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1 4 圓與直線的關係 ( 甲 ) 圓與直線的關係 (1) 圓與直線相交情況 : C C C L L L 不相交 ( 相離 ) 相交於一點 ( 相切 ) 相交於相異兩點 ( 相割 ) () 圓與直線的關係之判別 ( 代數觀點 ): (a) 原理 : 利用 圖形的交點就是聯立方程式的實數解 的觀念判別之 x + y + dx + ey + f = 0 (b) 方法 : 已知聯立方程式 ax + by + c = 0 將一次式代入二次式中, 得到一元二次方程式, 令其判別式為 D 結論 : 相離 D<0 相切 D=0 相割 D>0 (3) 圓與直線的關係之判別 ( 幾何觀點 ): (a) 原理 : 利用 圓心到直線的距離 與 半徑 的關係判別之 (b) 方法 : 設圓 C 的圓心為, 半徑為 r, 由 到直線 L 的距離為 d, 則相離 d>r 相切 d=r 相割 d<r 結論 : L L L 圓與直線的關係 相離 d(,l)> 半徑 相切 d(,l)= 半徑 相割 d(,l)< 半徑 交點數 0 1 坐標幾何 x + y + dx + ey + f = 0 x + y + dx + ey + f = 0 x + y + dx + ey ax + by + c = 0 ax + by + c = 0 ax + by + c = 0 無解恰有一解有兩組相異解 + f = 0 ~4 1~

2 [ 例題 1] 試就實數 k 值討論直線 L:kx+y 3=0 與圓 C:x +y =3 的相交情況 ns:(1) 相離, <k< () 相切,k=, 或 k= (3) 相交,k> 或 k< [ 例題 ] 設直線 y=mx 與圓 :x +y 4x+y+1=0 交於 B 兩點, 若 B= 6, 則 m=? ns:m= 1 3 或 3 B [ 例題 3] 圓 C:x +y =4 上的動點 P 到直線 L:x y=10 之距離的 (1) 最大值 =, 此時 P 點坐標為 () 最小值 =, 此時 P 點坐標為 ns:5 +,P(, );5,P(, ) ( 練習 1) 設直線 L:3x+4y+k=0, 圓 C:(x 1) +y =9, 請就實數 k 討論直線 L 與圓 C 的位置的關係 ns: 相切 k=1 或 18, 相割 18<k<1, 相離 k>1 或 k< 18 ~4 ~

3 ( 練習 ) 求線 L:4x 3y+1=0 在圓 x +y =41 內的弦長 ns: 3 5 ( 練習 3) 設直線 y=mx+4 m 與圓 :x +y =5 交於 B 兩點, 若 B=6, 則 m=? 8 ns:0 或 15 ( 練習 4) 求圓 x +y =4 之點到直線 3x 4y=0 的距離之最大值與最小值, 並求此時點坐標 ns:m=6 點 ( 6 5,8 5 );m= 點 ( 6 5, 8 5 ) ( 乙 ) 圓的切線 (1) 圓的切線 : 割線 : 當一條直線與圓相交於兩點時, 這樣的直線稱為圓的割線 國中時圓的切線是這樣定義的 : 與圓恰有一個交點的直線稱為圓的切線, 該交點稱為切點 圓的切線性質 : (a) 圓的切線中, 除了切點 P 之外, 其餘的點都在圓的外部 (b) 圓心與切點的連線必垂直於切線 (c) 圓心到切線的距離等於半徑 [ 說明 ]: () 切線的求法 : 我們將圓的切線之型態分成三類 : (a) 過已知點, 求切線 (b) 已知切線斜率, 求切線 (c) 通過圓外一點, 求切線 求切線的方法 : 不管是那一種型態, 求圓的切線均可利用 圓心到切線的距離等於半徑 圓心與切點的連線必垂直於切線 這些觀念去解決 ~4 3~

