2.4.2 圆的一般方程
人教 A 版 · 本节 6 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 1 题 ↓
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本节的知识树
1 概念 · 1 公式 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
上一节把圆写成 ——圆心与半径明摆在式子里。这一节把它展开,换成另一种写法,并回答一个不那么显然的问题:展开后的那种式子,是不是都表示圆?
整节的骨架只有三句:
- 展开:,这个方向永远成立。
- 配方回去要带条件: 只有在 时才是圆。
- 一般方程的用处是待定系数法:、、 都以一次的身份出现,「过三点求圆」就变成解三元一次方程组。
一、展开:一般方程长什么样
课本的”思考”从一个具体例子起手: 展开、移项,得
一般地,把标准方程展开:
于是任何圆都能写成
注意这三个记号的来历:、、。前两个只跟圆心有关,第三个把半径也裹进去了——这就是为什么反过来读时,半径能不能开出来要看 与 的搭配。
二、反过来不一定是圆:课本给的反例
课本紧接着问:形如 (2) 的方程一定能变回圆的标准方程吗?答案是不一定,反例就在下一页:
左边是两个平方之和,永远 ,不可能等于 ——没有任何点的坐标满足它,这个方程不表示任何图形。
这一步值得慢半拍:它说明「」只是一个形式,配方之后右边到底是正、是零、还是负,得算过才知道。先算判据、再说圆心半径,顺序不能颠倒。
三、判据:配方一次,三种情形一次分清
课本的”探究”问: 满足什么条件时 (2) 表示圆?把左边配方、常数移到右边:
右边的符号决定一切:
| 图形 | 圆心 / 半径 | |
|---|---|---|
| 圆 | 圆心 ,半径 | |
| 一个点 | 点 (“半径为零的圆”,但它不是圆) | |
| 不表示任何图形 | —— |
只有第一种情形,我们才把 (2) 叫做圆的一般方程。
三件立刻要记住的事:
- 圆心的坐标是”系数除以 ”:。别把负号丢了,也别只给一半。
- 半径不是 ,而是它的一半。这个 是从右边分母的 里开出来的。
- 判据可以不背:现场配方一次,右边是什么就看什么。考试里配方比背判据更保险——顺带还把圆心一并读出来了。
形式上的两个门槛(拿到一个二元二次方程,先看这两条再动手): 与 的系数必须相同且非零,且不含 项。系数不是 时先整体除掉,再算判据;否则「」这种式子会算出错的圆心。
四、两种写法各自的特点
课本的”思考”问:标准方程与一般方程各有什么特点?把它们摆在一起看最清楚:
| 标准方程 | 一般方程 | |
|---|---|---|
| 几何量 | 圆心 、半径 一眼可读 | 要配方(或用判据)才读得出 |
| 待定的量 | —— 以 平方 的身份出现 | 全是 一次 |
| 是不是圆 | 只要 就是圆 | 要验 |
| 最适合 | 已知圆心 / 半径,或求出圆心半径后写答案 | 已知圆上几个点(尤其三点),用待定系数法 |
一句话:读几何量用标准方程,解方程组用一般方程。两者只差一步配方,答案写哪种都对,但中间过程选错会多算好几行。
五、待定系数法:例 4 与那三步
课本例 4 求过 、、 三点的圆。关键在于选一般方程:三个点代进去,每个点给一条关于 的一次方程:
所以圆的方程是 ;再按第三节读出圆心 、半径
与”设标准方程”比一比(课本旁批问的正是这个):若设 ,三个点给出的是三条含平方的方程,得先两两相减把平方消掉——多绕一圈。所以:“过三点”一律设一般方程。
课本随后把待定系数法的步骤明写了出来:
- 根据题意,选标准方程或一般方程;
- 根据条件列关于 或 的方程组;
- 解出来,回写成方程。
第一步才是真正的技术活。给一个够用的判断表:
- 给了圆心、或圆心在某条直线上、或给了半径 → 标准方程(未知量少,几何意义直接);
