Skip to content
Home » บทความ » วงกลมในเรขาคณิตวิเคราะห์

วงกลมในเรขาคณิตวิเคราะห์

วงกลมในเรขาคณิตวิเคราะห์

ในทางเรขาคณิตวิเคราะห์ วงกลมไม่ได้เป็นเพียงแค่รูปร่างที่น้องๆ วาดขึ้นมาเท่านั้น แต่เราสามารถอธิบายวงกลมด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ได้ ทำให้เราสามารถวิเคราะห์คุณสมบัติและตำแหน่งของวงกลมในระบบพิกัดฉากได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับบทเรียนอื่นๆ ในระดับที่สูงขึ้นไปครับ

นิยามของวงกลม

วงกลมคือ เซตของจุดทั้งหมดในระนาบที่มีระยะห่างจากจุดตรึงอยู่กับที่จุดหนึ่งเป็นระยะทางคงที่เสมอ ครับ

  • จุดตรึงอยู่กับที่นั้น เราเรียกว่า จุดศูนย์กลาง (Center) ของวงกลม
  • ระยะทางคงที่นั้น เราเรียกว่า รัศมี (Radius) ของวงกลม

จากนิยามนี้ เราจะสามารถสร้างสมการของวงกลมขึ้นมาได้ โดยใช้สูตรระยะห่างระหว่างจุดสองจุดในระบบพิกัดฉากครับ

สมการมาตรฐานของวงกลม

สมการมาตรฐานของวงกลม เป็นรูปแบบที่เรามักจะใช้ในการบอกจุดศูนย์กลางและรัศมีของวงกลมได้อย่างง่ายดายครับ

สมมติว่าวงกลมมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ ( h , k ) (h,k) และมีรัศมียาว r r หน่วยแล้ว จุด ( x , y ) (x,y) ใดๆ ที่อยู่บนวงกลมจะมีระยะห่างจาก ( h , k ) (h,k) เป็น r r เสมอ

จากสูตรระยะห่างระหว่างจุด ( x 1 , y 1 ) (x_1, y_1) และ ( x 2 , y 2 ) (x_2, y_2) คือ ( x 2 − x 1 ) 2 + ( y 2 − y 1 ) 2 sqrt{(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2} เราจึงได้ว่า

( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r sqrt{(x-h)^2 + (y-k)^2} = r

ยกกำลังสองทั้งสองข้าง จะได้เป็น สมการมาตรฐานของวงกลม คือ

( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r 2 (x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2

  • (h, k) คือ พิกัดของจุดศูนย์กลาง
  • r คือ รัศมีของวงกลม

ตัวอย่างที่ 1: การหาสมการวงกลม

จงหาสมการของวงกลมที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ ( 2 , − 3 ) (2, -3) และมีรัศมียาว 4 4 หน่วย

วิธีทำ:

จากโจทย์ เรารู้ว่า h = 2 h = 2 , k = − 3 k = -3 และ r = 4 r = 4

แทนค่าลงในสมการมาตรฐาน ( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r 2 (x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2

( x − 2 ) 2 + ( y − ( − 3 ) ) 2 = 4 2 (x-2)^2 + (y-(-3))^2 = 4^2

( x − 2 ) 2 + ( y + 3 ) 2 = 16 (x-2)^2 + (y+3)^2 = 16

ดังนั้น สมการของวงกลมคือ ( x − 2 ) 2 + ( y + 3 ) 2 = 16 (x-2)^2 + (y+3)^2 = 16 ครับ

ตัวอย่างที่ 2: การหาจุดศูนย์กลางและรัศมีจากสมการมาตรฐาน

จงหาจุดศูนย์กลางและรัศมีของวงกลมที่มีสมการ ( x + 1 ) 2 + ( y − 5 ) 2 = 25 (x+1)^2 + (y-5)^2 = 25

วิธีทำ:

เปรียบเทียบกับสมการมาตรฐาน ( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r 2 (x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2

  • พจน์ ( x + 1 ) 2 (x+1)^2 เขียนได้เป็น ( x − ( − 1 ) ) 2 (x-(-1))^2 ดังนั้น h = − 1 h = -1
  • พจน์ ( y − 5 ) 2 (y-5)^2 แสดงว่า k = 5 k = 5
  • พจน์ 25 25 คือ r 2 r^2 ดังนั้น r = 25 = 5 r = sqrt{25} = 5 (รัศมีต้องเป็นค่าบวกเสมอครับ)

