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直线与圆、圆与圆的位置关系

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 11:35的版本 (补充空间向量、直线与圆及圆锥曲线的原创图解与推导)
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直线与圆、圆与圆的位置关系可用“距离与半径比较”判断。比较之前先读出圆心和正半径;若方程根本不是一个实圆,切线、交点数的判据便无从使用。

直线与圆:圆心到直线的距离

圆心 C 到直线 L 的垂足为 H,记 CH=d。直线上的任意点 P 满足直角三角形关系 CP2=CH2+HP2=d2+HP2。要求 CP=r,便是 HP2=r2−d2:右边正、零、负时,分别有两个、一个、零个交点。一个交点的直线称为切线,其切点正是 H。

同一圆的割线、切线和外离直线,圆心到各直线的垂距分别小于、等于、大于半径
比较的是圆心到整条直线的最短距离,不是图上随意选一段斜线。

例如圆 x2+y2=25 半径为 5。直线 y=3 的距离为 3,代入圆方程得 x2=16,交点 (±4,3);y=5 在 (0,5) 相切;y=6 没有交点。斜线 3x+4y=25 到原点的距离是 25/32+42=5,切点为 (3,4),因为它既满足直线又满足圆方程。

圆与割线相交两点时,垂足 H 是公共弦的中点。这来自上面的式子:以 H 为原点沿直线量取的有符号坐标分别为 ±r2−d2,两个交点在 H 的两侧,故弦长为 2r2−d2。例如 x2+y2=25 被 y=3 截出的弦长为 225−9=8,恰与两交点横坐标之差 4−(−4) 相同。这个垂足辅助线把“交点数”和“弦长”接在同一个直角三角形里。

两个圆:沿圆心连线比较

两圆的半径 r1,r2>0,圆心距离 d>0。若有公共点 P,三角形边长 r1,r2,d 必须满足 |r1−r2|≤d≤r1+r2。严格处于两界之间时有两个交点;等于上界为外切,等于下界为内切;超过上界是外离,低于下界是一圆完全在另一圆内、边界不相交。这里 d=0 要另算:半径相等时两圆重合、公共点无穷多;半径不等时没有公共点。

两圆 x2+y2=25 与 (x−6)2+y2=9 的圆心距为 6,半径为 5 和 3。因 2<6<8,有两个交点。两式相减得 −12x+36=9−25=−16,故 x=13/3;代回第一式得 y=±214/3。由此既有位置判定,也有可核对的交点坐标。把第二个圆的圆心改为 (8,0),圆心距变为半径和 8,两圆仅在 (5,0) 外切。

交点数与方程

联立直线与圆的方程消去一个变量,会得到一元二次方程;判别式的正、零、负与距离判据的三种情形一致。距离判据更直接地给出几何理由,消元法适合求精确坐标。圆与圆联立时,两圆方程相减消去 x2+y2,得到公共弦所在直线,再与任一圆求交。这条直线在两圆不相交时仍可能存在代数表达,却没有真实的公共弦。

参考资料