2.6.2 双曲线的几何性质-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二数学选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书word(人教B版)
2025-12-10
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教辅
摘要:
本讲义聚焦高中数学双曲线的几何性质,前承椭圆几何性质的类比学习,通过问题引导、表格对比等支架,系统梳理范围、对称性、顶点、离心率、渐近线等核心知识点,及等轴双曲线的特殊性质。
以核心素养为导向,类比椭圆培养直观想象,题型分类(已知方程求性质、由性质求方程等)结合方法技巧提升逻辑推理,例题与测评强化数学运算。课中辅助分层教学,课后助学生查漏补缺,配套示意图增强理解。
内容正文:
2.6.2 双曲线的几何性质
[学习目标]
知识层面
1.了解双曲线的简单几何性质(范围、对称性、顶点、实轴长和虚轴长等). 2.理解离心率的定义、取值范围和渐近线方程. 3.能用双曲线的简单几何性质解决一些简单问题.
素养层面
通过对双曲线几何性质的学习,培养直观想象素养;借助几何性质的应用,提升逻辑推理、数学运算素养.
问题1.类比对椭圆几何性质的研究,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.
知识点一 双曲线的几何性质
标准方程
-=1
(a>0,b>0)
-=1
(a>0,b>0)
焦点位置
焦点在x轴上
焦点在y轴上
图形
性质
焦点
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
焦距
|F1F2|=2c
范围
x≤-a或x≥a
y≤-a或y≥a
对称性
关于坐标轴、原点对称
顶点
A1(-a,0),A2(a,0)
A1(0,-a),A2(0,a)
轴长
实轴长2a,虚轴长2b
离心率
e=>1
渐近线
y=±x
y=±x
知识点二 等轴双曲线
实轴长和虚轴长相等的双曲线叫做等轴双曲线,它有以下性质:
(1)方程形式为x2-y2=λ(λ≠0);
(2)渐近线方程为y=±x,它们互相垂直;
(3)离心率e=.
双曲线的离心率e对双曲线开口大小的影响
双曲线的离心率e=反映了双曲线开口的大小,e越大,双曲线的开口就越大,这可以从离心率对渐近线斜率的影响上得以理解.(以双曲线-=1(a>0,b>0)为例,因为==(e>1),所以e越大,渐近线y=±x斜率的绝对值越大,即越大,这时双曲线的形状就从扁狭逐渐变得开阔.
由此可见,双曲线的离心率越大,它的开口就越大).
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1.(多选)已知双曲线方程为x2-8y2=32,则( )
A.实轴长为8 B.虚轴长为4
C.焦距为6 D.离心率为
答案:ABD
解析:将双曲线方程x2-8y2=32化为标准方程为-=1,可得a=4,b=2,c=6,所以双曲线的实轴长为8,虚轴长为4,焦距为12,离心率为.故选ABD.
2.双曲线方程为-y2=1,则渐近线方程为( )
A.y=±x B.y=±2x
C.y=±x D.y=x
答案:A
解析:因为双曲线方程为-y2=1,则渐近线方程为-y2=0,即y=±x.故选A.
3.已知双曲线过点(-2,2),且渐近线方程为y=±2x,则双曲线的标准方程为( )
A.-y2=1 B.x2-=1
C.-x2+=1 D.-+y2=1
答案:B
解析:因为所求双曲线的渐近线方程为y=±2x,所以可设所求双曲线的方程为x2-=λ(λ≠0),因为双曲线过点(-2,2),所以(-2)2-=λ,解得λ=1,所以所求双曲线的标准方程为x2-=1.故选B.
4.已知点(2,3)在双曲线C:-=1(a>0,b>0)上,C的焦距为4,则它的离心率为________.
答案:2
解析:由题意知-=1,c2=a2+b2=4,得a=1,b=,所以e==2.
题型一 已知双曲线方程求其几何性质
(链教材P153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、渐近线方程.
[思路点拨] 双曲线方程双曲线的标准方程―→a,b,c的值―→结果
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.
