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圆、切线、弦与直线系

基础更新于 2026-09-29

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圆的几何定义是到定点距离相等,方程和点线距离因此可以直接互相使用。

圆的定义、方程与直线的位置关系

平面内到定点 O=(a,b)O=(a,b) 的距离等于定长 R>0R>0 的点的集合称为圆。OO 为圆心,RR 为半径。由距离公式,圆的标准方程为

(x−a)2+(y−b)2=R2.(x-a)^2+(y-b)^2=R^2.

参数方程为 x=a+Rcos⁡t,y=b+Rsin⁡tx=a+R\cos t,y=b+R\sin t,t∈[0,2π)t\in[0,2\pi)。代入标准方程验证每个参数给出圆上点;反过来,圆上任一点的单位方向都对应一个这样的角,所以参数式覆盖整个圆。

一般方程 x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2+y^2+Dx+Ey+F=0 配方得到

(x+D2)2+(y+E2)2=D2+E2−4F4.\left(x+\frac D2\right)^2+\left(y+\frac E2\right)^2 =\frac{D^2+E^2-4F}{4}.

右侧为正时是圆,圆心 (−D/2,−E/2)(-D/2,-E/2),半径 D2+E2−4F/2\sqrt{D^2+E^2-4F}/2;右侧为零时只有一个点;右侧为负时没有实点。

用圆心到直线的距离判断交点

设圆心到直线 ll 的距离为 dd。若 d<Rd<R,直线与圆交于两点;若 d=Rd=R,相切于一点;若 d>Rd>R,没有交点。

依据。 令垂足为 HH。直线上任一点 PP 满足 OP2=d2+HP2OP^2=d^2+HP^2。要求 OP=ROP=R,等价于 HP2=R2−d2HP^2=R^2-d^2。右侧的正、零、负分别给出两个、一个、零个位置。

相交时 HH 为弦中点,弦长为

2R2−d2.2\sqrt{R^2-d^2}.

该推理也说明,当直线经过圆心时弦为直径,长度为 2R2R。

从一般方程识别圆及其退化情形

方程 x2+y2−4x+6y+c=0x^2+y^2-4x+6y+c=0 配方为 (x−2)2+(y+3)2=13−c(x-2)^2+(y+3)^2=13-c。因此 c<13c<13 时是圆心 (2,−3)(2,-3)、半径 13−c\sqrt{13-c} 的圆;c=13c=13 时只有一点;c>13c>13 时没有实点。

方程中 x2,y2x^2,y^2 的系数相同且无 xyxy 项,只说明可能化为这种形式,还须检查半径平方为正。用三点确定圆时,三个点必须不共线;将三个点代入一般式解出 D,E,FD,E,F 后,也应回代并检查圆的存在性。

圆上一点的切线与圆外点的切线长

设 P=(x0,y0)P=(x_0,y_0) 在圆 (x−a)2+(y−b)2=R2(x-a)^2+(y-b)^2=R^2 上。切线经过 PP 且垂直半径 OPOP,所以切线上点 X=(x,y)X=(x,y) 满足

(x0−a)(x−x0)+(y0−b)(y−y0)=0.(x_0-a)(x-x_0)+(y_0-b)(y-y_0)=0.

利用 (x0−a)2+(y0−b)2=R2(x_0-a)^2+(y_0-b)^2=R^2,化为

(x0−a)(x−a)+(y0−b)(y−b)=R2.(x_0-a)(x-a)+(y_0-b)(y-b)=R^2.

例如圆 x2+y2=25x^2+y^2=25 在 (3,4)(3,4) 处的切线是 3x+4y=253x+4y=25。圆上点条件是这个切线公式的前提。

对一般圆 x2+y2+Dx+Ey+F=0x^2+y^2+Dx+Ey+F=0,等价的切线表达式为

x0x+y0y+D2(x+x0)+E2(y+y0)+F=0.x_0x+y_0y+\frac D2(x+x_0)+\frac E2(y+y_0)+F=0.