- 给了圆上的三个点、或”过某两点且……”这类纯”点在圆上”的条件 → 一般方程;
- 拿不准时想一句:我的条件是”点在圆上”多,还是”圆心半径”多。
六、例 5:轨迹方程,与”代入法”
课本例 5: 固定, 在圆 上动,求 中点 的轨迹方程。
课本走的是相关点法(代入法),三步:
- 设两套坐标: 是要求的, 是”带着约束的那个点”;
- 用中点关系把老坐标换成新坐标:、,反解得 、;
- 把 的约束代进去: 在圆上意味着 ,代入并整理:
于是 的轨迹是以 为圆心、半径 的圆。
这套方法的逻辑要说清:第 2 步的反解是等价变形(中点关系是一对一的),所以” 在圆上”与” 满足最后那个方程”互为充要——这才叫求出了轨迹方程,而不只是”找到了一个必要条件”。
课本旁边那条注解值得抄一遍:点 的轨迹方程是指点 的坐标 满足的关系式;轨迹是指点在运动变化过程中形成的图形。两者一个是式子、一个是图形,答题时问”方程”就给式子、问”轨迹(形状)“就补一句”它是以……为圆心、……为半径的圆”。
顺带记住这个几何解释:中点 把 到 的位移压缩了一半,所以 画圆时 也画圆——半径变成一半(),圆心落在原圆心与 的中点(,与算出来的一致)。这种”看一眼就知道答案该长什么样”的检查点,能挡住一大半代数错误。
七、易错清单(按失分频率排)
- 不验判据就报圆心半径。 看着像圆,其实什么都不是。先配方,再说话。
- 半径漏掉 。;直接开根号会把半径放大一倍。
- 圆心的负号。 时圆心横坐标是 ,不是 。配方写出来最不容易错。
- 、 的系数不是 就直接套判据。先整体除以那个系数。
- “过三点”还去设标准方程。不是错,是慢:平方项要两两相减才消得掉。
- 判据取等时说成”半径为零的圆”。 表示一个点;圆的半径必须为正。
- 求轨迹方程忘了扣掉不合题意的点。等腰三角形、三角形顶点这类题,退化位置(三点共线、两点重合)要从轨迹里去掉。
- 只写方程不说形状。题目问”并说明它是什么图形”时,答案要有”以……为圆心、……为半径的圆”这句话。
八、这一节考过的真题(怎么用它们)
别的节页下方有一块「考过本节的真题」(构建期两跳派生:节 实体 攻略),本节暂时没有这一块——浙江卷的圆题从不单考”一般方程”这个形式,而是把它当中间件:先由条件定出圆心与半径,再接着做位置关系或最值,于是攻略挂的实体多半落在别的节上。下面这两条是自己找来配的:
- 2019 年第 12 题(直线 切圆于 ,圆心 ,求 与 ):这是本节”待定系数”的最短版本——两个未知量、两条方程。它还给了一条比”相切”更强的条件(切点),于是有一条更快的几何路:圆心在过切点的法线上。做完它再回看第五节那张”选哪种方程”的判断表,会更有体会。
- 本节的例 5 与习题里的 7、8、9 三道轨迹题是同一套动作(设两套坐标、把约束代进去),而”距离之比为定值”的第 9 题(阿波罗尼斯圆)在各地模拟卷里反复出现,值得单独练熟。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
这一份收本节这几页上印着的全部习题:第 90 页练习 4 道(那是 §2.4.1 标准方程的练习,但它印在本节这几页里)、第 93 页练习 3 道、习题 2.4 共 10 道(复习巩固 1–4、综合运用 5–8、拓广探索 9–10),一共 17 道。第 94–95 页的「阅读与思考·坐标法与数学机械化」是史料读物,没有要作答的问题,本份不收。
先把两件贯穿全部题目的事摆出来,后面就不重复了:
- 配方是唯一的动作。 一律现场配方成 ,右边的符号决定它是圆、是一个点,还是什么都不是;圆心与半径也一并读出来,不必背判据。
- 判断点与圆的位置关系,比的是距离的平方。 与 谁大:小于是圆内、等于是圆上、大于是圆外。别开根号——平方比大小又快又不出错。
练习(第 90 页)第 1 题
- 写出下列圆的标准方程:
(1) 圆心为 ,半径是 ;
(2) 圆心为 ,且经过点 .