ดังนั้น จุดศูนย์กลางของวงกลมคือ ( − 1 , 5 ) (-1, 5) และมีรัศมี 5 5 หน่วยครับ

สมการรูปทั่วไปของวงกลม

เมื่อเรากระจายสมการมาตรฐาน ( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r 2 (x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2 ออกมา จะได้เป็น

x 2 − 2 h x + h 2 + y 2 − 2 k y + k 2 = r 2 x^2 – 2hx + h^2 + y^2 – 2ky + k^2 = r^2

จัดรูปใหม่โดยให้ − 2 h = A -2h = A , − 2 k = B -2k = B และ h 2 + k 2 − r 2 = C h^2 + k^2 – r^2 = C จะได้เป็น สมการรูปทั่วไปของวงกลม คือ

x 2 + y 2 + A x + B y + C = 0 x^2 + y^2 + Ax + By + C = 0

จากสมการรูปทั่วไป เราสามารถหาจุดศูนย์กลาง ( h , k ) (h,k) และรัศมี r r ได้ดังนี้ครับ

  • จุดศูนย์กลาง ( h , k ) = ( − A 2 , − B 2 ) (h,k) = (-frac{A}{2}, -frac{B}{2})
  • รัศมี r = A 2 4 + B 2 4 − C r = sqrt{frac{A^2}{4} + frac{B^2}{4} – C}

สิ่งที่สำคัญที่น้องๆ ต้องจำไว้เกี่ยวกับสมการรูปทั่วไปคือ สัมประสิทธิ์หน้า x 2 x^2 และ y 2 y^2 ต้องเป็น 1 1 และมีเครื่องหมายเดียวกัน เสมอ ถ้าเจอเป็น 2 x 2 + 2 y 2 + . . . 2x^2 + 2y^2 + … น้องๆ จะต้องนำ 2 2 ไปหารตลอดสมการก่อน เพื่อให้กลับไปอยู่ในรูปแบบ x 2 + y 2 + A x + B y + C = 0 x^2 + y^2 + Ax + By + C = 0 ครับ

ตัวอย่างที่ 3: การแปลงสมการรูปทั่วไปเป็นสมการมาตรฐาน

จงหาจุดศูนย์กลางและรัศมีของวงกลมที่มีสมการ x 2 + y 2 − 6 x + 8 y − 11 = 0 x^2 + y^2 – 6x + 8y – 11 = 0

วิธีทำ:

เราจะใช้วิธี การทำเป็นกำลังสองสมบูรณ์ ครับ

  1. จัดกลุ่มพจน์ x x และพจน์ y y เข้าด้วยกัน:
  2. ( x 2 − 6 x ) + ( y 2 + 8 y ) − 11 = 0 (x^2 – 6x) + (y^2 + 8y) – 11 = 0

  3. ทำแต่ละกลุ่มให้เป็นกำลังสองสมบูรณ์ โดยใช้สูตร a 2 ± 2 a b + b 2 = ( a ± b ) 2 a^2 pm 2ab + b^2 = (a pm b)^2
    • สำหรับ ( x 2 − 6 x ) (x^2 – 6x) : 6 2 = 3 frac{6}{2} = 3 , จึงต้องบวก 3 2 = 9 3^2 = 9
    • สำหรับ ( y 2 + 8 y ) (y^2 + 8y) : 8 2 = 4 frac{8}{2} = 4 , จึงต้องบวก 4 2 = 16 4^2 = 16

    ดังนั้น จะได้ ( x 2 − 6 x + 9 ) + ( y 2 + 8 y + 16 ) − 11 − 9 − 16 = 0 (x^2 – 6x + 9) + (y^2 + 8y + 16) – 11 – 9 – 16 = 0

    สังเกตว่าเราบวก 9 9 และ 16 16 เข้าไปในสมการ จึงต้องลบออกด้วย เพื่อรักษาสมดุลของสมการครับ

  4. จัดรูปเป็นสมการมาตรฐาน:
  5. ( x − 3 ) 2 + ( y + 4 ) 2 − 36 = 0 (x-3)^2 + (y+4)^2 – 36 = 0

