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- 2021-06-16 发布
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1.双曲线定义
平面内到两定点F1,F2的距离之差的绝对值等于常数(大于零且小于|F1F2|)的点的集合叫作双曲线.这两个定点F1,F2叫作双曲线的焦点,两焦点之间的距离叫作双曲线的焦距.
其中a,c为常数且a>0,c>0.
(1)当2a<|F1F2|时,P点的轨迹是双曲线;
(2)当2a=|F1F2|时,P点的轨迹是两条射线;
(3)当2a>|F1F2|时,P点不存在.
2.双曲线的标准方程和几何性质
标准方程
-=1(a>0,b>0)
-=1(a>0,b>0)
图形
性
质
范围
x≥a或x≤-a,y∈R
x∈R,y≤-a或y≥a
对称性
对称轴:坐标轴 对称中心:原点
顶点
A1(-a,0),A2(a,0)
A1(0,-a),A2(0,a)
渐近线
y=±x
y=±x
离心率
e=,e∈(1,+∞),其中c=
实虚轴
线段A1A2叫作双曲线的实轴,它的长|A1A2|=2a;线段B1B2叫作双曲线的虚轴,它的长|B1B2|=2b;a叫作双曲线的实半轴长,b叫作双曲线的虚半轴长
a、b、c
的关系
c2=a2+b2 (c>a>0,c>b>0)
【知识拓展】
巧设双曲线方程
(1)与双曲线-=1(a>0,b>0)有共同渐近线的方程可表示为-=t(t≠0).
(2)过已知两个点的双曲线方程可设为+=1(mn<0).
【思考辨析】
判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)平面内到点F1(0,4),F2(0,-4)距离之差的绝对值等于8的点的轨迹是双曲线.( × )
(2)方程-=1(mn>0)表示焦点在x轴上的双曲线.( × )
(3)双曲线方程-=λ(m>0,n>0,λ≠0)的渐近线方程是-=0,即±=0.( √ )
(4)等轴双曲线的渐近线互相垂直,离心率等于.( √ )
(5)若双曲线-=1(a>0,b>0)与-=1(a>0,b>0)的离心率分别是e1,e2,则+=1(此结论中两条双曲线称为共轭双曲线).( √ )
1.(教材改编)若双曲线-=1 (a>0,b>0)的焦点到其渐近线的距离等于实轴长,则该双曲线的离心率为( )
A. B.5
C. D.2
答案 A
解析 由题意得b=2a,又a2+b2=c2,∴5a2=c2.
∴e2==5,∴e=.
2.等轴双曲线C的中心在原点,焦点在x轴上,C与抛物线y2=16x的准线交于A,B两点,|AB|=4,则C的实轴长为( )
A. B.2 C.4 D.8
答案 C
解析 设C:-=1.
∵抛物线y2=16x的准线为x=-4,联立-=1和x=-4,得A(-4,),B(-4,-),
∴|AB|=2=4,
∴a=2,∴2a=4.
∴C的实轴长为4.
3.(2015·安徽)下列双曲线中,焦点在y轴上且渐近线方程为y=±2x的是( )
A.x2-=1 B.-y2=1
C.-x2=1 D.y2-=1
答案 C
解析 由双曲线性质知A、B项双曲线焦点在x轴上,不合题意;C、D项双曲线焦点均在y轴上,但D项渐近线为y=±x,只有C符合,故选C.
4.(2016·江苏)在平面直角坐标系xOy中,双曲线-=1的焦距是________.
答案 2
解析 由已知,a2=7,b2=3,则c2=7+3=10,故焦距为2c=2.
5.双曲线-y2=1的顶点到其渐近线的距离等于________.
答案
解析 双曲线的一个顶点坐标为(2,0),
一条渐近线方程是y=x,即x-2y=0,
则顶点到渐近线的距离d==.
题型一 双曲线的定义及标准方程
命题点1 利用定义求轨迹方程
例1 已知圆C1:(x+3)2+y2=1和圆C2:(x-3)2+y2=9,动圆M同时与圆C1及圆C2相外切,则动圆圆心M的轨迹方程为____________________.
答案 x2-=1(x≤-1)
解析 如图所示,设动圆M与圆C1及圆C2分别外切于A和B.
