内容正文:
第八章 解析几何
第五节 椭 圆
第一课时 椭圆及其简单几何性质
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第1轮 数学(北)
第八章 解析几何
栏目索引
必备知识 基础落实
关键能力 精准突破
必备知识 基础落实
常数
焦点
焦距
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-a≤x≤a且
-b≤y≤b
-b≤x≤b且
-a≤y≤a
A1(-a,0),A2(a,0),
B1(0,-b),B2(0,b)
A1(0,-a),A2(0,a),
B1(-b,0),B2(b,0)
2b
2a
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F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
2c
x轴和y轴
原点
a2=b2+c2
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=
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第八章 解析几何
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课标解读
1.了解椭圆的实际背景,感受椭圆在刻画现实世界和解决实际问题中的作用.
2.经历从具体情境中抽象出椭圆的过程,掌握椭圆的定义、标准方程及简单几何性质.
3.通过椭圆的学习,进一步体会数形结合的思想.
4.了解椭圆的简单应用.
1.椭圆的定义
平面内到两个定点F1,F2的距离之和等于____(大于|F1F2|)的点的集合或(轨迹)叫作椭圆.这两个定点F1,F2叫作椭圆的____,两个焦点间的距离|F1F2|叫作椭圆的____.
2.椭圆的简单几何性质
焦点的
位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
图形
标准
方程
eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,b2) =1
(a>b>0)
eq \f(y2,a2) + eq \f(x2,b2) =1
(a>b>0)
焦点的
位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
范围
____________
____________
____________
____________
顶点
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
轴长
短轴长为____,长轴长为____
焦点的
位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
焦点
______________________
__________________________
焦距
|F1F2|=____
对称性
对称轴:__________,对称中心:____
离心率
e= eq \f(c,a) (0<e<1)
a,b,c
的关系
______________________
3.直线与椭圆的位置判断
将直线方程与椭圆方程联立,消去y(或x),得到关于x(或y)的一元二次方程,则直线与椭圆相交⇔Δ__0;直线与椭圆相切⇔Δ__0;直线与椭圆相离⇔Δ__0.
4.弦长公式
设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),
则|AB|= eq \r(1+k2) |x1-x2|=
eq \r((1+k2)[(x1+x2)2-4x1x2])
或|AB|= eq \r(1+\f(1,k2)) |y1-y2|=
eq \b\lc\ (\a\vs4\al\co1(\r(1+\f(1,k2))[(y1+y2)2-4y1y2])) ,
k为直线斜率且k≠0.
(1)焦点在x轴上⇔标准方程中x2项的分母较大;焦点在y轴上⇔标准方程中y2项的分母较大.
(2)离心率表示椭圆的扁平程度.当e越接近于1时,c越接近于a,从而b= eq \r(a2-c2) 越小,因此椭圆越扁.
1.判断正误
(1)平面内与两个定点F1,F2的距离之和等于常数的点的轨迹是椭圆.( )
(2)椭圆的离心率e越大,椭圆就越圆.( )
(3)方程mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)表示的曲线是椭圆.( )
(4) eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,b2) =1(a>b>0)与 eq \f(y2,a2) + eq \f(x2,b2) =1(a>b>0)的焦距相同.( )
2.直线y=x+1与椭圆 eq \f(x2,5) + eq \f(y2,4) =1的位置关系是( )
A.相交
B.相切
C.相离
D.无法判断
A 解析:(方法一) 联立直线与椭圆的方程得 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(y=x+1,,\f(x2,5)+\f(y2,4)=1,))))
消去y得9x2+10x-15=0,Δ=100-4×9×(-15)>0,所以直线与椭圆相交.
(方法二) 直线过点(0,1),而0+ eq \f(1,4) <1,即点(0,1)在椭圆内部,所以可推断直线与椭圆相交.
