内容正文:
2.2 双曲线的简单几何性质
第二章 圆锥曲线
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第二章 圆锥曲线
课前 预习学案
课堂 互动学案
01
02
课时 素养提升
03
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第二章 圆锥曲线
课程标准
素养解读
1.掌握双曲线的简单几何性质
2.理解双曲线的渐近线及离心率的意义
1.通过学习双曲线的几何性质,培养学生的直观想象、数学运算核心素养
2.借助双曲线几何性质的应用及直线与双曲线位置关系的应用,提升学生的直观想象及数学运算、逻辑推理核心素养
[情境引入]
类比椭圆几何性质的研究,你认为应该研究双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的哪些几何性质,如何研究这些性质?
[知识梳理]
[知识点一] 双曲线的简单几何性质
焦点的位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
标准方程
eq \f(x2,a2) -eq \f(y2,b2) =1(a>0,b>0)
eq \f(y2,a2) -eq \f(x2,b2) =1(a>0,b>0)
图形
范围
x≤-a或x≥a
y≤-a或y≥a
对称性
对称轴: x轴、y轴 ,对称中心(双曲线的中心): (0,0)
顶点
A1 (-a,0) ,A2 (a,0)
A1 (0,-a) ,
A2 (0,a)
轴长
实轴长|A1A2|= 2a ,虚轴长|B1B2|= 2b ;a和b分别表示双曲线的实半轴长和虚半轴长.
焦点
F1(-c,0), F2(c,0)
F1(0,-c), F2(0,c)
[知识点二]双曲线的离心率
1.定义:把eq \f(c,a) 叫作双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2) =1(a>0,b>0)的离心率,用e表示,e=eq \f(c,a)>1.
2.性质: eq \f(b,a) 越大,e越大,双曲线的开口越大. 离心率e可以用来表示双曲线开口的程度.
[知识点三] 双曲线的渐近线
双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1的两支在向外无限延伸时与直线y=eq \f(b,a)x和y=-eq \f(b,a)x无限逼近.
一般地,直线y=eq \f(b,a)x和y=-eq \f(b,a)x称为双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1的渐近线.
同样,双曲线eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1的渐近线为y=±eq \f(a,b)x.
1.渐近线相同的双曲线是同一条双曲线吗?
[提示] 渐近线相同的双曲线有无数条,但它们实轴的长与虚轴的长的比值相同.
2.双曲线的离心率和渐近线的斜率有怎样的关系?
[提示] e2=eq \f(c2,a2)=1+eq \f(b2,a2),eq \f(b,a)是渐近线的斜率或其倒数.
[知识点四] 等轴双曲线
等轴双曲线
实轴和虚轴等长的双曲线叫做等轴双曲线,其离心率e=eq \r(2).
[预习自测]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1与eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0)的形状相同.(√)
(2)双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1与eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0)的渐近线相同.(×)
(3)双曲线方程eq \f(x2,m2) -eq \f(y2,n2) =λ(m>0,n>0,λ≠0)的渐近线方程是eq \f(x2,m2) -eq \f(y2,n2) =0,(√)
(4)渐近线的斜率与双曲线的离心率的关系是k=±eq \r(e2+1) .(×)
(5)双曲线有四个顶点,分别是双曲线与其实轴及虚轴的交点.(×)
2.双曲线y2-x2=2的渐近线方程是( )
A.y=±x
B.y=±eq \r(2) x
C.y=±eq \r(3) x
D.y=±2x
解析:A [由题意知eq \f(y2,2)-eq \f(x2,2)=1,则渐近线方程为y=±x.]
3.若双曲线eq \f(y2,16)-eq \f(x2,m) =1的离心率e=2,则m= ________ .
解析:由题意知a2=16,即a=4.又e=2,所以c=2a=8,则m=c2-a2=48.
答案:48
4.双曲线eq \f(x2,4)+eq \f(y2,k)=1的离心率e∈(1,2),则实数k的取值范围是 __________ .
