内容正文:
数学 选择性必修·第一册[BS]
1.1 椭圆及其标准方程
(教师独具内容)
课程标准: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.
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 椭圆的定义
平面内到两个定点F1,F2的距离之和等于常数(大于|F1F2|)的点的集合(或轨迹)叫作椭圆.这两个定点F1,F2叫作椭圆的焦点,两个焦点间的距离|F1F2|叫作椭圆的焦距.
知识点二 椭圆的标准方程
焦点位置
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
1.对椭圆定义的理解
设两定点F1,F2,点到F1,F2的距离之和为2a.
(1)当2a>|F1F2|时,点的轨迹是椭圆.
(2)当2a=|F1F2|时,点的轨迹是以F1,F2为端点的线段.
(3)当2a<|F1F2|时,点的轨迹不存在.
2.用待定系数法求椭圆标准方程的步骤
(1)作判断:依据条件判断椭圆的焦点在x轴上还是在y轴上,还是两个坐标轴上都有可能.
(2)设方程
①依据上述判断设方程为+=1(a>b>0)或+=1(a>b>0);
②在不能确定焦点位置的情况下也可设为mx2+ny2=1(m>0,n>0且m≠n).
(3)找关系:依据已知条件,建立关于a,b,c或m,n的方程组.
(4)得方程:解方程组,将a,b,c或m,n代入所设方程即为所求.
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)到平面内两个定点的距离之和等于定长的点的轨迹称为椭圆.( )
(2)椭圆的标准方程只与椭圆的形状、大小有关,与位置无关.( )
(3)椭圆方程的两种标准形式中,虽然焦点位置不同,但都具备a2=b2+c2.( )
(4)设定点F1(0,-2),F2(0,2),动点P满足条件|PF1|+|PF2|=m+(m>2),则点P的轨迹是椭圆.( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)√
2.做一做
(1)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
(2)a=5,c=3,焦点在x轴上的椭圆的标准方程为__________.
(3)椭圆的方程为+=1,则a=________,b=________,c=________.
(4)椭圆+=1上一点P到一个焦点的距离为4,则P到另一个焦点的距离为________.
答案 (1)A (2)+=1 (3)3 2 (4)6
题型一 椭圆的定义
(1)已知点M是平面α内的动点,F1,F2是平面α内的两个定点,则“点M到点F1,F2的距离之和为定值”是“点M的轨迹是以F1,F2为焦点的椭圆”的( )
A.充要条件 B.充分不必要条件
C.必要不充分条件 D.既不充分也不必要条件
[解析] 若点M到点F1,F2的距离之和恰好为F1,F2两点之间的距离,则轨迹不是椭圆,所以前者不能推出后者.根据椭圆的定义,椭圆到两焦点的距离之和为常数2a,所以后者能推出前者,故前者是后者的必要不充分条件,故选C.
[答案] C
(2)已知△ABC的周长是8,且B(-1,0),C(1,0),则顶点A的轨迹方程是( )
A.+=1(x≠±3) B.+=1(x≠0)
C.+=1(y≠0) D.+=1(y≠0)
[解析] ∵|AB|+|AC|=8-|BC|=6>|BC|=2,∴顶点A的轨迹是以B,C为焦点的椭圆,设其方程为+=1(a>b>0),则a=3,b=2.又A,B,C三点不共线,∴顶点A的轨迹方程为+=1(x≠±3).
[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.
(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
答案 C
解析 对于A,|F1F2|=8,故到点F1,F2的距离之和等于8的点的轨迹是线段F1F2;对于B,到点F1,F2的距离之和等于6的点的轨迹不存在;对于C,根据椭圆的定义,知该轨迹是椭圆;对于D,点的轨迹是线段F1F2的垂直平分线.
(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,求圆心P的轨迹方程.
解 设圆P的半径为r.
又圆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|).
∴圆心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.
题型二 椭圆的标准方程
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)a=8,c=6;
(3)经过两点P1,P2.
[解] (1)解法一:由题意,
得2a=+
=12,
得a=6.
又c=2,∴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
得
∴所求椭圆的标准方程为+=1.
