内容正文:
第二章
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2.1 双曲线及其标准方程
1.了解双曲线的定义、几何图形和标准方程的推导过程.
2.掌握双曲线的标准方程及其求法.
3.会利用双曲线解决一些简单的实际问题.
学习目标
同学们,有没有听过《悲伤的双曲线》这首歌,这首歌是王渊超于1995年读高中时创作的.创作灵感来源于一堂解析几何课,当时老师正在论证讲解“双曲线与渐近线只能无限接近不能相交”,而正是这点给王渊超带来了创作动机,并在笔记本上把歌词一挥而就.课后,他在家中,拨动着吉他,旋律顺着六弦琴的和弦转换畅然而出,《悲伤的双曲线》就此诞生.
导 语
一、双曲线的定义
二、求双曲线的标准方程
课时对点练
三、双曲线定义的应用
随堂演练
内容索引
四、双曲线在生活中的应用
双曲线的定义
一
提示 准备实验(可以找三名同学在教师指导下操作),适当选取两定点F1,F2,将拉锁拉开一段,其中一边的端点固定在F1处,在另一边上截取一段(小于|F1F2|),作为动点P到两定点F1和F2距离之差,而后把它固定在F2处,这时将铅笔(粉笔)置于P处,于是随着拉链逐渐打开,铅笔就画出一条曲线,同理可画出另一支.(如图)显然所画的曲线不是
椭圆,而是两条相同的曲线,只是位置不同,其原因都是应
用了“到两定点的距离之差|PF1|-|PF2|或|PF2|-|PF1|是同一
个常数”这个条件.
把椭圆定义中的“距离之和”改为“距离之差”,那么点的轨迹会怎么样?
问题1
提示 不是,是以F1,F2为端点的两条射线.
在上述过程中,我们在其中的一段拉链上截取一段小于|F1F2|,如果截取的长度等于|F1F2|,其轨迹还是上述图形吗?
问题2
平面内到两个定点F1,F2的距离之 等于常数(大于零且小于|F1F2|)的点的集合(或轨迹)叫作 .这两个定点F1,F2叫作双曲线的
,两个焦点间的距离|F1F2|叫作双曲线的 .
差的绝对值
双曲线
焦点
焦距
知识梳理
(1)常数要小于两个定点的距离.
(2)如果没有绝对值,点的轨迹表示双曲线的一支.
(3)当2a=|F1F2|时,动点的轨迹是以F1,F2为端点的两条方向相反的射线(包括端点).
(4)当2a>|F1F2|时,动点的轨迹不存在.
(5)当2a=0时,动点轨迹为线段F1F2的垂直平分线.
注 意 点
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9
已知A(0,-5),B(0,5),|PA|-|PB|=2a,当a=3或5时,P点的轨迹为
A.双曲线或一条直线
B.双曲线或两条直线
C.双曲线的一支或一条直线
D.双曲线的一支或一条射线
例 1
√
10
当a=3时,2a=6,此时|AB|=10,
∴点P的轨迹为双曲线的一支(靠近点B).
当a=5时,2a=10,此时|AB|=10,
∴点P的轨迹为射线,且是以B为端点的一条射线.
11
判断点的轨迹是否为双曲线时,要根据双曲线的定义成立的充要条件.
反
思
感
悟
12
由题意知||PF1|-|PF2||=a,又点P的轨迹为双曲线,则根据双曲线的定义,可得
||PF1|-|PF2||<|F1F2|=4,
所以0<a<4.
在平面直角坐标系中,F1(-2,0),F2(2,0),||PF1|-|PF2||=a(a∈R),若点P的轨迹为双曲线,则a的取值范围是
A.(0,4) B.(0,4]
C.(4,+∞) D.(0,4)∪(4,+∞)
跟踪训练 1
√
13
二
求双曲线的标准方程
提示 观察我们画出的双曲线,发现它也具有对称性,而且直线F1F2是它的一条对称轴,所以以F1,F2所在直线为x轴,线段F1F2的垂直平分线为y轴,建立平面直角坐标系,
此时双曲线的焦点分别为F1(-c,0),F2(c,0),
焦距为2c,c>0.