4 [ 例題 4] (1) 求通過 x +y =5 上一點 (3,4) 的切線方程式 () 已知點 B(,7) 在圓 x +y +x 6y 15=0 上, 試求過 B 點的切線方程式 ns:(1)3x+4y=5 ()3x+4y 34=0 圓上一點的切線公式 ( 僅供參考 ) 設 T(x 1,y 1 ) 為圓 C:x +y +dx+ey+f=0 上給定的一點, 則以 T 為切點的切線方程式為 x 1 x+y 1 y+d( x 1+x [ 證明 ]: 設 P(x,y) 為切線 L 上的任意點 )+e( y 1+y x +y +dx+ey+f=0 (x+ d ) +(y+ e ) = d +e 4f 4, 所以 ( d, e ) PT T TP T =0 (x x 1,y y 1 ) ( d x 1, e y 1)=0 (x x 1 )( d x 1)+( y y 1 )( e y 1)=0 xx 1 + d x x 1 d x 1+y 1 y+ e y y 1 e y 1=0.(*) 再利用 T(x 1,y 1 ) 在圓 C 上, 即 x 1 +y 1 +dx 1 +ey 1 +f=0..(**) (*)+(**) x 1 x+y 1 y+d( x 1+x )+e( y 1+y )+f=0 )+f=0 T P [ 例題 5] 試求斜率為 1, 圓 x +y 6x 4y+5=0 的切線 ns:y= x+1 或 y= x+9 ~4 4~

5 [ 例題 6] 求通過 (4,) 與圓 x +y 4x+4y =0 相切的直線 ns:y = 1 3 (x 4) 或 y = 3(x 4) 已知斜率的切線公式 : (1) 圓 x +y =r 中, 斜率為 m 的切線為 y=mx±r 1+m () 圓 (x x 0 ) +(y y 0 ) =r 中, 斜率為 m 的切線為 y y 0 =m(x x 0 )±r 1+m 結論 : (a) 過圓外一點求切線的方法 : 設 P(x 1,y 1 ) 在圓 x +y +dx+ey+f=0 外, 則過此點之切線方程式求法 : 設所求切線方程式為 y y 1 =m(x x 1 ), 利用圓心到切線的距離等於半徑, 求斜率 m ( 注意 : 當 m 只有一個值時, 還有另一切線為鉛直線 x x 1 =0) (b) 已知切線斜率 (m) 求切線 : 設切線斜率為 y=mx+k, 利用圓心到切線的距離等於半徑, 求 y 截距 k ( 練習 5) 圓 C:(x 3) +(y ) =1 及一點 P(4,5), 求過 P 點而與圓 C 相切之切線方程式 ns:4x 3y 1=0 或 x=4 ( 練習 6) 設直線 L:x y+3=0, 圓 C:x +y +6x y+5=0 (1) 平行 L 與圓 C 相切的直線 () 垂直 L 與圓 C 相切的直線 ns:(1)x y+10=0,x y=0()x+y=0,x+y+10=0 ( 練習 7) 求過點 P(3, 1) 與圓 C:x +y +x y 17=0 相切的直線 ns:8x 3y 7=0 ~4 5~

6 ( 練習 8) 直線 5x y a=0 與圓 3x +3y x+4y+b=0 相切於 (c, 1), 求實數 a,b,c 之值 ns: a=11,b= 7,c= [ 例題 7] 自點 ( 3,3) 發出的光線 L 射到 x 軸上, 被 x 軸反射, 其反射光線所在直線與圓 x +y 4x 4y+3=0 相切, 求光線 L 所在的直線方程式 ns:x+y+3=0 y x [ 例題 8] 設 x(4 x) =mx+4 有兩相異實數解, 求 m 的範圍 ns: 1 m< 3 4 y x y = m( x 3) + 4 ( 練習 9) 設 有兩解, 求 m 的範圍 ns: x + y = 4 5 <m< 5 ( 練習 10) (1) 作圖 C:y=3 4 x y 9 14 () 若 P(x,y) 在 C 上, 求 x+3 的極大值 極小值 ns:3, 5 ~4 6~

