内容正文:
3.2.2 双曲线的简单几何性质
第1课时 双曲线的简单几何性质
学习目标
1.掌握双曲线的范围、对称性、顶点、渐近线、离心率等简单的几何性质,培养直观想象、数学运算的核心素养.
2.能利用双曲线的简单几何性质求标准方程,提升数学运算的核心素养.
任务一 双曲线的简单几何性质
(阅读教材P121-124,完成探究问题1、2)
问题1.类比对椭圆几何性质的研究,如图,分析一下双曲线-=1(a>0,b>0)的范围、对称性、顶点、离心率等.
提示:(1)范围:利用双曲线的方程求出它的范围,由方程-=1可得=1+≥1,
于是,双曲线上点的坐标(x,y)都适合不等式≥1,y∈R,即x2≥a2,y∈R,所以x≥a,或x≤-a,y∈R.
(2)对称性:-=1(a>0,b>0)关于x轴、y轴和原点都对称.x轴、y轴是双曲线的对称轴,原点是对称中心,又叫做双曲线的中心.
(3)顶点:双曲线与对称轴的交点,叫做双曲线的顶点.顶点是A1(-a,0),A2(a,0),只有两个.
(4)离心率:①定义:e=.②e的范围:e>1.③e的含义:因为c>a>0,所以可以看出e>1,另外,注意到===,说明e越趋近于1,则的值越小,因此双曲线的渐近线所夹的双曲线区域越狭窄.
问题2.如图,线段A1A2的长为2a,线段B1B2的长为2b.据此,你能发现双曲线的范围与矩形对角线y=±x有什么关系?
提示:双曲线在第一象限内部分的方程为y=·.
它与y=x的位置关系:在y=x的下方.它与y=x的位置的变化趋势:慢慢靠近.其他象限同理.
1.双曲线的简单几何性质
标准方程
-=1(a>0,b>0)
-=1(a>0,b>0)
图形
性质
范围
x≥a,或x≤-a,y∈R
y≥a,或y≤-a,x∈R
对称性
对称轴:坐标轴 对称中心:原点
顶点
A1(-a,0),A2(a,0)
A1(0,-a),A2(0,a)
实轴和虚轴
线段A1A2叫做双曲线的实轴,实轴长=2a;
线段B1B2叫做双曲线的虚轴,虚轴长=2b
焦点
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
焦距
|F1F2|=2c
渐近线
y=±x
y=±x
离心率
e=,e∈(1,+∞)
[微思考] 若双曲线方程已知,则其渐近线方程就能确定;反过来,若双曲线的渐近线方程已知,其对应的双曲线方程是确定的,对吗?
提示:不对,若双曲线方程已知,则其渐近线方程就能确定,但若双曲线的渐近线方程已知,其对应的双曲线方程是不确定的,其实双曲线-=λ(λ≠0)的渐近线都是-=0.
2.等轴双曲线
实轴和虚轴等长的双曲线叫做等轴双曲线,它的渐近线是y=±x.
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(链教材P124例3)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、渐近线方程.
解:将9y2-4x2=-36化为标准方程为-=1,
即-=1,
所以a=3,b=2,c=.
因此顶点坐标为A1(-3,0),A2(3,0),
焦点坐标为F1(-,0),F2(,0),
实轴长2a=6,虚轴长2b=4,
离心率e==,
渐近线方程为y=±x=±x.
[变式探究] 若将双曲线的方程变为nx2-my2=mn(m>0,n>0),求双曲线的实半轴长、虚半轴长、焦点坐标、离心率、顶点坐标和渐近线方程.
解:把方程nx2-my2=mn(m>0,n>0)化为标准方程为-=1(m>0,n>0),
由此可知,实半轴长a=,
虚半轴长b=,c=,
焦点坐标为(,0),(-,0),
离心率e=== ,
顶点坐标为(-,0),(,0),
所以渐近线方程为y=± x,即y=±x.