方法技巧
1.由双曲线的标准方程求双曲线的有关性质,首先要将双曲线方程化为标准形式-=1或-=1,确定a,b的值,进而求出c,再根据双曲线的几何性质得到相应的答案.
2.注意区分双曲线两种标准方程的渐近线.双曲线-=1的渐近线为y=±x,双曲线-=1的渐近线为y=±x.
3.如果要求画出双曲线,首先画出两条渐近线和顶点,然后根据双曲线的变化趋势,便可画出双曲线的近似图形.
对点练1.(1)双曲线-y2=1的顶点坐标是( )
A.(4,0),(0,1) B.(-4,0),(4,0)
C.(0,1),(0,-1) D.(-4,0),(0,-1)
(2)若双曲线x2-=1的离心率为,则实数m=________.
答案:(1)B (2)2
解析:(1)双曲线的焦点在x轴上,令y=0,得x=±4,所以双曲线的顶点坐标为(-4,0),(4,0).
(2)由题意知a=1,c=,所以e===,解得m=2.
题型二 由双曲线的几何性质求标准方程
求适合下列条件的双曲线的标准方程:
(1)实轴长为8,离心率为;
(2)已知双曲线的中心在原点,焦点F1,F2在坐标轴上,实轴长和虚轴长相等,且过点P(4,-);
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(3)渐近线方程为y=±x,且经过点A(2,-3).
[思路点拨] (1)(2)可用待定系数法求出a,b,c后求方程;
(3)可以利用渐近线的方程直接设双曲线的一般形式,或者讨论焦点所在的坐标轴,再根据已知条件求相应的标准方程.
解:(1)设双曲线的标准方程为-=1或
-=1(a>0,b>0),
由题意知2a=8,=,则a=4,c=5.
所以b2=c2-a2=9.
所以标准方程为-=1或-=1.
(2)由2a=2b得a=b,
所以可设双曲线方程为x2-y2=λ(λ≠0).
因为双曲线过点P(4,-),
所以16-10=λ,即λ=6.
所以双曲线方程为x2-y2=6.
所以双曲线的标准方程为-=1.
(3)方法一:因为双曲线的渐近线方程为y=±x,
若焦点在x轴上,设所求双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),则=. ①
因为A(2,-3)在双曲线上,所以-=1. ②
由①②联立,无解.
若焦点在y轴上,设所求双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),则=. ③
因为A(2,-3)在双曲线上,
所以-=1. ④
由③④联立,解得a2=8,b2=32.
所以所求双曲线的标准方程为-=1.
方法二: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,解得λ=-8.
所以所求双曲线的标准方程为-=1.
方法技巧
1.由双曲线的几何性质求双曲线的标准方程,一般用待定系数法.当双曲线的焦点不明确时,方程可能有两种形式,此时应注意分类讨论,为了避免讨论,也可设双曲线的方程为mx2-ny2=1(mn>0).
2.常见双曲线方程的设法
(1)渐近线为y=±x的双曲线方程可设为-=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-=1或-=1(a>0,b>0)共渐近线的双曲线方程可设为-=λ或-=λ(λ≠0).
(3)与双曲线-=1(a>0,b>0)离心率相等的双曲线系方程可设为-=λ(λ>0)或-=λ(λ>0),这是因为离心率不能确定焦点位置.
(4)与椭圆+=1(a>b>0)共焦点的双曲线方程可设为-=1(b2<λ<a2).
对点练2.(1)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
(2)与双曲线-=1有公共焦点,且过点(3,2)的双曲线的标准方程为________.
答案:(1)D (2)-=1
解析:(1)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.
(2)方法一:设双曲线方程为-=1(a>0,b>0),
由题意,易求c=2.又双曲线过点(3,2),所以-=1.又因为a2+b2=(2)2,所以a2=12,b2=8.故所求双曲线方程为-=1.
方法二:设双曲线方程为-=1,(-4<k<16),将点(3,2)代入得k=4,故所求双曲线方程为-=1.
