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1 4 1 圓 第四章圓與球面 ( 甲 ) 圓的方程式 (1) 圓的定義 : 平面上跟一個定點 等距離 r 的點 P 所形成的軌跡稱為圓 其中 稱為圓心,r 稱為半徑 (2) 圓的方程式 : 從坐標幾何的觀點來看, 給定圓心 (h,k), 半徑 r, 如何來描述圓呢? 圓這個圖形可否能像直線一樣能用一個方程式來表示呢? (a) 圓的標準式 : 若設圓心 (h,k), 半徑為 r, 則此圓的方程式為 ( h) 2 +( k) 2 =r 2 [ 推導 ]: 設 P(,) 為圓上的點, r P(,) P = r ( h) 2 +( k) 2 =r ( h) 2 +( k) 2 =r 2 Q(h,k 要點 : (1) 已知圓心 Q(h,k), 半徑為 r, 即可得圓的方程式 ( h) 2 +( k) 2 =r 2 (2) 方程式 ( h) 2 +( k) 2 =A (A>0) 代表圓心 (h,k), 半徑 A 的圓 (b) 圓的直徑式 : 若圓的直徑兩端點 A( 1, 1 ) B( 2, 2 ) 則此圓的方程式為 ( 1 )( 2 )+( 1 )( 2 )=0 [ 推導 ]: 設 P(,) 為圓上的任意點 A P AP BP AP. BP =0 ( 1, 1 ).( 2, 2 )=0 ( 1 )( 2 )+( 1 )( 2 )=0 B (c) 圓的一般式 : 圓的方程式 ( h) 2 +( k) 2 =r 2 可化成二元二次方程式 C+D+E=0 的形式 反過來說, 一個二元二次方程式 C+D+E=0, 是否就代表圓呢? 例如 : =0 2( 2 2+1)+2( 2 +3+( 3 2 )2 )= ( 1) 2 +2(+ 3 2 )2 = 11 2 ( 1)2 +(+ 3 2 )2 = 11 4 圓心 (1, 3 2 ), 半徑 = 一般而言 : C+D+E=0 配方成 (+ C 2 )2 +(+ D 2 )2 = C2 +D 2 4E ~4 1 1~

2 當 C 2 +D 2 4E>0 時, C+D+E=0 代表一圓, 圓心 ( C 2, D 2 ) 半徑 = C 2 +D 2 4E 4 當 C 2 +D 2 4E=0 時, C+D+E=0 代表一點 ( C 2, D 2 ) 當 C 2 +D 2 4E<0 時, C+D+E=0 沒有實數解, 沒有圖形 結論 : 求一個圓的方程式主要是要求得圓心與半徑 求圓方程式的幾種想法 : (a) 坐標幾何的觀點 : 令圓心 (a,b), 試著找出兩個獨立的條件求出 a,b 的關係式 ( 方程式 ), 再聯立解出 a,b 的值 (b) 幾何作圖的觀點 : 要找到一個點無非是直線與直線 直線與圓 圓與圓交出點來, 因此先依據作圖的觀念找交點 ( 圓心 ), 即解一些圓與圓 圓與直線 直線與直線的方程式, 加以聯立求出其解 ( 圓心 ), 然後再求出半徑 下列所指出的關係或許會對於求圓的方程式有幫助 : 圓心到圓上的點之距離 = 圓心到切線的距離 = 圓心到切點之距離 = 半徑圓與兩軸相切 : 圓心 (a,b), a = b = 半徑圓心到弦中點的連線垂直平分弦 [ 例題 1] 試求通過 A( 1,5),B(3,9),C(5,5) 三點的圓方程式, 圓心, 及半徑 Ans:( 2) 2 +( 6) 2 =10 圓心 (2,6) 半徑 10 [ 坐標幾何的觀點 ]: [ 幾何作圖的觀點 ]: ~4 1 2~

3 [ 例題 2] 設 P 1 (1,4) P 2 (3, 2) 為座標平面上兩點, 若 P 1 P 2 為圓上的一弦, 且距離圓心為 10, 則圓 C 的方程式為何?Ans:(+1) =20 或 ( 5) 2 +( 2) 2 =20 [ 幾何作圖的觀點 ]: 跟隨幾何作圖精神去找圓心 [ 座標幾何 ]: 設圓心 (a,b) 直接根據條件找方程式, 解出圓心座標 ( 練習 1) 求過三點 A(0,0) B(0,4) C(3,3) 的圓方程式 Ans: =0 ( 練習 2) 試求 (1) 圓心在點 Q(1,2) 且半徑為 2 的圓方程式 (2) 圓心在點 ( 1,4) 且通過點 (2,0) 的圓方程式 Ans:(1)( 1) 2 +( 2) 2 =4 (2)(+1) 2 +( 4) 2 =25 ( 練習 3) 將下列方程式化為 ( a) 2 +( b) 2 =r 2, 並說明幾何意義? (1) =0 Ans: 圓心 (1, 2) 半徑為 6 的圓 (2) =0 Ans: 點 (1, 2) (3) =0 Ans: 無圖形 ( 練習 4) 設方程式 a 2 +b+c 2 +d+e+f=0 表示 平面上的一個圓, 則下列敘述, 何者正確? (A) a=1 (B) b=0 (C) c 之值可為 -2 (D) a=c (E) d 2 +e 2-4af >0 Ans:(B)(C)(D)(E) ~4 1 3~