确定双曲线几何性质的基本步骤
对点练1.(1)(多选)已知双曲线C: -y2=1的焦点在x轴上,且实轴长是虚轴长的3倍,则下列说法正确的是( )
A.双曲线C的实轴长为6
B.双曲线C的虚轴长为2
C.双曲线C的焦距为2
D.双曲线C的离心率为
(2)(双空题)已知双曲线C: - =1,则C的右焦点的坐标为 ;C的渐近线方程是 .
答案:(1)AB (2)(3,0) y=± x
解析:(1)由题意知2a=3×2b=6b⇒a=3b,而b=1,故a=3,则m=a2=9,所以双曲线的方程为 -y2=1,实轴长为2a=6,虚轴长为2b=2,焦距为2c=2,离心率为 ,故A、B正确,C、D错误.故选AB.
(2)由双曲线方程 - =1,得a= ,b= ,所以c= = =3,所以右焦点的坐标为(3,0),渐近线方程为y=± x,即y=± x.
任务二 由双曲线的几何性质求标准方程
求符合下列条件的双曲线的标准方程:
(1)已知双曲线的焦点在x轴上,离心率为,且经过点M(-3,2);
(2)(一题多解)渐近线方程为y=±x,且经过点A(2,-3).
解:(1)设所求双曲线方程为-=1(a>0,b>0).因为e=,
所以e2===1+=,所以=.
由题意得
所以所求双曲线的标准方程为-=1.
(2)法一:因为双曲线的渐近线方程为y=±x.
当焦点在x轴上时,设所求双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),则=.①
因为点A(2,-3)在双曲线上,所以-=1.②
①②联立,无解.
当焦点在y轴上时,设所求双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),则=.③
因为点A(2,-3)在双曲线上,所以-=1.④
联立③④,解得a2=8,b2=32.
所以所求双曲线的标准方程为-=1.
法二:由双曲线的渐近线方程为y=±x,可设双曲线方程为-y2=λ(λ≠0),
因为A(2,-3)在双曲线上,所以-(-3)2=λ,即λ=-8.
所以所求双曲线的标准方程为-=1.
[变式探究] (变条件)本例(2)“渐近线方程为y=±x”改为“与双曲线-=1有相同渐近线”,其余条件不变.
解:因为与双曲线-=1有相同渐近线,
所以设所求双曲线的方程为-=1,
将-=1⇒λ=-2,
所以所求双曲线的方程为-=1.
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利用双曲线的性质求标准方程的思路
1.根据双曲线的某些几何性质求双曲线方程,一般用待定系数法转化为解方程(组),但要注意焦点的位置,从而正确选择方程的形式.
2.设双曲线方程的技巧
(1)与双曲线-=1共焦点的双曲线方程可设为-=1(λ≠0,-b2<λ<a2).
(2)与双曲线-=1具有相同渐近线的双曲线方程可设为-=λ(λ≠0).
(3)渐近线方程为ax±by=0的双曲线方程可设为a2x2-b2y2=λ(λ≠0).
对点练2.求适合下列条件的双曲线的标准方程:
(1)焦点在x轴上,虚轴长为8,离心率为;
(2)过点(2,0),与双曲线-=1的离心率相等.
解:(1)设所求双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),
由题意知2b=8,e==,
从而b=4,c=a,
代入c2=a2+b2,得a2=9,
故双曲线的标准方程为-=1.
(2)当所求双曲线的焦点在x轴上时,
可设其方程为-=λ(λ>0),
将点(2,0)的坐标代入方程得λ=,
故所求双曲线的标准方程为-y2=1.
当所求双曲线的焦点在y轴上时,
可设其方程为-=λ(λ>0),
将点(2,0)的坐标代入方程得λ=-<0(舍去).
综上可知,所求双曲线的标准方程为-y2=1.
任务三 双曲线的渐近线与离心率问题
角度1 求双曲线离心率的值或取值范围
(1)已知F是双曲线 - =1(a>0,b>0)的焦点,B是虚轴的一个端点,线段BF与双曲线交于点M,且点M恰是线段BF的中点,则双曲线的离心率为( )
A. B.
C.2 D.