    ( x − 3 ) 2 + ( y + 4 ) 2 = 36 (x-3)^2 + (y+4)^2 = 36

จากสมการมาตรฐานที่ได้ น้องๆ จะเห็นว่า

  • จุดศูนย์กลางคือ ( 3 , − 4 ) (3, -4)
  • รัศมีคือ r = 36 = 6 r = sqrt{36} = 6 หน่วย

การตรวจสอบว่าสมการใดเป็นวงกลมหรือไม่

ไม่สมการทุกรูปแบบที่มี x 2 x^2 และ y 2 y^2 จะเป็นสมการวงกลมเสมอไปครับ เงื่อนไขที่สำคัญคือ

  • สัมประสิทธิ์ของ x 2 x^2 และ y 2 y^2 ต้องเท่ากันและมีเครื่องหมายเป็นบวก เช่น x 2 + y 2 x^2+y^2 หรือ 3 x 2 + 3 y 2 3x^2+3y^2 (ถ้าเป็น 3 x 2 + 2 y 2 3x^2+2y^2 จะเป็นวงรีครับ)
  • ต้องไม่มีพจน์ x y xy
  • เมื่อจัดรูปเป็นสมการมาตรฐานแล้ว ค่า r 2 r^2 ต้องเป็นจำนวนบวก นั่นหมายถึง 0″> A 2 4 + B 2 4 − C > 0 frac{A^2}{4} + frac{B^2}{4} – C > 0 ครับ
    • ถ้า A 2 4 + B 2 4 − C = 0 frac{A^2}{4} + frac{B^2}{4} – C = 0 วงกลมจะมีรัศมีเป็นศูนย์ ซึ่งก็คือจุดหนึ่งจุดครับ
    • ถ้า <math data-latex="frac{A^2}{4} + frac{B^2}{4} – C A 2 4 + B 2 4 − C < 0 frac{A^2}{4} + frac{B^2}{4} – C < 0 จะไม่ใช่สมการวงกลม เพราะรัศมีติดลบไม่ได้ครับ

จุดที่ควรระวังและข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • เครื่องหมายผิดพลาด: บ่อยครั้งที่น้องๆ สับสนเรื่องเครื่องหมายในสมการมาตรฐาน เช่น ( x + h ) 2 (x+h)^2 แต่เผลอใช้ h h เป็นพิกัดแทน − h -h ครับ
  • รัศมี: อย่าลืมว่าค่าที่อยู่ทางขวาของสมการมาตรฐานคือ r 2 r^2 ดังนั้นต้องถอดรากที่สองเพื่อหารัศมี r r เสมอ และรัศมีต้องเป็นค่าบวกเท่านั้นครับ
  • การทำกำลังสองสมบูรณ์: ต้องทำทั้งสองฝั่งของสมการ หรือบวกเข้าแล้วลบออกให้สมดุลกัน หากทำไม่ครบสมการจะผิดทันที
  • สัมประสิทธิ์ของ x 2 x^2 และ y 2 y^2 : หากไม่เป็น 1 1 และเท่ากัน ต้องนำค่าสัมประสิทธิ์นั้นไปหารตลอดสมการก่อนเสมอครับ

การประยุกต์ใช้วงกลม

แนวคิดเรื่องวงกลมไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในห้องเรียนเท่านั้นนะครับ แต่มันถูกนำไปใช้ในหลายๆ สาขาวิชาและในชีวิตประจำวันอย่างไม่น่าเชื่อ:

  • ฟิสิกส์: ในเรื่องการเคลื่อนที่แบบวงกลม การหาแรงสู่ศูนย์กลาง ความเร็วเชิงมุมต่างๆ
  • วิศวกรรม: ในการออกแบบล้อ เฟือง ท่อ หรือโครงสร้างที่มีส่วนโค้งมน
  • ดาราศาสตร์: การคำนวณวงโคจรของดาวเคราะห์ (ถึงแม้ส่วนใหญ่จะเป็นวงรี แต่ในบางกรณีก็สามารถประมาณด้วยวงกลมได้)
  • การออกแบบกราฟิกและเกม: การสร้างวัตถุทรงกลมหรือการคำนวณการชนกันของวัตถุ
  • ภูมิศาสตร์และ GPS: การระบุตำแหน่งบนพื้นผิวโลก หรือการกำหนดขอบเขตพื้นที่