3.已知中心在原点的椭圆C的右焦点为F(1,0),离心率等于 eq \f(1,3) ,则椭圆C的方程是( )
A. eq \f(x2,4) + eq \f(y2,3) =1
B. eq \f(x2,4) + eq \f(y2,\r(3)) =1
C. eq \f(x2,4) + eq \f(y2,2) =1
D. eq \f(x2,9) + eq \f(y2,8) =1
答案:D
4.(2023·重庆模拟)已知椭圆C:16x2+4y2=1,则下列结论正确的是( )
A.长轴长为 eq \f(1,2)
B.焦距为 eq \f(\r(3),4)
C.短轴长为 eq \f(1,4)
D.离心率为 eq \f(\r(3),2)
D 解析:把椭圆方程16x2+4y2=1化为标准方程可得 eq \f(x2,\f(1,16)) + eq \f(y2,\f(1,4)) =1,所以a= eq \f(1,2) ,b= eq \f(1,4) ,c= eq \f(\r(3),4) ,
则长轴长2a=1,焦距2c= eq \f(\r(3),2) ,短轴长2b= eq \f(1,2) ,离心率e= eq \f(c,a) = eq \f(\r(3),2) ,故选D.
5.已知椭圆 eq \f(x2,5) + eq \f(y2,m) =1(m>0)的离心率e= eq \f(\r(10),5) ,则m的值为____________.
答案:3或 eq \f(25,3)
6.若方程 eq \f(x2,m) + eq \f(y2,2m-1) =1表示椭圆,则m满足的条件是____________.
eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(m|m>\f(1,2)且m≠1)) 解析:由方程 eq \f(x2,m) + eq \f(y2,2m-1) =1表示椭圆,
知 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(m>0,,2m-1>0,,m≠2m-1,)))) 解得m> eq \f(1,2) 且m≠1.
1.如图所示,一圆形纸片的圆心为O,F是圆内一定点,M是圆周上一动点,把纸片折叠使M与F重合,然后抹平纸片,折痕为CD,设CD与OM交于点P,则点P的轨迹是( )
A.椭圆
B.双曲线
C.抛物线
D.圆
A 解析:由条件知|PM|=|PF|,
∴|PO|+|PF|=|PO|+|PM|=|OM|=R>|OF|,
点P的轨迹是以O,F为焦点的椭圆.
2.过椭圆4x2+y2=1的一个焦点F1的直线与椭圆交于A,B两点,则A与B和椭圆的另一个焦点F2构成的△ABF2的周长为( )
A.2 B.4 C.8
D.2 eq \r(2)
B 解析:∵椭圆方程变形为 eq \f(y2,1) + eq \f( \a\vs4\al(x2 ),\f(1,4)) =1,
∴椭圆长轴长2a=2,∴△ABF2的周长为|AB|+|AF2|+|BF2|=4a=4.
3.已知F1,F2是椭圆C: eq \f(x2,9) + eq \f(y2,4) =1的两个焦点,点M在C上,则|MF1|·|MF2|的最大值为( )
A.13 B.12 C.9 D.6
C 解析:由椭圆的定义可知|MF1|+|MF2|=6,
所以由基本不等式,得
|MF1|·|MF2|≤( eq \f(|MF1|+|MF2|,2) )2=9,
当且仅当|MF1|=|MF2|=3时等号成立.
故|MF1|·|MF2|的最大值为9.
4.(2023·佛山模拟)已知F是椭圆5x2+9y2=45的左焦点,P是此椭圆上的动点,A(1,1)是一定点,则|PA|+|PF|的最大值为________________,最小值为________________.
答案:6+ eq \r(2) 6- eq \r(2) 解析:椭圆方程化为 eq \f(x2,9) + eq \f(y2,5) =1,设F1是椭圆的右焦点,则F1(2,0),
∴|AF1|= eq \r(2) ,
∴|PA|+|PF|=|PA|-|PF1|+6,
又-|AF1|≤|PA|-|PF1|≤|AF1|(当P,A,F1共线时等号成立),
∴6- eq \r(2) ≤|PA|+|PF|≤6+ eq \r(2) .
