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二、公共弦方程

圆的方程及直线与圆的位置关系 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 两圆相交时,连接两个交点的直线方程,即公共弦所在直线的方程。

从哪来 它建立在三、交点这一前置知识之上。通过求解两圆方程组的交点坐标,进而确定过这两点的直线。

为什么 设两圆方程为 $C_1: x^2+y^2+D_1x+E_1y+F_1=0$ 和 $C_2: x^2+y^2+D_2x+E_2y+F_2=0$。 两圆的交点 $P(x,y)$ 同时满足这两个方程。 若将两方程相减:$(x^2+y^2+D_1x+E_1y+F_1) - (x^2+y^2+D_2x+E_2y+F_2) = 0$, 化简得 $(D_1-D_2)x + (E_1-E_2)y + (F_1-F_2) = 0$。 这是一个关于 $x, y$ 的一次方程,代表一条直线。 由于交点 $P$ 既在 $C_1$ 上也在 $C_2$ 上,所以它必然满足相减后的方程。 因为两圆有两个交点,且两点确定一条直线,所以这条直线就是过两交点的公共弦所在直线。 本质原理是:消去二次项 $x^2+y^2$,保留一次项,得到的线性方程即为公共弦方程。

讲法
代数消元法(适合逻辑严密、擅长代数运算的学生) 1. 强调两圆方程的一般式必须都化为 $x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$ 的形式,且 $x^2$ 和 $y^2$ 的系数必须相同(通常都为1)。 2. 直接执行“方程1 - 方程2”的操作。 3. 解释为什么可以相减:因为交点坐标是公共解,满足任意线性组合。 4. 指出结果是一个一次方程,即直线方程。 5. 强调这种方法不需要算出具体交点坐标,大大简化了计算量。
讲法
几何直观法(适合空间想象力强、喜欢几何画板演示的学生) 1. 画出两个相交的圆,标出交点 $A, B$。 2. 指出 $AB$ 就是公共弦。 3. 提问:如何求直线 $AB$ 的方程?通常需要先求 $A, B$ 坐标,再求斜率和截距。 4. 引入“捷径”:如果我们有一个方程,它只包含 $x, y$ 的一次项,它代表什么?(直线)。 5. 展示:两圆方程相减,二次项抵消,剩下的一次项方程恰好就是直线 $AB$。 6. 类比:就像解二元一次方程组消元一样,这里消去的是“圆的特征”(二次项),留下的是“直线的特征”(一次项)。
讲法
对比验证法(适合容易混淆、需要建立信心基础的学生) 1. 先给一个具体例子:圆 $C_1: x^2+y^2-2x-4y+1=0$,圆 $C_2: x^2+y^2+2x-4y-3=0$。 2. 方法一(笨办法):联立解方程组,求出交点 $A(1,2)$ 和 $B(1,0)$(假设数据凑整),然后求直线 $x=1$。 3. 方法二(巧办法):直接相减:$(-2x-4y+1) - (2x-4y-3) = 0 \Rightarrow -4x+4=0 \Rightarrow x=1$。 4. 对比两种方法的结果,发现完全一致。 5. 总结:相减法不仅快,而且避免了求根公式的复杂计算,是处理此类问题的标准工具。
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练一道
基础题
已知圆 $C_1: x^2+y^2-4x+2y-4=0$ 与圆 $C_2: x^2+y^2+2x-2y-8=0$ 相交,求公共弦所在直线的方程。
变式
已知圆 $C_1: 2x^2+2y^2-4x+2y-8=0$ 与圆 $C_2: x^2+y^2+2x-2y-4=0$ 相交,求公共弦所在直线的方程。
看解答过程
1. 检查两圆方程是否均为一般式,且 $x^2, y^2$ 系数均为1。是。 2. 执行相减操作: $(x^2+y^2-4x+2y-4) - (x^2+y^2+2x-2y-8) = 0$ 3. 合并同类项: $(-4x - 2x) + (2y - (-2y)) + (-4 - (-8)) = 0$ $-6x + 4y + 4 = 0$ 4. 化简方程(两边同除以-2): $3x - 2y - 2 = 0$
试试手自己判
检测题
已知圆 $C_1: x^2+y^2-2x-4y+1=0$ 与圆 $C_2: x^2+y^2+2x-4y-3=0$ 相交于 $A, B$ 两点,求直线 $AB$ 的方程。
看答案和判分标准
答案:$x = 1$ (或 $x-1=0$)
判对标准:
1. 学生必须先识别出两圆方程二次项系数相同,可以直接相减。(1分)
2. 相减过程正确:$(-2x-4y+1) - (2x-4y-3) = -4x+4=0$。(2分)
3. 最终结果化简为 $x=1$ 或 $x-1=0$。(1分)
4. 若学生先求交点再求直线,但结果正确,也给满分,但需指出方法非最优。(1分)
5. 若结果错误,检查是否符号错误或系数未归一。(0分)
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