4 ( 練習 5) 設 C: k=0 (1) 若 C 代表一圓, 則 k 之範圍為何? (2) 若 C 代表一點, 則 k 之範圍為何? Ans:(1)k<10 (2)k=10 ( 練習 6) (m+1) 2m+3m 2 2=0 表一圓,(1) 求 m 範圍 (2) 求此圓最大面積 Ans:(1) 1<m<3 (2)r=2 4π ( 練習 7) 設 A(5, 3),B(3,7), 試求以 AB 為直徑的圓方程式 Ans:( 4) 2 +( 2) 2 =26 ( 練習 8) 設一圓通過二點 (5,1) (3,1), 而圓心在直線 +2 3=0 上, 則此圓的方程式為何?Ans:( 4) 2 +(+ 1 2 )2 = 13 4 ( 練習 9) 設 P 1 (2,0) P 2 (8,0) 且 P 1 P 2 為圓 上一弦, 且弦心距為 4, 則圓 的方程式為何?Ans:( 5) 2 +( 4) 2 =25 或 ( 5) 2 +(+4) 2 =25 [ 例題 3] ( 不容易作圖, 坐標方法較有用 ) 求過點 A(1,4) B(3, 2) 且與直線 L:+2+11=0 相切之圓方程式 Ans:(+1) =20 或 ( 23) 2 +( 8) 2 =500 [ 例題 4] ( 幾何作圖容易 ) 圓 =0 之圓心為 C, 過 A( 3,0) 作此圓之切線, 切點為 P,Q, 試求 APQ 之外接圓方程式 Ans: =0 ~4 1 4~

5 [ 例題 5] 設 A(0,0),B(6,0), 試求滿足 PA =2 PB 的 P 點軌跡方程式, 並作出它的圖形 Ans:( 8) 2 +( 0) 2 =4 2 [ 坐標幾何 ]: 設點 P(,), 滿足 PA=2 PB =2 ( 6) =4[( 6) ] ( 8) 2 +( 0) 2 =4 2 P [ 綜合法 ]: A 在直線 AB 上找兩點 P 1 P 2, 其中 P 1 A=2 P 1 B 且 P 2 A=2 P 2 B P 1 B P 2 設 P 為滿足 PA =2 PB 且不在直線 AB 上的點 PP 1 為 PAB 中 P 的內角平分線,PP 2 為 PAB 中 P 的外角平分線 PP 1 PP 2 P 落在以 P 1 P 2 為直徑的圓上 [ 例題 6] ( 求軌跡 ) 設 A(0,0) 為圓 ( 1) 2 +( 2) 2 =16 內部一點, 求過點 A 所有弦的中點軌跡方程式 Ans: =0 B P A C [ 例題 7] ( 求軌跡 ) 自定點 A(6,0) 作線段 AP, 當 P 點繞原點繞一圈圓, 且此圓的半徑為 2, 則 AP 之中點所形成的圖形之方程式為何? Ans:( 3) =1 P M A ~4 1 5~

