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- 2021-06-15 发布
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第5讲 椭 圆
[学生用书P155]
1.椭圆的定义
条件
结论1
结论2
平面内的动点M与平面内的两个定点F1,F2
M点的
轨迹为
椭圆
F1、F2为椭圆的焦点
|MF1|+|MF2|=2a
|F1F2|为椭圆的焦距
2a>|F1F2|
2.椭圆的标准方程和几何性质
标准方程
+=1(a>b>0)
+=1(a>b>0)
图形
续 表
标准方程
+=1(a>b>0)
+=1(a>b>0)
性质
范围
-a≤x≤a
-b≤y≤b
-b≤x≤b
-a≤y≤a
对称性
对称轴:x轴、y轴
对称中心:(0,0)
顶点
A1(-a,0),A2(a,0)
B1(0,-b),B2(0,b)
A1(0,-a),A2(0,a)
B1(-b,0),B2(b,0)
轴
长轴A1A2的长为2a
短轴B1B2的长为2b
焦距
|F1F2|=2c
离心率
e=,e∈(0,1)
a,b,c
的关系
c2=a2-b2
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)平面内两个定点F1,F2的距离之和等于常数的点的轨迹是椭圆.( )
(2)椭圆上一点P与两焦点F1,F2构成△PF1F2的周长为2a+2c(其中a为椭圆的长半轴长,c为椭圆的半焦距).( )
(3)椭圆的离心率e越大,椭圆就越圆.( )
(4)方程mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)表示的曲线是椭圆.( )
(5)+=1(a≠b)表示焦点在y轴上的椭圆.( )
(6)+=1(a>b>0)与+=1(a>b>0)的焦距相等.( )
答案:(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√
已知椭圆+=1(m>0)的左焦点为F1(-4,0),则m=( )
A.2 B.3
C.4 D.9
解析:选B.依题意有25-m2=16,因为m>0,所以m=3.选B.
(教材习题改编)椭圆C的一个焦点为F1(0,1),并且经过点P(,1)的椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选D.由题意可设椭圆C的标准方程为 +=1(a>b>0),且另一个焦点为F2(0,-1),
所以2a=|PF1|+|PF2|=+=4.
所以a=2,又c=1,所以b2=a2-c2=3.
故所求的椭圆方程为+=1,故选D.
(教材习题改编)椭圆C的长轴长是短轴长的3倍,则C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选D.不妨设椭圆C的方程为+=1(a>b>0),则 2a=2b×3,即a=3b.所以a2=9
b2=9(a2-c2).
即=,所以e==,故选D.
若方程+=1表示椭圆,则k的取值范围是________.
解析:由已知得解得38=|C1C2|,
所以M的轨迹是以C1,C2为焦点的椭圆,
且2a=16,2c=8,
故所求的轨迹方程为+=1.
【答案】 (1)A (2)D
角度二 利用定义解决“焦点三角形”问题
已知F1、F2是椭圆C:+=1(a>b>0)的两个焦点,P为椭圆C上的一点,且1⊥2,若△PF1F2的面积为9,则b=________.
【解析】 设|PF1|=r1,|PF2|=r2,
则
所以2r1r2=(r1+r2)2-(r+r)=4a2-4c2=4b2,
又因为S△PF1F2=r1r2=b2=9,所以b=3.
【答案】 3
1.在本例中增加条件“△PF1F2的周长为18”,其他条件不变,求该椭圆的方程.
解:由原题得b2=a2-c2=9,
又2a+2c=18,所以a-c=1,解得a=5,
故椭圆的方程为+=1.
2.在本例中的条件“⊥”“△PF1F2的面积为9”分别改为“∠F1PF2=60°”“S△
PF1F2=3”,结果如何?
解:|PF1|+|PF2|=2a,又∠F1PF2=60°,
所以|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°=|F1F2|2,
即(|PF1|+|PF2|)2-3|PF1||PF2|=4c2,
所以3|PF1||PF2|=4a2-4c2=4b2,
所以|PF1||PF2|=b2,
又因为S△PF1F2=|PF1||PF2|·sin 60°
=×b2×=b2=3,
所以b=3.