设P(x,y)是双曲线上一点,则
||PF1|-|PF2||=2a(a为大于0的常数),
类比求椭圆标准方程的过程.如何建立适当的坐标系,求出双曲线的标准方程?
问题3
类比椭圆标准方程的化简过程,化简①,
由双曲线的定义知,2c>2a,即c>a,所以c2-a2>0,类比椭圆标准方程的建立过程,令b2=c2-a2,
设双曲线的焦点为 F1和F2,焦距为2c,而且双曲线上的动点P满足||PF1|-|PF2||=2a,其中c>a>0,以F1,F2所在直线为y轴,线段F1F2的垂直平分线为x轴,建立平面直角坐标系,如图所示,此时,双曲线的标准方程是什么?
问题4
焦点位置 焦点在x轴上 焦点在y轴上
图形
双曲线的标准方程
知识梳理
焦点位置 焦点在x轴上 焦点在y轴上
标准方程 ___________________ ____________________
焦点 _________________ ___________________
a,b,c的关系 b2=______
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
c2-a2
(1)若x2项的系数为正,则焦点在x轴上;若y2项的系数为正,则焦点在y轴上.
记忆口决:“焦点跟着正项走”.
(2)a与b没有大小关系.
(3)a,b,c的关系满足c2=a2+b2.
注 意 点
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20
求分别满足下列条件的双曲线的标准方程.
(1)已知双曲线的焦点为F1(-4,0),F2(4,0),双曲线上一点P满足|PF1|-|PF2|=2;
例 2
由题意知c=4,a=1,故b2=15,
21
由题意得,双曲线的焦点在x轴上,
解得a2=3,b2=5.
22
设双曲线的方程为Ax2+By2=1,AB<0.
因为点P,Q在双曲线上,
23
反
思
感
悟
(1)用待定系数法求双曲线的标准方程时,若焦点位置不确定,可按焦点在x轴和y轴上两种情况讨论求解.
(2)当mn<0时,方程mx2+ny2=1表示双曲线.设此种形式求双曲线方程可避免讨论焦点位置.
求双曲线的标准方程
解得a2=1或a2=16(舍),
从而b2=4-a2=3,
(1)焦点分别为(-2,0),(2,0)且经过点(2,3)的双曲线的标准方
程为____________.
跟踪训练 2
25
将点(4,-2)和(2,2)代入方程得
(2)焦点在x轴上,且经过点P(4,-2)和点 的双曲线的标准
方程为___________.
26
双曲线定义的应用
三
(1)已知A(-4,0),B是圆(x-1)2+(y-4)2=1上的点,点P在双曲线
=1的右支上,则|PA|+|PB|的最小值为
A.9 B.2 +6 C.10 D.12
例 3
√
28
设圆(x-1)2+(y-4)2=1的圆心为点C(1,4),半径r=1,点B在圆上,则|PB|≥|PC|-r=|PC|-1,
由点P在双曲线右支上,点A为双曲线左焦点,
设A′为双曲线右焦点,
所以由双曲线定义知|PA|=|PA′|+2a
=|PA′|+6,
所以|PA|+|PB|=|PA′|+|PB|+6≥|PA′|+
|PC|+6-1≥|A′C|+5=5+5=10.
29
由双曲线的定义和余弦定理得|PF1|-|PF2|=±6,
|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°,
所以102=(|PF1|-|PF2|)2+|PF1|·|PF2|,
所以|PF1|·|PF2|=64,
(2)已知双曲线 =1的左、右焦点分别是F1,F2.若双曲线上一点P使得∠F1PF2=60°,求△F1PF2的面积.
30
反
思
感
悟
双曲线中的焦点三角形
双曲线中与焦点三角形有关的问题可以根据定义结合余弦定理、勾股定理或三角形面积公式等知识进行运算,在运算中要注意整体思想和一些变形技巧的灵活运用.