6 如何求動點的軌跡方程式 : 設所求的動點 P(,), 透過題目的條件, 找出, 的關係式 f(,)=0, 再檢查滿足 f(,)=0 的點都具有題設的條件 ( 練習 10) 平面上至 A( 3,1) B2,1) 之距離比為 3:2 之點 P 所成的軌跡方程式為何? Ans: =0 ( 練習 11) PQR 中, P=90,Q( 2,3) R(1, 1) 請問 P 點所成的圖形方程式 Ans: =0 去掉 Q( 2,3) R(1, 1) 兩點 ( 練習 12) 已知 A(3,0) 為圓 ( 1) 2 +( 2) 2 =16 內一點, 求過 A 所有弦的中點軌跡方程式 Ans: =0 ( 練習 13) 已知 A(3,0) 為圓 ( 1) 2 +( 2) 2 =8 上一點, 求過 A 所有弦的中點軌跡方程式 Ans: =0 去掉 (3,0) 這一點 ( 練習 14) 試求切於直線 =, 並過 (2,0),(4,0) 兩點的圓方程式 Ans:( 3) 2 +(+7) 2 =50 或 ( 3) 2 +( 1) 2 =2 ( 練習 15) 試求與兩直線 +5 4=0,+5 12=0 相切且圓心在直線 2 1=0 之上的圓方程式 Ans:( 3) 2 +( 1) 2 4 =( 26 )2 ( 練習 16) 設 為原點, 且 Q 是圓 ( 1) 2 +(+2) 2 =9 上的動點, 若 P=2Q, 則動點 P 所成的圖形方程式為何?Ans:( 2) 2 +(+4) 2 =36 ( 乙 ) 圓的參數式 (1) 圓的參數式 : (a) 圓 =r 2 = r cos θ 的參數式為,θ 為實數 = r sin θ ( b) 圓 ( 0 ) 2 +( 0 ) 2 =r 2 = 0 + r cosθ 的參數式為,θ 為實數 = 0 + r sin θ P P θ θ ~4 1 6~

7 (2) 圓的參數式的應用 : (a) 當我們限制 θ 的範圍時, 可以表示出圓的部分圖形 = cosθ 例如 : 參數式 :,0 θ π 1 2, 就代表 = sinθ 4 單位圓 (b) 當我們求與圓有關的最大值或最小值問題時, 可以利用參數式來解決 [ 例題 8] 若 P 為單位圓 =1 上任一點, 令 為原點 (0,0),Q 為點 (3, 2), 則求 PQ 面 積的最大值 Ans: 13 2 [ 代數方法 ]: P(cosθ,sinθ ) Q [ 幾何方法 ]: ~4 1 7~

8 [ 例題 9] 設 P(,) 為方程式 =9 上一點, 試求 (1)3+4+5 的最大值 (2) 的最大值 (3)++ 的最大值 Ans:(1)20 (2)18(3) ( 練習 17) 在 平面上有二定點 A(4,0),B(1,3), 及圓 C: =4, 設 P 為圓 C 上的動點, 試求 PAB 面積的最大值及最小值 Ans: PAB 面積的最大值 6+3 2, 最小值 ( 練習 18) 平面上有兩定點 A( 1,0) 與 B(1,0), 試在圓 C:( 3) 2 +( 4) 2 =4 上一點 P, 使 AP 2 + BP 2 有最大值或最小值 Ans:(1) 當 P( 21 5,28 5 ) 時, 有最大值 100;(2) 當 P( 9 5,12 5 ) 時, 有最小值 20 [ 例題 10] 設 Γ:( 1) 2 +( 1) 2 =4, 試求 Γ 之周長及其所圍成之面積 Ans: 周長 = 20 3 π, 面積 = π ~4 1 8~

9 方程式 f(,)=0 圖形的對稱 : f(,)=f(, ) 圖形對稱 軸 f(,)=f(, ) 圖形對稱 軸 f(,)=f(, ) 圖形對稱原點 f(,)=f(,) 圖形對稱直線 =0 [ 例題 11] 試繪出 ( )( ) 0 之圖形, 並求此區域面積 Ans:3π ( 練習 19) 繪出 之圖形, 並求其面積 Ans:1+ π ( 練習 20) 試作下列各方程式的圖形 : (1)= (2)= ( 練習 21) 請繪出 = 1 2 的圖形, 並求面積 Ans: π 2 [ 例題 12] 兩圓 C 1 : =25, 圓 C 2 :( 6) 2 +( 8) 2 =k, 請就下列情形求 k 的範圍 (1) 外離 (2) 外切 (3) 交於兩點 (4) 內切 (5) 內離 Ans:(1)0<k<25 (2)k=25 (3)25<k<225 (4)k=225 (6)k>225 ( 練習 22) 設圓 1 :( a) 2 +(+2a) 2 =5a 2 (a>0), 在圓 2 : =9 內部, 求 a 的範圍 Ans:0<a< ~4 1 9~

