3.1.2 第2课时 椭圆的标准方程及性质的应用课件-2026-2027学年高二上学期数学人教A版选择性必修第一册
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内容正文:
3.1 椭圆
3.1.1 椭圆及其标准方程
第2课时 椭圆的标准方程及性质的应用
第三章 圆锥曲线的方程
基础预习
重点探究
巩固演练
同步分级训练(四十九)椭圆的标准方程及性质的应用
目录
1.进一步掌握椭圆的方程及其性质的应用,会判断直线与椭圆的位置关系.(重点)
2.能运用直线与椭圆的位置关系解决相关的弦长、中点弦问题.(难点)
1.通过直线与椭圆位置关系的判断,培养学生的逻辑推理核心素养.
2.通过弦长、中点弦问题及椭圆综合问题的学习,提升学生的逻辑推理、直观想象及数学运算的核心素养.
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基础预习
NO.1
新知初探
初试身手
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大家知道,直线与圆有三种位置关系,设圆心到直线的距离为d,圆的半径为R,则
d>R时⇔直线与圆相离;
d=R时⇔直线与圆相切;
d<R时⇔直线与圆相交.
那么直线与椭圆有几种位置关系呢?又如何来判定呢?
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思考:过原点的直线和椭圆相交,两交点关于原点对称吗?
提示:根据椭圆的对称性知,两交点关于原点对称.
位置关系 解的个数 Δ的取值
相交 解 Δ 0
相切 解 Δ 0
相离 解 Δ 0
两
>
一
=
无
<
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×
√
√
√
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B
C
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重点探究
NO.2
探究一
探究二
探究三
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探究1 直线与椭圆的位置关系
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得9x2+8mx+2m2-4=0 ①.
方程①的判别式Δ=(8m)2-4×9×(2m2-4)=-8m2+144.
(1)当Δ>0,即-3 <m<3 时,方程①有两个不同的实数根,可知原方程组有两组不同的实数解.这时直线l与椭圆C有两个公共点.
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(2)有且只有一个公共点;
解:(2)当Δ=0,即m=±3 时,方程①有两个相同的实数解,可知原方程组有两组相同的实数解.这时直线l与椭圆C有且只有一个公共点.
(3)没有公共点.
解:(3)当Δ<0,即m<-3 或m>3 时,方程①没有实数解,可知原方程组没有实数解.这时直线l与椭圆C没有公共点.
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代数法判断直线与椭圆的位置关系
判断直线与椭圆的位置关系,通过解直线方程与椭圆方程组成的方程组,消去方程组中的一个变量,得到关于另一个变量的一元二次方程,则
Δ>0⇔直线与椭圆相交;
Δ=0⇔直线与椭圆相切;
Δ<0⇔直线与椭圆相离.
提醒:注意方程组的解与交点个数之间的等价关系.
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[探究问题]
1.求弦长常用的方法有哪几种?
提示:(1)两点间距离公式,需要先通过解方程组将两点坐标求出来.
(2)弦长公式,不需要求出交点坐标,采用根与系数的关系整体代换即可.
探究2 椭圆中的焦点三角形弦长和中点弦问题
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2.“点差法”的核心是什么?
提示:假设弦l中点为(x0,y0), 弦的两端点坐标为(x1,y1),(x2,y2),则x1+x2=2x0,y1+y2=2y0,
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例2 过椭圆 =1内一点M(2,1)引一条弦,使弦被M点平分.
(1)求此弦所在的直线方程;
[思路探究] (1)法一:联立方程,消元后利用根与系数的关系和中点坐标公式求解.
法二:点差法.
解:(1)法一:设所求直线方程为y-1=k(x-2).代入椭圆方程并整理,得
(4k2+1)x2-8(2k2-k)x+4(2k-1)2-16=0.
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又设直线与椭圆的交点为A(x1,y1),
B(x2,y2),则x1,x2是方程的两个根,
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法二:设直线与椭圆的交点为A(x1,y1),B(x2,y2).
又M(2,1)为AB的中点,∴x1+x2=4,y1+y2=2.
又A,B两点在椭圆上,
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又直线AB过点M(2,1),
故所求直线的方程为x+2y-4=0.
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(2)求此弦长.
[思路探究] (2)设弦的两端点分别为A(x1,y1),B(x2,y2),利用弦长公式求解.
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解:(2)设弦的两端点分别为A(x1,y1),B(x2,y2),
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1.(变条件)本例中把条件改为“点M(2,1)是直线x+2y-4=0被焦点在x轴上的椭圆所截得的线段的中点”,求该椭圆的离心率.
