内容正文:
第二章 圆锥曲线 知识清单
一、核心知识总结(必背・单元重点)
1. 椭圆
1.1 椭圆的定义
平面内到两个定点 , 的距离之和等于常数(大于 )的点的集合(或轨迹)叫作椭圆。这两个定点 , 叫作椭圆的焦点,两个焦点间的距离 叫作椭圆的焦距。
示例:设 ,动点 满足 ,因 ,故点 的轨迹是椭圆。
1.2 椭圆的标准方程
椭圆上任意一点的坐标都是方程 的解;以方程 的解为坐标的点都在椭圆上。我们将方程 叫作椭圆的标准方程,它的焦点在 轴上,两个焦点分别是 ,,其中 。
如果椭圆的焦点在 轴上,其焦点分别为 ,,用同样的方法也可推出它的标准方程为 ,其中 。
示例: 中,,,,焦点为 ,。
注意:判断焦点位置看分母的大小: 项的分母大则焦点在 轴, 项的分母大则焦点在 轴。
1.3 椭圆的简单几何性质
以椭圆 的标准方程 为例:
范围
由方程可得椭圆 上的任意一点 总满足 ,,即 ,。这说明椭圆 位于四条直线 ,,, 所围成的矩形区域内。
对称性
椭圆 既是关于 轴和 轴的轴对称图形,也是关于原点的中心对称图形。这个中心称为椭圆的中心。
顶点
因为 轴、 轴是椭圆的对称轴,所以椭圆与它的对称轴有四个交点,这四个交点叫作椭圆的顶点。椭圆 的四个顶点分别为 ,,,。线段 , 分别叫作椭圆的长轴和短轴,且 ,。 和 分别叫作椭圆的长半轴长和短半轴长。
离心率
我们规定椭圆的焦距与长轴长的比叫作椭圆的离心率,用 表示,即 。显然 。 越接近于 ,椭圆就越扁; 越接近于 ,椭圆就越接近于圆。
示例:椭圆 中,,,,离心率 。
2. 双曲线
2.1 双曲线的定义
平面内到两个定点 , 的距离之差的绝对值等于常数(大于零且小于 )的点的集合(或轨迹)叫作双曲线。这两个定点 , 叫作双曲线的焦点,两个焦点间的距离叫作双曲线的焦距。
示例:设 ,动点 满足 ,因 ,故点 的轨迹是双曲线。
2.2 双曲线的标准方程
方程 称为双曲线的标准方程,它的焦点在 轴上,两个焦点分别为 ,,其中 。
如果双曲线的焦点在 轴上,其焦点分别为 ,,利用同样的方法可以得到双曲线的标准方程为 ,其中 。
示例: 中,,,,焦点为 ,。
注意:双曲线中 ( 最大),与椭圆 ( 最大)正好相反。
2.3 双曲线的简单几何性质
以双曲线 的标准方程 为例:
范围
双曲线 上的任意一点 都满足 或 ,且 。因此,双曲线 位于两条直线 和 外侧的区域。
对称性
双曲线既是关于 轴和 轴的轴对称图形,也是关于原点的中心对称图形。这个对称中心称为双曲线的中心。
顶点
把双曲线与它的对称轴的交点 , 叫作双曲线的顶点。显然顶点是双曲线两支之间距离最近的点。两个顶点间的线段 叫作双曲线的实轴,它的长度等于 ;, 为 轴上的两个点,线段 叫作双曲线的虚轴,它的长度等于 ,其中 叫作双曲线的虚半轴长。
离心率
双曲线的焦距与实轴长的比 叫作双曲线的离心率,用 表示。因为 ,所以双曲线的离心率 。 越大,双曲线的开口就越大,从而离心率 可以用来表示双曲线开口的程度。
示例:双曲线 中,,,离心率 。
渐近线
一般地,直线 和 称为双曲线 的渐近线。双曲线的两支在向外无限延伸时与这两条直线无限逼近。
示例:双曲线 的渐近线方程为 。
3. 抛物线
3.1 抛物线的定义