前提:标准方程是 ,其中 是圆心、 是半径。圆心的坐标进式子要变号,这是唯一容易错的地方。
(1) 圆心 、,故 :
( 写进去是 ; 写进去是 。)
(2) 圆心 ,半径是它到 的距离,先算 ,不必开根号:
所以
自检:把 代回, ✓。
这道题的动作:读出圆心与半径,直接填进标准方程;半径由”圆心到已知点”给出时,只算平方。
练习(第 90 页)第 2 题
- 已知圆的标准方程是 ,借助计算工具计算,判断下列各点在圆上、圆外,还是在圆内.
(1) ; (2) ; (3) .
前提:圆心 ,()。判断标准是 与 比大小。
(1) :
所以 在圆内()。
(2) :
所以 在圆外()。
(3) :
所以 在圆上。
自检:三个点的判定与”离圆心远近”的直觉一致—— 的两个坐标差最小, 最大。注意 (1)(2) 两个点都很接近圆,差值只有 与 ,所以必须算,不能看图猜(这也是题目要求”借助计算工具”的原因)。
这道题的动作:代进左边算出来,与 比大小;小于在内、等于在上、大于在外。
练习(第 90 页)第 3 题
- 已知 , 两点, 求以线段 为直径的圆的标准方程, 并判断点 , , 在圆上、圆内, 还是在圆外.
前提:以一条线段为直径的圆,圆心是这条线段的中点、半径是它长度的一半。
圆心(中点公式):
半径的平方(用 ,故 ):
所以标准方程是
更省事的等价做法:,同样的答案,少算一次除法。
三个点(都与 比):
- : → 在圆上;
- : → 在圆外;
- : → 在圆内。
自检:、 必须在圆上—— ✓, ✓。
这道题的动作:“以某线段为直径”就翻成”中点是圆心、半长是半径”,然后按上一题的办法判点。
练习(第 90 页)第 4 题
- 已知 的三个顶点分别是点 , , , 求 的外接圆的标准方程.
先看清这个三角形的形状: 是原点, 在 轴上、 在 轴上,所以 ——这是一个以 为直角顶点的直角三角形。
于是用一条初中结论最快:直角三角形的外接圆以斜边为直径(直径所对的圆周角是直角,反过来也成立)。斜边是 ,于是回到上一题的模型:
- 圆心 = 的中点 ;
- ,故 (即 )。
所求外接圆的标准方程是
自检(三个顶点都得在圆上):
- : ✓
- : ✓
- : ✓
不用巧的做法也行:设圆心 到三点等距,由 得 、由 得 (这两步就是”到两点等距 在垂直平分线上”),结论相同。
这道题的动作:先看有没有直角;有直角就直接用”斜边为直径”,比解方程组快。
练习(第 93 页)第 1 题
- 求下列各圆的圆心坐标和半径: (1) (2) (3)
动作只有一个:配方。 含字母的题还要交代字母的前提——半径必须为正,否则那个方程根本不是圆。
(1) ,对 配方:
圆心 ,半径 。(这个圆过原点: 就意味着原点在圆上。)
(2) 对 配方:
当 时,圆心 、半径 。半径要写绝对值——题目没说 。
若 ,方程成为 ,只表示原点这一个点,不是圆(这正是下一题第 (1) 问)。
(3) 两个变量各自配方:
当 时,圆心 、半径 ; 时退化成原点一个点。
自检(用判据核一遍 (3)):、、,则
圆心 ✓。
这道题的动作:配方读圆心与半径;带字母就补一句”何时才是圆”,半径写成绝对值。
练习(第 93 页)第 2 题
- 判断下列方程分别表示什么图形,并说明理由: (1) (2) (3)
判据:配方后右边 为正是圆、为零是一个点、为负什么图形也不是。题目要”说明理由”,所以每问都要把配方(或判据的值)写出来。
(1) :两个平方之和为零,必须 且 。所以它表示一个点——原点 。(判据:,。)
(2) 配方:
所以它表示圆:圆心 、半径 。(判据:,,一致。)
(3) 只对 配方:
右边 ,于是分两种情形:
- 若 、 不同时为零,则 ,表示圆:圆心 、半径 ;
- 若 ,方程成为 ,表示一个点(原点)。
这一问的分类不能省: 只可能 ,所以第三种情形(不表示任何图形)在这里不会发生——把这一句写出来,才算把”说明理由”答完。
这道题的动作:配方后看右边的符号;含字母时按”右边是正 / 是零”分类,并说明哪种情形不可能出现。
练习(第 93 页)第 3 题
- 如图,在四边形 ABCD 中,AB=6,CD=3,且 ,AD=BC,AB 与 CD 间的距离为 3. 求等腰梯形 ABCD 的外接圆的方程,并求这个圆的圆心坐标和半径.
