资源描述
第5讲 椭 圆
[最新考纲]
1.把握椭圆的定义、几何图形、标准方程及简洁几何性质(范围、对称性、顶点、离心率).
2.了解椭圆的简洁应用.
3.理解数形结合的思想.
知 识 梳 理
1.椭圆的定义
在平面内与两定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆.这两定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做椭圆的焦距.
2.椭圆的标准方程和几何性质
标准方程
+=1(a>b>0)
+=1
(a>b>0)
图 形
性质
范 围
-a≤x≤a
-b≤y≤b
-b≤x≤b
-a≤y≤a
对称性
对称轴:坐标轴;对称中心:原点
顶点
A1(-a,0),A2(a,0)
B1(0,-b),B2(0,b)
A1(0,-a),A2(0,a)
B1(-b,0),B2(b,0)
轴
长轴A1A2的长为2a;短轴B1B2的长为2b
焦距
|F1F2|=2c
离心率
e=∈(0,1)
a,b,c
的关系
c2=a2-b2
辨 析 感 悟
1.对椭圆定义的生疏
(1)平面内与两个定点F1,F2的距离之和等于常数的点的轨迹是椭圆.(×)
(2)动点P到两定点A(0,-2),B(0,2)的距离之和为4,则点P的轨迹是椭圆.(×)
2.对椭圆的几何性质的理解
(3)椭圆的离心率e越大,椭圆就越圆.(×)
(4)椭圆既是轴对称图形,又是中心对称图形.(√)
(5)(教材习题改编)椭圆+=1的离心率为. (√)
3.椭圆的方程
(6)若椭圆+=1的焦点坐标是F1(-,0),F2(,0),则k=2(√)
(7)(教材改编)已知中心在原点的椭圆C的右焦点为F(1,0),离心率等于,则C的方程是+=1(×)
[感悟·提升]
1.一点提示 椭圆定义中的常数必需大于|F1F2|,如(1)、(2).
2.两个防范 一是留意椭圆的离心率反映了椭圆的扁平程度,离心率越大,椭圆就越扁;离心率越小,椭圆就越圆,如(3);
二是留意椭圆方程的焦点位置是在x轴上还是y轴上,当a>b>0时,方程+=1的焦点在x轴上;当b>a>0时,方程+=1的焦点在y轴上,如(7).
考点一 椭圆定义及标准方程
【例1】 (1)设F1,F2分别是椭圆+=1的左、右焦点,P为椭 圆上一点,M是F1P的中点,|OM|=3,则P点到椭圆左焦点的 距离为 ( ).
A.4 B.3 C.2 D.5
(2)求过点(,-),且与椭圆+=1有相同焦点的椭圆的标准方程.
(1)解析 由题意知,在△PF1F2中,|OM|=|PF2|=3,
∴|PF2|=6,∴|PF1|=2a-|PF2|=10-6=4.
答案 A
(2)解 法一 椭圆+=1的焦点为(0,-4),(0,4),即c=4.由椭圆的定义知,
2a=+,
解得a=2.由c2=a2-b2可得b2=4.
所以所求椭圆的标准方程为+=1.
法二 由于所求椭圆与椭圆+=1的焦点相同,所以其焦点在y轴上,且c2=25-9=16.
设它的标准方程为+=1(a>b>0).
由于c2=16,且c2=a2-b2,故a2-b2=16.①
又点(,-)在所求椭圆上,
所以+=1,即+=1.②
由①②得b2=4,a2=20,
所以所求椭圆的标准方程为+=1.
规律方法 (1)一般地,解决与到焦点的距离有关问题时,首先应考虑用定义来解决.
(2)求椭圆的标准方程有两种方法
①定义法:依据椭圆的定义,确定a2,b2的值,结合焦点位置可写出椭圆方程.
②待定系数法:若焦点位置明确,则可设出椭圆的标准方程,结合已知条件求出a,b;若焦点位置不明确,则需要分焦点在x轴上和y轴上两种状况争辩,也可设椭圆的方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B).
【训练1】 在平面直角坐标系xOy中,椭圆C的中心为原点,焦点F1,F2在x轴上,离心率为.过F1的直线l交C于A,B两点,且△ABF2的周长为16,那么椭圆C的方程为______.
解析 设椭圆方程为+=1(a>b>0),由e=知=,故=.
由于△ABF2的周长为|AB|+|BF2|+|AF2|=(|AF1|+|AF2|)+(|BF1|+|BF2|)=4a=16,故a=4.∴b2=8.
∴椭圆C的方程为+=1.
答案 +=1
考点二 椭圆的几何性质
【例2】 已知F1、F2是椭圆的两个焦点,P为椭圆上一点,∠F1PF2=60°.
(1)求椭圆离心率的范围;
(2)求证:△F1PF2的面积只与椭圆的短轴长有关.
(1)解 法一 设椭圆方程为+=1(a>b>0),
|PF1|=m,|PF2|=n,则m+n=2a.