5.已知点P(x,y)在椭圆 eq \f(x2,36) + eq \f(y2,100) =1上,F1,F2是椭圆的两个焦点,若△PF1F2的面积为18,则∠F1PF2的余弦值为________________.
答案: eq \f(3,5) 解析:椭圆 eq \f(x2,36) + eq \f(y2,100) =1的两个焦点为F1(0,-8),F2(0,8),
由椭圆的定义知|PF1|+|PF2|=20,
两边平方得|PF1|2+|PF2|2+2|PF1||PF2|=202,
由余弦定理得
|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|·cos ∠F1PF2=
|F1F2|2=162,
两式相减得2|PF1||PF2|(1+cos ∠F1PF2)=144.
又S△PF1F2= eq \f(1,2) |PF1||PF2|sin ∠F1PF2=18,
所以1+cos ∠F1PF2=2sin ∠F1PF2,
解得cos ∠F1PF2= eq \f(3,5) .
1.(多选)(2023·山东枣庄模拟)已知椭圆的长轴长为10,其焦点到中心的距离为4,则这个椭圆的标准方程可以为( )
A. eq \f(x2,100) + eq \f(y2,84) =1
B. eq \f(x2,25) + eq \f(y2,9) =1
C. eq \f(x2,84) + eq \f(y2,100) =1
D. eq \f(x2,9) + eq \f(y2,25) =1
BD 解析:因为椭圆的长轴长为10,
其焦点到中心的距离为4,
所以 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(2a=10,,c=4,)))) 解得a=5,b2=25-16=9.
所以当椭圆的焦点在x轴上时,
椭圆的标准方程为 eq \f(x2,25) + eq \f(y2,9) =1;
当椭圆的焦点在y轴上时,椭圆的标准方程为 eq \f(x2,9) + eq \f(y2,25) =1.
2.(2022·全国甲卷) 已知椭圆C: eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,b2) =1(a>b>0)的离心率为 eq \f(1,3) ,A1,A2分别为C的左、右顶点,B为C的上顶点.若BA1·BA2=-1,则C的方程为( )
A. eq \f(x2,18) + eq \f(y2,16) =1
B. eq \f(x2,9) + eq \f(y2,8) =1
C. eq \f(x2,3) + eq \f(y2,2) =1
D. eq \f(x2,2) +y2=1
B 解析:因为离心率e= eq \f(c,a) = eq \r(1-\f(b2,a2)) = eq \f(1,3) ,解得 eq \f(b2,a2) = eq \f(8,9) ,b2= eq \f(8,9) a2,A1,A2分别为椭圆C的左右顶点,
则A1 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-a,0)) ,A2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a,0)) ,B为上顶点,所以B(0,b).
所以BA1=(-a,-b),BA2=(a,-b),因为BA1·BA2=-a2+b2=-1,
将b2= eq \f(8,9) a2代入,解得a2=9,b2=8,故椭圆C的方程为 eq \f(x2,9) + eq \f(y2,8) =1.
3.(2022·四川南充三模)古希腊数学家阿基米德用“逼近法”得到椭圆面积的4倍除以圆周率等于椭圆的长轴长与短轴长的积.已知椭圆C的中心在原点,焦点F1,F2在y轴上,其面积为8 eq \r(3) π,过点F1的直线l与椭圆C交于点A,B且△F2AB的周长为32,则椭圆C的方程为( )
A. eq \f(x2,64) + eq \f(y2,3) =1
B. eq \f(y2,64) + eq \f(x2,3) =1
C. eq \f(x2,64) + eq \f(y2,48) =1
D. eq \f(y2,64) + eq \f(x2,48) =1
B 解析:∵焦点F1,F2在y轴上,
∴可设椭圆标准方程为 eq \f(y2,a2) + eq \f(x2,b2) =1(a>b>0),
由题意可得 eq \f(4S,π) =2a×2b=4ab,
∴S=abπ=8 eq \r(3) π,即ab=8 eq \r(3) ,
∵△F2AB的周长为32,∴4a=32,则a=8,
∴b= eq \r(3) ,故椭圆C的方程为 eq \f(y2,64) + eq \f(x2,3) =1.