解:设直线与椭圆的两交点为(x1,y1),(x2,y2),则x1+x2=4,y1+y2=2.
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2.(变条件)把本例条件中“使弦被M点平分去掉”,其他条件不变,求弦的中点P的轨迹方程.
解:设弦的中点为P(x,y),两端点的坐标为(x1,y1),(x2,y2),
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1.弦中点问题的解决方法
(1)用“点差法”求解弦中点问题的解题步骤
①设点——设出弦的两端点坐标;
②代入——代入圆锥曲线方程;
③作差——两式相减,再用平方差公式把上式展开;
④整理——转化为斜率与中点坐标的关系式,然后求解.
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(2)对于弦中点问题常用“根与系数的关系”或“点差法”求解,在使用根与系数的关系时,要注意使用条件Δ>0;在用“点差法”时,要检验直线与圆锥曲线是否相交.
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探究3 与椭圆有关的综合问题
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(2)过点P(4,0)任作一条直线l与椭圆C交于不同的两点M,N.在x轴上是否存在点Q,使得∠PQM+∠PQN=180°?若存在,求出点Q的坐标;若不存在,请说明理由.
解:(2)若存在点Q(m,0),使得∠PQM+∠PQN=180°,
则直线QM和QN的斜率存在,分别设为k1,k2.
等价于k1+k2=0.
依题意,直线l的斜率存在,故设直线l的方程为y=k(x-4).
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y1=k(x1-4),y2=k(x2-4),
令k1+k2= =0,
(x1-m)y2+(x2-m)y1=0,
当k≠0时,2x1x2-(m+4)(x1+x2)+8m=0,
化简得, =0,所以m=1.
当k=0时,也成立.
所以存在点Q(1,0),使得∠PQM+∠PQN=180°.
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综合问题及解决方法
本题主要考查了直线与椭圆的位置关系的综合问题,其解答中涉及椭圆的几何性质及其应用,直线与椭圆的位置关系的综合应用,着重考查了学生分析问题和解决问题的能力,推理与运算能力.此类问题的解答中,把直线方程代入椭圆的方程,转化为方程的根与系数的关系是解题的关键.
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1.解决直线与椭圆的位置关系问题,经常利用设而不求的方法,解题步骤为:
(1)设直线与椭圆的交点为A(x1,y1),B(x2,y2);
(2)联立直线与椭圆的方程;
(3)消元得到关于x或y的一元二次方程;
(4)利用根与系数的关系设而不求;
(5)把题干中的条件转化为x1+x2,x1•x2或y1+y2,y1•y2,进而求解.
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2.求定值问题常见的方法
(1)从特殊入手,求出定值,再证明这个值与变量无关.
(2)直接推理、计算,并在计算推理的过程中消去变量,从而得到定值.
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3.解决椭圆的中点弦问题的三种方法
(1)方程组法
通过解直线方程与椭圆方程构成的方程组,利用一元二次方程根与系数的关系及中点坐标公式求解.
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(2)点差法
设直线与椭圆的交点(弦的端点)坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),将这两点代入椭圆的方程并对所得两式作差,得到一个与弦AB的中点(x0,y0)和斜率kAB有关的式子,可以大大减少运算量.我们称这种代点作差的方法为“点差法”,事实上就是椭圆的垂径定理.
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(3)中点转移法
先设出弦的一个端点的坐标,再借助中点得出弦的另一个端点的坐标,分别代入椭圆方程作差可得.
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巩固演练
NO.3
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B
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A
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4
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同步分级训练(二十三) 椭圆的标准方程及性质的应用
NO.4
A级 基础过关练
B级 能力提升练
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A.(-∞,0)∪(1,+∞)
B.(1,3)∪(3,+∞)
C.(-∞,-3)∪(-3,0)
D.(1,3)
B
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B
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( )
A.9x-16y+7=0
B.16x+9y-25=0
C.9x+16y-25=0
D.16x-9y-7=0
C
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C
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5.已知椭圆C的焦点为F1(-1,0),F2(1,0),过F2的直线与C交于A,B两点.若|AF2|=2|F2B|,|AB|=|BF1|,则C的方程为( )
B
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(2)当b=1时,求|AB|.
解:(2)设A(x1,y1),B(x2,y2),
当b=1时,方程①为3x2+4x=0.
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ABC
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A
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6x-5y-28=0
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(2)证明:直线CD过定点.
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本节内容到此结束!
1.点与椭圆的位置关系
点P(x0,y0)与椭圆+=1(a>b>0)的位置关系:
点P在椭圆上⇔_____=1;
点P在椭圆内部⇔_____<1;
点P在椭圆外部⇔_____>1.