(2)∵a=8,c=6,
∴b2=a2-c2=64-36=28.
当焦点在x轴上时,椭圆的标准方程为+=1;
当焦点在y轴上时,椭圆的标准方程为+=1.
故所求椭圆的标准方程为+=1或+=1.
(3)解法一:①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;
②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
∴所求椭圆的方程为5x2+4y2=1,
即标准方程为+=1.
感悟提升 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,从而达到简化运算的目的.
(1)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.∵点(-3,2)在椭圆上,∴+=1,∴a2=15,∴所求椭圆的方程为+=1.
(2)设F1,F2分别是椭圆E:x2+=1(0<b<1)的左、右焦点,过点F1的直线交椭圆E于A,B两点.若|AF1|=3|F1B|,AF2⊥x轴,求椭圆E的方程.
解 设点A在点B上方,F1(-c,0),F2(c,0),其中c=.因为AF2⊥x轴,所以点A的坐标为(c,b2),设点B的坐标为(x0,y0),由|AF1|=3|F1B|,可得=3,即解得代入椭圆方程可得+b2=1,得b2=,所以椭圆E的方程为x2+=1.
题型三 点与椭圆的位置关系
已知椭圆C:+=1,则下列各点不在椭圆内部的是( )
A.(1,1) B.(,-1)
C.(,) D.
[解析] 椭圆C的方程为+=1,因为+=<1,所以点(1,1)在椭圆内部,A不符合题意;因为+=<1,所以点(,-1)在椭圆内部,B不符合题意;因为+=>1,所以点(,)在椭圆外部,C符合题意;因为+=<1,所以点在椭圆内部,D不符合题意.故选C.
[答案] C
感悟提升
点P(x0,y0)与椭圆+=1(a>b>0)的位置关系:点P在椭圆上⇔+=1;点P在椭圆内部⇔+<1;点P在椭圆外部⇔+>1.
若点P(a,1)在椭圆+=1的外部,则a的取值范围为________.
答案 ∪
解析 因为点P(a,1)在椭圆+=1的外部,所以+>1,即a2>,解得a<-或a>.
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°,求△PF1F2的面积.
[解] 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
由椭圆定义得|PF1|+|PF2|=2a=4.②
由①②联立可得|PF1|=.
所以S△PF1F2=|PF1|·|F1F2|sin∠PF1F2=××2×=.
【条件探究】若本例中“∠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△F1PF2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|cos∠F1PF2.
(3)焦点三角形的面积S△F1PF2=|PF1|·|PF2|sin∠F1PF2=b2tan.
(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.
1.已知椭圆+=1的一个焦点为(2,0),则椭圆的方程是( )
A.+=1 B.+=1
C.x2+=1 D.+=1
答案 D
解析 由题意知,椭圆的焦点在x轴上,且c=2,所以a2=2+4=6,因此椭圆的方程为+=1.故选D.
2.若直线y=k(x-2)+1恒过定点M,则点M与椭圆+=1的位置关系是( )
A.点M在椭圆外 B.点M在椭圆内
C.点M在椭圆上 D.无法判断
答案 B
解析 直线y=k(x-2)+1恒过定点M(2,1),将点M(2,1)代入椭圆方程,得+<1,所以点M(2,1)在椭圆内.
3.(多选)椭圆+=1上一点P到两焦点的距离之积为m,则m取最大值时,P点坐标可以是( )
A.(0,-3) B.
C.(0,3) D.
答案 AC
解析 记F1(-4,0),F2(4,0),|PF1|·|PF2|≤==25,当且仅当|PF1|=|PF2|时,等号成立.∴P应在椭圆与y轴的交点处,∴P(0,3)或(0,-3).
4.椭圆+=1的焦点为F1,F2,点P在椭圆上,若|PF1|=4,则|PF2|=________,∠F1PF2=________.
答案 2 120°
解析 由椭圆+=1知a=3,c==,∵|PF1|+|PF2|=2a=6,∴|PF2|=6-|PF1|=2.在△F1PF2中,由余弦定理,得cos∠F1PF2===-.又0°<∠F1PF2<180°,∴∠F1PF2=120°.