设F1,F2分别是双曲线 =1的上、下焦点,P是该双曲
线上的一点,且3|PF1|=5|PF2|,则△PF1F2的面积等于
跟踪训练 3
√
32
又3|PF1|=5|PF2|,且|PF1|-|PF2|=2a=4,
所以|PF1|=10,|PF2|=6,
所以|PF1|2-|PF2|2=64=(2c)2=|F1F2|2,
即△PF1F2为直角三角形,
33
双曲线在生活中的应用
四
神舟飞船返回舱顺利到达地球后,为了及时将航天员安全救出,地面指挥中心在返回舱预计到达区域安排了三个救援中心(记A,B,C),A在B的正东方向,相距6千米,C在B的北偏西30°方向,相距4千米,P为航天员着陆点.某一时刻,A接收到P的求救信号,由于B,C两地比A距P远,在此4秒后,B,C两个救援中心才同时接收到这一信号.已知该信号的传播速度为1千米/秒,求在A处发现P的方位角.
例 4
35
设A,B,C分别表示三个救援中心,P表示航天员着陆点,如图所示,
以直线AB为x 轴,线段AB的垂直平分线为y 轴建立平面直角坐标系,
∵|PB|=|PC|,
∴点P在线段BC的垂直平分线上,
36
又|PB|-|PA|=4<6=|AB|,
∴点P在以A,B为焦点的双曲线的右支上,
且a=2,c=3,
37
反
思
感
悟
利用双曲线解决实际问题的基本步骤
(1)建立适当的坐标系.
(2)求出双曲线的标准方程.
(3)根据双曲线的方程及定义解决实际应用问题(注意实际意义).
如图,B地在A地的正东方向4 km处,C地在B地的北偏东30°方向2 km处,河流的沿岸PQ(曲线)上任意一点D到A的距离比到B的
距离远2 km,则曲线PQ的轨迹方程是_______________;现要在曲线PQ上选一处M建一座码头,向B,C两地转运货物,那么这两条公路MB,MC的路程之和最短是________km.
跟踪训练 4
39
如图所示,以AB所在的直线为x轴,AB的垂直平分线为y轴建立平面直角坐标系.
则|DA|-|DB|=2,
根据双曲线定义知,轨迹为双曲线的右支.
故2c=4,c=2,2a=2,a=1,b2=c2-a2=4-1=3,
当A,M,C三点共线时等号成立.
40
1.知识清单:
(1)双曲线定义.
(2)双曲线方程的求法.
(3)双曲线在实际生活中的应用.
2.方法归纳:转化法.
3.常见误区:双曲线在实际生活中的应用中,建模容易出错.
课堂小结
随堂演练
五
1.相距4k千米的A,B两地,听到炮弹爆炸的时间相差2秒,若声速每秒k千米,则炮弹爆炸点P的轨迹可能是
A.双曲线的一支 B.双曲线
C.椭圆 D.圆
√
由已知可得||PA|-|PB||=2k<4k=|AB|,
根据双曲线的定义可知,点P在以A,B为焦点的双曲线上,则炮弹爆炸点P的轨迹可能是双曲线.
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∵已知方程表示双曲线,
∴(2+m)(2-m)>0.
∴-2<m<2.
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2.方程 =1表示双曲线,则m的取值范围是
A.-2<m<2 B.m>0
C.m≥0 D.|m|≥2
√
3.双曲线 =1上的点P到一个焦点的距离为11,则它到另一个焦点的距离为
A.1或21 B.14或36 C.2 D.21
√
设双曲线的左、右焦点分别为F1,F2,不妨设|PF1|=11,
根据双曲线的定义知||PF1|-|PF2||=2a=10,
∴|PF2|=1或|PF2|=21,而1<c-a=7-5=2,
∴舍去|PF2|=1,
∴点P到另一个焦点的距离为21.
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设双曲线的左、右焦点分别为F1,F2,不妨设|PF1|=11,
根据双曲线的定义知||PF1|-|PF2||=2a=10,
∴|PF2|=1或|PF2|=21,而1<c-a=7-5=2,
∴舍去|PF2|=1,
∴点P到另一个焦点的距离为21.
由椭圆的标准方程可知,椭圆的焦点在x轴上.
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课时对点练
六
1.双曲线C的两焦点分别为(-6,0),(6,0),且经过点(-5,2),则双曲线的标准方程为
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基础巩固
√
所以b2=c2-a2=36-20=16.
