已知圆C1\mathbf{C}_{\mathbf{1}}:x2+y2-6x-6=0\mathbf{x}^{\mathbf{2}}\mathbf{\text{+}}\mathbf{y}^{\mathbf{2}}\mathbf{\text{-}6}\mathbf{x\text{-}6\text{=}0},圆C2\mathbf{C}_{\mathbf{2}}:x2+y2-4y-6=0.(1)\mathbf{x}^{\mathbf{2}}\mathbf{\text{+}}\mathbf{y}^{\mathbf{2}}\mathbf{\text{-}4}\mathbf{y\text{-}6\text{=}0}.(1)试判断两圆的位置关系; (2)求公共弦所在直线的方程; (3)求公共弦的长度.

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完整解法

(1)

1. 将两圆的方程化为标准方程以求出圆心和半径

将圆 C1C_1 的方程 x2+y2−6x−6=0x^2 + y^2 - 6x - 6 = 0 进行配方,得:
(x−3)2+y2=15(x-3)^2 + y^2 = 15
故圆 C1C_1 的圆心为 O1(3,0)O_1(3, 0),半径 r1=15r_1 = \sqrt{15}。

将圆 C2C_2 的方程 x2+y2−4y−6=0x^2 + y^2 - 4y - 6 = 0 进行配方,得:
x2+(y−2)2=10x^2 + (y-2)^2 = 10
故圆 C2C_2 的圆心为 O2(0,2)O_2(0, 2),半径 r2=10r_2 = \sqrt{10}。

2. 求两圆的圆心距

利用两点间距离公式,求圆心 O1(3,0)O_1(3, 0) 与 O2(0,2)O_2(0, 2) 之间的距离 dd:
d=∣O1O2∣=(3−0)2+(0−2)2=13d = |O_1 O_2| = \sqrt{(3-0)^2 + (0-2)^2} = \sqrt{13}

3. 通过比较圆心距与两圆半径之和及差的大小来判断位置关系

因为 r1=15≈3.87r_1 = \sqrt{15} \approx 3.87,r2=10≈3.16r_2 = \sqrt{10} \approx 3.16,圆心距 d=13≈3.61d = \sqrt{13} \approx 3.61。
显然有:
15−10<13<15+10\sqrt{15} - \sqrt{10} < \sqrt{13} < \sqrt{15} + \sqrt{10}
即 ∣r1−r2∣<d<r1+r2|r_1 - r_2| < d < r_1 + r_2。
所以两圆的位置关系为相交。

答案

两圆相交

(2)

1. 利用两圆方程相减求出公共弦所在直线的方程

将圆 C1C_1 与圆 C2C_2 的一般方程联立并相减:
(x2+y2−6x−6)−(x2+y2−4y−6)=0(x^2 + y^2 - 6x - 6) - (x^2 + y^2 - 4y - 6) = 0
化简可得:
−6x+4y=0-6x + 4y = 0
即:
3x−2y=03x - 2y = 0
所以公共弦所在直线的方程为 3x−2y=03x - 2y = 0。

答案

3x−2y=03x - 2y = 0

(3)

1. 求其中一个圆的圆心到公共弦所在直线的距离

选择圆 C1C_1 的圆心 O1(3,0)O_1(3, 0),求其到公共弦所在直线 3x−2y=03x - 2y = 0 的距离 dd:
d=∣3×3−2×0∣32+(−2)2=913d = \frac{|3 \times 3 - 2 \times 0|}{\sqrt{3^2 + (-2)^2}} = \frac{9}{\sqrt{13}}

2. 利用勾股定理和垂径定理求出公共弦的长度

在直角三角形中,由垂径定理和勾股定理可知,半弦长为:
r12−d2=15−(913)2=15−8113=11413\sqrt{r_1^2 - d^2} = \sqrt{15 - \left(\frac{9}{\sqrt{13}}\right)^2} = \sqrt{15 - \frac{81}{13}} = \sqrt{\frac{114}{13}}
因此,公共弦长 ll 为:
l=211413=2148213=2148213l = 2\sqrt{\frac{114}{13}} = 2\frac{\sqrt{1482}}{13} = \frac{2\sqrt{1482}}{13}

答案

2148213\frac{2\sqrt{1482}}{13}

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