平面内与一个定点 和一条定直线 ( 不经过点 )的距离相等的点的集合(或轨迹)叫作抛物线。这个定点 叫作抛物线的焦点,这条定直线 叫作抛物线的准线。
示例:点 到定点 的距离等于它到直线 的距离,则点 的轨迹是抛物线。
3.2 抛物线的标准方程
取经过焦点 且垂直于准线 的直线为 轴,以线段 的垂直平分线为 轴建立平面直角坐标系,可得抛物线的标准方程 ,这条抛物线的焦点在 轴的正半轴上,坐标是 ,它的准线方程是 。其中 是抛物线的焦点到准线的距离。
顶点在原点、焦点在坐标轴上的抛物线有四种位置情况,其标准方程、焦点坐标和准线方程如下表():
标准方程
焦点坐标
准线方程
示例:抛物线 中,,焦点坐标是 ,准线方程是 。
3.3 抛物线的简单几何性质
以抛物线 为例:
范围
由方程可知,抛物线上的任意一点 都满足 ,,所以这条抛物线在 轴的右侧,开口向右,向右上方和右下方无限延伸。
对称性
抛物线 是关于 轴对称的曲线。
顶点
抛物线和它的对称轴的交点叫作抛物线的顶点。在方程 中, 时 ,因此,抛物线的顶点就是坐标原点。
离心率
抛物线上的点 到焦点的距离和它到准线的距离的比,叫作抛物线的离心率,用 表示。由抛物线的定义可知 。
示例:抛物线 的顶点是原点,焦点是 ,准线是 ,离心率 。
二、二级结论与方法技巧
1. 常用二级推论
1.1 离心率与圆锥曲线类型的对应
椭圆 ,抛物线 ,双曲线 。由离心率可直接判断圆锥曲线的类型;反之,已知曲线类型即可确定离心率的范围。
1.2 圆锥曲线的统一定义(共同特征)
平面内到定点 的距离与到定直线 ( 不经过 )的距离之比为常数 ()的动点的轨迹是圆锥曲线,其中定点 为焦点,常数 是离心率,定直线 为准线。当 时为椭圆, 时为抛物线, 时为双曲线。
1.3 椭圆、双曲线的焦半径
椭圆 上一点 到两个焦点的距离分别为 和 (,)。
1.4 抛物线的焦半径
抛物线 上一点 到焦点 的距离等于它到准线 的距离,即 。
1.5 抛物线的焦点弦长
抛物线 ,过焦点 的弦两端为 ,,则 。
1.6 椭圆、双曲线的通径
过焦点且垂直于长轴(椭圆)或实轴(双曲线)的弦叫作通径,椭圆、双曲线的通径长都是 ,抛物线的通径长是 。
1.7 椭圆的焦点三角形
椭圆 上一点 与两焦点 , 构成的焦点三角形的周长为 ;设 ,则其面积 。
【使用提醒】 此面积公式只适用于椭圆;当 在短轴端点时面积最大,为 。
1.8 等轴双曲线的特征
实轴和虚轴等长的双曲线叫作等轴双曲线,此时 ,,离心率 ,渐近线为 (互相垂直)。
2. 解题方法与操作步骤
2.1 求圆锥曲线的标准方程
先判断焦点位置(由条件或图形确定焦点在 轴还是 轴),设出相应的标准方程,再由已知条件(定义、点坐标、,, 关系、离心率等)列式求 ,。如椭圆焦点在 轴上、经过点 ,,则由顶点关系得 ,,方程为 。
【使用提醒】 焦点位置不确定时需分类讨论,或设 统一处理。
2.2 求离心率
先求出 与 (或 , 的关系),代入 ;也可由 (椭圆)或 (双曲线)整体求解。如椭圆 中 ,则 。
2.3 判断直线与圆锥曲线的位置关系
联立直线与曲线方程,消去一个变量得一元二次方程,用判别式 判断公共点个数: 相交、 相切、 相离,用根与系数的关系求交点坐标之和、之积。如直线 与椭圆联立后,由 的符号判断相交、相切、相离。