先说清坐标系:这道题的答案依赖建系,而图上已经把坐标系给定了—— 落在 轴上、原点取在 的中点、 在上方与 轴平行。按图建系:
( 故两端点横坐标 ; 且梯形等腰,故 、 关于 轴对称、横坐标 ;两底距离 故 、 的纵坐标是 。顺带验一下等腰: ✓。)
圆心在哪条线上:圆心到 、 等距 在 的垂直平分线即 轴上;到 、 等距也给出 轴。所以设圆心 ——这就是图上 轴上那个点 。
定 :用 :
半径:
所以外接圆的方程是
圆心 、半径 。
自检(四个顶点都要在上面):
- 、: ✓
- 、: ✓
再核一眼图:算出的圆心 只比原点高一点( 相比半径 是很小的一段),与图上 紧贴在 上方的位置相符;半径 略大于 ,所以圆在 、 处稍微鼓出 轴——图上也是这样画的。
这道题的动作:先按图建系(对称的图形就把对称轴取作坐标轴),圆心落在对称轴上只剩一个未知量,一条等距方程就定住它。
习题 2.4 第 1 题
- 求下列各圆的圆心坐标和半径,并画出它们的图形: (1) (2) (3) (4)
配方即可。图这里不画,但每问都给出画图要用的三个数:圆心、半径,以及一个方便定位的特征(过不过原点、与坐标轴的交点)。
(1) :圆心 、半径 。它与 轴交于 ,与 轴交于 即 。
(2) :圆心 、半径 。
(3) :当 时圆心 、半径 ;它过原点(),且与 轴的另一个交点是 。 时退化成一个点。
(4) :当 时圆心 、半径 ; 时退化成一个点(原点)。
自检:(2) 用判据核一遍——、、,, ✓,圆心 ✓。
这道题的动作:配方;含字母就写绝对值并交代 的前提。
习题 2.4 第 2 题
- 求下列各圆的方程,并画出图形:
(1) 圆心为点 ,且过点 ;
(2) 过 , , 三点.
(1) 给了圆心 → 设标准方程。
圆心 、半径 ;它与 轴相交(圆心到 轴距离 ),与 轴相离(距离 )。
(2) 给了三个点 → 设一般方程( 都是一次的,好解)。设 ,把三点代入:
第二式减第一式:,故 。代回第一式:;代入第三式:。两式相减得 ,故 、。所求方程是
圆心 、半径 。
自检(三点回代):: ✓;: ✓;: ✓。
顺带一个更快的几何解法:、 的纵坐标都是 ,故 的垂直平分线是 ;再用 …… 其实直接用 上的点 到 与到 等距:,解得 ,同样得到圆心 。看到两点纵(横)坐标相同,就用它的垂直平分线,能省一个未知量。
这道题的动作:给圆心设标准方程、给三点设一般方程——这就是待定系数法第一步”选方程”。
习题 2.4 第 3 题
- 已知圆 C 经过原点和点 A(2, 1),并且圆心在直线 l: x - 2y - 1 = 0 上,求圆 C 的标准方程.
