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直线与圆的交点探索器

把直线代入圆的方程,开头很容易,做到一半却很容易在代数里迷路。

本页内容
  1. 怎么使用?
  2. 怎么看结果?
  3. 示例演示
  4. 有哪些假设和限制?
  5. 哪些课程解释了背后的道理?

你输入的所有内容只保存在此设备上,不会发送给我们。

直线与圆的交点探索器接受直线 Ax + By = C 和圆 (x − h)² + (y − k)² = r²。它把其中一个代入另一个,解出得到的二次方程,并告诉你直线与圆是不相交、相切还是相割。

工作过程的顺序和你在答案里写的一样,方便你与自己的作答对照。

怎么使用?

  1. 把直线输入为 A、B、C。水平线 y = 0 是 A = 0、B = 1、C = 0。竖直线 x = 2 是 A = 1、B = 0、C = 2。
  2. 输入圆心 h、k 和半径 r。
  3. 按求交点。
  4. 按重置回到示例:直线 y = 0 和圆 x² + y² = 9。

如果你手上是 y = mx + c,先把 x 项移过来。直线 y = x + 1 变成 −x + y = 1,所以 A = −1、B = 1、C = 1。

怎么看结果?

前几行显示代入后得到的二次方程:B 不为 0 时是关于 x 的方程,竖直线时是关于 y 的方程。接着是**判别式(discriminant)**及其含义:

  • 大于零:两个交点,直线是割线;
  • 等于零:一个交点,直线是切线;
  • 小于零:没有交点。

几何检查把圆心到直线的距离与半径作比较。距离小于半径表示两个交点,等于半径表示相切,大于半径表示不相交。

如果有交点,工具会列出坐标和残差表,直线和圆的残差都应约等于 0。图示按比例绘制,并标出交点。

示例演示

取直线 y = x + 1,即 A = −1、B = 1、C = 1,以及圆 x² + y² = 25,所以 h = 0、k = 0、r = 5。

代入得 2x² + 2x − 24 = 0,化简为 x² + x − 12 = 0。工具所用方程的判别式是 4 + 192 = 196,为正,所以直线与圆相交两次。

解得 x = 3 或 x = −4,对应的 y 值是 4 和 −3,所以交点是 (3, 4) 和 (−4, −3)。检验 (3, 4):3² + 4² = 25,且 4 = 3 + 1。两个残差都是 0。

圆心到直线的距离是 1/√2,约 0.7071,小于 5,与两个交点相符。

再试直线 y = 3 配示例的圆(A = 0、B = 1、C = 3)。方程是 x² = 0,判别式为零,工具报告在 (0, 3) 处相切。到直线的距离是 3,等于半径。

把 C 改成 4,判别式变为负数,就没有交点。

有哪些假设和限制?

  • A 和 B 不能同时为 0,那不是直线。
  • 半径必须大于 0。半径为零或负数都不是圆。
  • 与零极其接近的判别式会被当作零,页面上会说明容差。小于 1e-12 的残差显示为 0。
  • 答案以保留四位的小数显示,不是根式形式。考试时若题目要求,请给出精确值。
  • 工具按你输入的数值计算,不会检查你是否抄对了题目。

哪些课程解释了背后的道理?

这个主题在圆的坐标几何中。如果想让老师检查你在真实题目上的方法,请看线上一对一附加数学补习。其他工具见学习工具目录。

常见问题

怎么知道直线是不是圆的切线?

把直线代入圆,得到一个二次方程。如果判别式为零,就只有一个解,直线与圆只在一点相接,它就是切线。工具会检查这一点,同时显示圆心到直线的距离,此时这个距离等于半径。

为什么工具用 Ax + By = C 表示直线?

这种形式涵盖所有直线,包括 x = 2 这样的竖直线,而 y = mx + c 写不出竖直线。x = 2 对应 A = 1、B = 0、C = 2。如果你有 y = mx + c,就改写成 −mx + y = c,再读出 A、B、C。

残差检查是什么?

残差是把一个点代回方程,再减去右边后剩下的数。对真正的交点来说,直线和圆给出的残差都约等于 0。这和考试中用代入法检验答案是同一个习惯。

如果工具显示一个很小的数,而不是正好 0,怎么办?

计算器和电脑存储小数时会有微小的舍入误差。工具把低于极小容差的残差当作 0,并在页面上说明容差。在自己的作答中,用根式写出精确答案可以避免这个问题,所以要留意题目是否要求精确形式。

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