2.3 Intersections of Straight Lines and Circles

教材内容

2.3 直线与圆的交点

在本节中,我们将学习如何求直线与圆的交点坐标。通过将直线方程代入圆的方程,我们可以得到一个二次方程,通过判别式可以判断交点的个数。这种方法将代数运算与几何直观相结合,是解析几何中的重要内容。

定义

直线与圆的交点:同时满足直线方程和圆方程的点的坐标。

核心要点

求直线与圆交点的步骤:

1. 将直线方程表示为y = mx + c或x = k的形式

2. 将直线方程代入圆的方程

3. 得到关于x(或y)的二次方程

4. 使用判别式分析交点个数

5. 求解二次方程得到交点坐标

对于直线 \(y = mx + c\) 和圆 \((x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2\)

代入得到:\((x - a)^2 + (mx + c - b)^2 = r^2\)

展开后得到关于x的二次方程:\(Ax^2 + Bx + C = 0\)

判别式 \(\Delta = B^2 - 4AC\) 决定交点个数:\(\Delta > 0\)(2个交点),\(\Delta = 0\)(1个交点),\(\Delta < 0\)(无交点)

示例1:求直线与圆的交点坐标

题目:求直线 \(y = x + 3\) 与圆 \(x^2 + y^2 = 29\) 的交点坐标。

解答

将直线方程代入圆的方程:

\(x^2 + (x + 3)^2 = 29\)

\(x^2 + x^2 + 6x + 9 = 29\)

\(2x^2 + 6x - 20 = 0\)

\(x^2 + 3x - 10 = 0\)

\((x + 5)(x - 2) = 0\)

所以 \(x = -5\) 或 \(x = 2\)

当 \(x = -5\) 时,\(y = -5 + 3 = -2\)

当 \(x = 2\) 时,\(y = 2 + 3 = 5\)

答案:交点坐标为 \((-5, -2)\) 和 \((2, 5)\)

示例2:证明直线与圆不相交

题目:证明直线 \(y = 2x - 5\) 与圆 \(x^2 + y^2 = 4\) 不相交。

解答

将直线方程代入圆的方程:

\(x^2 + (2x - 5)^2 = 4\)

\(x^2 + 4x^2 - 20x + 25 = 4\)

\(5x^2 - 20x + 21 = 0\)

计算判别式:

\(\Delta = (-20)^2 - 4(5)(21) = 400 - 420 = -20\)

因为 \(\Delta = -20 < 0\),所以方程无实数解。

结论:直线与圆不相交。

关键点

  • 通过方程联立求解交点坐标
  • 判别式决定交点个数:\(\Delta > 0\)(2个),\(\Delta = 0\)(1个),\(\Delta < 0\)(0个)
  • 几何意义:判别式结果对应直线与圆的位置关系
  • 求解步骤:代入→展开→整理→判别→求解

注意

在求解直线与圆交点时,要注意:1)正确代入方程;2)仔细展开和整理;3)准确计算判别式;4)验证解的正确性。

学习检查点

通过本节的学习,你应该能够: