内容正文:
数学 选择性必修 第一册[RJ]
3.1.1 椭圆及其标准方程
(教师独具内容)
课程标准:1.了解圆锥曲线的实际背景,感受圆锥曲线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.
教学重点:椭圆定义的应用及求椭圆的标准方程.
教学难点:椭圆标准方程的推导.
核心素养:通过研究椭圆的定义及标准方程,提升数学抽象、数学运算及逻辑推理素养.
知识点一 椭圆
(1)平面内与两个定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆,这两个定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做椭圆的焦距.焦距的一半称为半焦距.
(2)椭圆的集合语言描述为P={M||MF1|+|MF2|=2a,2a>|F1F2|}.
[想一想] 若将椭圆定义中“大于|F1F2|”去掉,动点的轨迹还是椭圆吗?
提示:动点的轨迹不一定是椭圆,具体情况如下:
条件
结论
2a>|F1F2|
动点的轨迹是椭圆
2a=|F1F2|
动点的轨迹是线段F1F2
2a<|F1F2|
动点不存在,因此轨迹不存在
知识点二 椭圆的标准方程
焦点在x轴上
焦点在y轴上
标准方程
+=1(a>b>0)
+=1(a>b>0)
图形
焦距
|F1F2|=2c
焦点坐标
(±c,0)
(0,±c)
a,b,c的关系
a2=b2+c2
[说明] 两种椭圆标准方程的相同点和不同点
相同点
不同点
焦点在x轴上
形状、大小相同,a>b>0,b2=a2-c2,焦距为2c
方程+=1中,x2对应的分母大
焦点在y轴上
方程+=1中,y2对应的分母大
1.(椭圆的定义)设F1,F2为定点,|F1F2|=6,动点M满足|MF1|+|MF2|=10,则动点M的轨迹是( )
A.椭圆 B.直线
C.圆 D.线段
答案 A
2.(椭圆的标准方程、焦点坐标)椭圆x2+=1的焦点坐标是( )
A.(±2,0) B.(0,±2)
C.(0,±) D.(±,0)
答案 C
3.(椭圆的标准方程)a=5,c=3,焦点在x轴上的椭圆的标准方程为__________.
答案 +=1
4.(椭圆的定义)椭圆+=1上一点P到一个焦点的距离为4,则点P到另一个焦点的距离为________.
答案 6
题型一 椭圆的定义
(1)下列说法中正确的是( )
A.到点F1(-4,0),F2(4,0)的距离之和等于8的点的轨迹是椭圆
B.到点F1(-4,0),F2(4,0)的距离之和等于6的点的轨迹是椭圆
C.到点F1(-4,0),F2(4,0)的距离之和等于12的点的轨迹是椭圆
D.到点F1(-4,0),F2(4,0)距离相等的点的轨迹是椭圆
[解析] 对于A,|F1F2|=8,故到点F1,F2的距离之和为8的点的轨迹是线段F1F2;对于B,到点F1,F2的距离之和为6的点的轨迹不存在;对于C,由椭圆的定义,知该轨迹是椭圆;对于D,该点的轨迹是线段F1F2的垂直平分线.
[答案] C
(2)(2024·南平第一中学高二期中)已知F是椭圆+=1的左焦点,点Q(4,3),若P是椭圆上任意一点,则|PQ|+|PF|的最大值为( )
A.4+3 B.4+4
C.3 D.4
[解析] 设椭圆的右焦点为F1(1,0),由题意,得a=2,则|PQ|+|PF|=|PQ|+2a-|PF1|≤2a+|QF1|=4+=4+3,当P,Q,F1三点共线,且F1在P,Q之间时,等号成立.故选A.
[答案] A
感悟提升
1.对椭圆定义的三点说明
(1)椭圆是在平面内定义的,所以“平面内”这一条件不能忽视.
(2)定义中到两定点的距离之和是常数,而不能是变量.
(3)常数(2a)必须大于两定点间的距离,否则轨迹不是椭圆,这是判断一曲线是否为椭圆的限制条件.
2.椭圆定义的两个应用
(1)若|MF1|+|MF2|=2a(2a>|F1F2|),则动点M的轨迹是椭圆.
(2)若点M在椭圆上,则|MF1|+|MF2|=2a.
如图所示,已知过椭圆+=1的右焦点F2的直线AB交椭圆于A,B两点,F1是椭圆的左焦点.若|F1A|+|F1B|=12,则|AB|=________.
答案 8
解析 由椭圆的方程+=1,可得a=5,故由椭圆的定义有|AF1|+|AF2|=2a=10,|BF1|+|BF2|=2a=10,又|AF2|+|BF2|=|AB|,所以|AB|=(|AF1|+|AF2|+|BF1|+|BF2|)-(|F1A|+|F1B|)=20-12=8.
题型二 椭圆的标准方程
(1)(2024·黄冈中学高二期中)若方程+=1表示的曲线为椭圆,则实数m的取值范围为________.
[解析] 由题意,得
解得所以实数m的取值范围为(1,3)∪(3,5).
[答案] (1,3)∪(3,5)
(2)求满足下列条件的椭圆的标准方程:
①焦点坐标分别为(0,-2),(0,2),且经过点(4,3);
②经过两点P1,P2.
[解] ①解法一:∵椭圆的焦点在y轴上,
∴设所求椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).
由题意知c=2,
2a=+
=12,
解得a=6.
∴b2=a2-c2=32.
∴所求椭圆的标准方程为+=1.
解法二:∵椭圆的焦点在y轴上,
∴设所求椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).
由题意得解得
∴所求椭圆的标准方程为+=1.
②解法一:(ⅰ)当椭圆的焦点在x轴上时,设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0),
依题意知解得
∵a2=<=b2,
∴焦点在x轴上的椭圆不存在.
(ⅱ)当椭圆的焦点在y轴上时,
设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).
由题意得解得
故所求椭圆的标准方程为+=1.
解法二:设所求椭圆的方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B).
由题意得
解得
故所求椭圆的方程为5x2+4y2=1,
即椭圆的标准方程为+=1.
感悟提升
1.根据椭圆方程求参数的取值范围
(1)给出方程+=1,其表示椭圆的条件是其表示焦点在x轴上的椭圆的条件是m>n>0,其表示焦点在y轴上的椭圆的条件是n>m>0.
(2)若给出椭圆方程Ax2+By2=C,则应首先将该方程转化为椭圆的标准方程的形式+=1,再研究其焦点的位置等情况.
2.求椭圆标准方程的方法
(1)关键量代入法:先确定椭圆的焦点位置,明确其标准方程的形式,再利用定义及a2-b2=c2求出参数a,b,最后代入椭圆标准方程.
(2)待定系数法:构造a,b,c三者之间的关系,通过解方程组求出a,b.但是要注意先确定焦点所在的位置,其主要步骤可归纳为“先定位,后定量”.
当焦点位置不确定时,可设椭圆方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n).因为它包括焦点在x轴上(m<n)或焦点在y轴上(m>n)两类情况,所以可以避免分类讨论,简化运算.
(1)若方程x2+ky2=2表示焦点在y轴上的椭圆,那么实数k的取值范围是( )
A.(0,+∞) B.(0,2)
C.(1,+∞) D.(0,1)
答案 D
解析 ∵方程x2+ky2=2,即+=1表示焦点在y轴上的椭圆,∴>2,故0<k<1.故选D.
(2)过点(-3,2)且与+=1有相同焦点的椭圆的方程为________.
答案 +=1
解析 ∵c2=9-4=5,焦点在x轴上,∴设椭圆的方程为+=1(a2>5).∵点(-3,2)在椭圆上,∴+=1,∴a2=15,∴所求椭圆的方程为+=1.
题型三 与椭圆有关的轨迹问题
(1)已知点A(-,0),B(,0),P是平面内的一个动点,直线PA与PB的斜率之积是-,则动点P的轨迹方程为________.
[解析] (直接法)设P(x,y)(x≠±),由题意,得kPA·kPB=·=-.整理,得+y2=1(x≠±).故动点P的轨迹方程为+y2=1(x≠±).
[答案] +y2=1(x≠±)
(2)已知圆A:(x+3)2+y2=100,圆A内一定点B(3,0),圆P过点B且与圆A内切,则圆心P的轨迹方程为________.
[解析] (定义法)设圆P的半径为r.∵圆P过点B,∴|PB|=r.又圆P与圆A内切,圆A的半径为10.∴两圆的圆心距|PA|=10-r,即|PA|+|PB|=10(大于|AB|).∴点P的轨迹是以A,B为焦点的椭圆.∴2a=10,2c=|AB|=6,∴a=5,c=3.∴b2=a2-c2=25-9=16.即圆心P的轨迹方程为+=1.
[答案] +=1
感悟提升 求与椭圆有关的轨迹方程常用的方法
(1)定义法:若动点的轨迹特点符合某一基本轨迹(如椭圆、圆等)的定义,则可用定义法求解.
(2)直接法:将动点满足的几何条件或者等量关系直接坐标化,列出等式后化简,得出动点的轨迹方程.
(3)相关点法:根据相关点所满足的方程,通过转换求出动点的轨迹方程.当题目中所求动点和已知动点存在明显关系时,一般利用相关点的方法求解.用相关点法求轨迹方程的基本步骤如下:
①设点:设所求轨迹上动点坐标为P(x,y),已知曲线上动点坐标为Q(x1,y1);
②求关系式:用点P的坐标表示出点Q的坐标,即得关系式
③代换:将上述关系式代入已知曲线方程得到所求动点的轨迹方程,并把所得方程化简即可.
在△ABC中,已知顶点A(-2,0),顶点B(2,0),若顶点C满足2|AB|=|AC|+|BC|,则顶点C的轨迹方程为____________,△ABC的重心G的轨迹方程为________________.
答案 +=1(y≠0) +=1(y≠0)
解析 (定义法)由题意可得2|AB|=|AC|+|BC|=2×4=8,故顶点C的轨迹是以A,B为焦点的椭圆.∴2a=8,∴a=4,又2c=|AB|=4,∴c=2,∴b2=a2-c2=12,则顶点C的轨迹方程为+=1(y≠0).
(相关点法)设重心G(x,y),C(x0,y0),
则∴
∵+=1(y0≠0),∴+=1(y≠0),即△ABC的重心G的轨迹方程为+=1(y≠0).
题型四 椭圆的焦点三角形问题
已知椭圆+=1中,点P是椭圆上一点,F1,F2是椭圆的焦点,且∠PF1F2=120°,则△PF1F2的面积为________.
[解析] 由+=1可知a=2,b=,所以c==1,从而|F1F2|=2c=2.在△PF1F2中,由余弦定理,得|PF2|2=|PF1|2+|F1F2|2-2|PF1|·|F1F2|·cos∠PF1F2,即|PF2|2=|PF1|2+4+2|PF1| ①.由椭圆的定义,得|PF1|+|PF2|=2a=4 ②.由①②联立可得|PF1|=.所以S△PF1F2=|PF1|·|F1F2|sin∠PF1F2=××2×=.
[答案]
【条件探究】本例中“∠PF1F2=120°”改为“∠F1PF2=60°”,其他条件不变,应该怎样解答?
解 由已知a=2,b=,得
c===1.
∴|F1F2|=2c=2.
在△PF1F2中,|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|cos60°,即4=(|PF1|+|PF2|)2-2|PF1|·|PF2|-2|PF1|·|PF2|cos60°.
∴4=16-3|PF1|·|PF2|.
∴|PF1|·|PF2|=4,
∴S△PF1F2=|PF1|·|PF2|sin60°
=×4×=.
感悟提升
1.椭圆中焦点三角形的解题策略
在解焦点三角形的相关问题时,一般利用两个关系式:
(1)由椭圆的定义可得|PF1|,|PF2|的一个关系式|PF1|+|PF2|=2a.
(2)利用正、余弦定理可得|PF1|,|PF2|的一个关系式.
这样我们便可求解出|PF1|,|PF2|.
但是通常情况下我们是把|PF1|±|PF2|,|PF1|·|PF2|看成一个整体进行转化求解,而不是具体求出|PF1|与|PF2|的值,所以在解题时注意椭圆定义及正、余弦定理的灵活运用.
2.焦点三角形的常用公式
(1)焦点三角形的周长L=2a+2c.
(2)在△MF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|MF1|2+|MF2|2-2|MF1|·|MF2|·cos∠F1MF2.
(3)焦点三角形的面积S△F1MF2=|MF1|·|MF2|sin∠F1MF2=b2tan.
(1)(2023·全国甲卷)设F1,F2为椭圆C:+y2=1的两个焦点,点P在C上,若·=0,则|PF1|·|PF2|=( )
A.1 B.2
C.4 D.5
答案 B
解析 解法一:因为·=0,所以∠F1PF2=90°,从而S△F1PF2=b2tan45°=1=|PF1|·|PF2|,所以|PF1|·|PF2|=2.故选B.
解法二:因为·=0,所以∠F1PF2=90°,由椭圆方程可知,c2=5-1=4⇒c=2,所以|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=42=16,又|PF1|+|PF2|=2a=2,平方得|PF1|2+|PF2|2+2|PF1|·|PF2|=16+2|PF1|·|PF2|=20,所以|PF1|·|PF2|=2.故选B.
(2)已知椭圆+=1的焦点为F1,F2,点P在椭圆上,且|PF1|=4,则∠F1PF2的大小为________.
答案 120°
解析 ∵|PF1|=4,∴|PF2|=2a-4=6-4=2.∵|F1F2|=2c=2,∴在△F1PF2中,利用余弦定理可得,cos∠F1PF2==-,∴∠F1PF2的大小为120°.
1.若平面内点M到定点F1(0,-1),F2(0,1)的距离之和为2,则点M的轨迹为( )
A.椭圆
B.直线F1F2
C.线段F1F2
D.直线F1F2的垂直平分线
答案 C
解析 |MF1|+|MF2|=2=|F1F2|,所以点M的轨迹为线段F1F2.
2.(2024·湛江第二十中高二期中)已知方程+=1表示焦点在x轴上的椭圆,则实数k的取值范围为( )
A.(-∞,-1)∪(3,+∞)
B.(-∞,-1)
C.(-1,3)
D.(3,+∞)
答案 C
解析 根据题意,要使方程+=1表示焦点在x轴上的椭圆,需满足解得-1<k<3.故选C.
3.已知椭圆的焦点在y轴上,其上任意一点到两焦点的距离和为8,焦距为2,则此椭圆的标准方程为________.
答案 +x2=1
解析 由已知,得2a=8,2c=2,所以a=4,c=,所以b2=a2-c2=16-15=1.又椭圆的焦点在y轴上,所以椭圆的标准方程为+x2=1.
4.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⊥,若△PF1F2的面积为9,则b=________.
答案 3
解析 解法一:因为PF1⊥PF2,所以∠F1PF2=90°,S△PF1F2=b2tan45°=9,所以b2=9,b=3.
解法二:设|PF1|=r1,|PF2|=r2,则由题意,
得由①,得r+2r1r2+r=4a2,由②,得r1r2=18,所以r+r+36=4a2 ④,④-③,得36=4a2-4c2,即4b2=36,所以b2=9,b=3.
5.点M(x,y)与定点F(2,0)的距离和它到定直线x=8的距离的比是1∶2,则点M的轨迹方程为________.
答案 +=1
解析 设d是点M到直线x=8的距离,根据题意,所求轨迹就是集合P={M|=},由此得=.
将上式两边平方,并化简,得3x2+4y2=48,
即点M的轨迹方程为+=1.
一、选择题
1.已知点A(-3,0),B(0,2)在椭圆+=1上,则椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+y2=1 D.+=1
答案 B
解析 由题意,得解得所以椭圆的标准方程为+=1.
2.椭圆+=1上一点M到焦点F1的距离为2,N是MF1的中点,O为原点,则|ON|=( )
A.2 B.4
C.6 D.
答案 B
解析 设椭圆的另一个焦点为F2,因为椭圆+=1上一点M到焦点F1的距离为2,即|MF1|=2,又|MF1|+|MF2|=2a=10,所以|MF2|=8.因为N是MF1的中点,O是F1F2的中点,所以|ON|=|MF2|=4.
3.(2024·聊城一中高二期中)已知圆C:(x-2)2+y2=64,F(-2,0)为圆内一点,将圆折起使得圆周过点F(如图),然后将纸片展开,得到一条折痕l,这样继续下去将会得到若干折痕,观察这些折痕围成的轮廓是一条圆锥曲线,则该圆锥曲线的方程为( )
A.+=1 B.+y2=1
C.+=1 D.+=1
答案 A
解析 由题意,知F(-2,0),C(2,0),记点F关于折痕l的对称点为A,折痕l与AC交于点P,则点A在圆周上,折痕l为线段AF的垂直平分线,如图所示,则有|PA|=|PF|,则|PF|+|PC|=|PA|+|PC|=|AC|=8>|FC|=4,所以点P的轨迹是以F,C为左、右焦点的椭圆,其中长轴长2a=8,焦距2c=4,所以a=4,c=2,b=2,所以点P的轨迹方程,即折痕围成轮廓的圆锥曲线的方程为+=1.故选A.
4.(多选)对于曲线C:+=1,下列说法正确的是( )
A.曲线C可能是椭圆
B.“1<k<4”是“曲线C是椭圆”的充分不必要条件
C.“曲线C是焦点在y轴上的椭圆”是“3<k<4”的必要不充分条件
D.“曲线C是焦点在x轴上的椭圆”是“1<k<2.5”的充要条件
答案 ACD
解析 当1<k<4且k≠2.5时,曲线C是椭圆,所以A正确;当k=2.5时,4-k=k-1,此时曲线C是圆,所以B错误;若曲线C是焦点在y轴上的椭圆,则解得2.5<k<4,所以“曲线C是焦点在y轴上的椭圆”是“3<k<4”的必要不充分条件,所以C正确;若曲线C是焦点在x轴上的椭圆,则解得1<k<2.5,所以D正确.故选ACD.
5.我们把由半椭圆+=1(x≥0)与半椭圆+=1(x<0)合成的曲线称作“果圆”(其中a2=b2+c2,a>b>c>0).如图所示,设点F0,F1,F2是相应椭圆的焦点,A1,A2和B1,B2是“果圆”与x轴和y轴的交点,若△F0F1F2是边长为1的等边三角形,则a,b的值分别为( )
A.,1 B.,1
C.5,3 D.5,4
答案 A
解析 由题意知,a2-b2==,b2-c2==,∴a2-c2=1.又a2=b2+c2,∴b2=1,b=1.∴a2=,a=.
