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3.2.2 双曲线的简单几何性质 (第1课时)
素养目标
1.掌握双曲线的简单几何性质.(数学抽象)2.理解双曲线离心率的定义、取值范围和渐近线方程.(数学抽象)
课前自学
4
要点1 双曲线的几何性质
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2a
2b
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要点2 等轴双曲线
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1.双曲线与椭圆的六点不同
(1)双曲线是两支曲线,而椭圆是一条封闭的曲线.
(2)双曲线只有2个顶点,而椭圆有4个顶点.
(3)双曲线有实轴、虚轴,而椭圆有长轴、短轴.
(4)双曲线的两条渐近线是区别于其他圆锥曲线所特有的.
(5)双曲线的离心率e∈(1,+∞),而椭圆的离心率e∈(0,1).
(6)双曲线中a,b,c,e的等量关系与椭圆中a,b,c,e的等量关系有区别.
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2.共轭双曲线
(1)定义:以已知双曲线的虚轴为实轴,实轴为虚轴的双曲线,与原双曲线是一对共轭双曲线.
(2)性质:
①一对共轭双曲线有相同的渐近线;
②一对共轭双曲线有相同的焦距;
③共轭双曲线的渐近线与直线x=±a及y=±b的四个交点,以及两双曲线的四个焦点,八点共圆,圆心为坐标原点,半径为c(半焦距);
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1.渐近线相同的双曲线是同一条双曲线吗?
答:渐近线相同的双曲线有无数条,若它们的焦点在同一坐标轴上,则它们实轴与虚轴的长的比值相同.
2.双曲线离心率对双曲线形状有何影响?
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课时学案
12
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,并作出草图.
题型一 双曲线的简单几何性质
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13
探究1
(1)由双曲线的方程求几何性质的四个步骤:
(2)画几何图形,要先画双曲线的两条渐近线和两个顶点,然后根据双曲线的变化趋势,就可画出双曲线的大致图形.
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例 2
√
题型二 求渐近线方程
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16
y=±2x
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探究2
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√
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1
2
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例 3
题型三 由双曲线的几何性质求标准方程
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21
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探究3
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(2)以直线2x±3y=0为渐近线,且过点(1,2);
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例 4
题型四 双曲线的离心率
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30
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√
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√
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探究4
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√
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√
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√
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课后巩固
42
解析 由已知得左焦点的坐标为(-5,0),右顶点的坐标为(3,0),所以左焦点与右顶点之间的距离等于8.
√
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√
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3.【多选题】关于双曲线C1:4x2-9y2=-36与双曲线C2:4x2-9y2=36的说法正确的是( )
A.有相同的焦点 B.有相同的焦距
C.有相同的离心率 D.有相同的渐近线
√
√
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4.等轴双曲线C的一个焦点为(-2,0),则它的实轴长为_______.
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(2)已知中心在原点的双曲线的焦点为F1(-5,0),F2(5,0),渐近线方程为3x±4y=0,求此双曲线的标准方程.
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请做:课时作业(三十五)
教师备用资料
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
性质
焦点
(-c,0),(c,0)
(0,-c),(0,c)
焦距
2c
范围
|x|≥a,y∈R
|y|≥a,x∈R
对称性
关于x轴、y轴对称,关于原点对称
顶点
(-a,0),(a,0)
(0,-a),(0,a)
轴长
实轴长=_______,虚轴长=_______
离心率及其范围
e=eq \f(c,a)>1
渐近线
y=±eq \f(b,a)x
y=±eq \f(a,b)x
定义
实轴和虚轴等长的双曲线叫做等轴双曲线
方程形式
x2-y2=λ(λ≠0),当λ>0时,焦点在x轴上;当λ<0时,焦点在y轴上
性质
①离心率:e=eq \r(2);
②渐近线方程:y=±x
④一对共轭双曲线的离心率分别为e1=eq \f(c,a),e2=eq \f(c,b),则2,1)eq \f(1,e)
+2,2)eq \f(1,e)
=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a,c)))
eq \s\up16(2)+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(b,c)))
eq \s\up16(2)=1,可知共轭双曲线的离心率虽不同,但离心率倒数的平方和等于常数1.