题型三 求双曲线的离心率
(1)设F1,F2分别为双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点,双曲线上存在一点P使得(|PF1|-|PF2|)2=b2-3ab,则该双曲线的离心率为( )
A. B. C.4 D.
(2)双曲线-=1(a>0,b>0)的两个焦点为F1,F2,若P为其上一点,且|PF1|=2|PF2|,则双曲线离心率的取值范围是______________.
[思路点拨] 对于(1),根据双曲线的定义得到a,b,c的关系式,再求离心率;对于(2),欲求离心率的取值范围,关键是构造关于e的不等式,可利用|PF1|或|PF2|的范围求解.
答案:(1)D (2)1<e≤3
解析:(1)根据已知条件,知||PF1|-|PF2||=2a,
所以4a2=b2-3ab,所以b=4a,
所以双曲线的离心率e== =.故选D.
(2)因为P为双曲线上一点,|PF1|=2|PF2|,又因为|PF1|-|PF2|=2a,所以|PF2|=2a.又因为|PF2|≥c-a,即2a≥c-a,所以e=≤3.又e>1,所以1<e≤3.
方法技巧
1.求解双曲线的离心率一般有两种方法
(1)由条件寻找a,c所满足的等式,常用的公式变形为e== =,其中a>0,b>0.
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(2)依据条件列出含a,c的齐次方程,利用e=转化为含e或e2的方程,解方程即可,注意依据e>1对所得解进行取舍.
2.求双曲线离心率的取值范围,关键是根据条件得到不等关系,并想办法转化为关于a,b,c的不等关系,结合c2=a2+b2和=e得到关于e的不等式,然后求解.在建立不等式求e时,经常用到结论:双曲线上一点到相应焦点距离的最小值为c-a.
对点练3.(1)已知双曲线的一条渐近线方程为y=2x,则其离心率为________.
(2)在平面直角坐标系xOy中 ,若双曲线 - =1(a>0,b>0)的右焦点F(c,0)到一条渐近线的距离为 c,求其离心率的值.
答案:(1) 或
解析:(1)当焦点在x轴上时, =2,这时离心率e= = = .当焦点在y轴上时, =2,即 = ,这时离心率e= = = .
(2)因为双曲线的右焦点F(c,0)到渐近线y=± x,即bx±ay=0的距离为 = =b,所以b= c,因此a2=c2-b2=c2- c2= c2,a= c,所以离心率e= =2.
易错点 忽略焦点位置致错
双曲线的渐近线方程为y=±x,则离心率为( )
A. B.
C.或 D.或
[正解] 当焦点在x轴上时,=,
所以e== =;
当焦点在y轴上时,=,所以e== =.
答案:C
[错解] 本题易出现以下错误:
由双曲线的渐近线方程为y=±x,得=,
所以e== =,故选A.
易误认为焦点在x轴上,而漏掉焦点在y轴上的情况.
[易错探因] 解题时易误认为焦点在x轴上,而漏掉焦点在y轴上的情况.
[误区警示] 当题目条件没有明确双曲线的焦点所在轴时,应分两种情况进行讨论.同时注意两种情况下,渐近线方程是有区别的:焦点在x轴上时,渐近线方程为y=±x;焦点在y轴上时,渐近线方程为y=±x.
课时测评25 双曲线的几何性质
(时间:40分钟 满分:100分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—8每小题5分,共40分)
1.双曲线C:-x2=-1的离心率是( )
A.3 B. C.2 D.
答案:D
解析:易知双曲线C的标准方程是x2-=1,其离心率是e==.故选D.
2.若实数k满足0<k<9,则曲线-=1与曲线-=1的( )
A.实轴长相等 B.虚轴长相等
C.离心率相等 D.焦距相等
答案:D
解析:c=25+(9-k)=34-k,c=(25-k)+9=34-k,所以c=c,c1=c2,所以焦距相等.