(2)已知双曲线-=1(a>0,b>0),O为坐标原点,F1,F2为其左、右焦点,若左支上存在一点P,使得F2P的中点M满足|OM|=c,则双曲线的离心率e的取值范围是 .
答案:(1)D (2)
解析:(1)不妨设F(-c,0),B(0,b),则M(- ,).将点M坐标代入双曲线方程 - =1,得 - =1,则 =5,即 = .故选D.
(2)因为O,M分别为F1F2,PF2的中点,所以|PF1|=2|OM|=c.又双曲线上的点到焦点的最小距离为c-a,所以c≥c-a>0,解得1<.因此双曲线的离心率e的取值范围是.
求双曲线的离心率的方法
1.直接法:若可求得a,c,则直接利用e=得解;若已知a,b,可直接利用e= 得解.
2.解方程法:若得到的是关于a,c的齐次方程pc2+q·ac+r·a2=0(p,q,r为常数,且p≠0),则转化为关于e的方程pe2+q·e+r=0求解.
对点练3.已知A,B为双曲线E的左、右顶点,点M在双曲线E上,满足△ABM为等腰三角形,顶角为120°,则双曲线E的离心率为( )
A. B.
C.2 D.
答案:A
解析:不妨取点M在第一象限,如图所示.设双曲线的方程为-=1(a>0,b>0),因为△ABM是顶角为120°的等腰三角形,所以|BM|=|AB|=2a,∠MBx=60°,所以点M的坐标为(2a,a).又因为点M在双曲线-=1(a>0,b>0)上,所以将点M坐标代入方程得4-=1,整理上式得a2=b2.而c2=a2+b2=2a2,所以e2=2,因此e=.故选A.
角度2 双曲线的渐近线与离心率的综合
双曲线-=1(a>0,b>0)的一条渐近经过点(-1,-),则该双曲线的离心率为( )
A. B.2
C. D.4
答案:B
解析:易知双曲线的渐近线y=x经过点(-1,-),将(-1,-)代入渐近线方程得=,所以e===2.故选B.
对点练4.已知双曲线C: - =1(a>0,b>0)的右顶点为A,左、右焦点分别为F1,F2,渐近线在第一象限的部分上存在一点P,且|OP|=|OF1|,直线PF1的斜率为 ,则该双曲线的离心率为 .
答案:2
解析:由双曲线C: - =1(a>0,b>0),可得渐近线方程为y=± x.设点P的坐标为(x0, x0),且x0>0,因为|OP|=|OF1|,即+=c2,解得=a2,即x0=a,所以点P的坐标为(a,b).又因为直线PF1的斜率为 ,所以 = ,可得 b=a+c,两边平方得3b2=a2+c2+2ac,即c2-ac-2a2=0,两边同时除以a2,可得e2-e-2=0,即(e-2)(e+1)=0,解得e=2或e=-1(舍去).
任务再现
1.双曲线的简单几何性质.2.由双曲线几何性质求标准方程.3.双曲线渐近线与离心率问题
方法提炼
待定系数法、直接法、解方程组法、数形结合法
易错警示
求双曲线的方程时常因位置关系考虑不全面出错
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1.(多选)已知双曲线E:x2-=1,则下列结论正确的是( )
A.E的焦距为
B.E的虚轴长是实轴长的倍
C.双曲线-x2=1与E有相同的渐近线
D.点(,0)到E的一条渐近线的距离为
答案:BCD
解析:双曲线E:x2-=1的实半轴长、虚半轴长分别为a=1,b=,则半焦距c=,对于A,E的焦距为2,故A错误;对于B,E的虚轴长2b=2,实轴长2a=2,则E的虚轴长是实轴长的倍,故B正确;对于C,双曲线-x2=1的渐近线方程为y=±x,E的渐近线方程为y=±x, 故C正确;对于D,由选项C知,点(,0)到直线x±y=0的距离为=,故D正确.故选BCD.