圆幂与切线长

任意点 PP 关于圆的幂定义为 OP2−R2OP^2-R^2;在一般圆方程中等于 x02+y02+Dx0+Ey0+Fx_0^2+y_0^2+Dx_0+Ey_0+F。它可为正、零、负,分别对应圆外、圆上、圆内。

当 PP 在圆外,从 PP 作切线,切点为 TT。由于 OT⊥PTOT\perp PT,有

PT2=OP2−R2.PT^2=OP^2-R^2.

所以圆幂在圆外等于切线长的平方。圆内没有实切线,不能把负的圆幂解释为实长度的平方。切点弦与根轴见本页后续章节。

两圆的位置关系

两圆半径 r1,r2>0r_1,r_2>0、圆心距 dd 时:

条件 位置关系
d>r1+r2d>r_1+r_2 外离,无交点
d=r1+r2d=r_1+r_2 外切,一交点
∣r1−r2∣<d<r1+r2\lvert r_1-r_2\rvert<d<r_1+r_2 相交,两交点
d=∣r1−r2∣>0d=\lvert r_1-r_2\rvert>0 内切,一交点
0≤d<∣r1−r2∣0\le d<\lvert r_1-r_2\rvert 内含,无交点;d=0d=0 为不同半径同心圆
d=0,r1=r2d=0,r_1=r_2 重合,无穷多交点

当 d>0d>0 时,若交点不在圆心连线上,三条边 r1,r2,dr_1,r_2,d 必须满足严格三角不等式;反过来,满足这些不等式就能在圆心连线两侧各作出一个三角形,得到恰好两个交点。等号时三点共线,只有一个切点。若三角不等式不成立,则没有交点。d=0d=0 时直接比较半径,得到同心异径和重合两种情形。

根轴及三圆根轴的退化条件

点 PP 关于圆心 OO、半径 rr 的圆的幂为 PO2−r2PO^2-r^2。对不同心两圆

Ci=x2+y2+Dix+Eiy+Fi=0,C_i=x^2+y^2+D_ix+E_iy+F_i=0,

等幂点轨迹是直线

(D1−D2)x+(E1−E2)y+F1−F2=0,(D_1-D_2)x+(E_1-E_2)y+F_1-F_2=0,

称根轴;它垂直圆心连线。相交时根轴为公共弦所在直线,相切时为公共切线。

同心异径两圆没有等幂点,重合两圆所有点等幂,故均不能说有一条唯一根轴。

三圆满足根轴方程相加关系 (C1−C2)+(C2−C3)=C1−C3(C_1-C_2)+(C_2-C_3)=C_1-C_3。若两根轴相交,其交点必在第三条根轴上;若互不重合且没有交点,则三根轴平行;也可能三根轴重合。上述三条根轴的讨论要求三对圆都不同心;同心情形应按前段另行判断。

拓展:直线系与两圆公共弦

两条相交直线 L1=0,L2=0L_1=0,L_2=0 的过交点直线可写 λL1+μL2=0\lambda L_1+\mu L_2=0,其中 (λ,μ)≠(0,0)(\lambda,\mu)\ne(0,0)。若写成 L1+tL2=0L_1+tL_2=0,会遗漏 L2=0L_2=0。

两圆相减消去二次项得到根轴;两圆相交时它是公共弦所在直线。根轴存在不等于两圆必相交,还需检查公共点。

圆的弦长与切线的两种算法

圆 (x−1)2+(y+2)2=25(x-1)^2+(y+2)^2=25 被直线 3x+4y=03x+4y=0 截得的弦长:圆心到直线距离 d=∣3−8∣/5=1d=|3-8|/5=1,由垂径定理得到 L=225−1=46L=2\sqrt{25-1}=4\sqrt6。不必先求两个交点。