5.如图,已知定点A(-2,0),动点B是圆F:(x-2)2+y2=64上一点,线段AB的垂直平分线交BF于点P,求动点P的轨迹方程.
解 连接PA,圆F:(x-2)2+y2=64的圆心为F(2,0),半径R=8.
∵线段AB的垂直平分线交BF于点P,
∴|PA|=|PB|,
∴|PA|+|PF|=|PB|+|PF|=|BF|=R=8>|AF|=4.
由椭圆的定义,知点P的轨迹是椭圆.
依题意,有2a=8,c=2,
∴b2=a2-c2=12,
∴动点P的轨迹方程为+=1.
一、选择题
1.已知△ABC的顶点B,C在椭圆+y2=1上,顶点A是椭圆的一个焦点,且椭圆的另一个焦点F在BC上,则△ABC的周长是( )
A.2 B.6
C.4 D.12
答案 C
解析 由题意可知a=,由椭圆的定义得|BF|+|BA|=|CF|+|CA|=2a=2,所以(|BF|+|CF|)+|BA|+|CA|=|BA|+|CA|+|BC|=4,即△ABC的周长为4.故选C.
2.如果方程+=1表示焦点在x轴上的椭圆,则实数a的取值范围是( )
A.(3,+∞)
B.(-∞,-2)
C.(-∞,-2)∪(3,+∞)
D.(-6,-2)∪(3,+∞)
答案 D
解析 由椭圆+=1的焦点在x轴上,可得解得所以a>3或-6<a<-2.故选D.
3.已知动点M(x,y)满足+=4,则动点M的轨迹曲线的形状为( )
A.椭圆 B.直线
C.圆 D.线段
答案 D
解析 设F1(-2,0),F2(2,0).由题意知动点M满足|MF1|+|MF2|=4=|F1F2|,故动点M的轨迹是线段F1F2.
4.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=.
5.(2023·全国甲卷)已知椭圆+=1,F1,F2为两个焦点,O为原点,P为椭圆上一点,cos∠F1PF2=,则|PO|=( )
A. B.
C. D.
答案 B
解析 解法一:设∠F1PF2=2θ,0<θ<,所以S△PF1F2=b2tan=b2tanθ,由cos∠F1PF2=cos2θ===,解得tanθ=.由椭圆方程可知,a2=9,b2=6,c2=a2-b2=3,所以S△PF1F2=|F1F2|×|yP|=×2×|yP|=6×,解得y=3,所以x=9×=,因此|PO|===.故选B.
解法二:因为|PF1|+|PF2|=2a=6 ①,|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos∠F1PF2=|F1F2|2,即|PF1|2+|PF2|2-|PF1||PF2|=12 ②,联立①②,解得|PF1||PF2|=,|PF1|2+|PF2|2=21,而=(+),所以|PO|=||=|+|,即||=|+|===.故选B.
解法三:因为|PF1|+|PF2|=2a=6 ①,|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos∠F1PF2=|F1F2|2,即|PF1|2+|PF2|2-|PF1||PF2|=12 ②,联立①②,解得|PF1|2+|PF2|2=21,由中线定理可知,(2|PO|)2+|F1F2|2=2(|PF1|2+|PF2|2)=42,易知|F1F2|=2,解得|PO|=.故选B.
二、填空题
6.椭圆+=1的两个焦点为F1,F2,点P在椭圆上.如果线段PF1的中点在y轴上,那么|PF1|是|PF2|的________倍.
答案 7
解析 由已知椭圆的方程得a=2,b=,c=3,不妨设F1(-3,0),F2(3,0).∵焦点F1和F2关于y轴对称,∴PF2必垂直于x轴.∴P或P,|PF2|=,∴|PF1|=2a-|PF2|=.∴|PF1|=7|PF2|.
7.已知P为椭圆+=1上的一点,M,N分别为圆(x+3)2+y2=1和圆(x-3)2+y2=4上的点,则|PM|+|PN|的最小值为________.
答案 7
解析 由题意知椭圆的两个焦点F1,F2分别是两圆的圆心,且|PF1|+|PF2|=10,从而|PM|+|PN|的最小值为|PF1|+|PF2|-1-2=7.