2.如果中心在原点,对称轴在坐标轴上的等轴双曲线的一个焦点为F1,那么此双曲线的标准方程为 .
答案:-=1
解析:因为一个焦点是F1,所以c=6,且焦点在y轴上,所以设等轴双曲线方程为-=1(a>0),所以c2=a2+a2=36,解得a2=18,所以双曲线标准方程为-=1.
3.已知△ABC为等边三角形,点O为△ABC的中心,若以A,O为双曲线E的两顶点,且双曲线E过点B,则双曲线E的离心率为 .
答案:
解析:如图所示,不妨设AO=2,D为BC的中点,则OD=1,AD=3,BD=.以AO的中点O'为原点,AD方向为x轴,AO的垂直平分线为y轴建立直角坐标系.因为=2,所以==1,即双曲线的实半轴长a=1,所以双曲线的方程可以设为x2-=1,将B的坐标,代入解得b=1,所以c=,所以e==.
4.中心在坐标原点,离心率为的双曲线的焦点在y轴上,则它的渐近线方程为 .
答案:y=±x
解析:因为=,所以==,所以=,所以=,所以=.又因为双曲线的焦点在y轴上,设双曲线方程为-=1(a>0,b>0),所以双曲线的渐近线方程为y=±x,所以所求双曲线的渐近线方程为y=±x.
课时分层评价30 双曲线的简单几何性质
(时间:60分钟 满分:110分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—9,每小题5分,共45分)
1.(2025·八省适应性测试)双曲线x2-=1的渐近线方程为( )
A.y=±x B.y=±2x
C.y=±3x D.y=±4x
答案:C
解析:由方程x2-=1,则a=1,b=3,所以渐近线方程为y=±x=±3x.故选C.
2.已知双曲线的实轴和虚轴等长,且过点(5,3),则双曲线方程为( )
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
答案:D
解析:由题意知,所求双曲线是等轴双曲线,设其方程为x2-y2=λ(λ≠0),将点(5,3)代入方程,可得λ=52-32=16,所以双曲线方程为x2-y2=16,即-=1.故选D.
3.已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左顶点为A,右焦点为F,焦距为6,点M在双曲线C上,且MF⊥AF,|MF|=2|AF|,则双曲线C的实轴长为( )
A.2 B.4
C.6 D.8
答案:A
解析:把x=c代入-=1中,得y=±,即|MF|=.因为|AF|=a+c,|MF|=2|AF|,所以=2(a+c)⇒c2-a2=2ac+2a2.又c=3,所以a2+2a-3=0,解得a=1,a=-3舍去,则2a=2.故选A.
4.已知双曲线C:-=1的离心率为2,则其渐近线的倾斜角为( )
A. B.
C.或 D.或
答案:D
解析:由题意离心率e==2,则 = =2,所以=(负值舍去).又双曲线C:-=1的渐近线方程为y=±x,即y=±x,即渐近线的斜率为或-,所以其渐近线的倾斜角为.故选D.
5.已知双曲线C:-y2=1的左右两个顶点分别为A,B,点M1,M2,…,Mn为双曲线右支上的n个点,N1,N2,…,Nn分别与M1,M2,…,Mn关于原点对称,则直线AM1,AM2,…,AMn,AN1,AN2,…,ANn这2n条直线的斜率乘积为( )
A. B.
C.-3n D.-2n
答案:A
解析:设M1(m,n),由题意,N1(-m,-n),又A(-,0),于是=·=.又M1(m,n)在双曲线上,故-n2=1,于是===.将2n条直线两两分组,AM1,AN1;AM2,AN2;…;AMn,ANn,类似上面的步骤,这n组直线中的两条直线斜率之积均是,于是这2n条直线的斜率乘积为.故选A.