解析:双曲线方程可变形为eq \f(x2,4)-eq \f(y2,-k)=1,
则a2=4,b2=-k,c2=4-k,e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(4-k),2).
又因为e∈(1,2),即1<eq \f(\r(4-k),2)<2,解得-12<k<0.
答案:(-12,0)
根据双曲线方程研究几何性质
[例1] 求双曲线9y2-4x2=-36的顶点坐标、焦点坐标、实轴长、虚轴长、离心率和渐近线方程.
[解] 双曲线的方程化为标准形式是eq \f(x2,9)-eq \f(y2,4)=1,
∴a2=9,b2=4,∴a=3,b=2,c=eq \r(13).又双曲线的焦点在x轴上,∴顶点坐标为(-3,0),(3,0),
焦点坐标为(-eq \r(13),0),(eq \r(13),0),实轴长2a=6,虚轴长2b=4,离心率e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(13),3),渐近线方程为y=±eq \f(2,3)x.
由双曲线的方程研究几何性质的解题步骤
(1)把双曲线方程化为标准形式;
(2)由标准方程确定焦点位置,确定a,b的值;
(3)由c2=a2+b2求出c值,从而写出双曲线的几何性质.
提醒:求性质时一定要注意焦点的位置.
[变式训练]
1.求双曲线9y2-16x2=144的实半轴长和虚半轴长、焦点坐标、离心率、渐近线方程.
解:把方程9y2-16x2=144化为标准方程为eq \f(y2,42)-eq \f(x2,32)=1.由此可知,实半轴长a=4,虚半轴长b=3;c=eq \r(a2+b2)=eq \r(42+32)=5,焦点坐标是(0,-5),(0,5);离心率e=eq \f(c,a)=eq \f(5,4);渐近线方程为y=±eq \f(4,3)x.
利用几何性质求双曲线方程
[例2] (1)已知双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的右焦点为F,点A在双曲线的渐近线上,△OAF是边长为2的等边三角形(O为原点),则双曲线的方程为( )
A.eq \f(x2,4)-eq \f(y2,12)=1
B.eq \f(x2,12)-eq \f(y2,4)=1
C.eq \f(x2,3)-y2=1
D.x2-eq \f(y2,3)=1
(2)渐近线方程为y=±eq \f(1,2)x,且经过点A(2,-3)的双曲线方程为_____________.
[思路点拨] (1)△OAF是边长为2的等边三角形⇒求c和点A的坐标⇒渐近线的斜率⇒求a,b.
(2)法一:分焦点在x轴和y轴上两种情况求解.法二:待定系数法求解.
[解析] (1)不妨设点A在第一象限,由题意可知c=2,点A的坐标为(1,eq \r(3)),所以eq \f(b,a)=eq \r(3),又c2=a2+b2,所以a2=1,b2=3,故所求双曲线的方程为x2-eq \f(y2,3)=1.
(2)法一:因为双曲线的渐近线方程为y=±eq \f(1,2)x,
若焦点在x轴上,设所求双曲线的标准方程为:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0),则eq \f(b,a)=eq \f(1,2).①因为点A(2,-3)在双曲线上,所以eq \f(4,a2)-eq \f(9,b2)=1.②联立①②,无解.
若焦点在y轴上,设所求双曲线的标准方程为
eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0),则eq \f(a,b)=eq \f(1,2).③
因为点A(2,-3)在双曲线上,所以eq \f(9,a2)-eq \f(4,b2)=1.④
联立③④,解得a2=8,b2=32.
故所求双曲线的标准方程为eq \f(y2,8)-eq \f(x2,32)=1.
法二:由双曲线的渐近线方程为y=±eq \f(1,2)x,可设双曲线的方程为eq \f(x2,22)-y2=λ(λ≠0).因为点A(2,-3)在双曲线上,所以eq \f(22,22)-(-3)2=λ,即λ=-8.故所求双曲线的标准方程为eq \f(y2,8)-eq \f(x2,32)=1.