根据两圆外切的条件,
得|MC1|-|AC1|=|MA|,
|MC2|-|BC2|=|MB|,
因为|MA|=|MB|,
所以|MC1|-|AC1|=
|MC2|-|BC2|,
即|MC2|-|MC1|=|BC2|-|AC1|=2,
所以点M到两定点C1、C2的距离的差是常数且小于|C1C2|=6.
又根据双曲线的定义,得动点M的轨迹为双曲线的左支(点M与C2的距离大,与C1的距离小),
其中a=1,c=3,则b2=8.
故点M的轨迹方程为x2-=1(x≤-1).
命题点2 利用待定系数法求双曲线方程
例2 根据下列条件,求双曲线的标准方程:
(1)虚轴长为12,离心率为;
(2)焦距为26,且经过点M(0,12);
(3)经过两点P(-3,2)和Q(-6,-7).
解 (1)设双曲线的标准方程为
-=1或-=1(a>0,b>0).
由题意知,2b=12,e==.
∴b=6,c=10,a=8.
∴双曲线的标准方程为-=1或-=1.
(2)∵双曲线经过点M(0,12),∴M(0,12)为双曲线的一个顶点,故焦点在y轴上,且a=12.
又2c=26,∴c=13,∴b2=c2-a2=25.
∴双曲线的标准方程为-=1.
(3)设双曲线方程为mx2-ny2=1(mn>0).
∴解得
∴双曲线的标准方程为-=1.
命题点3 利用定义解决焦点三角形问题
例3 已知F1,F2为双曲线C:x2-y2=2的左,右焦点,点P在C上,|PF1|=2|PF2|,则cos ∠F1PF2=______.
答案
解析 ∵由双曲线的定义有|PF1|-|PF2|
=|PF2|=2a=2,
∴|PF1|=2|PF2|=4,
则cos∠F1PF2=
==.
引申探究
1.本例中将条件“|PF1|=2|PF2|”改为“∠F1PF2=60°”,则△F1PF2的面积是多少?
解 不妨设点P在双曲线的右支上,
则|PF1|-|PF2|=2a=2,
在△F1PF2中,由余弦定理,得
cos∠F1PF2=
=,所以|PF1|·|PF2|=8,
所以=|PF1|·|PF2|sin 60°=2.
2.本例中将条件“|PF1|=2|PF2|”改为“·=0”,则△F1PF2的面积是多少?
解 不妨设点P在双曲线的右支上,则|PF1|-|PF2|=2a=2,
由于·=0,所以⊥,
所以在△F1PF2中,有|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2,
即|PF1|2+|PF2|2=16,
所以|PF1|·|PF2|=4,
所以=|PF1|·|PF2|=2.
思维升华 (1)利用双曲线的定义判定平面内动点与两定点的轨迹是否为双曲线,进而根据要求可求出双曲线方程;
(2)在“焦点三角形”中,常利用正弦定理、余弦定理,经常结合||PF1|-|PF2||=2a,运用平方的方法,建立与|PF1|·|PF2|的联系.
(3)待定系数法求双曲线方程具体过程中先定形,再定量,即先确定双曲线标准方程的形式,然后再根据a,b,c,e及渐近线之间的关系,求出a,b的值,如果已知双曲线的渐近线方程,求双曲线的标准方程,可设有公共渐近线的双曲线方程为-=λ(λ≠0),再由条件求出λ的值即可.
(1)已知F1,F2为双曲线-=1的左,右焦点,P(3,1)为双曲线内一点,点A在双曲线上,则|AP|+|AF2|的最小值为( )
A.+4 B.-4
C.-2 D.+2
(2)设F1,F2分别为双曲线-=1(a>0,b>0)的左,右焦点,双曲线上存在一点P使得|PF1|+|PF2|=3b,|PF1|·|PF2|=ab,则该双曲线的离心率为( )
A. B.
C. D.3
答案 (1)C (2)B
解析 (1)由题意知,|AP|+|AF2|=|AP|+|AF1|-2a,
要求|AP|+|AF2|的最小值,只需求|AP|+|AF1|的最小值,
当A,P,F1三点共线时,取得最小值,
则|AP|+|AF1|=|PF1|=,
∴|AP|+|AF2|的最小值为|AP|+|AF1|-2a=-2.
故选C.