6.(多选)已知F1,F2分别是双曲线C:-=1的上、下焦点,以线段F1F2为直径的圆M与双曲线C的渐近线的一个交点为P,则下列结论正确的是( )
A.圆M的方程为x2+y2=10
B.双曲线C的离心率为
C.双曲线C的渐近线方程为y=±x
D.△PF1F2的面积为2
答案:ABD
解析:由双曲线方程C:-=1,得实半轴长a=2,虚半轴长b=,半焦距c==,圆M的圆心为,半径为,方程为x2+y2=10,故A正确;双曲线C的离心率e==,故B正确;双曲线C:-=1的渐近线方程为y=±2x,故C错误;由则点P横坐标xP满足|xP|=,而=2,于是=·|F1F2|·|xP|=2,故D正确.故选ABD.
7.已知某双曲线的渐近线方程为y=±x,且该双曲线过点,则该双曲线的标准方程为 .
答案:x2-y2=1
解析:因为双曲线的渐近线方程为y=±x,所以该双曲线的方程可设为x2-y2=λ,将点代入双曲线方程,得λ=1,所以该双曲线的标准方程为x2-y2=1.
8.已知双曲线C:-=1的离心率是,F1,F2分别为双曲线C的左、右焦点,过点F2且垂直于x轴的垂线在x轴上方交双曲线C于点M,则tan∠MF1F2的值为 .
答案:
解析:由题意得,e==,c=a.设点M的横坐标为c,将x=c代入双曲线C的方程,得-=1,所以y=±.又y>0,所以M.所以tan∠MF1F2=====.
9.(2025·山东东营高二质量监测)已知双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,过点F1作圆x2+y2=a2的切线,交双曲线的右支于点M,若∠F1MF2=45°,则该双曲线的离心率为 .
答案:
解析:如图所示,作OA⊥F1M于点A,F2B⊥F1M于点B.因为F1M与圆x2+y2=a2相切,∠F1MF2=45°,所以=a,==2a,则=2a,=2=2b.又点M在双曲线上,所以-=2a+2b-2a=2a,整理得b=a,即b2=2a2=c2-a2,得e2=3,由e>1解得e=,所以双曲线的离心率为.
10.(13分)求适合下列条件的双曲线的标准方程:
(1)虚轴长为12,离心率为;
(2)焦点在x轴上,离心率为,且过点;
(3)顶点间距离为6,渐近线方程为y=±x.
解:(1)设双曲线的标准方程为-=1,或-=1.
由题意知2b=12,=且c2=a2+b2,
所以b=6,c=10,a=8.
所以双曲线的标准方程为-=1,或-=1.
(2)因为e==,所以c=a,b2=c2-a2=a2.
又因为焦点在x轴上,
所以设双曲线的标准方程为-=1.
把点代入方程,解得a2=16.
所以双曲线的标准方程为-=1.
(3)设以y=±x为渐近线的双曲线方程为-=λ(λ≠0),
当λ>0时,a2=4λ,所以2a=2=6,得λ=;
当λ<0时,a2=-9λ,所以2a=2=6,得λ=-1;
所以双曲线的标准方程为-=1,或-=1.
(11—13,每小题5分,共15分)
11.(新情境)单叶双曲面是最受设计师青睐的结构之一,它可以用直的钢梁建造,既能减少风的阻力,又能用最少的材料来维持结构的完整.如图①,俗称小蛮腰的广州塔位于中国广州市,它的外形就是单叶双曲面,可看成是双曲线的一部分绕其虚轴旋转所形成的曲面.某市计划建造类似于广州塔的地标建筑,此地标建筑的平面图形是双曲线,如图②,最细处的直径为100 m,楼底的直径为50 m,楼顶直径为50 m,最细处距楼底300 m,则该地标建筑的高为( )
A.350 m B.375 m
C.400 m D.450 m
答案:C
解析:以地标建筑的最细处所在直线为x 轴,双曲线的虚轴为y 轴,建立平面直角坐标系如图所示,由题意可得A,C(25,-300),设B,双曲线的方程是-=1(a>0,b>0),则-=1,将点B-=1,解得y0=100,所以该地标建筑的高为300+100=400.故选C.