[答案] (1)D (2)eq \f(y2,8)-eq \f(x2,32)=1
(1)由双曲线的几何性质求双曲线的方程的常用方法:
一是设法确定基本量a,b,c,从而求出双曲线方程;二是采用待定系数法.首先依据焦点的位置设出标准方程的形式,再由题目条件确定参数的值.当焦点位置不确定时,方程可能有两种形式,此时应注意分类讨论,防止漏解.为了避免讨论,也可设方程为mx2-ny2=1(mn>0),从而直接求解.
(2)常见双曲线方程的设法
①渐近线为y=±eq \f(n,m)x的双曲线方程可设为eq \f(x2,m2)-eq \f(y2,n2)=λ(λ≠0,m>0,n>0);如果两条渐近线的方程为Ax±By=0,那么双曲线的方程可设为A2x2-B2y2=m(m≠0,A>0,B>0).
②与双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1或eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0)共渐近线的双曲线方程可设为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=λ或eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=λ(λ≠0).
③与双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)离心率相等的双曲线系方程可设为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=λ(λ>0)或eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=λ(λ>0),这是因为离心率不能确定焦点位置.
[变式训练]
2.求满足下列条件的双曲线的标准方程:
(1)以直线2x±3y=0为渐近线,过点(1,2);
(2)与双曲线eq \f(y2,4)-eq \f(x2,3)=1具有相同的渐近线,且过点M(3,-2);
(3)过点(2,0),与双曲线eq \f(y2,64)-eq \f(x2,16)=1离心率相等.
解:(1)由题意可设所求双曲线方程为4x2-9y2=λ(λ≠0),将点(1,2)的坐标代入方程解得λ=-32.
因此所求双曲线的标准方程为eq \f(y2,\f(32,9))-eq \f(x2,8)=1.
(2)设所求双曲线方程为eq \f(y2,4)-eq \f(x2,3)=λ(λ≠0).
由点M(3,-2)在双曲线上得eq \f(4,4)-eq \f(9,3)=λ,得λ=-2.
故所求双曲线的标准方程为eq \f(x2,6)-eq \f(y2,8)=1.
(3)当所求双曲线的焦点在x轴上时,可设其方程为eq \f(x2,64)-eq \f(y2,16)=λ(λ>0),将点(2,0)的坐标代入方程得λ=eq \f(1,16),故所求双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-y2=1;
当所求双曲线的焦点在y轴上时,可设其方程为eq \f(y2,64)-eq \f(x2,16)=λ(λ>0),将点(2,0)的坐标代入方程得λ=-eq \f(1,4)<0(舍去).
综上可知,所求双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-y2=1.
求双曲线的离心率
[例3] 已知A,B为双曲线E的左、右顶点,点M在E上,△ABM为等腰三角形,且顶角为120°,则E的离心率为( )
A.eq \r(5)
B.2
C.eq \r(3)
D.eq \r(2)
[思路点拨] 由已知条件画图⇒点M的坐标⇒代入双曲线方程.
[解析] 设双曲线方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0),不妨设点M在双曲线的右支上,如图,AB=BM=2a,∠MBA=120°,作MH⊥x轴于H,则∠MBH=60°,|BH|=a,|MH|=eq \r(3)a,所以M(2a,eq \r(3)a).将点M的坐标代入双曲线方程eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1,得a=b,所以e=eq \r(2).
[答案] D
求双曲线离心率的方法
(1)若可求得a,c,则直接利用e=eq \f(c,a)得解.
(2)若已知a,b,可直接利用e=eq \r(1+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(b,a)))2)得解.
(3)若得到的是关于a,c的齐次方程pc2+qac+ra2=0(p,q,r为常数,且p≠0),则转化为关于e的方程pe2+qe+r=0求解.