(2)不妨设P为双曲线右支上一点,|PF1|=r1,|PF2|=r2.根据双曲线的定义,得r1-r2=2a,
又r1+r2=3b,故r1=,r2=.
又r1·r2=ab,所以·=ab,解得=(负值舍去),故e====,故选B.
题型二 双曲线的几何性质
例4 (1)(2016·浙江)已知椭圆C1:+y2=1(m>1)与双曲线C2:-y2=1(n>0)的焦点重合,e1,e2分别为C1,C2的离心率,则( )
A.m>n且e1e2>1 B.m>n且e1e2<1
C.m<n且e1e2>1 D.m<n且e1e2<1
(2)(2015·山东)在平面直角坐标系xOy中,双曲线C1:-=1(a>0,b>0)的渐近线与抛物线C2:x2=2py(p>0)交于点O,A,B.若△OAB的垂心为C2的焦点,则C1的离心率为________.
答案 (1)A (2)
解析 (1)由题意可得m2-1=n2+1,即m2=n2+2,
又∵m>0,n>0,故m>n.
又∵e·e=·=·
==1+>1,∴e1·e2>1.
(2)由题意,不妨设直线OA的方程为y=x,直线OB的方程为y=-x.
由得x2=2p ·x,
∴x=,y=,∴A.
设抛物线C2的焦点为F,则F,
∴kAF=.
∵△OAB的垂心为F,∴AF⊥OB,∴kAF·kOB=-1,
∴·=-1,∴=.
设C1的离心率为e,则e2===1+=.
∴e=.
思维升华 双曲线的几何性质中重点是渐近线方程和离心率,在双曲线-=1(a>0,b>0)中,离心率e与双曲线的渐近线的斜率k=±满足关系式e2=1+k2.
(2016·全国甲卷)已知F1,F2是双曲线E:-=1的左,右焦点,点M在E上,MF1与x轴垂直,sin∠MF2F1=,则E的离心率为( )
A. B. C. D.2
答案 A
解析 离心率e=,由正弦定理得e====.故选A.
题型三 直线与双曲线的综合问题
例5 (2016·兰州模拟)已知椭圆C1的方程为+y2=1,双曲线C2的左,右焦点分别是C1的左,右顶点,而C2的左,右顶点分别是C1的左,右焦点.
(1)求双曲线C2的方程;
(2)若直线l:y=kx+与双曲线C2恒有两个不同的交点A和B,且·>2(其中O为原点),求k的取值范围.
解 (1)设双曲线C2的方程为-=1(a>0,b>0),
则a2=4-1=3,c2=4,再由a2+b2=c2,得b2=1.
故C2的方程为-y2=1.
(2)将y=kx+代入-y2=1,
得(1-3k2)x2-6kx-9=0.
由直线l与双曲线C2交于不同的两点,得
∴k2≠且k2<1.①
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=,x1x2=.
∴x1x2+y1y2=x1x2+(kx1+)(kx2+)
=(k2+1)x1x2+k(x1+x2)+2
=.
又∵·>2,得x1x2+y1y2>2,
∴>2,即>0,
解得0)的离心率等于,直线y=kx-1与双曲线E的右支交于
A,B两点.
(1)求k的取值范围;
(2)若|AB|=6,点C是双曲线上一点,且=m(+),求k,m的值.
解 (1)由得
故双曲线E的方程为x2-y2=1.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
由
得(1-k2)x2+2kx-2=0.(*)
∵直线与双曲线右支交于A,B两点,
故
即所以10,b>0)的焦距为10,点P(2,1)在C的一条渐近线上,则C的方程为( )
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
答案 A
解析 依题意解得∴双曲线C的方程为-=1.
2.(2016·全国乙卷)已知方程-=1表示双曲线,且该双曲线两焦点间的距离为4,则n的取值范围是( )
A.(-1,3) B.(-1,)
C.(0,3) D.(0,)
答案 A
解析 ∵方程-=1表示双曲线,
∴(m2+n)·(3m2-n)>0,解得-m20,b>0)的左,右焦点,若在双曲线的右支上存在一点M,使得(+)·=0(其中O为坐标原点),且||=||,则双曲线的离心率为( )
A.-1 B.