答:以双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)为例.
e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(a2+b2),a)=eq \r(1+\f(b2,a2)),故当eq \f(b,a)的值越大,渐近线y=eq \f(b,a)x的斜率越大,双曲线的开口越大,e也越大,所以e反映了双曲线开口的大小,即双曲线的离心率越大,它的开口就越大.
【解析】 将9y2-4x2=-36变形为eq \f(x2,9)-eq \f(y2,4)=1,
即eq \f(x2,32)-eq \f(y2,22)=1,∴a=3,b=2,∴c=eq \r(9+4)=eq \r(13).因此顶点坐标为A1(-3,0),A2(3,0),
焦点坐标为F1(-eq \r(13),0),F2(eq \r(13),0),
实轴长是2a=6,虚轴长是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.作草图如图.
思考题1 求双曲线eq \f(x2,9)-eq \f(y2,16)=1的实半轴长、虚半轴长、焦点坐标、渐近线方程和离心率,并画出该双曲线的草图.
【解析】 由双曲线方程可得实半轴长a=3,虚半轴长b=4,
则c=eq \r(a2+b2)=eq \r(9+16)=5,
于是焦点坐标为(-5,0),(5,0).渐近线方程为y=±eq \f(b,a)x=±eq \f(4,3)x,离心率e=eq \f(c,a)=eq \f(5,3).
作出双曲线草图如图.
【解析】 因为2b=2,2c=2eq \r(3),所以b=1,c=eq \r(3),所以a=eq \r(c2-b2)=eq \r(2),所以双曲线的渐近线方程为y=±eq \f(b,a)x=±eq \f(\r(2),2)x.
(1)设双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的虚轴长为2,焦距为2eq \r(3),则双曲线的渐近线方程为( )
A.y=±eq \f(1,2)x
B.y=±eq \f(\r(2),2)x
C.y=±eq \r(2)x
D.y=±2x
【解析】 因为e=eq \f(c,a)=eq \r(1+\f(b2,a2))=eq \f(\r(5),2),
所以eq \f(b2,a2)=eq \f(1,4),所以eq \f(b,a)=eq \f(1,2).
由双曲线方程可知,焦点在y轴上,
所以其渐近线方程为y=±2x.
(2)已知双曲线C:eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0)的离心率为eq \f(\r(5),2),则C的渐近线方程为__________.
(1)求双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的渐近线方程,一般有两种方法:
①分别求出a,b,再代入y=±eq \f(b,a)x得渐近线方程.
②令eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=0,得eq \f(x,a)±eq \f(y,b)=0,即y=±eq \f(b,a)x.
(2)直线y=±eq \f(b,a)x恰好是过实轴端点A1,A2,虚轴端点B1,B2,作平行于坐标轴的直线x=±a,y=±b所围成的矩形的两条对角线所在的直线.
(3)双曲线的焦点到渐近线的距离为b.
【解析】 A、B中双曲线的焦点在x轴上,C、D中双曲线的焦点在y轴上,又令eq \f(y2,4)-x2=0,得y=±2x,令y2-eq \f(x2,4)=0,得y=±eq \f(1,2)x.故选C.
思考题2 (1)下列双曲线中,焦点在y轴上且渐近线方程为y=±2x的是( )
A.x2-eq \f(y2,4)=1
B.eq \f(x2,4)-y2=1
C.eq \f(y2,4)-x2=1
D.y2-eq \f(x2,4)=1
(2)已知双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的一条渐近线为2x+y=0,一个焦点为(eq \r(5),0),则a=________,b=________.
【解析】 因为双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的一条渐近线为2x+y=0,即y=-2x,且焦点在x轴上,所以eq \f(b,a)=2.①
又双曲线的一个焦点为(eq \r(5),0),所以a2+b2=5.②
由①②及a>0,b>0,得a=1,b=2.