7 ( 丙 ) 圓系 (1) 若設圓 C 1 :x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 =0, 與圓 C :x +y +d x+e y+f =0, 則過兩圓交點之所有圓方程式可設為 k 1 (x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 )+k (x +y +d x+e y+f )=0, 其中 k 1 +k 0 [ 證明 ]: 令 f 1 (x,y)= x +y +d 1 x+e 1 y+f 1,f (x,y)= x +y +d x+e y+f, 圓 C 1 的方程式為 f 1 (x,y)=0, 圓 C 的方程式為 f (x,y)=0, 假設 C 1 C 的交點為 (x 1,y 1 ) B(x,y ) 所以 f 1 (x i,y i )=0,f (x i,y i )=0,i=1, 今圓 過 B 兩點, 令 C(m,n) 為圓 上異於 B 兩點的點, C 取 k 1 =f (m,n),k = f 1 (m,n) 考慮 f (m,n) (x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 ) f 1 (m,n)(x +y +d x+e y+f )=0 B 將 B C 三點代入均成立, 因此上式所代表的圓通過 B C 三點而過 B C 三點的圓只有一個 所以 f (m,n) (x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 ) f 1 (m,n)(x +y +d x+e y+f )=0 為通過 B 兩點的圓 根據前面的結果, 當 k 1 0, 通過兩圓交點的圓, 可寫成 : (x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 )+k(x +y +d x+e y+f )=0, 其中 k= k k 1 通過圓 C 1 :x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 =0, 與圓 C :x +y +d x+e y+f =0, 則過兩圓交點之所有圓方程式可設為 (x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 )+k(x +y +d x+e y+f )=0 ( 不包含圓 C ) () 設通過圓 C:x +y +dx+ey+f=0 與直線 L:ax+by+c=0 之交點之圓系方程式為 : (x +y +dx+ey+f)+k(ax+by+c)=0,k 為任意實數 [ 證明 ]: 方法同 (1) (3) 若圓 C 1 :x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 =0, 與圓 C :x +y +d x+e y+f =0, 且兩圓相交於 B 兩點, 則直線 B 方程式為 (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 [ 證明 ]: 令 f 1 (x,y)= x +y +d 1 x+e 1 y+f 1,f (x,y)= x +y +d x+e y+f, 圓 C 1 的方程式為 f 1 (x,y)=0, 圓 C 的方程式為 f (x,y)=0, 假設 C 1 C 的交點為 (x 1,y 1 ) B(x,y ) 考慮 f 1 (x,y) f (x,y)= (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 這個方程式因為 f 1 (x i,y i )=0,f (x i,y i )=0,i=1, 所以 (d 1 d )x i +(e 1 e )y i +(f 1 f )=0,i=1, 因此 (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 通過 B 兩點又過 B 兩點只有一直線故直線 B 方程式為 (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 ~4 7~

8 [ 例題 9] 過 x +y 4x 8=0,x +y 4x 0y+5=0 的交點, 且與直線 x 7=0 相切得圓方程式 ns: x +y 4x y 0=0 或 x +y +4x 14y+8=0 [ 例題 10] 設圓 C:x +y x y =0 與直線 L:x+y=0 交於 B 兩點, 設定點 P(1,1), 則 (1) PB 的外接圓方程式為何? () 直線 B 的方程式 ns:(1)3x +3y x+y 6=0()x y=0 ( 練習 11) 求過兩圓 x +y x+4y 4=0,x +y x 3=0 之交點, 且過 (,1) 的圓方程式 ns:x +y x 8y 1=0 ( 練習 1) 通過 x +y +x 4y+1=0 與直線 x y+4=0 之交點且切 Y 軸之圓方程式 ns:x +y +6x 6y+9=0 或 x +y +14x 10y+5=0 ( 練習 13) 通過 x +y 4x 6y+4=0 與 x y =0 之交點且半徑為 3, 求圓方程式 ns:x +y 7x 3y+10=0 ~4 8~