C. D.+1
答案 D
解析 ∵=-,
∴(+)·=(+)·(-)=0,
即2-2=0,∴||=||=c,
在△MF1F2中,边F1F2上的中线等于|F1F2|的一半,可得⊥.∵||=||,
∴可设||=λ(λ>0),||=λ,
得(λ)2+λ2=4c2,解得λ=c,
∴||=c,||=c,
∴根据双曲线定义得2a=||-||=(-1)c,
∴双曲线的离心率e==+1.
4.(2016·庐江第二中学月考)已知椭圆+=1(a1>b1>0)的长轴长、短轴长、焦距成等比数列,离心率为e1;双曲线-=1(a2>0,b2>0)的实轴长、虚轴长、焦距也成等比数列,离心率为e2,则e1e2等于( )
A. B.1 C. D.2
答案 B
解析 由b=a1c1,得a-c=a1c1,∴e1==.
由b=a2c2,得c-a=a2c2,∴e2==.
∴e1e2=×=1.
5.(2015·课标全国Ⅰ)已知M(x0,y0)是双曲线C:-y2=1上的一点,F1,F2是C的两个焦点,若·<0,则y0的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 由题意知a=,b=1,c=,
∴F1(-,0),F2(,0),
∴=(--x0,-y0),=(-x0,-y0).
∵·<0,∴(--x0)(-x0)+y<0,
即x-3+y<0.∵点M(x0,y0)在双曲线上,
∴-y=1,即x=2+2y,
∴2+2y-3+y<0,∴-0,b>0)的左焦点,点E是该双曲线的右顶点,过F且垂直于x轴的直线与双曲线交于A、B两点,若△ABE是锐角三角形,则该双曲线的离心率e的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.(1,2)
C.(1,1+) D.(2,1+)
答案 B
解析 由题意易知点F的坐标为(-c,0),
A(-c,),B(-c,-),E(a,0),
∵△ABE是锐角三角形,∴·>0,
即·=(-c-a,)·(-c-a,-)>0,
整理得3e2+2e>e4,∴e(e3-3e-3+1)<0,
∴e(e+1)2(e-2)<0,解得e∈(0,2),又e>1,
∴e∈(1,2),故选B.
7.(2017·江西新余一中调研)双曲线C:-=1(a>0,b>0)的右焦点F恰好是圆F:x2+y2-4x+3=0的圆心,且点F到双曲线C的一条渐近线的距离为1,则双曲线C的离心率为( )
A. B. C. D.2
答案 C
解析 x2+y2-4x+3=0可化为(x-2)2+y2=1,
故F(2,0),即c=2,点F到一条渐近线的距离为b,
即b=1,∴a==,∴e==.
8.(2016·浙江)设双曲线x2-=1的左,右焦点分别为F1,F2,若点P在双曲线上,且△F1PF2为锐角三角形,则|PF1|+|PF2|的取值范围是________.
答案 (2,8)
解析 如图,由已知可得a=1,b=,c=2,从而|F1F2|=4,由对称性不妨设P在右支上,
设|PF2|=m,
则|PF1|=m+2a=m+2,
由于△PF1F2为锐角三角形,
结合实际意义需满足
解得-1+<m<3,又|PF1|+|PF2|=2m+2,
∴2<2m+2<8.
9.已知双曲线-=1(a>0,b>0)的左,右焦点分别为F1,F2,点P在双曲线的右支上,且|PF1|=4|PF2|,则此双曲线的离心率e的最大值为________.
答案
解析 由定义,知|PF1|-|PF2|=2a.
又|PF1|=4|PF2|,∴|PF1|=a,|PF2|=a.
在△PF1F2中,由余弦定理,
得cos∠F1PF2==-e2.
要求e的最大值,即求cos∠F1PF2的最小值,
∴当cos∠F1PF2=-1时,得e=,
即e的最大值为.
10.(2015·课标全国Ⅰ)已知F是双曲线C:x2-=1的右焦点,P是C的左支上一点,A(0,6).当△APF的周长最小时,该三角形的面积为________.
答案 12
解析 设左焦点为F1,|PF|-|PF1|=2a=2,
∴|PF|=2+|PF1|,△APF的周长为|AF|+|AP|+|PF|=|AF|+|AP|+2+|PF1|,△APF的周长最小即为|AP|+|PF1|最小,当A、P、F1在一条直线上时最小,过AF1的直线方程为+=1,与x2-=1联立,解得P点坐标为(-2,2),此时S△APF==12.