[变式训练]
3.(2023·新课标Ⅰ卷)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2.点A在C上,点B在y轴上,eq \o(F1A,\s\up6(→))⊥eq \o(F1B,\s\up6(→)),eq \o(F2A,\s\up6(→))=-eq \f(2,3)
eq \o(F2B,\s\up6(→)),则C的离心率为 ________ .
解析:由eq \o(F2A,\s\up16(→))=-eq \f(2,3)
eq \o(F2B,\s\up16(→)),得eq \f(|\o(F2A,\s\up16(→))|,\a\vs4\al(|\o(F2B,\s\up16(→))|))=eq \f(2,3),设|eq \o(F2A,\s\up6(→))|=2x,|eq \o(F2B,\s\up16(→))|=3x,由对称性可得|eq \o(F1B,\s\up16(→))|=3x,由定义可得,|eq \o(AF1,\s\up16(→))|=2x+2a,|eq \o(AB,\s\up16(→))|=5x,设∠F1AF2=θ,则sin θ=eq \f(3x,5x)=eq \f(3,5)⇒cos θ=eq \f(4,5)=eq \f(2x+2a,5x),解得x=a,所以|eq \o(AF1,\s\up16(→))|=4a,|eq \o(AF2,\s\up16(→))|=2a,在△AF1F2中,由余弦定理可得cos θ=eq \f(16a2+4a2-4c2,16a2)=eq \f(4,5),即5c2=9a2,可得e=eq \f(3\r(5),5).
答案:eq \f(3\r(5),5)
4.(2021·全国甲卷)已知F1,F2是双曲线C的两个焦点,P为C上一点,且∠F1PF2=60°,|PF1|=3|PF2|,则C的离心率为( )
A.eq \f(\r(7),2)
B.eq \f(\r(13),2)
C.eq \r(7)
D.eq \r(13)
解析:A [由题意,得|PF1|=3|PF2|,|PF1|-|PF2|=2a得|PF2|=a,|PF1|=3a,在△F1PF2中,有|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|cos∠F1PF2,得(2c)2=(3a)2+a2-2×3a×a×cos 60°,即e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(7),2).]
双曲线的离心率与渐近线
[例4] (1)已知中心在原点,焦点在y轴上的双曲线的离心率为eq \r(5),则它的渐近线方程为( )
A.y=±2x
B.y=±eq \f(\r(5),2)x
C.y=±eq \f(1,2)x
D.y=±eq \r(6)x
(2)已知双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,2) =1(a>eq \r(2) )的两条渐近线的夹角为eq \f(π,3) ,则双曲线的离心率为 ________ .
[解析] (1)C [设双曲线的方程为eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0),∵e=eq \f(c,a)=eq \r(5),c=eq \r(a2+b2),∴eq \r(\f(a2+b2,a2))=eq \r(1+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(b,a)))2)=eq \r(5),∴eq \f(b,a)=2,∴双曲线的渐近线方程为y=±eq \f(a,b)x=±eq \f(1,2)x.]
(2)∵a>eq \r(2),∴eq \f(\r(2),a)<1,∴y=eq \f(\r(2),a)x的倾斜角小于eq \f(π,4),
∴eq \f(\r(2),a)=taneq \f(π,6)=eq \f(\r(3),3),∴a=eq \r(6),c=eq \r(a2+b2)=2eq \r(2),
∴e=eq \f(c,a)=eq \f(2\r(2),\r(6))=eq \f(2\r(3),3).
[答案] (1)y=±eq \r(3)x (2)eq \f(2\r(3),3)
(1)双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的渐近线的斜率k与离心率e的关系:|k|=eq \f(b,a) =eq \f(\r(c2-a2),a)=eq \r(\f(c2,a2)-1)=eq \r(e2-1).
(2)求双曲线渐近线的方法
求双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)或eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0)的渐近线方程的方法是令右边的常数等于0,即令eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=0,得y=±eq \f(b,a)x;或令eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=0,得y=±eq \f(a,b)x.反之,已知渐近线方程为y=±eq \f(b,a)x,可设双曲线方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=λ(a>0,b>0,λ≠0).