条件盘点:两个”点在圆上” + 一个”圆心在直线上”。圆心 、半径 三个未知量,正好三条方程;但用几何关系能少解一步。
① 圆心在 上:,即 。
② 圆心到两点等距(,这一步把 消掉了):
③ 联立:把 代入,,于是 。
④ 半径:
所以
自检: 代入 ✓,与 相等。圆心 代入 : ✓。
答案不好看不等于算错:这道题的数据本就凑不出整数,最后回代验算比”觉得答案该是整数”可靠得多。
这道题的动作:“过两点”用等距消掉 、“圆心在某直线上”直接当一条方程,两条方程定圆心。
习题 2.4 第 4 题
- 圆 C 的圆心在 x 轴上,并且过 A(-1, 1) 和 B(1, 3) 两点,求圆 C 的方程.
“圆心在 轴上”就是纵坐标为 ,所以圆心设成 ,只剩一个未知量。
由 :
半径的平方:。所求方程是
自检: 代入 ✓。
换个角度看: 的中点是 、斜率是 ,故 的垂直平分线是 即 ;它与 轴()交于 ✓。“到两点等距”与”在垂直平分线上”是同一句话的两种写法,用哪个都行——前者不必求斜率,通常更省。
这道题的动作:把”圆心在坐标轴上”用掉,未知量降到一个,再用一条等距方程解完。
习题 2.4 第 5 题
- 已知圆的一条直径的端点分别是 ,,求证此圆的方程是
要证的是”两个方程同解”,所以正做法是:把待证方程整理成标准方程,看它是不是以 为直径的那个圆。
① 以 为直径的圆是什么。 圆心是中点 ,半径的平方是
② 把待证方程展开、配方。
对 、 分别配方:
右边用 化简,恰好是
③ 收口。 于是待证方程与”圆心为 中点、半径为 “的标准方程逐字相同,即它就是以 为直径的圆的方程。又因 (是一条直径的两个端点),,它确实表示一个圆。
这个式子的几何意思(记住它就不用背式子): 正是向量 ()。所以方程说的是
也就是直径所对的圆周角是直角那条初中定理的坐标版。
这道题的动作:要证”某方程是某圆的方程”,就把它配方,与标准方程逐项对;顺手认出数量积的结构能记得更牢。
习题 2.4 第 6 题
- 平面直角坐标系中有 , , , 四点, 这四点是否在同一个圆上? 为什么?
标准做法:先用三点定圆,再验第四点。(三个不共线的点确定唯一的圆,所以只能这么判。)
① 用 、、 定圆。 设 :
第二式减第一式:。代入第一、三式:、,相减得 ,故 、。于是过 、、 的圆是
(判据:,确实是圆;圆心 、半径 。)
② 验 :
所以四点共圆,那个圆是 (圆心 、半径 )。
自检(四点逐个量到圆心的距离平方,都应是 )::;:;:;: ✓。
顺带一个必要的交代:、、 不共线( 是水平线 ,而 的纵坐标是 ),所以第 ① 步的圆存在且唯一——否则”用三点定圆”这句话就不成立。
这道题的动作:三点定圆 + 第四点回代;结论无论是”共圆”还是”不共圆”,都要把那个圆写出来。
习题 2.4 第 7 题
- 已知等腰三角形 的一个顶点为 ,底边的一个端点为 ,求底边的另一个端点 的轨迹方程,并说明它是什么图形.
先把”等腰”读准: 是顶点、 是底边,所以两腰是 与 ,等腰的意思是
① 算出腰长。
② 于是 到定点 的距离是定值——这正是圆的定义。设 :
③ 扣掉不合题意的点(这一步最容易丢分)。要真的构成一个三角形,、、 不能共线:
- 不能与 重合,即 ;
- 不能落在直线 与圆的另一个交点上。那一点是 关于 的对称点
此时 、、 三点共线( 是 的中点),三角形退化成一条线段。
所以 的轨迹方程是
它是什么图形:以 为圆心、 为半径的圆,去掉两个点(与 重合的那点,以及 的对径点)。
自检: 与 都在圆上—— ✓, ✓,所以它们确实是需要”从圆上抠掉”的点,而不是本就不在轨迹上。
这道题的动作:把几何条件翻成”到定点距离为定值”,写出圆;再回头问一句”哪些位置会让图形退化”,把它们排除。
习题 2.4 第 8 题
- 长为 的线段 的两个端点 和 分别在 轴和 轴上滑动,求线段 的中点的轨迹方程,并说明轨迹的形状.
