。
参数方程法** **适合学生类型
思维灵活、喜欢探索规律、对参数思想接受度高的学生。 讲解步骤: 1. 写出圆系方程:$C_1 + \lambda C_2 = 0$($\lambda \neq -1$)。 2. 提问:当 $\lambda$ 变化时,曲线如何变化? 3. 指出:所有曲线都过 $A, B$ 两点。 4. 特殊值:当 $\lambda = -1$ 时,二次项抵消,方程退化为直线,即公共弦。 5. 结论:公共弦是圆系中“退化”为直线的特殊情况,是圆与直线的桥梁。
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练一道
基础题
求过点 $P(0,1)$ 且与公共弦 $AB$ 平行的直线方程。 修正解答: 1. 公共弦 $AB$ 方程:$x + y - 2 = 0$,斜率 $k=-1$。 2. 设所求直线为 $x + y + m = 0$。 3. 代入 $P(0,1)$:$0 + 1 + m = 0 \Rightarrow m = -1$。 4. 故所求直线方程为 $x + y - 1 = 0$。
试试手自己判
检测题
已知两圆 $C_1: x^2+y^2+2x-4y+1=0$ 和 $C_2: x^2+y^2-4x+2y-3=0$ 相交于 $A, B$ 两点。 (1) 求公共弦 $AB$ 所在直线方程; (2) 求以 $AB$ 为直径的圆的方程。
看答案和判分标准
答案:(1) $3x - 3y + 2 = 0$ (2) $x^2+y^2 - \frac{2}{3}x + \frac{2}{3}y - \frac{1}{3} = 0$ (或 $3x^2+3y^2-2x+2y-1=0$)
判对标准:
1. 第(1)问:正确列出相减方程并化简为 $3x - 3y + 2 = 0$ 得满分。若未化简但等价,给一半分。
2. 第(2)问:
- 正确求出圆心(两圆圆心连线中点)或正确利用圆系方程思想。
- 正确求出半径(弦长一半或圆心到直线距离)。
- 最终方程正确。
- 若仅写出思路但未算出最终方程,给过程分。
- 若第(1)问错,第(2)问方法正确但结果错,给方法分。
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