24.6 Równanie okręgu. Wzajemne położenie prostej i okręgu
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Sprawdź, czy punkty P(2, 8), Q(0, 0) należą do okręgu o środku w punkcie S(2, 3) i promieniu 5.
a) Punkt P(2, 8) należy do okręgu o środku S(2, 3) i promieniu 5
b) Punkt Q(0, 0) nie należy do okręgu o środku S(2, 3) i promieniu 5
Równanie okręgu o środku $S(a, b)$ i promieniu $r$ ma postać:\[ (x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2 \]Dla podanych danych, środek okręgu to $S(2, 3)$ i promień $r = 5$. Zatem równanie okręgu ma postać:\[ (x - 2)^2 + (y - 3)^2 = 5^2 \]\[ (x - 2)^2 + (y - 3)^2 = 25 \]a) Sprawdzenie punktu P(2, 8):
Aby sprawdzić, czy punkt P należy do okręgu, podstawiamy jego współrzędne $x = 2$ i $y = 8$ do równania okręgu.\[ (2 - 2)^2 + (8 - 3)^2 \]\[ (0)^2 + (5)^2 \]\[ 0 + 25 \]\[ 25 \]Ponieważ lewa strona równania jest równa $25$, co jest zgodne z prawą stroną równania okręgu, punkt P(2, 8) należy do okręgu.
b) Sprawdzenie punktu Q(0, 0):
Podstawiamy współrzędne punktu Q: $x = 0$ i $y = 0$ do równania okręgu.\[ (0 - 2)^2 + (0 - 3)^2 \]\[ (-2)^2 + (-3)^2 \]\[ 4 + 9 \]\[ 13 \]Ponieważ lewa strona równania wynosi $13$, co jest różne od prawej strony równania okręgu ($25$), punkt Q(0, 0) nie należy do okręgu.
Zadanie 2 (3 pkt)
Wyznacz środek i promień okręgu opisanego równaniem:
a) $x^2 + y^2 + 8x - 4y + 4 = 0$
b) $x^2 + y^2 + 2x - 6y - 6 = 0$
a) Środek okręgu wynosi $(-4, 2)$, a promień $4$.
b) Środek okręgu wynosi $(-1, 3)$, a promień $4$.
Wzór ogólny okręgu to $x^2 + y^2 + Ax + By + C = 0$. Środek okręgu $(a, b)$ wyznaczamy ze wzorów $a = -A/2$, $b = -B/2$. Promień $r$ wyznaczamy ze wzoru $r = \sqrt{a^2 + b^2 - C}$.a) Obliczenie środka i promienia dla $x^2 + y^2 + 8x - 4y + 4 = 0$:Z równania odczytujemy współczynniki:\[A = 8, B = -4, C = 4\]Obliczamy współrzędne środka $(a, b)$:\[a = -\frac{A}{2}\]\[a = -\frac{8}{2}\]\[a = -4\]\[b = -\frac{B}{2}\]\[b = -\frac{-4}{2}\]\[b = 2\]Środek okręgu to $(-4, 2)$.Obliczamy promień $r$:\[r = \sqrt{a^2 + b^2 - C}\]\[r = \sqrt{(-4)^2 + (2)^2 - 4}\]\[r = \sqrt{16 + 4 - 4}\]\[r = \sqrt{16}\]\[r = 4\]b) Obliczenie środka i promienia dla $x^2 + y^2 + 2x - 6y - 6 = 0$:Z równania odczytujemy współczynniki:\[A = 2, B = -6, C = -6\]Obliczamy współrzędne środka $(a, b)$:\[a = -\frac{A}{2}\]\[a = -\frac{2}{2}\]\[a = -1\]\[b = -\frac{B}{2}\]\[b = -\frac{-6}{2}\]\[b = 3\]Środek okręgu to $(-1, 3)$.Obliczamy promień $r$:\[r = \sqrt{a^2 + b^2 - C}\]\[r = \sqrt{(-1)^2 + (3)^2 - (-6)}\]\[r = \sqrt{1 + 9 + 6}\]\[r = \sqrt{16}\]\[r = 4\]
Zadanie 3 (4 pkt)
Sprawdź, czy prosta $k: x - y + 1 = 0$ ma punkty wspólne z okręgiem o: $(x - 1)^2 + (y - 2)^2 = 10$. Jeśli tak, wyznacz je.
Prosta ma dwa punkty wspólne z okręgiem. Współrzędne tych punktów to $P_1 = (1 + \sqrt{5}, 2 + \sqrt{5})$ oraz $P_2 = (1 - \sqrt{5}, 2 - \sqrt{5})$.