10 綜合練習 (1) 今有兩圓 =0 及 =0, 則 (a) 此兩圓的圓心距離為 (A) 0 (B) 2 (C) 3 (D) 5 (E) 8 (b) 此兩圓的關係為 (A) 內離 (B) 內切 (C) 相交於兩點 (D) 外切 (E) 外離 (85 大學自 ) (2) 下列哪一方程式所表圖形為一圓?(A)= 9-2 (B)= (C) =2 (D) =0 (E) =0 (3) 若圓 C 2 與圓 C 1 : =0 有相同之圓心, 且平分 C 1 的面積, 則 C 2 的方程式為何? (4) 試就 k 值, 討論方程式 (k+1)+2k+3k 2 2=0 的圖形 (5) 一圓的方程式為 =0, 考慮此圓之任意兩條互相垂直切線的交點, 則所有這種交點所成圖形的方程式為 (87 大學社 ) (6) (m 1) 2m+3m 2 2=0 表一圓,(a) 求 m 範圍 (b) 當 m 為何值時此圓有最大面積? (7) 設 ABC 的三邊包含三直線,L 1 :+ 1=0,L 2 :+2 3=0, L 3 : 1=0, 試求其外接圓的方程式 (8) 試求兩直線 2 5 6=0,2 5+10=0 相切且圓心在直線 2+2=0 上的圓方程式 (84 大學自 ) (9) L 1 :2+3=12 與 L 2 : 2+1=0 之交點 A, 自 P(1,0) 到二直線之垂線分別交於 B,C, 求過 P,A,B,C 之圓方程式 (10) 一圓切 軸於 (0,4) 又被 軸所截弦長為 6, 求此圓的方程式 (11) 一圓過兩點 A(1,2) B(3,4) 且被 軸所截線段長為 6, 求此圓之方程式 (12) 在同一平面上, 設 A( 1 2,0) B(3 4,0) 是兩個相異的定點, 則所有滿足 PA=2. PB 的 動點 P 所成的圖形為何? (13) A(3, 2),B(2,1),P 在圓 ( 1) 2 +(+2) 2 =4 上, 則 PAB 之重心軌跡在一圓上, 試求此圓半徑長 (14) 從點 A(4,0) 通過圓 C: =4 得割線 BC, 試求以 BC 的中點 M 的軌跡方程式 (15) 設 a+4+5=0 對 +=0 之對稱圖形仍為本身, 求 a 的值 (16) 如下圖, 一圓過,A,B 三點, 則斜線部分面積為 (17) 已知兩圓 C 1 : =9 與 C 2 :( 3) 2 +( 0) 2 =27, 試求 C 2 被 C 1 所截的劣弧長 ~4 1 10~

11 (18) 設點 A(24,37), 求圓 : =10 上離點 A 最近的點 (19) 設 =16 求 (a)4+3 之最大值 (b) 2 +2 之最大值 (c) 之最大值 (d) 圓上的點距離 3 4=25 之最短距離 = 1+ sin t (20) 求參數式 :,0 t 2π 3 所表示圖形之長度 = 2 + cost 進階問題 (21) 請問 2 +( 1) 2 =4 所圍成區域的面積 (22) 不等式 ( )( )( ) 0 所表示區域的面積 =? (23) 圓 =25 內之格子點 (, 坐標都是整數的點 ) 有幾個? (24) 設 k 為實數, 請問 +k 2k=0,k 2=0 之交點的軌跡方程式為何? (25) 設拋物線 =a 2 +b+c 與 軸交於 A B 兩點, 求以 AB 為直徑的圓方程式 (1) (a)(d) (b)(a) (2) (C)(E) 綜合練習解答 (3) ( 1) 2 +( 2) 2 = 9 2 (4) (a) 當 1<k<3 時, 圖形為一圓 (b)k=3 或 1 時, 圖形為一點 (c)k>3 或 k< 1 時, 圖形為空集合 (5) ( 4) 2 +(+2) 2 =50 (6) (a) 3<m<1 (b)m= 1,4π (7) =0 (8) (+6) 2 +(+2) 2 = (9) ( 1)( 3)+( 0)( 2)=0 (10) ( 5) 2 +( 4) 2 =25 或 (+5) 2 +( 4) 2 =25 (11) =0 或 =0 (12) ( 4 3 )2 + 2 = 4 9 (13) 2 3 (14) =0[ 提示 : 設中點 M(,) 圓心 (0,0),M AM] (15) a= 4[ 提示 :+=0 通過圓心 ] (16) 10π 16 (17) 3π (18) (3,9) (19) (a)20 (b)17 (c)8 (d)1 [ 提示 : 令 =4 cosθ,=4 sinθ, 代入各式求極值 ] ~4 1 11~

12 (20) 2π 3 (21) 16 3 π+2 3 (22) 2π (23) 81 個 (24) =4 點 (2,0) 除外 (25) a 2 +a 2 +b+c=0 [ 提示 : 設 A(α,0) B(β,0), 其中 α β 為 a 2 +b+c=0 的兩相異實根, 所以 α+β= b a, αβ= c a, 以 AB 為直徑的圓方程式為 ( α)( β)+ 2 =0 2 (α+β)+αβ+ 2 =0 2 + b a +c a +2 =0 a 2 +a 2 +b+c=0] ~4 1 12~

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