9 ( 練習 14) 設直線 L:x+y 4=0 與圓 C:x +y +x y 14=0 相交於,B 二點, 試求 (1) 通過,B 二點及原點的圓方程式 () 通過,B 二點且與直線 x+y+=0 相切的圓方程式 ns:(1)x +y 3x 11y=0 ()3x +3y x 13y 14=0 ( 練習 15) 求過兩圓 x +y =4 x +y +x 3=0 之交點且半徑為 4 之圓方程式 ns:x +y +8x=0 或 x +y 6x 7=0 ( 丁 ) 圓的其他性質 (1) 切割線性質 : (a)pt =P PB=PC PD (b) P PB=PC PD C T D B D P P B C () 切線段長與圓冪 : [ 例題 11] (1) 設 P(x 1,y 1 ) 為圓 x +y +dx+ey+f=0 外部一點, 則自 P 點所作的切線長為 x 1 +y 1 +dx 1 +ey 1 +f () 試求點 P(5,8) 到圓 x +y 4x+6y+1=0 之切線段長度 ns: 3 46 T P ~4 9~

10 [ 補充教材 ]: 圓冪 : 點 P(x 0,y 0 ) 對圓 C:x +y +dx+ey+f=0 的冪 (power)= x 0 +y 0 +dx 0 +ey 0 +f x 0 +y 0 +dx 0 +ey 0 +f=(x 0 + d ) +(y 0 + e ) ( d +e 4f )= P ( 圓 C 的半徑 ) 圓冪的幾何意義 : (a) 點 P 在圓 C 外面 : 圓冪 = P ( 圓 C 的半徑 ) = PT = P PB (b) 點 P 在圓 C 上面 : 圓冪 = P ( 圓 C 的半徑 ) =0 (c) 點 P 在圓 C 內部 : 4 圓冪 = P ( 圓 C 的半徑 ) = P PB B T P P B (3) 兩圓的公切線 : 外公切線長 = 1 ( r1 r ) 1 內公切線長 = 1 ( r1 r ) + 1 B ~4 10~

11 [ 例題 1] 設 C 1 :(x ) +(y 3) =4,C :(x 6) +(y+3) =9, 求 C 1,C 的外公切線方程式及其長 4± 51 ns:y 15=( 15 )(x+6), 15 1 [ 例題 13] ( 極線 ) 證明 : 設 P(m,n) 為圓 x +y =r 外一點, 過 P 作此圓之切線, 設切點分別為 Q R, 則直線 QR 之方程式為 mx+ny=r Q P R ( 練習 16) xy 平面上有一定點 ( 1,) 及一圓 :x +y x+4y 3=0 試求 (1) 點 到圓 C 的切線段長 () 過 的直線與圓 C 相交於 P,Q 兩點, 求 P Q 之值 ns:(1) 3 ()1 ( 練習 17) 二圓 C 1 :x +y 6x y+1=0,c :x +y +4x+3=0, 則 (1) 二圓的外公切線長 內公切線長 () 設二圓的外公切線夾角 θ, 則 sinθ=? (3) 二圓外公切線的交點 內公切線的交點 (4) 二外公切線方程式 (5) 二內公切線方程式 ns:(1), 10 () 13 (4)y+ 1 =5± 1 (3)( 9, 1 ) ( 3 4,1 4 ) (x+ 9 )(5) y =5±4 9 (x+ 3 4 ) ( 練習 18) 點 P(3,4) 對圓 :x +y =9 所引之切點連線的方程式 ns:3x+4y=9 ~4 11~