【解析】 (1)易知所求双曲线的焦点在x轴上,可设双曲线方程为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.
求满足下列条件的双曲线的标准方程:
(1)过点(2,0),与双曲线eq \f(y2,64)-eq \f(x2,16)=1的离心率相等;
【解析】 (2)设所求双曲线方程为eq \f(y2,4)-eq \f(x2,3)=λ(λ≠0且λ≠1).
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.
(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);
【解析】 (3)方法一:由椭圆方程可得焦点坐标为(-3,0),(3,0),即c=3且焦点在x轴上.
设双曲线的标准方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0).
因为e=eq \f(c,a)=eq \f(3,2),所以a=2,则b2=c2-a2=5,故所求双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-eq \f(y2,5)=1.
(3)与椭圆eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1有公共焦点,离心率为eq \f(3,2).
方法二:因为椭圆的焦点在x轴上,所以可设双曲线的标准方程为eq \f(x2,25-λ)-eq \f(y2,λ-16)=1(16<λ<25).
因为e=eq \f(3,2),所以eq \f(λ-16,25-λ)=eq \f(9,4)-1,解得λ=21.故所求双曲线的标准方程为eq \f(x2,4)-eq \f(y2,5)=1.
巧设双曲线方程的方法
(1)当双曲线的焦点位置不明确时,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=±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),这是因为由离心率不能确定焦点位置.
④与椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)共焦点的双曲线方程可设为eq \f(x2,a2-λ)-eq \f(y2,λ-b2)=1(b2<λ<a2).
思考题3 求满足下列条件的双曲线的标准方程:
(1)实轴长为8,离心率为eq \f(5,4);
【解析】 (1)设双曲线的标准方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1或eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1,a>0,b>0.由题意知eq \f(c,a)=eq \f(5,4),2a=8,且c2=a2+b2,∴a=4,c=5,b=3.∴双曲线的标准方程为eq \f(x2,16)-eq \f(y2,9)=1或eq \f(y2,16)-eq \f(x2,9)=1.
【解析】 (2)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.
(3)双曲线的实轴长和虚轴长相等,且过点P(4,-eq \r(10)).
【解析】 (3)由2a=2b,得a=b.
∴e=eq \r(1+\f(b2,a2))=eq \r(2),
∴可设双曲线方程为x2-y2=λ(λ≠0).
∵双曲线过点P(4,-eq \r(10)),
∴16-10=λ,即λ=6.
∴双曲线方程为x2-y2=6.
∴双曲线的标准方程为eq \f(x2,6)-eq \f(y2,6)=1.
【解析】 方法一:若双曲线焦点在x轴上,设双曲线的标准方程为eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0).
由题意知eq \f(b,a)=eq \f(3,4),又∵c2=a2+b2,
∴e2=eq \f(c2,a2)=1+eq \f(b2,a2)=1+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)))
eq \s\up18(2)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5,4)))
eq \s\up18(2),∴e=eq \f(5,4).
若双曲线的焦点在y轴上,设双曲线的标准方程为eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0).
(1)如果双曲线的渐近线方程是y=±eq \f(3,4)x,求离心率.
由题意知eq \f(a,b)=eq \f(3,4),
∴e2=eq \f(c2,a2)=1+eq \f(b2,a2)=1+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,3)))
eq \s\up18(2)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5,3)))
eq \s\up18(2),∴e=eq \f(5,3).
综上知e=eq \f(5,4)或e=eq \f(5,3).
方法二:设具有渐近线y=±eq \f(3,4)x的双曲线方程为eq \f(x2,16)-eq \f(y2,9)=λ(λ≠0),即eq \f(x2,16λ)-eq \f(y2,9λ)=1.
若λ>0,则焦点在x轴上,
∴a2=16λ,b2=9λ,c2=a2+b2=25λ,
∴e2=eq \f(c2,a2)=eq \f(25,16),e=eq \f(5,4).