考向1 求椭圆的离心率的值(范围)
【例1】 (2023·新课标Ⅰ卷)设椭圆C1: eq \f(x2,a2) +y2=1(a>1),C2: eq \f(x2,4) +y2=1的离心率分别为e1,e2,若e2= eq \r(3) e1,则a=( )
A. eq \f(2\r(3),3)
B. eq \r(2)
C. eq \r(3)
D. eq \r(6)
A 解析:(方法一:直接求解法) 由已知得e1= eq \f(\r(a2-1),a) ,e2= eq \f(\r(4-1),2) = eq \f(\r(3),2) ,因为e2= eq \r(3) e1,所以 eq \f(\r(3),2) = eq \r(3) × eq \f(\r(a2-1),a) ,得a= eq \f(2\r(3),3) .
(方法二:选项代入验证法) 若a= eq \f(2\r(3),3) ,则e1= eq \f(\r(a2-1),a) = eq \f(\r((\f(2\r(3),3))2-1),\f(2\r(3),3)) = eq \f(1,2) ,又e2= eq \f(\r(3),2) ,所以e2= eq \r(3) e1,所以a= eq \f(2\r(3),3) 符合题意.
【练1】 (2023·杭州模拟)过椭圆C: eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,b2) =1(a>b>0)的右焦点作x轴的垂线,交C于A,B两点,直线l过C的左焦点和上顶点.若以AB为直径的圆与l存在公共点,则C的离心率的取值范围是( )
A.(0, eq \f(\r(5),5) ]
B.[ eq \f(\r(5),5) ,1)
C.(0, eq \f(\r(2),2) ]
D.[ eq \f(\r(2),2) ,1)
A 解析:由题设知,直线l: eq \f(x,-c) + eq \f(y,b) =1,即bx-cy+bc=0,以AB为直径的圆的圆心为(c,0),根据题意,将x=c代入椭圆C的方程,得y=± eq \f(b2,a) ,即圆的半径r= eq \f(b2,a) .又圆与直线l有公共点,所以 eq \f(2bc,\r(b2+c2)) ≤ eq \f(b2,a) ,化简得2c≤b,平方整理得a2≥5c2,所以e= eq \f(c,a) ≤ eq \f(\r(5),5) .又0<e<1,所以0<e≤ eq \f(\r(5),5) .
【练2】 (2023·安徽舒城中学三模)若椭圆的任意两条互相垂直的切线的交点都在同一个圆上,该圆的圆心是椭圆中心,则称这个圆为蒙日圆.若椭圆C: eq \f(x2,a2) + eq \f(y2,4) =1(a2>4)的蒙日圆的半径为2 eq \r(3) ,则椭圆C的离心率为____________.
答案: eq \f(\r(2),2) 解析:过P(a,2)可作椭圆C的两条互相垂直的切线x=a和y=2,∴P(a,2)在蒙日圆上,∴ eq \r(a2+4) =2 eq \r(3) ,解得a2=8,
∴椭圆C的离心率e= eq \f(c,a) = eq \r(1-\f(b2,a2)) = eq \r(1-\f(4,8)) = eq \f(\r(2),2) .
考向2 与椭圆性质有关的最值问题
【例2】 (1)设B是椭圆C: eq \f(x2,5) +y2=1的上顶点,点P在C上,则|PB|的最大值为( )
A. eq \f(5,2)
B. eq \r(6)
C. eq \r(5)
D.2
(2)如图,焦点在x轴上的椭圆 eq \f(x2,4) + eq \f(y2,b2) =1(b>0)的离心率e= eq \f(1,2) ,F,A分别是椭圆的一个焦点和顶点,P是椭圆上任意一点,则 eq \o(PF,\s\up13(→)) · eq \o(PA,\s\up13(→)) 的最大值为________________.