对单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1,过点 (1,2)(1,2) 求切线时,斜截式 y−2=k(x−1)y-2=k(x-1) 给出 ∣2−k∣/k2+1=1|2-k|/\sqrt{k^2+1}=1,解得 k=3/4k=3/4;还须补上竖直切线 x=1x=1。两条切线分别为 3x−4y+5=03x-4y+5=0 与 x=1x=1。圆上点的切线公式与圆外点的两条切线是两个不同问题。

圆上动点距离和线性式的范围

圆心为 C=(a,b)C=(a,b)、半径为 r>0r>0,定点 QQ 到圆心距离为 dd。圆上点 PP 到 QQ 的距离满足

∣d−r∣≤PQ≤d+r.|d-r|\le PQ\le d+r.

两端可在圆心与定点连线上取得;当 Q=CQ=C 时所有距离均为 rr。若 PP 在闭圆盘内而非圆周上,最小距离变为 max⁡(d−r,0)\max(d-r,0)。

对于线性式 ux+vyux+vy,写成 ua+vb+(u,v)⋅(x−a,y−b)ua+vb+(u,v)\cdot(x-a,y-b)。柯西不等式给出范围

ua+vb−ru2+v2≤ux+vy≤ua+vb+ru2+v2.ua+vb-r\sqrt{u^2+v^2}\le ux+vy\le ua+vb+r\sqrt{u^2+v^2}.

若 (u,v)≠(0,0)(u,v)\ne(0,0),取半径向量与 (u,v)(u,v) 同向或反向即可取得两端;若二者均为零,目标恒为零。

圆上点到直线的距离范围

圆心 CC 到直线 ll 的距离为 d≥0d\ge0,圆半径为 r>0r>0。圆上点到直线的距离最大值是 d+rd+r,最小值是

max⁡{d−r,0}.\max\{d-r,0\}.

取垂直于 ll 的单位法向量,圆上点相对圆心的有向投影范围为 [−r,r][-r,r],故到直线的有向距离在 [d−r,d+r][d-r,d+r] 内变化;再取绝对值即得。

直线割圆或切圆时最小距离为零,不能仍写成 d−rd-r。例如单位圆到 x=1/2x=1/2 的距离范围是 [0,3/2][0,3/2]。与之不同,圆上点到一个固定点 QQ 的距离最小值是 ∣CQ−r∣|CQ-r|,要区分目标是点还是直线。

最大张角的一个坐标模型

在同一射线上固定 A=(a,0),B=(b,0)A=(a,0),B=(b,0),其中 0<a<b0<a<b。另一条射线与它成角 φ∈(0,π)\varphi\in(0,\pi),动点 P=t(cos⁡φ,sin⁡φ)P=t(\cos\varphi,\sin\varphi),t>0t>0。令 θ=∠APB∈(0,π)\theta=\angle APB\in(0,\pi)。

由两向量的数量积和面积公式,

cot⁡θ=t2−(a+b)tcos⁡φ+ab(b−a)tsin⁡φ=t+ab/t−(a+b)cos⁡φ(b−a)sin⁡φ.\cot\theta=\frac{t^2-(a+b)t\cos\varphi+ab}{(b-a)t\sin\varphi} =\frac{t+ab/t-(a+b)\cos\varphi}{(b-a)\sin\varphi}.

分母为正,且 t+ab/t≥2abt+ab/t\ge2\sqrt{ab},等号仅在 t=abt=\sqrt{ab}。由于余切在 (0,π)(0,\pi) 严格递减,张角在 OP=OA⋅OBOP=\sqrt{OA\cdot OB} 时最大。

这对应经过 A,B,PA,B,P 的圆与动点所在射线相切的构型。若动点只允许在线段上运动,还要检查 ab\sqrt{ab} 是否在允许区间;否则比较区间端点。两定点在射线异侧、动点与定点重合等情况都不属于本模型,不能直接套结论。

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先修:直线方程、夹角与距离 · 二次函数、方程与不等式。

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