+
+
+
2.直线与椭圆的位置关系
直线y=kx+m与椭圆+=1(a>b>0)的位置关系:
联立消去y得一个关于x的一元二次方程.
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)点P(2,1)在椭圆+=1的内部.( )
(2)过椭圆外一点一定能作两条直线与已知椭圆相切.( )
(3)过点A(0,1)的直线一定与椭圆x2+=1相交.( )
(4)长轴是椭圆中最长的弦.( )
2.直线y=kx-k+1与椭圆+=1的位置关系为( )
A.相切 B.相交
C.相离 D.不确定
3.直线x+2y=m与椭圆+y2=1只有一个交点,则m的值为( )
A.2 B.±
C.±2 D.±2
4.若点A(a,1)在椭圆+=1的内部,则a的取值范围是___________.
(-,)
例1 已知直线l:y=2x+m,椭圆C:+=1.试问当m取何值时,直线l与椭圆C:
(1)有两个公共点;
[思路探究] →→→
解:直线l的方程与椭圆C的方程联立,得方程组消去y,
1.若直线y=kx+1(k∈R)与椭圆+=1恒有公共点,求实数m的取值范围.
解:因为y=kx+1(k∈R)恒过点(0,1),则点(0,1)在椭圆+=1内或椭圆上时,直线与椭圆恒有公共点,所以≤1,即m≥1.
当m=5时,+=1不是椭圆,它是以原点为圆心,半径为的圆.
因此,m的取值范围为[1,5)∪(5,+∞).
由两式作差得
+=0,即kl=-.
+
于是x1+x2=.
又M为AB的中点,
∴==2,
解得k=-.
故所求直线的方程为x+2y-4=0.
则x+4y=16,x+4y=16.
两式相减得(x-x)+4(y-y)=0.
于是(x1+x2)(x1-x2)+4(y1+y2)(y1-y2)=0.
∴=-=-,
即kAB=-.
由得x2-4x=0,
∴x1+x2=4,x1x2=0,
∴|AB|=•
=•=2.
由+=1和+=1,
得=-,
∴k==.
又x+2y-4=0的斜率为-,
∴=.
所以椭圆的离心率为
e====.
则
∴=-,
从而kl==.
又kl=kPM=,
∴=.
整理得x2+4y2-2x-4y=0.
故轨迹方程为x2+4y2-2x-4y=0.(椭圆内的部分)
2.弦长公式
设直线与椭圆交于A(x1,y1),B(x2,y2)两点,则有
|AB|=
=
=•
=
=•(k为直线斜率).
提醒:如果直线方程涉及斜率,要注意斜率不存在的情况.
例3 椭圆E:+=1(a>b>0)经过点A(-2,0),且离心率为.
(1)求椭圆E的方程;
解:(1)由条件可知,椭圆的焦点在x轴上,且a=2,又e==,得c=.
由a2-b2=c2得b2=a2-c2=2.
∴所求椭圆的方程为+=1.
由,得(2k2+1)x2-16k2x+32k2-4=0.
因为直线l与椭圆C有两个交点,所以Δ>0.即(16k2)2-4(2k2+1)(32k2-4)>0,解得k2<.
设M(x1,y1),N(x2,y2),则x1+x2=,x1x2=,
+
2.椭圆的两个焦点坐标分别为F1(-,0)和F2(,0),且椭圆过点.
(1)求椭圆方程;
解:(1)由题意设椭圆方程+=1(a>b>0),
由c=,a2=b2+c2,
代入方程+=1,
又∵椭圆过点,
得+=1,
解得b2=1,∴a2=4.
椭圆的方程为+y2=1.
(2)过点作不与y轴垂直的直线l交该椭圆于M,N两点,A为椭圆的左顶点,试判断∠MAN的大小是否为定值,并说明理由.
解:(2)设直线MN的方程为x=ky-,
联立直线MN和椭圆的方程可得
得(k2+4)y2-ky-=0,
设M(x1,y1),N(x2,y2),A(-2,0),
y1y2=-,y1+y2=,
则•=(x1+2,y1)•(x2+2,y2)
=(k2+1)y1y2+k(y1+y2)+=0,
即可得∠MAN=.
∴∠MAN的大小是定值.
利用kAB==-•=-•,转化为中点(x0,y0)与直线AB的斜率之间的关系,这是处理弦中点轨迹问题的常用方法.
1.若点P(a,1)在椭圆+=1的外部,则a的取值范围为( )
A. B.∪
C. D.
2.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A1,A2,且以线段A1A2为直径的圆与直线bx-ay+2ab=0相切,则C的离心率为( )
A. B.
C. D.
3.设椭圆+=1的左、右焦点分别为F1,F2,过焦点F1的直线交椭圆于M,N两点,若△MNF2的内切圆的面积为π,则S△MNF2= .