8.已知F1,F2分别为椭圆+=1的左、右焦点,M是椭圆上的一点,且在y轴的左侧,过点F2作∠F1MF2的平分线的垂线,垂足为N,若|ON|=2(O为坐标原点),则|MF2|-|MF1|=________,|OM|=________.
答案 4 2
解析 延长F2N,MF1并相交于点Q,由题意知,MN⊥F2Q,且MN平分∠F1MF2,所以|MF2|=|MQ|,N为F2Q的中点,又因为O为F1F2的中点,所以ON∥F1Q,且|ON|=|F1Q|,因为|ON|=2,所以|F1Q|=4,|MF2|-|MF1|=4,因为|MF2|+|MF1|=8,所以|MF2|=6,|MF1|=2,所以|MF2|2=|MF1|2+|F1F2|2,所以MF1⊥OF1,所以|OM|==2.
三、解答题
9.已知椭圆+=1(a>b>0)的焦点分别是F1(0,-1),F2(0,1),且3a2=4b2.
(1)求椭圆的标准方程;
(2)设点P在这个椭圆上,且|PF1|-|PF2|=1,求∠F1PF2的余弦值.
解 (1)依题意,知c=1,
又c2=a2-b2,且3a2=4b2,
所以a2-a2=1,即a2=1,
所以a2=4,b2=3,
故椭圆的标准方程为+=1.
(2)由于点P在椭圆上,
所以|PF1|+|PF2|=2a=2×2=4.
又|PF1|-|PF2|=1,
所以|PF1|=,|PF2|=.
又|F1F2|=2c=2,
所以由余弦定理得
cos∠F1PF2==.
故∠F1PF2的余弦值为.
10.如图,已知点P(3,4)是椭圆+=1(a>b>0)上一点,F1,F2是椭圆的两个焦点,O是坐标原点,若·=0.
(1)求椭圆的方程;
(2)求△PF1F2的面积.
解 (1)∵·=0,
∴△PF1F2是直角三角形,
∴|OP|=|F1F2|=c.
又|OP|==5,∴c=5.
∴椭圆的方程为+=1.
又P(3,4)在椭圆上,∴+=1,
∴a2=45或a2=5.
又a>c,∴a2=5舍去.
故所求椭圆的方程为+=1.
(2)由椭圆的定义知,
|PF1|+|PF2|=6,①
又|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2,②
由①2-②得2|PF1|·|PF2|=80,
∴S△PF1F2=|PF1|·|PF2|=×40=20.
1.已知P是椭圆+y2=1上的一点,F1,F2是椭圆的两个焦点.
(1)当∠F1PF2=60°时,求△F1PF2的面积;
(2)当∠F1PF2为钝角时,求点P横坐标的取值范围.
解 (1)由椭圆的定义,
得|PF1|+|PF2|=4
且F1(-,0),F2(,0).①
在△F1PF2中,由余弦定理,得
|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|·cos60°.②
由①②得|PF1||PF2|=.
所以S△F1PF2=|PF1||PF2|sin∠F1PF2
=.
(2)设点P(x,y),由已知∠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横坐标的取值范围是.
2.如图所示,△ABC的底边BC的长为12,其他两边AB和AC上中线的和为30,求此三角形重心G的轨迹方程,并求顶点A的轨迹方程.
解 以边BC的中点为原点,边BC所在直线为x轴,建立如图所示的平面直角坐标系,则B(6,0),C(-6,0),CE,BD分别为边AB,AC上的中线,
则|BD|+|CE|=30.
由重心的性质可知,
|GB|+|GC|=(|BD|+|CE|)=20.
∵B,C是两个定点,点G到B,C的距离和等于定值20,且20>12,
∴点G的轨迹是椭圆,B,C是椭圆的两个焦点,
∴2c=|BC|=12,c=6,2a=20,a=10,
∴b2=a2-c2=102-62=64,
故点G的轨迹方程为+=1(x≠±10).
设G(x′,y′),A(x,y),则有+=1.
由重心坐标公式知
故顶点A的轨迹方程为+=1(x≠±30),
即+=1(x≠±30).
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