在△PF1F2中,由余弦定理可知,
4c2=m2+n2-2mncos 60°=(m+n)2-3mn
=4a2-3mn≥4a2-3·2=4a2-3a2=a2(当且仅当m=n时取等号).∴≥,即e≥.
又0<e<1,∴e的取值范围是.
法二 如图所示,设O是椭圆的中心,A是椭圆短轴上的一个顶点,由于∠F1PF2=60°,则只需满足60°≤∠F1AF2即可,
又△F1AF2是等腰三角形,且|AF1|=|AF2|,所以0°<∠F1F2A≤60°,
所以≤cos∠F1F2A<1,
又e=cos∠F1F2A,所以e的取值范围是.
(2)证明 由(1)知mn=b2,
∴S△PF1F2=mnsin 60°=b2,
即△PF1F2的面积只与短轴长有关.
规律方法 (1)椭圆上一点与两焦点构成的三角形,称为椭圆的焦点三角形,与焦点三角形有关的计算或证明常利用正弦定理、余弦定理、|PF1|+|PF2|=2a,得到a,c的关系.
(2)椭圆的离心率是椭圆最重要的几何性质,求椭圆的离心率(或离心率的取值范围),常见有两种方法:
①求出a,c,代入公式e=;
②只需要依据一个条件得到关于a,b,c的齐次式,结合b2=a2-c2转化为a,c的齐次式,然后等式(不等式)两边分别除以a或a2转化为关于e的方程(不等式),解方程(不等式)即可得e(e的取值范围).
【训练2】 (1)(2021·四川卷)从椭圆+=1(a>b>0)上一点P向x轴作垂线,垂足恰为左焦点F1,A是椭圆与x轴正半轴的交点,B是椭圆与y轴正半轴的交点,且AB∥OP(O是坐标原点),则该椭圆的离心率是 ( ).
A. B. C. D.
(2)(2022·安徽卷改编)如图,F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,
A是椭圆C的顶点,B是直线AF2与椭圆C的另一个交点,∠F1AF2=60°.且△AF1B的面积为40,
则a=________,b=________.
解析 (1)左焦点为F1(-c,0),PF1⊥x轴,
当x=-c时,+=1⇒y=b2=⇒yP=(负值不合题意,已舍去),点P,
由斜率公式得kAB=-,kOP=-.
∵AB∥OP,∴kAB=kOP⇒-=-⇒b=c.
∵a2=b2+c2=2c2,
∴=⇒e==.
(2)法一 a2=4c2,b2=3c2,直线AB的方程为y=-(x-c),
将其代入椭圆方程3x2+4y2=12c2,得B,
所以|AB|=·=c.
由S△AF1B=|AF1|·|AB|·sin∠F1AB=a·c·=a2=40,解得a=10,b=5.
法二 设|AB|=t(t>0).
由于|AF2|=a,所以|BF2|=t-a.
由椭圆定义|BF1|+|BF2|=2a可知,|BF1|=3a-t,
再由余弦定理(3a-t)2=a2+t2-2atcos 60°可得,t=a.
由S△AF1B=a·a·=a2=40知,
a=10,b=5.
答案 (1)C (2)10 5
考点三 直线与椭圆的位置关系
【例3】 (2021·陕西卷)已知动点M(x,y)到直线l:x=4的距离是它到点N(1,0)的距离的2倍.
(1)求动点M的轨迹C的方程;
(2)过点P(0,3)的直线m与轨迹C交于A,B两点.若A是PB的中点,求直线m的斜率.
审题路线 (1)依据题意列出等式⇒坐标化⇒整理可得动点M的轨迹方程.
(2)设直线m的方程,交点A,B的坐标
法一:把直线与点M的轨迹方程联立,消y⇒由Δ>0得k的范围⇒由方程得根与系数的关系式⇒再结合A是PB的中点即x2=2x1⇒解得k的值;
法二:由A是PB的中点得出A,B两点坐标间的关系⇒又点A,B在点M的轨迹上⇒联立方程组解得A或B点坐标⇒依据斜率公式求k.
解 (1)设M到直线l的距离为d,依据题意,d=2|MN|.
由此得|4-x|=2,
化简得+=1,
所以,动点M的轨迹方程为
+=1.
(2)法一 由题意,设直线m的方程为y=kx+3,A(x1,y1),B(x2,y2).
将y=kx+3代入+=1中,有(3+4k2)x2+24kx+24=0,
其中,Δ=(24k)2-4×24(3+4k2)=96(2k2-3)>0,
解得k2>.
由根与系数的关系得,x1+x2=-, ①
x1x2=. ②
又因A是PB的中点,故x2=2x1, ③
将③代入①,②,得x1=-,x=,
可得2=,且k2>,
解得k=-或k=,
所以,直线m的斜率为-或.
法二 由题意,设直线m的方程为y=kx+3,A(x1,y1),
B(x2,y2).