4.椭圆x2+4y2=16被直线y=x+1截得的弦长为_____.
5.已知椭圆的左、右焦点分别为,,为上一点,且,.
(1)求,的坐标;
解:(1)∵,∴,
∴,,故,的坐标分别为,;
(2)若直线与交于,两点,且弦的中点为,求直线的斜率.
解:(2)设,两点的坐标分别为,,,,
则,
两式相减得.
∵弦的中点在椭圆内,∴,
∴直线的斜率.
1.若直线y=x+2与椭圆+=1有两个公共点,则m的取值范围是( )
[由消去y,整理得(3+m)x2+4mx+m=0.
若直线与椭圆有两个公共点,
则
解得
由+=1表示椭圆,知m>0且m≠3.
综上可知,m>1且m≠3,故选B.]
2.过椭圆x2+2y2=4的左焦点作倾斜角为的弦AB,则弦AB的长为( )
A. B. C. D.
[易求得直线AB的方程为y=(x+).
由消去y并整理,得7x2+12x+8=0.设A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=-,x1x2=.
由弦长公式,
得|AB|=•|x1-x2|=•=.]
3.在椭圆+=1内,过点M(1,1)且被该点平分的弦所在的直线方程为
[设弦的两个端点的坐标分别是(x1,y1),(x2,y2),则有+=1,+=1,两式相减,又x1+x2=y1+y2=2,
因此+=0,即=-,所求直线的斜率是-,
弦所在的直线方程是y-1=-(x-1),即9x+16y-25=0,故选C.]
4.设F1,F2是椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点,P为直线x=上一点,△F2PF1是底角为30°的等腰三角形,则E的离心率为( )
A. B.
C. D.
[如图所示,△F2PF1是底角为30°的等腰三角形,则有|F1F2|=|PF2|,
∠PF1F2=∠F2PF1=30°,
所以∠PF2A=60°,∠F2PA=30°,
所以|PF2|=2|AF2|=2=3a-2c.
又因为|F1F2|=2c,所以,2c=3a-2c,所以e==.]
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
[由已知可设|F2B|=n,则|AF2|=2n,|BF1|=|AB|=3n,由椭圆的定义有2a=|BF1|+|BF2|=4n,∴|AF1|=2a-|AF2|=2n.在△AF1F2和△BF1F2中,由余弦定理得
又∠AF2F1,∠BF2F1互补,∴cos∠AF2F1+cos∠BF2F1=0,两式消去cos∠AF2F1,cos∠BF2F1,得3n2+6=11n2,解得n=.∴2a=4n=2,∴a=,∴b2=a2-c2=3-1=2,∴所求椭圆方程为+=1,故选B.]
二、填空题
6.过椭圆+=1的右焦点F作一条斜率为2的直线与椭圆交于A,B两点,O为坐标原点,则△OAB的面积为 .
[由已知可得直线方程为y=2x-2,联立方程组
解得A(0,-2),B,
∴S△AOB=•|OF|•|yA-yB|=.]
7.设F1,F2分别为椭圆C:+=1的左、右两个焦点,过F1作斜率为1的直线,交C于A,B两点,则|AF2|+|BF2|= .
[由+=1知,焦点F1(-1,0),所以直线l:y=x+1,代入+=1得3x2+4(x+1)2=12,即7x2+8x-8=0,设A(x1,y1),B(x2,y2),
∴x1+x2=-,x1x2=-,故|AB|=|x1-x2|=•=.
由定义有,|AF2|+|BF2|+|AB|=4a,
所以|AF2|+|BF2|=4×2-=.]
8.椭圆C:+y2=1的左、右顶点分别为A1,A2,点P在C上且直线PA1斜率的取值范围是[1,2],那么直线PA2斜率的取值范围是 .
[由椭圆C:+y2=1的方程可得a2=2,b2=1,由椭圆的性质可知:kPA1•kPA2=-,∴kPA2=,∵kPA1∈[1,2],则kPA2∈.]
三、解答题
9.设直线y=x+b与椭圆+y2=1相交于A,B两个不同的点.
(1)求实数b的取值范围;
解:(1)将y=x+b代入+y2=1,
消去y并整理,得3x2+4bx+2b2-2=0.①
因为直线y=x+b与椭圆+y2=1相交于A,B两个不同的点,
所以Δ=16b2-12(2b2-2)=24-8b2>0,
解得-<b<.
所以b的取值范围为(-,).