若λ<0,则焦点在y轴上,
∴a2=-9λ,b2=-16λ,c2=a2+b2=-25λ,
∴e2=eq \f(c2,a2)=eq \f(-25λ,-9λ)=eq \f(25,9),∴e=eq \f(5,3).
∴e=eq \f(5,4)或e=eq \f(5,3).
【解析】 设|F1F2|=2c,连接F2P,由题意知△F1F2P是直角三角形,又因为∠PF1F2=30°,所以|PF1|=eq \r(3)c,|PF2|=c,所以|PF1|-|PF2|=eq \r(3)c-c=2a,所以e=eq \f(c,a)=eq \f(2,\r(3)-1)=eq \r(3)+1.
(2)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,以F1F2为直径的圆与C在第一象限交于点P.若∠PF1F2=30°,则C的离心率为( )
A.eq \r(3)+1 B.eq \r(3) C.eq \f(\r(3)+1,2) D.2eq \r(3)-1
(3)如图,F1,F2是双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,过F1的直线l与双曲线的左、右两支分别交于点B,A.若△ABF2为等边三角形,则双曲线的离心率为( )
A.4
B.eq \r(7)
C.eq \f(2\r(3),3)
D.eq \r(3)
【解析】 因为△ABF2为等边三角形,
所以|AB|=|AF2|=|BF2|,∠F1AF2=60°.
由双曲线的定义可得|AF1|-|AF2|=2a,
所以|BF1|=2a,
又|BF2|-|BF1|=2a,
所以|BF2|=4a,所以|AF2|=4a,|AF1|=6a.
在△AF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|AF1|2+|AF2|2-2|AF1||AF2|cos 60°,
即(2c)2=(6a)2+(4a)2-2×4a×6a×eq \f(1,2),
整理得c2=7a2,所以e=eq \f(c,a)=eq \r(\f(c2,a2))=eq \r(7).故选B.
求解双曲线离心率的一般方法
(1)由条件寻找a,c所满足的等式,常用的公式变形为e=eq \f(c,a)=eq \r(1+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(b,a)))\s\up18(2))=eq \f(1,\r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(b,c)))\s\up18(2))),其中a>0,b>0,c>0.
(2)依据条件列出含a,c的齐次方程,利用e=eq \f(c,a)转化为含e的方程,解方程即可,注意依据e>1对所得解进行取舍.
思考题4 (1)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( )
A.eq \f(2\r(3),3)
B.eq \f(2\r(6),3)
C.eq \r(3)
D.2
【解析】 双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,2)=1(a>eq \r(2))的两条渐近线方程为y=±eq \f(\r(2),a)x.由a>eq \r(2),得0<eq \f(\r(2),a)<1.
∴直线y=eq \f(\r(2),a)x的倾斜角小于eq \f(π,4).
∴eq \f(\r(2),a)=tan eq \f(π,6)=eq \f(\r(3),3),解得a=eq \r(6).
又c2=a2+2=8,∴c=2eq \r(2),∴e=eq \f(c,a)=eq \f(2\r(3),3).
【解析】 不妨设F为右焦点,B为虚轴上端点,则直线FB的斜率为-eq \f(b,c),与其垂直的渐近线的斜率为eq \f(b,a),所以有-eq \f(b2,ac)=-1,即b2=ac,所以c2-a2=ac,两边同时除以a2可得e2-e-1=0,解得e=eq \f(1+\r(5),2)(e>1).