椭圆定义的应用
(1)椭圆定义的应用主要有两个方面:一是判定平面内动点与两定点的轨迹是否为椭圆;二是利用定义求焦点三角形的周长、面积、弦长、最值和离心率等.
(2)椭圆的定义式必须满足2a>|F1F2|.
[通关练习]
1.设P是椭圆+=1上一点,M,N分别是两圆:(x+4)2+y2=1和(x-4)2+y2=1上的点,则|PM|+|PN|的最小值和最大值分别为( )
A.9,12 B.8,11
C.8,12 D.10,12
解析:选C.如图,
由椭圆及圆的方程可知两圆圆心分别为椭圆的两个焦点,由椭圆定义知|PA|+|PB|=2a=10,连接PA,PB分别与圆相交于M,N两点,此时|PM|+|PN|最小,最小值为|PA|+|PB|-2R=8;连接PA,PB并延长,分别与圆相交于M,N两点,此时|PM|+|PN|最大,最大值为|PA|+|PB|+2R=12,即最小值和最大值分别为8,12.
2.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率为,过F2的直线l交C于A,B两点.若△AF1B的周长为4,则C的方程为( )
A.+=1 B.+y2=1
C.+=1 D.+=1
解析:选A.由题意及椭圆的定义知4a=4,则a=,
又==,所以c=1,所以b2=2,
所以C的方程为+=1,选A.
椭圆的标准方程[学生用书P157]
[典例引领]
(1)若直线x-2y+2=0经过椭圆的一个焦点和一个顶点,则该椭圆的标准方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+y2=1或+=1 D.以上答案都不对
(2)一个椭圆的中心在原点,焦点F1,F2在x轴上,P(2,)是椭圆上一点,且|PF1|,|F1F2|,|PF2|成等差数列,则椭圆的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
【解析】 (1)直线与坐标轴的交点为(0,1),(-2,0),由题意知当焦点在x轴上时,c=2,b=1,
所以a2=5,所求椭圆的标准方程为+y2=1.
当焦点在y轴上时,b=2,c=1,
所以a2=5,所求椭圆的标准方程为+=1.
(2)设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).由点P(2,)在椭圆上知+=1.又|PF1|,|F1F2|,|PF2|成等差数列,则|PF1|+|PF2|=2|F1F2|,即2a=2·2c,=,又c2=a2-b2,联立得a2=8,b2=6.
【答案】 (1)C (2)A
求椭圆标准方程的2种常用方法
定义法
根据椭圆的定义,确定a2,b2的值,结合焦点位置可写出椭圆方程
待定系
数法
若焦点位置明确,则可设出椭圆的标准方程,结合已知条件求出a、b;若焦点位置不明确,则需要分焦点在x轴上和y轴上两种情况讨论,也可设椭圆的方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B).
[通关练习]
1.已知F1,F2分别是椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点,点在椭圆上,且点(-1,0)到直线PF2的距离为,其中点P(-1,-4),则椭圆E的标准方程为( )
A.x2+=1 B.+y2=1
C.x2+=1 D.+y2=1
解析:选D.设F2的坐标为(c,0)(c>0),则kPF2=,故直线PF2的方程为y=(x-c),即x-y-=0,点(-1,0)到直线PF2的距离d===,即=4,
解得c=1或c=-3(舍去),所以a2-b2=1.①
又点在椭圆E上,所以+=1,②
由①②可得所以椭圆E的标准方程为+y2=1.故选D.
2.已知椭圆的中心在原点,以坐标轴为对称轴,且经过两点P1(,1),P2(-,-),则该椭圆的方程为________.
解析:设椭圆方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,且m≠n).
因为椭圆经过P1,P2两点,
所以P1,P2点坐标适合椭圆方程,
则
①②两式联立,解得
所以所求椭圆方程为+=1.
答案:+=1
椭圆的几何性质(高频考点)
[学生用书P157]
椭圆的几何性质是每年高考的热点,主要涉及椭圆的离心率问题,题型既有选择题、填空题,也有解答题,难度中等及以上.主要命题角度有:
(1)求椭圆的离心率问题;
(2)椭圆中的范围问题.