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2.已知定点F1(-2,0),F2(2,0),在平面内满足下列条件的动点P的轨迹中为双曲线的是
A.|PF1|-|PF2|=±3 B.|PF1|-|PF2|=±4
C.|PF1|-|PF2|=±5 D.|PF1|2-|PF2|2=±4
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√
当|PF1|-|PF2|=±3时,||PF1|-|PF2||=3<|F1F2|=4,满足双曲线的定义,所以P点的轨迹是双曲线.
√
3.双曲线2x2-y2=8的焦距是
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∴点P可能在左支,也可能在右支,
4.(多选)双曲线 =1上的点到一个焦点的距离为12,则到另一个焦
点的距离为
A.17 B.7 C.22 D.2
√
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由||PF1|-|PF2||=2a=10,
得|12-|PF2||=10,
∴|PF2|为22或2.
∴点P到另一个焦点的距离是22或2.
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5.已知双曲线 =1(a>0,b>0),F1,F2为其两个焦点,若过焦点F1
的直线与双曲线的同一支相交,且所得弦长|AB|=m,则△ABF2的周长为
A.4a B.4a-m C.4a+2m D.4a-2m
√
不妨设|AF2|>|AF1|,
由双曲线的定义,知|AF2|-|AF1|=2a,|BF2|-|BF1|=2a,
所以|AF2|+|BF2|=(|AF1|+|BF1|)+4a=m+4a,
于是△ABF2的周长l=|AF2|+|BF2|+|AB|=4a+2m.
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6.地震预警是指在破坏性地震发生以后,在某些区域可以利用“电磁波”抢在“地震波”之前发出避险警报信息,以减小相关预警区域的灾害损失.在一次地震发生后,通过两个地震台站的位置和其接收到的信息,可以把震中的位置限制在双曲线的一支上,这两个地震台站的位置就是该双曲线的两个焦点.在一次地震预警中,两地震台A站和B站相距10 km.根据它们收到的信息,可知震中到B站与震中到A站的距离之差为6 km.据此可以判断,震中到地震台B站的距离至少为
A.8 km B.6 km C.4 km D.2 km
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设震中为P,依题意有|PB|-|PA|=6<|AB|=10,
所以点P的轨迹是以A,B为焦点的双曲线靠近A的一支,
因为|PA|+|PB|≥|AB|=10,当且仅当A,P,B三点共线时取等号,
所以|PB|-6+|PB|≥10,所以|PB|≥8,
所以震中到地震台B站的距离至少为8 km.
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设焦点为F1(-c,0),F2(c,0)(c>0),
则由QF1⊥QF2,得kQF1·kQF2=-1,
7.焦点在x轴上的双曲线经过点P(4 ,-3),且Q(0,5)与两焦点的连线
互相垂直,则此双曲线的标准方程为__________.
又∵c2=a2+b2=25,
∴a2=16,b2=9.
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由题意,知双曲线两个焦点的坐标分别为
设点P(x,y),
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∴x2+y2-10=0,即x2+y2=10.
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9.在周长为48的Rt△MPN中,∠MPN=90°,tan∠PMN= ,求以M,
N为焦点,且过点P的双曲线方程.
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所以设|PN|=3k,|PM|=4k,则|MN|=5k.
由3k+4k+5k=48,得k=4.
所以|PN|=12,|PM|=16,|MN|=20.
以MN所在直线为x轴,以MN的中点为原点建立平面直角坐标系,如图所示.
由|PM|-|PN|=4,得2a=4,a=2,a2=4.
由|MN|=20,得2c=20,c=10,c2=100,
所以b2=c2-a2=100-4=96,
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10.如图,若F1,F2是双曲线 =1的两个焦点.
(1)若双曲线上一点M到它的一个焦点的距离等于16,求点M到另一个焦点的距离;
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则a=3,b=4,c=5,
设点M到另一个焦点的距离为m,
由双曲线定义可知|m-16|=2a=6,
解得m=10或m=22,
即点M到另一个焦点的距离为10或22.
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(2)若P是双曲线左支上的点,且|PF1|·|PF2|=32,试求△F1PF2的面积.