【使用提醒】 消元后若二次项系数含参数,须先讨论其是否为 (此时退化为一次方程),再讨论 ;直线与双曲线、抛物线联立时尤其容易漏掉退化情形。
2.4 弦长公式
直线 与圆锥曲线交于 ,,则 ,其中 、 是消元后所得一元二次方程的判别式与二次项系数。
2.5 点差法求中点弦
弦 的中点为 ,把 , 两点坐标分别代入曲线方程后两式相减,利用中点与斜率关系求 。如椭圆 中以 为中点的弦的斜率 ;双曲线 对应为 。
【使用提醒】 中点 须在曲线内部(椭圆),否则该中点弦不存在,需验证判别式。
3. 焦点位置判断 / 运算小技巧
技巧
要点
示例
椭圆焦点位置
、 项中分母大者对应焦点所在轴
, 分母大,焦点在 轴
双曲线焦点位置
系数为正的项对应的变量所在轴
中 项为正,焦点在 轴
抛物线开口
一次项对应的变量所在轴,正负决定正半轴方向
开口向下,焦点
与焦准距
焦点到准线的距离等于 ,焦点坐标、准线方程均含
中 ,焦点
渐近线速记
把 的 改成 即得
渐近线
求方程先定轴
先判断焦点(或对称轴)在哪条坐标轴上,再设方程,避免四种形式混淆
抛物线过点 且以坐标轴为轴,需分 轴、 轴两种情况讨论
4. 常见考试模型
4.1 抛物线焦点弦模型
公式: 过抛物线 焦点 的弦 ,其长 ;焦点弦中通径(垂直于对称轴)最短,长为 。
限定: ;弦的两端为 ,。
示例: 如斜率为 的直线过 的焦点,联立得 ,则 。
4.2 定义法求轨迹模型
公式: 动点到两定点距离之和为定值(大于两定点距离)时轨迹为椭圆,差的绝对值为定值(小于两定点距离)时轨迹为双曲线,到定点与定直线距离相等时轨迹为抛物线。
限定: 椭圆须”和 两定点距离”,双曲线须”差 两定点距离”,否则轨迹退化或不存在;要结合条件排除轨迹上的不满足题意的点。
示例: 如 的周长为 ,,则 ,顶点 的轨迹是以 , 为焦点的椭圆(不含与直线 的交点)。
4.3 中点弦(点差法)模型
公式: 椭圆 中以 为中点的弦所在直线的斜率 ;双曲线 对应为 。
限定: 中点 须在曲线内部(否则该中点弦不存在)。
示例: 如椭圆 内以 为中点的弦的斜率 。
4.4 离心率求值 / 取值范围模型
公式: 由条件建立关于 ,, 的方程或不等式,结合 (椭圆)或 (双曲线)与 求解;椭圆 ,双曲线 。
限定: 所得 必须落在对应圆锥曲线的离心率范围内。
示例: 如椭圆 ,,则 ,,。
4.5 直线与圆锥曲线交点个数讨论模型
公式: 联立消元得关于 的方程,先讨论二次项系数是否为 (退化情形),再对二次方程用 判断: 两个交点、 一个交点(相切)、 无交点。
限定: 直线与双曲线平行于渐近线、与抛物线平行于对称轴时,联立方程退化为一次方程,此时只有一个交点,判别式法失效。
示例: 如直线 与双曲线 ,联立得 ,当 时退化为一次方程仍有一解,与渐近线平行。
【使用提醒】 讨论直线与双曲线、抛物线的交点个数时,必须先检查二次项系数为 的退化情形,否则会漏解。
三、章节高频易错点 + 错解 / 正解对比
易错点 1:双曲线定义”差的绝对值”,漏掉绝对值只求出一支
典例:已知两定点 ,,动点 满足 ,求点 的轨迹方程。
错解:由 得 ,;又 ,,所以轨迹为双曲线 。
正解:条件 表示点 到 的距离比到 的距离大 ,只对应双曲线的右支。故点 的轨迹为双曲线 的右支,即 。