解得x1=0,x2=-.
所以y1=1,y2=-.
所以|AB|==.
10.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的一个顶点为A(2,0),离心率为,直线y=k(x-1)与椭圆C交于不同的两点M,N.
(1)求椭圆C的方程;
解:(1)由题意得
解得c=,b=,
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)当△AMN的面积为时,求实数k的值.
解:(2)由
得(1+2k2)x2-4k2x+2k2-4=0,
设点M,N的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),则
y1=k(x1-1),y2=k(x2-1),
x1+x2=,x1x2=,
所以|MN|=|x1-x2|
=
=,
又因为点A(2,0)到直线y=k(x-1)的距离d=,
所以△AMN的面积为
S=|MN|•d=,
由=,
化简得7k4-2k2-5=0,
解得k=±1.
11.(多选)设椭圆+=1(a>b>0)的离心率为e=,右焦点为F(c,0),方程ax2+bx-c=0的两个实根分别为x1和x2,则点P(x1,x2)( )
A.必在圆x2+y2=1外
B.必在圆x2+y2=上
C.必在圆x2+y2=2内
D.必在圆x2+y2=上
[e=⇒=⇒c=,=⇒=⇒=⇒b=a.
∴ax2+bx-c=0⇒ax2+ax-=0⇒x2+x-=0,
∴x1+x2=-,x1x2=-,
∴x+x=(x1+x2)2-2x1x2=+1=.
∵1<<2,
∴点P在圆x2+y2=1外,在x2+y2=上,在x2+y2=2内,故应选ABC.]
12.已知椭圆C的方程为+=1(a>b>0),焦距为2c,直线l:y=x与椭圆C相交于A,B两点,若|AB|=2c,则椭圆C的离心率为( )
A. B.
C. D.
[设直线与椭圆在第一象限内的交点为A(x,y),则y=x,
由|AB|=2c,可知|OA|==c,即=c,解得x=c,所以A,把点A代入椭圆方程得到+=1,
整理得8e4-18e2+9=0,即(4e2-3)•(2e2-3)=0,因0<e<1,所以可得e=.]
13.已知椭圆+=1(a>b>0)的一个顶点为B(0,4),离心率e=,则椭圆方程为 ,若直线l交椭圆于M,N两点,且△BMN的重心恰好为椭圆的右焦点F,则直线l方程为 .
+=1
[由题意得b=4,又e2===1-=,解得a2=20.
∴椭圆的方程为+=1.∴椭圆右焦点F的坐标为(2,0),
设线段MN的中点为Q(x0,y0),
由三角形重心的性质知=2,从而(2,-4)=2(x0-2,y0),
解得x0=3,y0=-2,所以点Q的坐标为(3,-2).
设M(x1,y1),N(x2,y2),则x1+x2=6,y1+y2=-4,且+=1,+=1,
以上两式相减得+=0,
∴kMN==-•=-×=,
故直线的方程为y+2=(x-3),即6x-5y-28=0.]
14.已知F1,F2是椭圆的两个焦点,满足•=0的点M总在椭圆内部,则椭圆离心率的取值范围是 .
[∵⊥,∴点M在以F1F2为直径的圆上,又点M在椭圆内部,∴c<b,∴c2<b2=a2-c2,即2c2<a2,∴<,即<.又e>0,∴0<e<.]
15.已知A,B分别为椭圆E:+y2=1(a>1)的左、右顶点,G为E的上顶点,•=8.P为直线x=6上的动点,PA与E的另一交点为C,PB与E的另一交点为D.
(1)求E的方程;
解:(1)由题设得A(-a,0),B(a,0),G(0,1),则=(a,1),=(a,-1).由•=8得a2-1=8,即a=3.所以E的方程为+y2=1.
解:(2)设C(x1,y1),D(x2,y2),P(6,t).若t≠0,设直线CD的方程为x=my+n,由题意可知-3<n<3,由于直线PA的方程为y=(x+3),所以y1=(x1+3),直线PB的方程为y=(x+3),所以y2=(x2+3),可得3y1(x2-3)=y2(x1+3),由于+y=1,故y=-,可得27y1y2=-(x1+3)(x2+3),即(27+m2)y1y2+m(n+3)(y1+y2)+(n+3)2=0①.将x=my+n代入+y2=1得(m2+9)y2+2mny+n2-9=0. 所以y1+y2=-,y1y2=.代入①式得(27+m2)(n2-9)-2m(n+3)mn+(n+3)2(m2+9)=0.解得n=-3(舍去),n=.故直线CD的方程为x=my+,即直线CD过定点.若t=0,则直线CD的方程为y=0,过点(,0).
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