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因为P是双曲线左支上的点,|PF2|-|PF1|=2a=6,
则|PF2|2-2|PF1|·|PF2|+|PF1|2=36,
代入|PF1|·|PF2|=32,
可得|PF1|2+|PF2|2=36+2×32=100,
即|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=100,
所以△F1PF2为直角三角形,
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11.已知点P在曲线C1: =1的右支上,点Q在曲线C2:(x+5)2+y2=
1上,点R在曲线C3:(x-5)2+y2=1上,则|PQ|-|PR|的最大值是
A.6 B.8
C.10 D.12
√
综合运用
双曲线 =1的两个焦点分别是F1(-5,0)与F2(5,0),且|PF1|-|PF2|=8,
而这两个焦点恰好是两圆(x+5)2+y2=1和(x-5)2+y2=1的圆心,
且两圆的半径分别是r2=1,r3=1,
所以|PQ|max=|PF1|+1,|PR|min=|PF2|-1,
所以|PQ|-|PR|的最大值为(|PF1|+1)-(|PF2|-1)=|PF1|-|PF2|+2=8+2=10.
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12.中国景德镇陶瓷世界闻名,其中青花瓷最受大家的喜爱,如图1这个精美的青花瓷花瓶,它的颈部(图2)外形上下对称,基本可看作是双曲线
=1(a>0,b>0)的一部分绕其虚轴所在直
线旋转所形成的曲面,其中 若该颈部
中最细处直径为16厘米,瓶口直径为20厘米,
则颈部高为
A.10厘米 B.20厘米 C.30厘米 D.40厘米
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图1
图2
因为双曲线焦点在x轴上, 由双曲线的性质可知:该颈部中最细处直径为实轴长,
所以2a=16,可得a=8,
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图1
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因为瓶口直径为20厘米,根据对称性可知
颈部最右点横坐标为10,
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图1
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解得y=±10,
所以颈部高为20厘米.
13.双曲线x2-y2=1的左、右焦点分别为F1,F2,双曲线上的点P满足∠F1PF2=60°,则|PF1|·|PF2|等于
A.1 B.4 C.7 D.9
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设P在右支上,
则|PF1|-|PF2|=2a=2,
∵∠F1PF2=60°,
在△PF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°=(|PF1|-|PF2|)2+2|PF1||PF2|-|PF1|·|PF2|,
即4c2=4a2+|PF1|·|PF2|,
即|PF1|·|PF2∣=4c2-4a2=4b2=4.
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设动圆的圆心为M,半径为r,圆x2+y2=1与x2+y2-8x+12=0的圆心分别为O1和O2,半径分别为1和2,由两圆外切的充要条件,
得|MO1|=r+1,|MO2|=r+2.
∴|MO2|-|MO1|=1,
又|O1O2|=4,
∴动点M的轨迹是双曲线的一支(靠近O1).
14.动圆与圆x2+y2=1和x2+y2-8x+12=0都外切,则动圆圆心的轨迹是
A.双曲线的一支 B.圆
C.椭圆 D.双曲线
√
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√
拓广探究
√
所以|yP|=4,所以选项A错误;
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所以选项B正确;
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所以△PF1F2为钝角三角形,所以选项C正确;
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16.△ABC的一边的两个顶点B(-a,0),C(a,0)(a>0),另两边的斜率之积等于m(m≠0).求顶点A的轨迹方程,并且根据m的取值情况讨论轨迹的图形.
设顶点A的坐标为(x,y),
当m>0时,轨迹是中心在原点,焦点在x轴上的双曲线(除去与x轴的两个交点);
当m<0且m≠-1时,轨迹是中心在原点,以坐标轴为对称轴的椭圆(除去与x轴的两个交点),
其中当-1<m<0时,椭圆焦点在x轴上;
当m<-1时,椭圆焦点在y轴上;
当m=-1时,轨迹是圆心在原点,半径为a的圆(除去与x轴的两个交点).
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因为|PF1|=,|PF2|=,
得(c2-a2)x2-a2y2=a2(c2-a2),两边同除以a2(c2-a2),得-=1.
其中b>0,代入上式,得-=1(a>0,b>0).
所以-=±2a, ①
提示 -=1(a>0,b>0).