答案:(1)A (2)4 解析:(1)由题意知B(0,1).
设点P的坐标为(x,y)(-1≤y≤1),
则|PB|= eq \r(x2+(y-1)2) . ①
由 eq \f(x2,5) +y2=1,得x2=5(1-y2). ②
把②代入①,得|PB|= eq \r(5(1-y2)+(y-1)2) = eq \r(-4(y+\f(1,4))2+\f(25,4)) (-1≤y≤1).易知当y=- eq \f(1,4) 时,|PB|max= eq \f(5,2) .
(2)由题意知a=2,因为e= eq \f(c,a) = eq \f(1,2) ,
所以c=1,所以b2=a2-c2=3.
故椭圆方程为 eq \f(x2,4) + eq \f(y2,3) =1.
设点P的坐标为(x0,y0),
所以-2≤x0≤2,- eq \r(3) ≤y0≤ eq \r(3) .
因为F(-1,0),A(2,0),
eq \o(PF,\s\up13(→)) =(-1-x0,-y0), eq \o(PA,\s\up13(→)) =(2-x0,-y0),
所以 eq \o(PF,\s\up13(→)) · eq \o(PA,\s\up13(→)) =x eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) -x0-2+y eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) = eq \f(1,4) x eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) -x0+1= eq \f(1,4) (x0-2)2.则当x0=-2时, eq \o(PF,\s\up13(→)) · eq \o(PA,\s\up13(→)) 取得最大值4.
【练3】 P为椭圆 eq \f(x2,16) + eq \f(y2,15) =1上任意一点,EF为圆N:(x-1)2+y2=4的任意一条直径,则 eq \o(PE,\s\up13(→)) · eq \o(PF,\s\up13(→)) 的取值范围是( )
A.[0,15]
B.[5,15]
C.[5,21]
D.(5,21)
C 解析:由题意知圆N的圆心N(1,0)恰好是椭圆的右焦点,
因为 eq \o(PE,\s\up13(→)) · eq \o(PF,\s\up13(→)) =( eq \o(PN,\s\up13(→)) + eq \o(NE,\s\up13(→)) )·( eq \o(PN,\s\up13(→)) + eq \o(NF,\s\up13(→)) )=
( eq \o(PN,\s\up13(→)) + eq \o(NE,\s\up13(→)) )·( eq \o(PN,\s\up13(→)) - eq \o(NE,\s\up13(→)) )= eq \o(PN,\s\up13(→)) 2- eq \o(NE,\s\up13(→)) 2=| eq \o(PN,\s\up13(→)) |2-4.
因为a-c≤| eq \o(PN,\s\up13(→)) |≤a+c,即3≤| eq \o(PN,\s\up13(→)) |≤5,
所以 eq \o(PE,\s\up13(→)) · eq \o(PF,\s\up13(→)) 的取值范围是[5,21].
【练4】 (2023·深圳调研)已知点P(0,1),椭圆 eq \f(x2,4) +y2=m(m>1)上两点A,B满足 eq \o(AP,\s\up13(→)) =2 eq \o(PB,\s\up13(→)) ,则当m=________________时,点B横坐标的绝对值最大.
答案:5 解析:设A(x1,y1),B(x2,y2),由 eq \o(AP,\s\up13(→)) =2 eq \o(PB,\s\up13(→)) ,得 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(-x1=2x2,,1-y1=2(y2-1),)))) 即x1=-2x2,y1=3-2y2.因为点A,B在椭圆上,所以eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(\f(4x,4)+(3-2y2)2=m,,\f(x eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) ,4)+y eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) =m,))))
得y2= eq \f(1,4) m+ eq \f(3,4) ,所以x eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) =m-(3-2y2)2=- eq \f(1,4) m2+ eq \f(5,2) m- eq \f(9,4) =- eq \f(1,4) (m-5)2+4≤4,所以当m=5时,点B横坐标的绝对值最大,最大值为2.
$$