[典例引领]
角度一 求椭圆的离心率问题
(1)(2017·高考全国卷Ⅲ)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A1,A2,且以线段A1A2为直径的圆与直线bx-ay+2ab=0相切,则C的离心率为( )
A. B.
C. D.
(2)设A1、A2分别为椭圆+=1(a>b>0)的左、右顶点,若在椭圆上存在点P,使得kPA1·kPA2>-,则该椭圆的离心率的取值范围是( )
A.(0,) B.(0,)
C.(,1) D.(,1)
【解析】 (1)以线段A1A2为直径的圆的方程为x2+y2=a2,由原点到直线bx-ay+2ab=0的距离d==a,得a2=3b2,所以C的离心率e==.
(2)椭圆+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A1(-a,0)、A2(a,0),设P(x0,y0),根据题意,kPA1·kPA2=>-,而+=1,所以a2-x=,于是<,即<,1-e2<,所以e>
,又e<1,故b>0)的左、右焦点分别为F1(-1,0),F2(1,0),点A在椭圆C上.
(1)求椭圆C的标准方程.
(2)是否存在斜率为2的直线l,使得当直线l与椭圆C有两个不同交点M,N时,能在直线y=上找到一点P,在椭圆C上找到一点Q,满足=?若存在,求出直线l的方程;若不存在,说明理由.
【解】 (1)设椭圆C的焦距为2c,则c=1,
因为A在椭圆C上,
所以+=1,又a2=b2+c2,
所以a=,b=c=1.
故椭圆C的标准方程为+y2=1.
(2)设直线l的方程为y=2x+t,
设M(x1,y1),N(x2,y2),P,Q(x4,y4),
MN的中点为D(x0,y0),
由消去x,得9y2-2ty+t2-8=0,
所以y1+y2=且Δ=4t2-36(t2-8)>0,
故y0==且-3b>0)的焦距为4,且经过点P.
(1)求椭圆C的方程;
(2)若直线l经过M(0,1),与C交于A,B两点,=-,求直线l的方程.
解:(1)依题意,2c=4,则椭圆C的焦点为F1(-2,0),F2(2,0),
由椭圆的定义可得2a=|PF1|+|PF2|=+=+=6,
即有a=3,则b2=a2-c2=5,
故椭圆C的方程为+=1.
(2)若l与x轴垂直,则l的方程为x=0,
A,B为椭圆短轴的两个端点,不符合题意.
若l与x轴不垂直,设l的方程为y=kx+1,
由得(9k2+5)x2+18kx-36=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=-,x1·x2=-,易知Δ>0,
由=-,得(x1,y1-1)=-(x2,y2-1)
即有x1=-x2,
可得x2=-,-x=-,
即有=,
解得k=±,故直线l的方程为y=x+1或y=-x+1.
椭圆标准方程的求法
求椭圆的标准方程,常采用“先定位,后定量”的方法(待定系数法).先“定位”,就是先确定椭圆和坐标系的相对位置,以椭圆的中心为原点的前提下,看焦点在哪条坐标轴上,确定标准方程形式;再“定量”,就是根据已知条件,通过解方程(组)等手段,确定a2,b2的值,代入所设的方程,即可求出椭圆的标准方程.若不能确定焦点的位置,这时的方程常可设为mx2+ny2=1(m>0,n>0且m≠n).
求离心率常用的两种方法
(1)求得a,c的值,代入公式e=即可;
(2)列出a,b,c的方程或不等式,根据b2=a2-c2将b消掉,转化为含有a和c的关系式,最后转化为关于e的方程或不等式.
椭圆焦点三角形的常见性质
以椭圆+=1(a>b>0)上一点P(x0,y0)(y0≠0)和焦点F1(-c,0),F2(c,0)为顶点的△PF1F2中,若∠F1PF2=θ,则
(1)|PF1|+|PF2|=2a;
(2)4c2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|·cos θ;
(3)S△PF1F2=|PF1||PF2|·sin θ,当|y0|=b,即P为短轴端点时,S△PF1F2取最大值bc;
(4)焦点三角形的周长为2(a+c);
(5)当P为短轴端点时,θ最大;
(6)若焦点三角形的内切圆圆心为I,延长PI交F1F2于点Q,则==,所以===(e为离心率).