Równanie prostej k: $x - y + 1 = 0$. Wyznaczamy z niego $y$: $y = x + 1$.Równanie okręgu o: $(x - 1)^2 + (y - 2)^2 = 10.$Podstawiamy wyrażenie na $y$ z równania prostej do równania okręgu:\[ (x - 1)^2 + ((x + 1) - 2)^2 = 10 \]\[ (x - 1)^2 + (x - 1)^2 = 10 \]\[ 2(x - 1)^2 = 10 \]\[ (x - 1)^2 = 5 \]Pierwiastkujemy obie strony równania:\[ x - 1 = \pm \sqrt{5} \]Rozwiązania dla $x$:\[ x_1 = 1 + \sqrt{5} \]\[ x_2 = 1 - \sqrt{5} \]Obliczamy odpowiadające współrzędne $y$, korzystając z $y = x + 1$:
Dla $x_1 = 1 + \sqrt{5}$:\[ y_1 = (1 + \sqrt{5}) + 1 \]\[ y_1 = 2 + \sqrt{5} \]Dla $x_2 = 1 - \sqrt{5}$:\[ y_2 = (1 - \sqrt{5}) + 1 \]\[ y_2 = 2 - \sqrt{5} \]Punkty wspólne to $P_1 (1 + \sqrt{5}, 2 + \sqrt{5})$ i $P_2 (1 - \sqrt{5}, 2 - \sqrt{5})$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz równania prostych stycznych do okręgu o równaniu $(x-2)^2 + (y+1)^2 = 18$, które tworzą z osią $OX$ kąt $45^\circ$.
Równania prostych stycznych to $y = x + 3$ oraz $y = x - 9$.
1. Wyznaczenie środka i promienia okręgu:
Okrąg ma równanie:\[ (x-2)^2 + (y+1)^2 = 18 \]Zatem środek okręgu to $S(2, -1)$.
Promień okręgu $r$ wynosi:\[ r^2 = 18 \]\[ r = \sqrt{18} = 3\sqrt{2} \]2. Wyznaczenie współczynnika kierunkowego stycznej:
Prosta styczna tworzy z osią $OX$ kąt $\alpha = 45^\circ$. Współczynnik kierunkowy $a$ wynosi:\[ a = \tan(\alpha) = \tan(45^\circ) = 1 \]3. Ogólne równanie stycznej:
Równanie prostej w postaci kierunkowej to $y = ax + b$. Podstawiając $a=1$ otrzymujemy:\[ y = x + b \]Przekształcamy to równanie do postaci ogólnej $Ax + By + C = 0$:\[ x - y + b = 0 \]4. Wyznaczenie wartości parametru b korzystając ze wzoru na odległość punktu od prostej:
Wzór na odległość $d$ punktu $(x_0, y_0)$ od prostej $Ax + By + C = 0$ to:\[ d = \frac{|Ax_0 + By_0 + C|}{\sqrt{A^2 + B^2}} \]Środek okręgu $S(2, -1)$ to $(x_0, y_0) = (2, -1)$. Równanie prostej to $x - y + b = 0$, więc $A=1$, $B=-1$, $C=b$. Odległość $d$ musi być równa promieniowi $r = 3\sqrt{2}$.\[ 3\sqrt{2} = \frac{|1 \cdot 2 + (-1) \cdot (-1) + b|}{\sqrt{1^2 + (-1)^2}} \]\[ 3\sqrt{2} = \frac{|2 + 1 + b|}{\sqrt{1+1}} \]\[ 3\sqrt{2} = \frac{|3 + b|}{\sqrt{2}} \]Mnożymy obie strony przez $\sqrt{2}$:\[ 3\sqrt{2} \cdot \sqrt{2} = |3 + b| \]\[ 6 = |3 + b| \]5. Rozwiązanie równania z wartością bezwzględną:
Mamy dwie możliwości dla wyrażenia $|3 + b| = 6$:
a)\[ 3 + b = 6 \]\[ b = 6 - 3 \]\[ b = 3 \]b)\[ 3 + b = -6 \]\[ b = -6 - 3 \]\[ b = -9 \]6. Zapisanie równań stycznych:
Podstawiając wyznaczone wartości $b$ do równania $y = x + b$ otrzymujemy równania dwóch stycznych:
Dla $b = 3$:\[ y = x + 3 \]Dla $b = -9$:\[ y = x - 9 \]
Zadanie 5 (5 pkt)
Napisz równanie okręgu przechodzącego przez punkty: A(2, 0), B(3, 3), C(-1, 1)
Równanie okręgu przechodzącego przez podane punkty to $(x-1)^2 + (y-2)^2 = 5$.