12 綜合練習 x + y + k = 0 (1) 請就實數 k 值討論方程組 的解的個數 x + y + x 6y 6 = 0 () 設兩圓, 圓 C 1 :x +(y ) =1 與圓 C :(x+3) +(y+) =a (a>0) 試求 : (a) 若圓 C 1 與圓 C 相切, 則 a 值範圍為何? (b) 若圓 C 1 與圓 C 外離, 則 a 值範圍為何? (c) 若圓 C 1 與圓 C 內離, 則 a 值範圍為何? (d) 若圓 C 1 與圓 C 相交, 則 a 值範圍為何? (3) 求過點 (,4) 與圓 x +y +x+4y 4=0 相切的直線, 並求出切點坐標 (4) 過原點作圓 x +y 6x y+9=0 的切線, 求切線方程式 (5) 在坐標平面上 (7,5) 處有一光源, 將圓 x +(y 1) =1 投影到 x 軸的影長為 (6) 設圓 C 與直線 4x 3y+1=0 相切於 (a,3), 且 a>0, 與 y 軸相切於 (0,b), 且 b>0, 求圓 C 的方程式及 a,b 兩數之值 (7) 試求過 (1,) 且與 x 軸,y 軸均相切的圓方程式 (8) 試求圓心在 (9,7) 且又與圓 C:x +y +x 4y=15 相切的兩圓較小者的圓方程式 (9) 試求圓 C:x +y 8x 5y+k=0 與 x 軸相切時的 k 值 (10) 設 P(,h) (h>0) 為光源,C:x +y =1(y 0) 為半圓形障礙線, 若光源要照到點 (,0), 問 h 至少為多少? (11) 過 P(1,) 對圓 x +y 4x+y 4=0 作兩切線, 若切點為 Q R, 則 (a) 請問 PQR 的外接圓方程式 (b) 直線 QR 的方程式 (c) 兩切線的方程式 (1) 設圓 C 通過 x +y 1x+3y+8=0 與直線 x y 19=0 的交點及點 (1,0), 試求圓 C 的方程式 (13) 圓心在 x y=6 上且與兩坐標軸相切之圓方程式 (14) 試求通過二圓 C 1 :x +y x+y =0 與 C :x +y =5 的交點, 且圓心在 L:3x+4y 1=0 上的圓方程式 (15) 設 P,Q 為 y 軸上兩定點且 Q(0, 3), 若 P 到圓 C:4x +4y 3x+0y+53=0 的切線段長等 於 PQ 長, 求 P 坐標及切線段長 (16) 求 P(6,8) 到圓 (x 3) +(y 4) =1 之 (a) 最近距離 m=, 此時點坐標為 ~4 1~

13 (b) 最遠距離 M=, 此時點坐標為 (17) 設圓 C 1 :x +y +d 1 x+e 1 y+f 1 =0, 與圓 C :x +y +d x+e y+f =0, 不為同心圓, 若 P(m,n) 至圓 C 1 C 的切線段長相等, 求證 : P 點落在 (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 上 進階問題 (18) 已知圓心 (4,) 的圓 C 與 x 軸相切, 若自點 (,1) 發射光線 L 經 x 軸反射後與此圓相切 (L 不可在與 x 軸接觸前先碰到圓 C), 則光線 L 所在的直線斜率為何? (19) (a) 已知點 P(x 0,y 0 ), 圓 C:x +y +Dx+Ey+F=0, 若過點 P 引一直線交圓 C 於 B 兩點, 則 P PB== x 0 +y 0 +Dx 0 +Ey 0 +F, 試證之 (b) 已知 B 為圓 C:x +y +x 6y 3=0 之一弦,P(,5) 為 B 之三等分點, 求 B (0) 在坐標平面上有一圓 C:x +y =37, B 為圓 C 之一弦且點 P(1,) 恰為 B 之三等分點, 試求直線 B 之方程式 ( 二解 ) (1) 自圓 C:x +y +dx+ey+f=0 外一點 P(x 0,y 0 ) 作圓 C 的二切線, 設切點為 P 1 (x 1,y 1 ) P (x,y ), 則直線 P 1 P 的方程式為 x 0 x+y 0 y+ d (x 0+x)+ e (y 0+y)+f=0 () 過點 P 作圓 C:x +y 8x+6y=0 之切線, 切點 P 1 P, 設直線 P 1 P 之方程式為 7x+y=0, 試求 P 之坐標 綜合練習解答 (1) <k< 兩組解,k= 5±4 5 一組解,k> k< 無 實數解 () (a) a=6 或 a=4(b) 0<a<4(c) a>6(d) 4<a<6 (3) 3x 4y+10=0 為切線時, 切點 ( 14 5, 5 ) x= 為切線時, 切點 (, ) (4) y=0 與 3x 4y=0 (5) 16 3 (6) (x 10 9 ) +(y 11 3 ) = ,a=,b=11 3 (7) (x 1) +(y 1) =1 及 (x 5) +(y 5) =5 (8) (x 9) +(y 7) =45 (9) k=8 (10) h 至少為 4 3 (11) (a)x +y 3x y=0 (b)x 3y+4=0 (c)y= 或 y = 3 4 (x 1) (1) (x 5) +(y+1) =17 ~4 13~