6.(多选)(2024·福州三中高二期中)已知P是椭圆+=1上一点,椭圆的左、右焦点分别为F1,F2,且cos∠F1PF2=,则( )
A.△PF1F2的周长为12
B.S△PF1F2=2
C.点P到x轴的距离为
D.·=2
答案 BCD
解析 由椭圆+=1,得a=3,b=2,c==,设|PF1|=m,|PF2|=n,则m+n=6,于是△PF1F2的周长为m+n+2c=6+2,故A错误;在△PF1F2中,由余弦定理,得(2c)2=m2+n2-2mncos∠F1PF2=(m+n)2-2mn-2mn·,整理,得20=36-mn,解得mn=6.故S△PF1F2=mn·sin∠F1PF2=×6×=2,故B正确;设点P到x轴的距离为d,则S△PF1F2=|F1F2|·d=×2×d=2,解得d=,故C正确;·=mncos∠F1PF2=6×=2,故D正确.故选BCD.
二、填空题
7.(2024·湛江第二十中高二期中)已知椭圆4x2+ky2=4的一个焦点坐标是(0,1),则实数k的值是________.
答案 2
解析 由椭圆4x2+ky2=4,得x2+=1,因为椭圆的一个焦点坐标为(0,1),所以>1且-1=1,解得k=2.
8.在平面直角坐标系Oxy中,已知△ABC的顶点A(-4,0)和C(4,0),顶点B在椭圆+=1上,则=________.
答案
解析 由椭圆方程+=1知,a=5,b=3,∴c=4,即点A(-4,0)和C(4,0)是椭圆的焦点.又点B在椭圆上,∴|BA|+|BC|=2a=10,且|AC|=8.于是,在△ABC中,由正弦定理,得==.
9.若线段AB的两个端点分别在x轴、y轴上滑动,|AB|=6,点M是线段AB上一点,且|AM|=2,则动点M的轨迹方程是______________.
答案 +=1
解析 设M(x,y),A(xA,0),B(0,yB),如图,由|AB|=6,|AM|=2,得=.则(x-xA,y)=(-xA,yB),即解得又x+y=36,则动点M的轨迹方程为+=1.
三、解答题
10.已知椭圆M与椭圆N:+=1有相同的焦点,且椭圆M过点.
(1)求椭圆M的标准方程;
(2)设椭圆M的左、右焦点分别为F1,F2,点P在椭圆M上,且△PF1F2的面积为1,求点P的坐标.
解 (1)由题意,知椭圆N的焦点为(-2,0),(2,0).
设椭圆M的标准方程为+=1(a>b>0),
则化简并整理,得5b4+11b2-16=0,
故b2=1或b2=-(舍去),a2=5,
故椭圆M的标准方程为+y2=1.
(2)由(1)知F1(-2,0),F2(2,0),
设P(x0,y0),
则△PF1F2的面积为×4×|y0|=1,
解得y0=±.
又+y=1,所以x=,x0=±,
所以点P有4个,它们的坐标分别为,,,.
1.已知P是椭圆+y2=1上的一点,F1,F2是椭圆的两个焦点.若∠F1PF2为钝角,则点P的横坐标的取值范围是________.
答案
解析 设点P(x,y),由∠F1PF2为钝角,得·<0,即(--x,-y)·(-x,-y)=x2+y2-3<0.又y2=1-,所以x2<2,解得-<x<.所以点P的横坐标的取值范围是.
2.已知F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点.
(1)若椭圆C上的点A到F1,F2两点的距离之和为4,求椭圆C的方程和焦点坐标;
(2)设点K是(1)中所得椭圆上的动点,求线段F1K的中点B的轨迹方程.
解 (1)由题意,知椭圆C的焦点在x轴上,由椭圆上的点A到F1,F2两点的距离之和为4,得2a=4,即a=2.
又点A在椭圆上,
因此+=1,
解得b2=3,则c2=a2-b2=1.
所以椭圆C的方程为+=1,焦点坐标为F1(-1,0),F2(1,0).
(2)设椭圆C上的动点K(x1,y1),线段F1K的中点B(x,y),
则x=,y=,即x1=2x+1,y1=2y.
因为点K(x1,y1)在椭圆+=1上,
所以+=1,
即+=1,
此即为线段F1K的中点B的轨迹方程.
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