3.(多选)若双曲线C的一个焦点F(5,0),P是双曲线上一点,且渐近线方程为y=±x,则下列结论正确的是( )
A.C的方程为-=1
B.C的离心率为
C.焦点到渐近线的距离为3
D.|PF|的最小值为2
答案:AD
解析: 双曲线C的一个焦点F(5,0),且渐近线方程为y=±x,可得c=5,焦点坐标在x轴上,所以=,因为c=5,所以b=4,a=3,所以C的方程为-=1,A正确;离心率为e=,B不正确;焦点到渐近线的距离为d==4,C不正确;|PF|的最小值为c-a=2,D正确.故选AD.
4.已知双曲线-=1(b>0),以原点为圆心,双曲线的实半轴长为半径长的圆与双曲线的两条渐近线相交于A、B、C、D四点,四边形ABCD的面积为2b,则双曲线的方程为( )
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
答案:D
解析:根据圆和双曲线的对称性,可知四边形ABCD为矩形.双曲线的渐近线方程为y=±x,圆的方程为x2+y2=4,不妨设交点A在第一象限,由y=x,x2+y2=4得xA=,yA=,故四边形ABCD的面积为4xAyA==2b,解得b2=12,故所求的双曲线方程为-=1.故选D.
5.(多选)已知F1,F2分别是双曲线C:x2-y2=1的左、右焦点,点P是双曲线C上异于顶点的一点,且·=0,则下列结论正确的是( )
A.双曲线C的渐近线方程为y=±x
B.以F1F2为直径的圆的方程为x2+y2=1
C.点F1到双曲线的一条渐近线的距离为1
D.△PF1F2的面积为1
答案:ACD
解析:对于A,由双曲线C:x2-y2=1,可知双曲线C的渐近线方程为y=±x,故A正确;对于B,由题意得F1(-,0),F2(,0),则以F1F2为直径的圆的方程为x2+y2=2,故B错误;对于C,F1(-,0)到渐近线y=-x的距离为1,故C正确;对于D,设P(x0,y0),则·=x+y-2=0,又x-y=1,解得x0=±,y0=±,所以△PF1F2的面积为×|F1F2|×|y0|=××2=1,故D正确.故选ACD.
6.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.
7.若一双曲线与椭圆4x2+y2=64有公共的焦点,且它们的离心率互为倒数,则该双曲线的方程为________.
答案:-=1
解析:椭圆4x2+y2=64可变形为+=1,a2=64,c2=64-16=48,所以焦点为(0,4),(0,-4),离心率e=,则双曲线的焦点在y轴上,c′=4,e′==,从而a′=6,b′2=12,故所求双曲线的方程为-=1.
8.(2024·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,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.
9.(10分)求适合下列条件的双曲线的标准方程:
(1)过点(3,-),离心率e=;
(2)顶点间的距离为6,渐近线方程为y=±x.
解:(1)若双曲线的焦点在x轴上,
设其标准方程为-=1(a>0,b>0),
因为双曲线过点(3,-),则-=1. ①
又e== =,故a2=4b2. ②
由①②得a2=1,b2=,
故所求双曲线的标准方程为x2-=1.
若双曲线的焦点在y轴上,
设其标准方程为-=1(a>0,b>0).同理可求得b2=-,不符合题意.
综上知,所求双曲线的标准方程为x2-=1.
(2)方法一: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).
由题意得解得
所以双曲线的标准方程为-=1;
同理可得,当焦点在y轴上时,
双曲线的标准方程为-=1.
因此,所求双曲线的标准方程为-=1或-=1.
方法二:渐近线方程为y=±x,变形得±=0.
由渐近线方程的推导过程,
可设双曲线的方程为-=λ(λ≠0).
当λ>0时,由2=6,解得λ=.
此时,所求双曲线的标准方程为-=1;
当λ<0时,由2=6,解得λ=-1.
此时,所求双曲线的标准方程为-=1.
综上,所求双曲线的标准方程为-=1或-=1.
10.(10分)已知F1,F2是双曲线-=1(a>0,b>0)的两个焦点,PQ是经过F1且垂直于x轴的双曲线的弦,如果∠PF2Q=90°,求双曲线的离心率.
解:设F1(c,0),将x=c代入双曲线的方程得-=1,那么y=±.
由题意知|PF2|=|QF2|,∠PF2Q=90°,则△PF2Q为等腰直角三角形.