设两套坐标(相关点法): 在 轴上、 在 轴上,中点 。这里 ,故 。
① 约束:,即
② 中点关系反解:、,于是 、。
③ 代入约束:
轨迹的形状:以原点为圆心、半径 的圆( 就是线段长的一半)。
几何上一眼可见:, 是直角三角形斜边 上的中线,所以
恒成立——中点到原点的距离压根不变,轨迹当然是圆。这条”斜边中线等于斜边一半”的初中结论,比代数推导更快,也解释了为什么答案里 出现得这么干净。
完整性说明(“轨迹”要求不多不少):圆上任一点 都取得到——过 以 为半径的那个位置,取 、 即可,且 ✓。所以轨迹是整个圆,不必去掉任何点( 或 落在原点时, 落在坐标轴上,仍在圆上)。
这道题的动作:动点由两个”带约束的点”决定 → 设两套坐标、反解、代入;能看出几何不变量的话,验算就有了。
习题 2.4 第 9 题
- 已知动点 与两个定点 , 的距离的比为 , 求动点 的轨迹方程, 并说明轨迹的形状.
把”比为 “写成等式(先去分母,避免讨论分母为零):,即
两边平方(两边都非负,平方是等价变形)。设 :
展开、整理:
配方:
轨迹的形状:以 为圆心、半径 的圆。(判据也可:、、,, ✓。)
自检(取圆上两个特殊点):
- :、,比是 ✓
- :、,比是 ✓
这两点正是 所在直线上按 的内分点与外分点,它们是这个圆的一条直径的两端。
这类轨迹有名字:到两定点距离之比为常数 的点的轨迹是一个圆,叫阿波罗尼斯圆; 时退化成两点连线的垂直平分线(那时”去分母再平方”得到的是一次方程)。答题时不必用这个名字,但要知道”比为定值”几乎一定通向圆。
这道题的动作:距离之比 → 去分母 → 两边平方 → 配方;最后一定要说清轨迹是什么图形。
习题 2.4 第 10 题
- 在平面直角坐标系中,如果点 的坐标 满足
其中 为参数. 证明:点 的轨迹是圆心为 ,半径为 的圆.
要证”轨迹是那个圆”,两个方向都得说:轨迹上的点都在圆上(不多),圆上的点都在轨迹上(不少)。设 。
① 轨迹 圆。 由参数式,
两式平方相加,用 :
所以每个满足参数式的点都在以 为圆心、 为半径的圆上。
② 圆 轨迹(这一步不能省,否则只证明了”轨迹在圆上”,也许只是一段弧)。设点 在该圆上,即 。令
则 ,即点 在单位圆上;于是存在 使 、(单位圆上的点与角一一对应)。取这个 代入参数式,得到的正是 、,即 在轨迹上。
由 ①②,点 的轨迹恰好是圆心 、半径 的圆。
这组式子的读法(比证明更值得带走): 是转过的角, 就是”从圆心出发、沿 方向走 步”。它是圆的参数方程,用处是把圆上的点写成一个参数的函数——求圆上点的最值、或需要在圆上取动点时,设 常比设 带一条约束更好算。
这道题的动作:参数方程消参用 ;证”轨迹就是某图形”要正反两个方向都写。
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由垂径定理可知,圆心 C 也在线段 AB 的垂直平分线上,所以它的坐标是方程组
的解.
解这个方程组,得
所以圆心 C 的坐标是 .
圆的半径
所以,所求圆的标准方程是
练习
- 写出下列圆的标准方程:
(1) 圆心为 ,半径是 ;
(2) 圆心为 ,且经过点 .
- 已知圆的标准方程是 ,借助计算工具计算,判断下列各点在圆上、圆外,还是在圆内.
(1) ; (2) ; (3) .
-
已知 , 两点, 求以线段 为直径的圆的标准方程, 并判断点 , , 在圆上、圆内, 还是在圆外.
-
已知 的三个顶点分别是点 , , , 求 的外接圆的标准方程.
2.4.2 圆的一般方程
思考
我们知道,方程 表示以(1,-2)为圆心,2为半径的圆.可以将此方程变形为
一般地,圆的标准方程 可以变形为
的形式. 反过来, 形如(2)的方程一定能通过恒等变形变为圆的标准方程吗?