原因:概念理解错误。双曲线的定义是”距离的差的绝对值”等于常数,对应左右两支;而题目只给出”差”(),没有绝对值,只能确定一支。学生看到”差等于常数”就直接套双曲线标准方程,忽视了”绝对值决定双支、无绝对值只有单支”这一区别,导致轨迹多写了一支。
易错点 2:椭圆焦点位置按”哪一项写在前”判断,而不是看分母大小
典例:求椭圆 的焦点坐标。
错解:因为 项写在前,所以焦点在 轴上,,,,无法开方,故无焦点。
正解:椭圆标准方程中 ,这里 项的分母 较大,故 ,,焦点在 轴上。,,焦点坐标为 ,。
原因:概念理解错误。学生误以为”方程中写在前面的项对应的变量所在轴就是焦点所在轴”,没有按”分母大者为 、焦点在 所在轴”来判定。焦点轴由 (较大的分母)所在项决定,而不是由书写顺序决定。
易错点 3:双曲线中 ,, 关系记成
典例:已知双曲线 的一个焦点到原点的距离为 ,实半轴长 ,求虚半轴长 。
错解:由 得 ,所以无解。
正解:双曲线中 ,又 ,,所以 ,故 。
原因:记忆混淆。学生把椭圆的 套用到了双曲线上。椭圆中 最大(),双曲线中 最大()。可记”椭圆 最大、双曲线 最大”来区分,凡遇 ,, 关系先明确是哪类曲线。
易错点 4:抛物线焦点坐标、准线方程的符号记混
典例:求抛物线 的焦点坐标和准线方程。
错解:由 得 ,,所以焦点坐标为 ,准线方程为 。
正解: 是 型,,, 的系数为负,开口向下,焦点在 轴负半轴,焦点坐标为 ,准线方程为 。
原因:记忆缺失。抛物线四种标准方程中焦点坐标、准线方程的正负号容易记混。判断口诀:含变量的项(一次项)系数为正时,焦点在正半轴、准线在负半轴;系数为负时相反,且焦点与准线关于顶点对称、到顶点的距离都是 。
易错点 5:直线与双曲线联立,漏讨论二次项系数为
典例:求直线 与双曲线 只有一个公共点时 的值。
错解:联立消去 得 ,只有一个公共点则 ,即 ,解得 。
正解:① 当 即 时,方程退化为一次方程 ,仍有一个解,此时直线与渐近线 平行,与双曲线只有一个公共点;② 当 时,由 得 。综上, 或 。
原因:漏分类讨论。联立消元后所得方程的二次项系数含参数 ,只有二次项系数不为 时才能用判别式 判断交点个数;当 时方程退化,判别式法失效,而这恰对应直线平行于渐近线的特殊情况,同样只有一个公共点。学生默认”联立方程一定是二次的”,直接套 ,遗漏了退化情形的解。
易错点 6:定义法求轨迹,忽略”常数与两定点距离的大小关系”
典例:已知两个定点 , 的距离是 ,动点 到这两个定点的距离之和是 ,求动点 的轨迹。
错解:由 ,得 ,所以点 的轨迹是以 , 为焦点、长轴长为 的椭圆。
正解:椭圆的定义要求”距离之和大于两定点间的距离”,这里 ,恰好相等,不满足”大于”这一条件,故点 的轨迹不是椭圆,而是线段 。
原因:条件遗漏。学生只记住了”到两定点距离之和为常数”这一半,丢掉了椭圆定义中”常数大于 “的关键限定,没有对常数与两定点距离作大小比较。同理,双曲线要求”差的绝对值大于零且小于 “。纠正要点:用定义法求轨迹时,先比较常数与两定点(焦点)距离的大小,判断是否满足成立条件,退化情形(线段、射线、不存在)要单独说明。
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