เห็นไหมครับว่าวงกลมที่เราเรียนพื้นฐานกันนี้มีความสำคัญและมีประโยชน์มากจริงๆ

เทคนิคการทำข้อสอบ

  • จำสูตรให้แม่น: ทั้งสมการมาตรฐานและสูตรหาจุดศูนย์กลาง/รัศมีจากรูปทั่วไปเป็นพื้นฐานสำคัญที่ต้องจำให้ขึ้นใจครับ
  • ฝึกทำกำลังสองสมบูรณ์: ทักษะนี้ใช้บ่อยมากในการแปลงจากสมการรูปทั่วไปเป็นมาตรฐาน ถ้าแม่นแล้วจะช่วยประหยัดเวลาได้เยอะครับ
  • วาดรูปประกอบ: สำหรับบางโจทย์ การวาดภาพคร่าวๆ จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจสถานการณ์และมองเห็นแนวทางการแก้ปัญหาได้ง่ายขึ้นครับ
  • ตรวจสอบเงื่อนไขรัศมี: หลังจากคำนวณ r 2 r^2 แล้ว อย่าลืมตรวจสอบว่าค่าที่ได้เป็นบวกหรือไม่ ถ้าไม่ใช่วงกลมครับ
  • ระมัดระวังเรื่องเครื่องหมาย: นี่คือกับดักคลาสสิกที่ทำให้น้องๆ ผิดพลาดได้ง่ายที่สุดเลยครับ

สรุปแนวคิดสำคัญ

วงกลมในเรขาคณิตวิเคราะห์เป็นหัวข้อพื้นฐานที่สำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งเราสามารถอธิบายได้ด้วย 2 รูปแบบหลักๆ คือ

  1. สมการมาตรฐาน: ( x − h ) 2 + ( y − k ) 2 = r 2 (x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2 ที่เราอ่านจุดศูนย์กลาง ( h , k ) (h,k) และรัศมี r r ได้โดยตรง
  2. สมการรูปทั่วไป: x 2 + y 2 + A x + B y + C = 0 x^2 + y^2 + Ax + By + C = 0 ที่ต้องใช้การทำกำลังสองสมบูรณ์ หรือใช้สูตรลัดในการหาจุดศูนย์กลางและรัศมี

หัวใจสำคัญคือการเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพิกัด จุดศูนย์กลาง รัศมี และสมการต่างๆ เพื่อให้น้องๆ สามารถประยุกต์ใช้ในการแก้โจทย์ได้อย่างคล่องแคล่วครับ

มาเรียนรู้ไปกับพี่กฤษณ์นะครับ!

พี่กฤษณ์หวังว่าบทความนี้จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจเรื่องวงกลมในเรขาคณิตวิเคราะห์ได้มากขึ้นนะครับ นี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของโลกคณิตศาสตร์ที่น่าสนใจเท่านั้นเอง หากน้องๆ ต้องการเรียนรู้คณิตศาสตร์ในเชิงลึกยิ่งขึ้น ฝึกทำโจทย์ที่หลากหลาย หรือมีข้อสงสัยเพิ่มเติม พี่กฤษณ์ยินดีช่วยเต็มที่เลยครับ

น้องๆ สามารถดูรายละเอียดคอร์สเรียนต่างๆ ของพี่กฤษณ์ได้เลยในเว็บไซต์นี้ครับ ไม่ว่าจะเป็นคอร์สเรียนสดที่น้องๆ จะได้มาเรียนและถามตอบกับพี่กฤษณ์ได้โดยตรง คอร์สเรียนออนไลน์ที่ยืดหยุ่น เรียนได้ทุกที่ทุกเวลา หรือแม้แต่คอร์สตัวต่อตัวที่เน้นการเรียนรู้แบบส่วนตัว ปรับตามความต้องการของน้องๆ โดยเฉพาะ พี่กฤษณ์รอที่จะพาน้องๆ ไปพิชิตทุกสนามสอบคณิตศาสตร์นะครับ!

Join the conversation

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องข้อมูลจำเป็นถูกทำเครื่องหมาย *