例如,对于方程 ,对其进行配方,得 因为任意一个点的坐标 都不满足这个方程,所以这个方程不表示任何图形。所以,形如(2)的方程不一定能通过恒等变形变为圆的标准方程。这表明,形如(2)的方程不一定是圆的方程。
探究
方程 中的 满足什么条件时,这个方程表示圆?
将方程(2)的左边配方,并把常数项移到右边,得
(1)当 时,比较方程①和圆的标准方程,可以看出方程(2)表示以 为圆心, 为半径的圆;
(2) 当 时,方程(2) 只有实数解 , ,它表示一个点 ;
(3) 当 时,方程(2)没有实数解,它不表示任何图形.
因此,当 时,方程(2)表示一个圆.我们把方程(2)叫做圆的一般方程(general equation of circle).
思考
圆的标准方程与圆的一般方程各有什么特点?
例 4 求过三点 , , 的圆的方程,并求这个圆的圆心坐标和半径.
分析:将点 的坐标分别代入圆的一般方程,可得一个三元一次方程组,解方程组即可求出圆的方程.
解:设圆的方程是
因为 三点都在圆上,所以它们的坐标都是方程①的解。把它们的坐标依次代入方程①,得到关于 的一个三元一次方程组
解这个方程组,得
所以,所求圆的方程是
由前面的讨论可知,所求圆的圆心坐标是(4,-3),半径
与例 2 的方法比较, 你有什么体会?
求圆的方程常用待定系数法,其大致步骤是:
(1) 根据题意, 选择标准方程或一般方程;
(2) 根据条件列出关于 a, b, r 或 D, E, F 的方程组;
(3) 解出 a, b, r 或 D, E, F, 得到标准方程或一般方程.
例 5 已知线段 AB 的端点 B 的坐标是 ,端点 A 在圆 上运动,求线段 AB 的中点 M 的轨迹方程.
分析:如图2.4-4,点 运动引起点 运动,而点 在已知圆上运动,点 的坐标满足方程 建立点 与点 坐标之间的关系,就可以利用点 的坐标所满足的关系式得到点 的坐标满足的关系式,求出点 的轨迹方程.

解:设点 M 的坐标是 ,点 A 的坐标是 。由于点 B 的坐标是 ,且 M 是线段 AB 的中点,所以
图2.4-4
于是有
因为点 A 在圆 上运动,所以点 A 的坐标满足圆的方程,即
把①代入②,得
整理,得
• •
点 M 的轨迹方程是指点 M 的坐标 满足的关系式。轨迹是指点在运动变化过程中形成的图形。在解析几何中,我们常常把图形看作点的轨迹(集合)。
这就是点 的轨迹方程,它表示以 为圆心,半径为1的圆.
练习
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求下列各圆的圆心坐标和半径: (1) (2) (3)
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判断下列方程分别表示什么图形,并说明理由: (1) (2) (3)
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如图,在四边形 ABCD 中,AB=6,CD=3,且 ,AD=BC,AB 与 CD 间的距离为 3. 求等腰梯形 ABCD 的外接圆的方程,并求这个圆的圆心坐标和半径.

习题2.4

复习巩固
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求下列各圆的圆心坐标和半径,并画出它们的图形: (1) (2) (3) (4)
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求下列各圆的方程,并画出图形:
(1) 圆心为点 ,且过点 ;
(2) 过 , , 三点.
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已知圆 C 经过原点和点 A(2, 1),并且圆心在直线 l: x - 2y - 1 = 0 上,求圆 C 的标准方程.
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圆 C 的圆心在 x 轴上,并且过 A(-1, 1) 和 B(1, 3) 两点,求圆 C 的方程.

综合运用
- 已知圆的一条直径的端点分别是 ,,求证此圆的方程是
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平面直角坐标系中有 , , , 四点, 这四点是否在同一个圆上? 为什么?
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已知等腰三角形 的一个顶点为 ,底边的一个端点为 ,求底边的另一个端点 的轨迹方程,并说明它是什么图形.