所以|PF1|=|F1F2|,
所以=2c,所以b2=2ac.
所以c2-2ac-a2=0,所以-2×-1=0.
即e2-2e-1=0.所以e=1+或e=1-(舍去).
所以所求双曲线的离心率为1+.
11.(5分)设双曲线C: - =1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,离心率为,P是C上一点,且F1P⊥F2P.若△PF1F2的面积为4,则实数a=( )
A.1 B.2 C.4 D.8
答案:A
解析:不妨设点P在双曲线的右支上,则|PF1|-|PF2|=2a,①又PF1⊥PF2,故|PF1|2+|PF2|2=4c2.②由①平方得|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|=4a2,③由②③得|PF1||PF2|=2c2-2a2,所以S△PF1F2= |PF1||PF2|=c2-a2=4.又 = ,可得a=1.故选A.
12.(5分)(一题两空)已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1、F2.
(1)若F2到渐近线的距离是3,则b为________.
(2)若P为双曲线C右支上一点,∠F1PF2=60°且∠F1PF2的角平分线与x轴的交点为Q,满足=2,则双曲线C的离心率为________.
答案:(1)3 (2)
解析:(1)双曲线C:-=1(a>0,b>0)的渐近线方程为bx±ay=0,且F2(c,0).所以F2到渐近线的距离d===b=3.即b的值为3.
(2)由=2,得|F1Q|=2|QF2|,故S△PF1Q=2S△PF2Q.因为S△PF1Q=|PF1|·|PQ|·sin∠F1PQ,S△PF2Q=|PF2|·|PQ|·sin∠F2PQ,∠F1PQ=∠F2PQ,所以|PF1|=2|PF2|.由双曲线定义知|PF1|-|PF2|=2a,则|PF2|=2a,|PF1|=4a.在△PF1F2中,由余弦定理知|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2=2|PF1|·|PF2|cos ∠F1PF2,即4c2=16a2+4a2-8a2=12a2.故e2=3,即e=.
13.(10分)已知双曲线C:-=1,焦点到渐近线的距离为,且离心率为.
(1)求双曲线C的方程;
(2)直线l:y=kx+3与双曲线交于M,N两点,若=16,求k的值.
解:(1)由双曲线方程知:渐近线方程为y=±x,设焦点坐标为,
所以焦点到渐近线的距离d==b=,
又离心率e==,所以b2=c2-a2=a2=3,解得a2=4,
所以双曲线C的方程为-=1.
(2)由得x2-24kx-48=0,
则解得k2<3,且k2≠,
设M,N,则x1+x2=,x1x2=-,
所以=·=·=16,
即=42,
解得k2=,或k2=1,均满足k2<3且k2≠,
所以k=±或k=±1.
14.(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=,因为·=0,所以AB⊥BD,设=13m,m>0,则=5m,=12m,因此从而由+=得13m-2a+12m-2a=5m,所以a=5m,则=a,=a,=2c,又因为2+2=2,所以2+2=2,即37a2=25c2,即e=.故选B.
15.(15分)设A,B分别为双曲线-=1 (a>0,b>0)的左、右顶点,双曲线的实轴长为4,焦点到渐近线的距离为.
(1)求双曲线的方程;
(2)已知直线y=x-2与双曲线的右支交于M,N两点,且在双曲线的右支上存在点D,使+=t,求t的值及点D的坐标.
解:(1)由题意知a=2.
所以一条渐近线为y=x,即bx-2y=0.
所以=.
又c2=a2+b2=12+b2,
所以=3,即=3,所以b2=3.
所以双曲线的方程为-=1.
(2)设点M(x1,y1),N(x2,y2),D(x0,y0),
由得x2-16x+84=0,
所以x1+x2=16,y1+y2=(x1+x2)-4=12,
因为+=t,所以(x1+x2,y1+y2)=t(x0,y0),
所以又点D(x0,y0)在双曲线上,所以-=1,解得t2=16,且点D在双曲线的右支上,所以t>0,即t=4,此时点D(4,3).
学生用书↓第100页
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