本题导读

本题考查圆的标准方程、弦长公式与垂径定理。核心在于几何法(坐标代数化)、函数最值法(有界性放缩)的灵活运用。

📌【题干】

Question

(1997年全国卷(理)) 设圆满足:① 截 轴所得弦长为 ;② 被 轴分成两段圆弧,其弧长的比为 .在满足条件①、②的所有圆中,求圆心到直线 的距离最小的圆的方程.

🔍【思路分析】

破题导航

设出圆的方程与基本量:设圆心为 ,半径为 。 转化条件①:圆心 到 轴的距离为 。利用垂径定理得 。 转化条件②:圆被 轴分成两段弧长之比为 ,说明较小圆弧所对的圆心角为 。由此可知,圆心到 轴的距离 、半径 与截 轴弦长的一半构成等腰直角三角形,即 。 建立代数关联:联立两条件消去 得到 与 的关系式:。 计算目标距离并求最值:用点到直线距离公式表示出距离 ,利用代数变形或参数换元确定最值时的圆心坐标,从而确定圆的方程。

✅【答案】

Success

或

✍【详细解析】

Abstract

设圆的标准方程为 ,圆心为 ,半径为 。

由条件①,根据垂径定理,有:

由条件②,较短弧所对的圆心角为 。 圆心 到 轴的距离为 ,由垂径定理及直角三角形性质可知:

联立①、②消去 ,得: 由 可得 。

圆心 到直线 的距离 为:

由③式可知 ,为使 最小, 与 显然应当同号。不妨设 ,则 。 目标代数式化为:

令 ,移项并两边平方得:

由于 有实数解,则此关于 的一元二次方程判别式 :

因为 ,所以 的最小值为 ,即 的最小值为 。 当 时,方程化为 。 代入③式得 (已设 )。 此时半径 。

根据象限对称性,当 时,同样可满足距离 取得最小值。

综上所述,所求圆的方程为:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:圆的垂径定理(线段关系坐标化表达)、点到直线的距离公式、二元二次方程条件下的最值求解。 核心方法:将几何条件转化为代数方程。通过方程有解性(判别式法 )来精确确定无理函数的最值边界。 避坑指南:

  • 弧长比为 极易被误认为是弦长比,必须转化为圆心角为 的几何特征来建立 与 的关系。
  • 在直接对分子二次型 运用判别式时,易得出 的结论,但此结论代入隐含约束 后无实数解。因此必须进行实数范围内的有效性检验或采用有界性放缩。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:本题将圆的几何性质与解析几何最值问题结合,考查圆心的隐曲线轨迹。由 可知圆心 的轨迹是一条双曲线,问题实质上是求该双曲线上的点到已知直线距离的最小值。 结论推广:若圆截 轴弦长为 ,截 轴圆弧比为 ,则圆心轨迹为双曲线 。求其上点到直线 的最短距离,均可转化为平行于已知直线的双曲线切线问题进行求解。

🔗【关联脉络】

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