Ogólne równanie okręgu ma postać $x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0$.
a) Podstawienie punktu A(2, 0):\[ 2^2 + 0^2 + D \cdot 2 + E \cdot 0 + F = 0 \]\[ 4 + 2D + F = 0 \]b) Podstawienie punktu B(3, 3):\[ 3^2 + 3^2 + D \cdot 3 + E \cdot 3 + F = 0 \]\[ 9 + 9 + 3D + 3E + F = 0 \]\[ 18 + 3D + 3E + F = 0 \]c) Podstawienie punktu C(-1, 1):\[ (-1)^2 + 1^2 + D \cdot (-1) + E \cdot 1 + F = 0 \]\[ 1 + 1 - D + E + F = 0 \]\[ 2 - D + E + F = 0 \]Zapisanie układu trzech równań z trzema niewiadomymi D, E, F:\[ \begin{cases} 2D + F = -4 \\ 3D + 3E + F = -18 \\ -D + E + F = -2 \end{cases} \]Wyrażenie F z pierwszego równania:\[ F = -4 - 2D \]Podstawienie F do drugiego równania:\[ 3D + 3E + (-4 - 2D) = -18 \]\[ D + 3E - 4 = -18 \]\[ D + 3E = -14 \]Podstawienie F do trzeciego równania:\[ -D + E + (-4 - 2D) = -2 \]\[ -3D + E - 4 = -2 \]\[ -3D + E = 2 \]Zapisanie układu dwóch równań z dwiema niewiadomymi D, E:\[ \begin{cases} D + 3E = -14 \\ -3D + E = 2 \end{cases} \]Wyrażenie E z drugiego równania układu D, E:\[ E = 2 + 3D \]Podstawienie E do pierwszego równania układu D, E:\[ D + 3 \cdot (2 + 3D) = -14 \]\[ D + 6 + 9D = -14 \]\[ 10D = -14 - 6 \]\[ 10D = -20 \]\[ D = \frac{-20}{10} \]\[ D = -2 \]Obliczenie E:\[ E = 2 + 3 \cdot (-2) \]\[ E = 2 - 6 \]\[ E = -4 \]Obliczenie F:\[ F = -4 - 2D \]\[ F = -4 - 2 \cdot (-2) \]\[ F = -4 + 4 \]\[ F = 0 \]Zapisanie równania okręgu w postaci ogólnej:\[ x^2 + y^2 - 2x - 4y + 0 = 0 \]\[ x^2 + y^2 - 2x - 4y = 0 \]Przekształcenie do postaci kanonicznej przez uzupełnienie do pełnego kwadratu:\[ (x^2 - 2x + 1) - 1 + (y^2 - 4y + 4) - 4 = 0 \]\[ (x-1)^2 + (y-2)^2 - 5 = 0 \]\[ (x-1)^2 + (y-2)^2 = 5 \]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Sprawdź, czy punkty P(5, 6), Q(8, 0) należą do okręgu o środku w punkcie S(-1, -2) i promieniu 10.
a) Punkt P(5, 6) należy do okręgu o środku S(-1, -2) i promieniu 10
b) Punkt Q(8, 0) nie należy do okręgu o środku S(-1, -2) i promieniu 10
Zadanie 2 (3 pkt)
Wyznacz środek i promień okręgu opisanego równaniem:
a) $x^2 + y^2 - 10x + 6y + 18 = 0$
b) $x^2 + y^2 - 4x + 10y - 7 = 0$
a) Środek okręgu wynosi $(5, -3)$, a promień $4$.
b) Środek okręgu wynosi $(2, -5)$, a promień $6$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Sprawdź, czy prosta $k: 2x + y - 1 = 0$ ma punkty wspólne z okręgiem o: $(x + 1)^2 + (y - 1)^2 = 8$. Jeśli tak, wyznacz je.
Prosta ma dwa punkty wspólne z okręgiem. Współrzędne tych punktów to $P_1 = (1, -1)$ oraz $P_2 = \left(-\frac{7}{5}, \frac{19}{5}\right)$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz równania prostych stycznych do okręgu o równaniu $(x-4)^2 + (y+3)^2 = 50$, które tworzą z osią $OX$ kąt $135^\circ$.
Równania prostych stycznych to $y = -x - 9$ oraz $y = -x + 11$.
Zadanie 5 (5 pkt)
Napisz równanie okręgu przechodzącego przez punkty: A(1, 0), B(2, 4), C(-2, 0)
Równanie okręgu przechodzącego przez podane punkty to $(x + \frac{1}{2})^2 + (y - \frac{5}{2})^2 = \frac{17}{2}$.