(2)设双曲线的一个焦点为F,虚轴的一个端点为B,如果直线FB与该双曲线的一条渐近线垂直,那么此双曲线的离心率为( )
A.eq \r(2)
B.eq \r(3)
C.eq \f(\r(3)+1,2)
D.eq \f(\r(5)+1,2)
(3)双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左焦点为F,右顶点为A,虚轴的一个端点为B,若△ABF为等腰三角形,则双曲线C的离心率是( )
A.eq \r(3)
B.eq \r(2)
C.eq \r(2)或eq \r(3)
D.1+eq \r(3)
【解析】 由题意易知F(-c,0),A(a,0),设B(0,b),
则|AF|2=(a+c)2=a2+c2+2ac,|AB|2=a2+b2,|BF|2=b2+c2,
由△ABF为等腰三角形,分析可得|AF|=|BF|,
即a2+c2+2ac=b2+c2,
变形可得c2-2a2-2ac=0,
两边同除以a2,则有e2-2e-2=0,解得e=1±eq \r(3),
又双曲线中e>1,则e=1+eq \r(3).
1.双曲线eq \f(x2,9)-eq \f(y2,16)=1的左焦点与右顶点之间的距离等于( )
A.6
B.8
C.9
D.10
2.(2019·北京)已知双曲线eq \f(x2,a2)-y2=1(a>0)的离心率是eq \r(5),则a=( )
A.eq \r(6)
B.4
C.2
D.eq \f(1,2)
解析 ∵双曲线的离心率e=eq \f(c,a)=eq \r(5),c=eq \r(a2+1),∴eq \f(\r(a2+1),a)=eq \r(5),解得a=eq \f(1,2).故选D.
解析 设C1,C2的半焦距分别为c1,c2,两方程均化为标准方程为eq \f(y2,4)-eq \f(x2,9)=1和eq \f(x2,9)-eq \f(y2,4)=1,这里有ceq \o\al(2,1)=ceq \o\al(2,2)=4+9=13,所以两双曲线有相同的焦距,而焦点一个在x轴上,另一个在y轴上,故A错误、B正确;又两双曲线的渐近线均为y=±eq \f(2,3)x,故D正确;C1的离心率e1=eq \f(\r(13),2),C2的离心率e2=eq \f(\r(13),3),故C错误.
解析 由题意,设等轴双曲线的方程为x2-y2=λ(λ≠0),又双曲线的焦点在x轴上,则λ>0,双曲线方程可化为eq \f(x2,λ)-eq \f(y2,λ)=1,由焦点为(-2,0)可知,λ+λ=4,则λ=2,因此实半轴长为eq \r(λ)=eq \r(2),所以实轴长是2eq \r(2).
2eq \r(2)
解析 (1)若焦点在x轴上,设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(9,a2)-eq \f(2,b2)=1.①
又由e=eq \f(c,a)=eq \r(\f(a2+b2,a2))=eq \f(\r(5),2),得a2=4b2.②
由①②得a2=1,b2=eq \f(1,4),
5.(1)求过点(3,-eq \r(2)),离心率e=eq \f(\r(5),2)的双曲线的标准方程;
故双曲线的标准方程为x2-eq \f(y2,\f(1,4))=1.
若焦点在y轴上,设双曲线的标准方程为eq \f(y2,a2)-eq \f(x2,b2)=1(a>0,b>0).
同理可得b2=-eq \f(17,2),不合题意.
综上可知,所求双曲线的标准方程为x2-eq \f(y2,\f(1,4))=1.
解析 (2)方法一:∵渐近线方程为3x±4y=0,即y=±eq \f(3,4)x,且焦点F1(-5,0),F2(5,0)在x轴上,
∴eq \f(b,a)=eq \f(3,4),c=5.设a=4k,b=3k,k≠0.
由a2+b2=c2,得16k2+9k2=25,即k2=1.
∴a2=16,b2=9.∴双曲线的标准方程为eq \f(x2,16)-eq \f(y2,9)=1.
方法二:∵双曲线的渐近线方程为3x±4y=0,且焦点在x轴上,
∴可设双曲线的方程为9x2-16y2=λ(λ>0).
即eq \f(x2,\f(λ,9))-eq \f(y2,\f(λ,16))=1,∴a2=eq \f(λ,9),b2=eq \f(λ,16),c=5.
∴eq \f(λ,9)+eq \f(λ,16)=25,解得λ=144.
故双曲线的标准方程为eq \f(x2,16)-eq \f(y2,9)=1.
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