解决椭圆的方程及性质问题应注意三点
(1)判断椭圆的两种标准方程的方法为比较标准方程中x2和y2的分母大小.
(2)关于离心率的范围问题,一定不要忘记椭圆离心率的取值范围为0b>0)上点的坐标为P(x,y)时,则|x|≤a,这往往在求与点P有关的最值问题中特别有用,也是容易被忽略而导致求最值错误的原因.
[学生用书P317(单独成册)]
1.椭圆+=1的焦距为2,则m的值是( )
A.6或9 B.5
C.1或9 D.3或5
解析:选D.由题意,得c=1,当椭圆的焦点在x轴上时,由m-4=1,解得m=5;当椭圆的点在y轴上时,由4-m=1,解得m=3,所以m的值是3或5,故选D.
2.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的离心率为,以原点为圆心,椭圆的短半轴长为半径的圆与直线x-y+=0相切,则椭圆C的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选C.由题意知e==,所以e2===,即a2=b2.以原点为圆心,椭圆的短半轴长为半径的圆的方程为x2+y2=b2,由题意可知b==,所以a2=4,b2=3.故椭圆C的方程为+=1,故选C.
3.设椭圆+=1的焦点为F1,F2,点P在椭圆上,若△PF1F2是直角三角形,则△PF1F2的面积为( )
A.3 B.3或
C. D.6或3
解析:选C.由已知a=2,b=,c=1,则点P为短轴顶点(0,)时,∠F1PF2=,△PF1F2是正三角形,若△PF1F2是直角三角形,则直角顶点不可能是点P,只能是焦点F1(或F2)为直角顶点,此时|PF1|==,S△PF1F2=··2c==.故选C.
4.已知F是椭圆+=1(a>b>0)的左焦点,A为右顶点,P是椭圆上一点,PF⊥x轴,|PF|=|AF|,则该椭圆的离心率是( )
A. B.
C. D.
解析:选B.由题可知点P的横坐标是-c,代入椭圆方程,有+=1,得y=±.又|PF|=|AF|,即=(a+c),化简得4c2+ac-3a2=0,即4e2+e-3=0,解得e=或e=-1(舍去).
5.如图,椭圆+=1(a>0)的左、右焦点分别为F1,F2,P点在椭圆上,若 |PF1|=4,∠F1PF2=120°,则a的值为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
解析:选B.b2=2,c=,故|F1F2|=2,又|PF1|=4,|PF1|+|PF2|=2a,|PF2|=2a-4,由余弦定理得cos 120°==-,化简得8a=24,即a=3,故选B.
6.已知方程+=1表示焦点在y轴上的椭圆,则实数k的取值范围是________.
解析:因为方程+=1表示焦点在y轴上的椭圆,则由得故k的取值范围为(1,2).
答案:(1,2)
7.若n是2和8的等比中项,则圆锥曲线x2+=1的离心率是________.
解析:由n2=2×8,得n=±4,当n=4时,曲线为椭圆,其离心率为e==;当n=-4时,曲线为双曲线,其离心率为e==.
答案:或
8.已知椭圆C的中心在原点,一个焦点F(-2,0),且长轴长与短轴长的比是2∶,则椭圆C的方程是_________________________________.
解析:设椭圆C的方程为+=1(a>b>0).
由题意知
所以椭圆C的方程为+=1.
答案:+=1
9.已知椭圆C:x2+2y2=4.
(1)求椭圆C的离心率.
(2)设O为原点.若点A在直线y=2上,点B在椭圆C上,且OA⊥OB,求线段AB长度的最小值.
解:(1)由题意,椭圆C的标准方程为+=1.
所以a2=4,b2=2,从而c2=a2-b2=2.
因此a=2,c=.
故椭圆C的离心率e==.
(2)设点A,B的坐标分别为(t,2),(x0,y0),其中x0≠0.
因为OA⊥OB,所以·=0,
即tx0+2y0=0,
解得t=-.又x+2y=4,所以|AB|2=(x0-t)2+(y0-2)2=+(y0-2)2
=x+y++4=x+++4=++4(0b>0),
由题意可得c=,又e==,所以a=2.