11.中心在原点,焦点在x轴上的一椭圆与一双曲线有共同的焦点F1,F2,且|F1F2|=2,椭圆的长半轴与双曲线实半轴之差为4,离心率之比为3∶7.
(1)求这两曲线方程;
(2)若P为这两曲线的一个交点,求cos∠F1PF2的值.
解 (1)由已知c=,设椭圆长半轴长,短半轴长分别为a,b,双曲线实半轴长,虚半轴长分别为m,n,
则 解得a=7,m=3.
∴b=6,n=2,∴椭圆方程为+=1,
双曲线方程为-=1.
(2)不妨设F1,F2分别为左,右焦点,P是第一象限的一个交点,则|PF1|+|PF2|=14,|PF1|-|PF2|=6,
∴|PF1|=10,|PF2|=4.又|F1F2|=2,
∴cos∠F1PF2=
==.
12.(2016·湖北部分重点中学第一次联考)在面积为9的△ABC中,tan∠BAC=-,且=2,现建立以A点为坐标原点,以∠BAC的平分线所在直线为x轴的平面直角坐标系,如图所示 .
(1)求AB,AC所在直线的方程;
(2)求以AB,AC所在直线为渐近线且过点D的双曲线的方程;
(3)过D分别作AB,AC所在直线的垂线DF,DE(E,F为垂足),求·的值.
解 (1)设∠CAx=α,则由tan∠BAC=tan 2α
==-及α为锐角,
得tan α=2,∴AC所在直线方程为y=2x,
AB所在直线方程为y=-2x.
(2)设所求双曲线的方程为4x2-y2=λ(λ≠0),
C(x1,y1),B(x2,y2)(x1>0,x2>0).
由=2,得D(,).
∵点D在双曲线上,∴4()2-()2=λ,
∴x1x2=λ.①
由tan∠BAC=-,得sin∠BAC=.
∵|AB|==x2,|AC|==x1,
∴S△ABC=|AB|·|AC|·sin∠BAC
=×5x1x2×
=2x1x2=9,代入①,
得λ=16,∴双曲线的方程为-=1.
(3)由题意知〈,〉=π-∠BAC,
∴cos〈,〉=-cos∠BAC=,
设D(x0,y0),则-=1.
又∵点D到AB,AC所在直线距离分别为||=,||=,
∴·=||||·cos〈,〉
=·×=.
13.已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的一个焦点是F2(2,0),且b=a.
(1)求双曲线C的方程;
(2)设经过焦点F2的直线l的一个法向量为(m,1),当直线l与双曲线C的右支交于不同的两点A,B时,求实数m的取值范围,并证明AB中点M在曲线3(x-1)2-y2=3上;
(3)设(2)中直线l与双曲线C的右支交于A,B两点,问是否存在实数m,使得∠AOB为锐角?若存在,请求出m的取值范围;若不存在,请说明理由.
解 (1)c=2,c2=a2+b2,
∴4=a2+3a2,∴a2=1,b2=3,
∴双曲线C的方程为x2-=1.
(2)l:m(x-2)+y=0,
由
得(3-m2)x2+4m2x-4m2-3=0.
由Δ>0,得4m4+(3-m2)(4m2+3)>0,
12m2+9-3m2>0,即m2+1>0恒成立.
设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=,x1x2=.
又∴
∴m2>3,∴m∈(-∞,-)∪(,+∞).
∵=,=-+2m=-,
∴AB的中点M(,-),
∵3(-1)2-=3×-
=3×=3,
∴M在曲线3(x-1)2-y2=3上.
(3)设A(x1,y1),B(x2,y2),
假设存在实数m,使∠AOB为锐角,
则·>0,∴x1x2+y1y2>0.
∵y1y2=(-mx1+2m)(-mx2+2m)
=m2x1x2-2m2(x1+x2)+4m2,
∴(1+m2)x1x2-2m2(x1+x2)+4m2>0,
∴(1+m2)(4m2+3)-8m4+4m2(m2-3)>0,
即7m2+3-12m2>0,∴m2<,
与m2>3矛盾,∴不存在实数m,使得∠AOB为锐角.