[变式训练]
5.(1)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的离心率为eq \r(2),则点(4,0)到C的渐近线的距离为( )
A.eq \r(2)
B.2
C.eq \f(3\r(2),2)
D.2eq \r(2)
(2)已知双曲线的渐近线方程为2x±3y=0,则该双曲线的离心率为 ________ .
解析:(1)∵e2=eq \f(c2,a2)=eq \f(a2+b2,a2)=1+eq \f(b2,a2)=2,∴eq \f(b2,a2)=1,∴eq \f(b,a)=1,∴渐近线方程为x±y=0,则点(4,0)到渐近线的距离d=eq \f(|4±0|,\r(2))=2eq \r(2).
(2)当焦点在x轴上时,eq \f(b,a)=eq \f(2,3),即eq \f(c2-a2,a2)=eq \f(4,9),∴e2=eq \f(13,9),解得e=eq \f(\r(13),3);当焦点在y轴上时,eq \f(b,a)=eq \f(3,2),即eq \f(c2-a2,a2)=eq \f(9,4),∴e2=eq \f(13,4),解得e=eq \f(\r(13),2).故双曲线的离心率为eq \f(\r(13),2)或eq \f(\r(13),3).
答案:(1)D (2)eq \f(\r(13),2)或eq \f(\r(13),3)
[当堂达标]
1.下列双曲线中,渐近线方程为y=±2x的是( )
A.x2-eq \f(y2,4) =1
B.eq \f(x2,4) -y2=1
C.x2-eq \f(y2,2) =1
D.eq \f(x2,2) -y2=1
解析:A [在A项中,双曲线方程为x2-eq \f(y2,4)=1,即a=1,b=2,∴渐近线方程为y=±2x.]
2.双曲线C:eq \f(x2,a2) -eq \f(y2,b2) =1(a>0,b>0)的离心率为2,焦点到渐近线的距离为eq \r(3) ,则双曲线C的焦距等于( )
A.2
B.2eq \r(2)
C.4
D.4eq \r(2)
解析:C [由已知得e=eq \f(c,a)=2,所以a=eq \f(1,2)c,故b=eq \r(c2-a2) =eq \f(\r(3),2)c,从而双曲线的渐近线方程为y=±eq \f(b,a)x=±eq \r(3)x.由焦点到渐近线的距离为eq \r(3),得eq \f(\r(3),2)c=eq \r(3) ,解得c=2,故2c=4.]
3.关于双曲线eq \f(x2,9)-eq \f(y2,16)=-1,有以下说法:
①实轴长为6; ②双曲线的离心率是eq \f(5,4); ③焦点坐标为(±5,0); ④渐近线方程是y=±eq \f(4,3)x;
⑤焦点到渐近线的距离等于3.
正确的说法是 __________ .(把所有正确说法的序号都填上)
解析:∵双曲线eq \f(x2,9)-eq \f(y2,16)=-1,即eq \f(y2,16)-eq \f(x2,9)=1,∴a=4,b=3,c=eq \r(9+16)=5,∴①实轴长为2a=8,故①错误;
②双曲线的离心率是e=eq \f(c,a)=eq \f(5,4),故②正确;
③焦点坐标为F(0,±5),故③错误;
④渐近线方程是y=±eq \f(4,3)x,故④正确;
⑤焦点到渐近线的距离为d=eq \f(|0+15|,\r(9+16))=3,故⑤正确.
答案:②④⑤
4.求中心在坐标原点,对称轴为坐标轴,经过点(3,-2),且一条渐近线的倾斜角为eq \f(π,6)的双曲线的方程.
解:渐近线方程为y=±eq \f(\r(3),3)x,设双曲线方程为x2-3y2=λ.将(3,-2)代入求得λ=-3,所以双曲线方程为y2-eq \f(x2,3)=1.
$$