14 (13) (x+6) +(y+6) =36 或 (x ) +(y+) =4 (14) x +y +x y 11=0 (15) P(0, 17 4 ) 9 切線段長 4 (16) (a) m=4,( 18 5,4 5 ) (b) M=6,(1 5,16 5 ) (17) [ 證明 : 設 P 點對圓 C 1 C 的切點為 T 1 T, 因為 P 到圓 C 1 C 的切線段相 等, 所以 m +n +d 1 m+e 1 n+f 1 = PT 1 =PT = m +n +d m+e n+f 所以 (d 1 d )m+(e 1 e )n+(f 1 f )=0, 故 P 點落在 (d 1 d )x+(e 1 e )y+(f 1 f )=0 上 ] (18) (19) (a) 當 P 點在圓外時,P PB=PT = x 0 +y 0 +Dx 0 +Ey 0 +F ( 參考例題 11), 當 P 點在圓內部時, 引一弦 CD 通過圓心 與 P 點, P PB=PC PD=(r P)(r+ P)=r P = ( x 0 +y 0 +Dx 0 +Ey 0 +F) 結論 :P PB== x 0 +y 0 +Dx 0 +Ey 0 +F (b)6 (0) y = 3 4 (x 1) 及 x 1=0 [ 提示 : 用 (19) 題的結果, 可知 PB=3 P=8,PB=4 B=1, 令直線 B 的方程式為 y =m(x 1), 利用弦中點與圓心連線垂直平分弦的性質, 圓心到直線 B 的距離 =1 m+ m +1 = 1 m=3 4, 但此種直線有兩條, 所以令一直線是 x 1=0] (1) [ 證明 : 圓 C 上過切點 P 1 (x 1,y 1 ) 的切線方程式為 x 1 x+y 1 y+ d (x 1+x)+ e (y 1+y)+f=0, 圓 C 上過切點 P (x,y ) 的切線方程式為 x x+y y+ d (x +x)+ e (y +y)+f=0, 因為這兩條切線均通過 P(x 0,y 0 ), 所以 x 1 x 0 +y 1 y 0 + d (x 1+x 0 )+ e (y 1+y 0 )+f=0 且 x x 0 +y y 0 + d (x +x 0 )+ e (y +y 0 )+f=0, 因此 x 0 x+y 0 y+ d (x 0+x)+ e (y 0+y)+f=0 通過 P 1 (x 1,y 1 ) P (x,y ) 故直線 P 1 P 的方程式為 x 0 x+y 0 y+ d (x 0+x)+ e (y 0+y)+f=0 () P( 3, 4) [ 提示 : 設 P(m,n), 根據 (1) 題的結果 P 1 P 的方程式為 x+ny 4(m+x)+3(n+y)=0 與 7x+y=0 比較係數 m= 3,n= 4 ] ~4 14~

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