-=1(a>0,b>0)
-=1(a>0,b>0)
所以双曲线的标准方程为x2-=1.
则有a2+b2=c2=8,-=1,
故所求双曲线的标准方程为-=1.
(2)以椭圆+=1的长轴的端点为焦点,且经过点(3,).
且c=2.
设双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),
(3)过点P,Q且焦点在坐标轴上.
则解得
故双曲线的标准方程为-=1.
所以双曲线的标准方程为x2-=1.
由题意得c2=4,可设双曲线的标准方程为-=1,
将点(2,3)代入方程可得-=1,
x2-=1
-=1
所以双曲线的标准方程为-=1.
设双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),
解得a2=8,b2=4,
Q(2,2)
-
-
由-=1得,a=3,b=4,c=5.
所以 =|PF1|·|PF2|·sin∠F1PF2=×64×=16.
A.12 B.24 C.12 D.24
-
由双曲线-=1,
所以 =|PF2||F1F2|=×6×8=24.
得a=2,b=2,c=4,
∴直线PD的方程为y-=(x+4), ①
则A(3,0),B(-3,0),C(-5,2).
又易知kBC=-,线段BC的中点D(-4,),
∴双曲线方程为-=1(x≥2), ②
联立①②,得P点坐标为(8,5),
∴kPA==,因此P在A的北偏东30°.
x2-=1(x≥1)
2-2
故轨迹方程为x2-=1(x≥1).
根据题意知C(3,),A(-2,0),|MB|+|MC|=|MA|+|MC|-2≥|AC|-2=2-2.
-
-
设双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0).
4.以椭圆+=1的焦点为焦点,且过点的双曲线的方程为
____________.
-=1
根据题意得解得或(舍去),
所以双曲线的方程为-=1.
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
2a=|-|=4,所以a=2,又c=6,
所以双曲线的标准方程为-=1.
A.2 B.2 C.4 D.4
因为双曲线方程可化为-=1,
所以c2=4+8=12,得c=2,所以2c=4.
-
设双曲线-=1的左、右焦点分别为F1,F2,
设P为双曲线上一点,不妨令|PF1|=12(12>a+c=5+),
则a=5,b=3,c=,
-
∴·=-1,∴c=5.
-=1
∴双曲线的标准方程为-=1.
设双曲线方程为-=1(a>0,b>0),
∵双曲线过点P(4,-3),
∴-=1,
F1(-,0),F2(,0).
2
则=(--x,-y),
8.设F1,F2分别是双曲线x2-=1的左、右焦点.若P在双曲线上,且
·=0,则|+|的值为________.
=(-x,-y).
∴|+|===2.
∵·=0,
因为△MPN的周长为48,且tan∠PMN=,
设所求双曲线方程为-=1(a>0,b>0).
故所求方程为-=1(x>2).
-
F1,F2是双曲线-=1的两个焦点,
所以 =|PF1|·|PF2|=×32=16.
-
-
-
=,
所以b2=c2-a2=2-82=,
所以双曲线的方程为-=1,
因为=,可得c=a=,
将x=10代入双曲线可得-=1,
在双曲线x2-y2=1中,a=b=1,c=,
15.(多选)已知点P在双曲线C:-=1上,F1,F2是双曲线C的左、右焦点,若△PF1F2的面积为20,则下列说法正确的有
A.点P到x轴的距离为 B.|PF1|+|PF2|=
C.△PF1F2为钝角三角形 D.∠F1PF2=
又因为 =·2c|yP|=×10×|yP|=20,
因为双曲线C:-=1,
所以c==5.
可知|PF2|==.
由双曲线定义可知|PF1|=|PF2|+2a=+8=,
所以|PF1|+|PF2|=+=,
由对称性,不妨取P的坐标为,
将|yP|=4代入C:-=1得-=1,
即|xP|=.
∠F1PF2≠,所以选项D错误.
由对称性,对于点P,在△PF1F2中,|PF1|=>2c=10>|PF2|=.
且cos∠PF2F1==-<0,则∠PF2F1为钝角,
由余弦定理得cos∠F1PF2==≠,
由题意,得·=m,
则kAB=,kAC=.
由题意,得·=m,
$