- 长为 的线段 的两个端点 和 分别在 轴和 轴上滑动,求线段 的中点的轨迹方程,并说明轨迹的形状.

拓广探索
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已知动点 与两个定点 , 的距离的比为 , 求动点 的轨迹方程, 并说明轨迹的形状.
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在平面直角坐标系中,如果点 的坐标 满足
其中 为参数. 证明:点 的轨迹是圆心为 ,半径为 的圆.

? 阅读与思考
坐标法与数学机械化
笛卡儿开创了解析几何思想方法的先河。解析几何坐标法的形成、发展和完善,使几何问题的求解或求证能通过坐标转化为代数方程求解。同时坐标法使计算机应用到几何定理的证明中成为可能。
明确提出机器可以成为推理工具的思想,要追溯到17世纪德国数学家莱布尼茨(Leibniz,1646—1716,微积分创始人之一)。他受笛卡儿思想的启发,认为笛卡儿创立的解析几何,目的是将几何推理转化为计算。遗憾的是,由于当时的条件限制,计算仅仅是手工操作(手摇计算机),无法进行大量复杂的计算,所以用机器实现几何定理证明的想法无法实现。
20世纪以后,计算机迅速发展。计算机的发明使一些数学家又开始探讨几何定理证明机械化的可能性。1950年,波兰数学家塔斯基得到一个引人注目的结论:一切初等几何范畴中的命题都可以用机械方法判定。由于他的判定方法太复杂,在实践中没有太大的进展。1959年,美籍华裔数学家王浩(1921—1995)在这方面做出了鼓舞人心的工作,他在计算机上只用了9分钟就证明了《数学原理》(罗素和怀特海著)中的350多个命题,并第一次明确提出了“走向数学的机械化”的口号。
20世纪70年代以后,我国著名数学家吴文俊在几何定理机器证明上作出了重大贡献,并创立了“吴方法”。吴文俊是我国最具国际影响的数学家之一。他在拓扑学、自动推理、机器证明、代数几何、中国数学史、对策论等研究领域均有杰出的贡献。曾获得首届国家最高科学技术奖(2000年)、首届国家自然科学一等奖(1956年)、首届求是杰出科学家奖(1994年)、邵逸夫数学奖(2006年)、国际自动推理最高奖——埃尔布朗自动推理杰出成就奖(1997年)等。“文华逾九章,拓扑公式彪史册。俊杰胜十书,机器证明誉寰球。”是对他一生工作的高度概括。

吴文俊机器证明的思想,主要是从笛卡儿的坐标法和中国古代解方程的计算方法而来的。他认为,欧氏几何体系的特点是纯粹在空间形式间推理,或说在图形之间,或者是把数量关系归之于空间形式,
吴文俊(1919—2017),中国科学院院士,中国科学院数学与系统科学研究院研究员
或者干脆排除数量关系。另一个体系刚好与之相反,是把空间形式转化成数量关系来处理。这种考虑方式就是中国的传统,早在11世纪左右就已产生,当时引进的概念叫天元、地元等,用现在的符号就相当于引进了 , 等。用天元、地元表示某一个几何事实,那么几何对象之间的相互关系就表示成天元、地元之间的一种方程(即 , 之间的一种方程),即17世纪解析几何的坐标法。
吴文俊认为,欧氏几何体系是非机械化的,把空间形式数量化是机械化的。吴文俊说:“我从事几何定理证明时,首先取适当的坐标,于是几何定理的假设与终结通常都成为多项式方程,称之为假设方程与终结方程。满足定理假设的几何图象,就相当于假设方程组的一个解答或零点。要证明定理成立,就是要证明假设方程的零点也使终结多项式为零。”由于计算机的发展与众多数学家(特别是以吴文俊为首的一批中国数学家)的努力,在1976年与1977年之交,几何定理机器证明的梦想终于实现了。提出用计算机证明几何定理的“吴方法”,被认为是自动推理领域的先驱性工作。进入20世纪80年代以后,吴文俊和他的同行把几何定理机器证明的方法发展成为数学机械化方法。
请你查阅有关资料,进一步了解吴文俊的事迹,了解我国数学家在数学机械化方面的卓越贡献。