所以b2=a2-c2=2,
所以椭圆的标准方程为+=1.
(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),
由=2,得
验证易知直线AB的斜率存在,设直线AB的方程为y=kx+1,代入椭圆方程整理,得(2k2+1)x2+4kx-2=0,所以x1+x2=,x1·x2=.
将x1=-2x2代入上式可得,()2=,
解得k2=.
所以△AOB的面积S=|OP|·|x1-x2|==·=.
1.(2018·广州综合测试(一))已知F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,若椭圆C上存在点P使得∠F1PF2为钝角,则椭圆C的离心率的取值范围是( )
A.(,1) B.(,1)
C.(0,) D.(0,)
解析:选A.法一:设P(x0,y0),由题易知|x0|x+y有解,即c2>(x+y)min,又y=b2-x,xb2,又b2=a2-c2,所以e2=>,解得e>,又0,又0b>0),焦距为2c,右焦点为F′,连接PF′,如图所示.因为F(-2,0)为C的左焦点,所以c=2.由|OP|=|OF|=|OF′|知,∠FPF′=90°,即FP⊥PF′.
在Rt△PFF′中,由勾股定理,得|PF′|===8.由椭圆定义,得|PF|+|PF′|=2a=4+8=12,所以a=6,a2=36,于是b2=a2-c2=36-(2)2=16,所以椭圆C
的方程为+=1.
4.已知椭圆方程为+=1(a>b>0),A,B分别是椭圆长轴的两个端点,M,N是椭圆上关于x轴对称的两点,直线AM,BN的斜率分别为k1,k2,若|k1·k2|=,则椭圆的离心率为________.
解析:设M(x0,y0),则N(x0,-y0),|k1·k2|=====,
从而e==.
答案:
5.(2017·高考北京卷)已知椭圆C的两个顶点分别为A(-2,0),B(2,0),焦点在x轴上,离心率为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)点D为x轴上一点,过D作x轴的垂线交椭圆C于不同的两点M,N,过D作AM的垂线交BN于点E.求证:△BDE与△BDN的面积之比为4∶5.
解:(1)设椭圆C的方程为+=1(a>b>0).
由题意得解得c=.
所以b2=a2-c2=1.
所以椭圆C的方程为+y2=1.
(2)证明:设M(m,n),则D(m,0),N(m,-n).
由题设知m≠±2,且n≠0.
直线AM的斜率kAM=,故直线DE的斜率kDE=-.
所以直线DE的方程为y=-(x-m).
直线BN的方程为y=(x-2).
联立解得点E的纵坐标yE=-.
由点M在椭圆C上,得4-m2=4n2,
所以yE=-n.
又S△BDE=|BD|·|yE|=|BD|·|n|,
S△BDN=|BD|·|n|,
所以△BDE与△BDN的面积之比为4∶5.
6.(2018·合肥质量检测(一))已知点F为椭圆E:+=1(a>b>0)的左焦点,且两焦点与短轴的一个顶点构成一个等边三角形,直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M.
(1)求椭圆E的方程;
(2)设直线+=1与y轴交于P,过点P的直线l与椭圆E交于不同的两点A,B若λ|PM|2=|PA|·|PB|,求实数λ的取值范围.
解:(1)由题意,得a=2c,b=c,则椭圆E为+=1.
由,得x2-2x+4-3c2=0.
因为直线+=1与椭圆E有且仅有一个交点M,
所以Δ=4-4(4-3c2)=0⇒c2=1,
所以椭圆E的方程为+=1.
(2)由(1)得M(1,),
因为直线+=1与y轴交于P(0,2),
所以|PM|2=,
当直线l与x轴垂直时,
|PA|·|PB|=(2+)×(2-)=1,
所以λ|PM|2=|PA|·|PB|⇒λ=,
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为y=kx+2,A(x1,y1),B(x2,y2),
由⇒(3+4k2)x2+16kx+4=0,
依题意得,x1x2=,且Δ=48(4k2-1)>0,
所以|PA|·|PB|=(1+k2)x1x2=(1+k2)·=1+=λ,所以λ=(1+),
因为k2>,所以<λ<1.
综上所述,λ的取值范围是[,1).