12.(多选)已知双曲线E:2x2-my2=4m的左、右焦点分别为F1,F2,P是双曲线上一点,则下列结论正确的是( )
A.m>0
B.当双曲线E为等轴双曲线时,焦点坐标为F1,F2
C.焦点F1到双曲线E的一条渐近线的距离是定值2
D.若双曲线E的一条渐近线方程是y=2x且=3,则=1或=5
答案:AC
解析:对于A,将方程2x2-my2=4m化为标准形式为-=1,方程表示双曲线,则m>0,故A正确;对于B,双曲线E为等轴双曲线时,2m=4,即a2=b2=4,所以c=2,焦点坐标为,,故B错误;对于C,不妨设双曲线的渐近线方程为y=x,所以E的一个焦点=b,故为定值b=2,故C正确;对于D,双曲线-=1的一条渐近线方程是y=2x,所以a2=2m=1,c2=1+22=5,2c=2.由双曲线的定义知-=±2,又=3,所以=1,或=5,又≥c-a=-1,所以=5,故D错误.故选AC.
13.(双空题)已知椭圆M:+=1(a>b>0),双曲线N:-=1(m>0,n>0).若双曲线N的两条渐近线与椭圆M的四个交点及椭圆M的两个焦点恰为一个正六边形的六个顶点,则椭圆M的离心率为 ;双曲线N的离心率为 .
答案:-1 2
解析:椭圆、双曲线都关于x轴、y轴对称,所以只需考虑第一象限内的情况.记双曲线N的一条渐近线与椭圆M在第一象限的交点为P,椭圆左焦点为Q,右焦点为F,连接PQ,如图所示.由题意知,△OPF为正三角形,边长设为2,则高为,所以椭圆半焦距为2,2a=|PQ|+|PF|=2+2,a=+1,椭圆M的离心率为=-1.双曲线N的一条渐近线斜率为=tan 60°=,e2==1+=4,所以双曲线N的离心率为2.
14.(15分)已知F1,F2分别为双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点,P为双曲线右支上的任意一点,当取最小值时,求双曲线离心率e的取值范围.
解:因为双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,P为双曲线右支上的任意一点,
所以|PF1|-|PF2|=2a,|PF1|=2a+|PF2|,
所以==+4a+|PF2|≥8a,当且仅当=|PF2|,
即|PF2|=2a时取等号,
所以|PF1|=2a+|PF2|=4a.
因为|PF1|-|PF2|=2a<2c,|PF1|+|PF2|=6a≥2c⇒e=≤3,
所以双曲线离心率e的取值范围为(1,3].
15.(5分)(新情境)双曲线具有光学性质,从双曲线一个焦点发出的光线经过双曲线镜面反射,其反射光线的反向延长线经过双曲线的另一个焦点.若双曲线E:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,从F2发出的光线经过图中的A,B两点反射后,分别经过点C和D,且cos∠BAC=-,·=0,则E的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案:B
解析:由题意知延长CA,DB,则必过点F1,如图所示.由双曲线的定义知又因为cos∠BAC=-,所以cos∠F1AB=.又因为·=0,所以AB⊥BD,设=13m,m>0,则=5m,=12m,因此+=得13m-2a+12m-2a=5m,所以a=5m.则=a,=a,=2c,又因为+=,所以+=,即37a2=25c2,即e=.故选B.
16.(17分)已知双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,P是双曲线的右支上一点.
(1)求的最小值;
(2)若右支上存在点P满足=4,求双曲线的离心率的取值范围.
解:(1)设F1,F2,P(x≥a),
则====
==x+a≥·a+a=a+c,
当P在右顶点时,最小,所以的最小值为a+c.
(2)法一:由题意
解得
由(1)知,|PF1|≥a+c,所以a≥a+c,
所以1<e≤.
法二:设∠F1PF2=θ,θ∈(0,π],
由余弦定理得cos θ===-e2,
即-1≤-e2<1,得1<e2≤,1<e≤.
所以双曲线的离心率的取值范围为.
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