∵A是PB的中点,
∴x1=, ①
y1=. ②
又+=1, ③
+=1, ④
联立①,②,③,④解得或
即点B的坐标为(2,0)或(-2,0),
所以,直线m的斜率为-或.
规律方法 (1)解答直线与椭圆的题目时,时常把两个曲线的方程联立,消去x(或y)建立一元二次方程,然后借助根与系数的关系,并结合题设条件建立有关参变量的等量关系.
(2)涉及到直线方程的设法时,务必考虑全面,不要忽视直线斜率为0或不存在等特殊情形.
【训练3】 (2022·山东省试验中学诊断)设F1,F2分别是椭圆:+=1(a>b>0)的左、右焦点,过F1倾斜角为45°的直线l与该椭圆相交于P,Q两点,且|PQ|=a.
(1)求该椭圆的离心率;
(2)设点M(0,-1)满足|MP|=|MQ|,求该椭圆的方程.
解 (1)直线PQ斜率为1,设直线l的方程为y=x+c,其中c=,
设P(x1,y1),Q(x2,y2),则P,Q两点坐标满足方程组
化简得(a2+b2)x2+2a2cx+a2(c2-b2)=0,
则x1+x2=,x1x2=.
所以|PQ|=|x2-x1|==a,
化简,得a=,故a2=2b2,
所以椭圆的离心率e===.
(2)设PQ的中点为N(x0,y0),
由(1)知x0===-c,
y0=x0+c=.
由|MP|=|MQ|,得kMN=-1,
即=-1,得c=3,从而a=3,b=3.
故椭圆的方程为+=1.
1.椭圆的定义揭示了椭圆的本质属性,正确理解把握定义是关键,应留意定义中的常数大于|F1F2|,避开了动点轨迹是线段或不存在的状况.
2.求椭圆方程的方法,除了直接依据定义外,常用待定系数法.当椭圆的焦点位置不明确而无法确定其标准方程时,设方程为+=1(m>0,n>0)可以避开争辩和繁琐的计算,也可以设为Ax2+By2=1(A>0,B>0),这种形式在解题中更简便.
3.椭圆的标准方程有两种形式,在解题时要防止遗漏,深刻理解椭圆中的几何量a,b,c,e之间的关系及每个量的本质含义,并能娴熟地应用于解题.若已知焦点位置,则标准方程唯一;若无法确定焦点位置,则应考虑两种形式.
答题模板11——直线与椭圆的综合问题
【典例】 (13分)(2021·天津卷)设椭圆+=1(a>b>0)的左焦点为F,离心率为,过点F且与x轴垂直的直线被椭圆截得的线段长为.
(1)求椭圆的方程;
(2)设A,B分别为椭圆的左、右顶点,过点F且斜率为k的直线 与椭圆交于C,D两点.若·+·=8,求k的值.
[规范解答] (1)设F(-c,0),由=,知a=c.过点F且与x轴垂直的直线为x=-c,
代入椭圆方程+=1,解得y=±b, (2分)
于是b= ,解得b=, (3分)
又a2-c2=b2,从而可得a=,c=1, (4分)
所以椭圆的方程为+=1. (5分)
(2)设点C(x1,y1),D(x2,y2),
由F(-1,0)得直线CD的方程为y=k(x+1), (6分)
由方程组消去y,
整理得(2+3k2)x2+6k2x+3k2-6=0. (8分)
由于直线过椭圆内的点,无论k为何值,直线和椭圆总相交.
由根与系数的关系可得
则x1+x2=-,x1x2=, (9分)
由于A(-,0),B(,0),所以
·+·=(x1+,y1)·(-x2,-y2)+(x2+,y2)·(-x1,-y1)
=6-2x1x2-2y1y2=6-2x1x2-2k2(x1+1)(x2+1)
=6-(2+2k2)x1x2-2k2(x1+x2)-2k2
=6+. (12分)
由已知得6+=8,
解得k=±. (13分)
[反思感悟] 解决直线与椭圆的综合问题时,要留意:
(1)留意观看应用题设中的每一个条件,明确确定直线、椭圆的条件;
(2)强化有关直线与椭圆联立得出一元二次方程后的运算力量,重视根与系数之间的关系、弦长、斜率、三角形的面积等问题.
答题模板 直线与椭圆联立问题
第一步:设直线方程:有的题设条件已知点,而斜率未知;有的题设条件已知斜率,点不定,都可由点斜式设出直线方程.
其次步:联立方程:把所设直线方程与椭圆方程联立,消去一个元,得到一个一元二次方程.
第三步:求解判别式Δ:计算一元二次方程根的判别式Δ>0.
第四步:写出根之间的关系,由根与系数的关系可写出.
第五步:依据题设条件求解问题中的结论.
【自主体验】
已知椭圆C1:+y2=1,椭圆C2以C1的长轴为短轴,且与C1有相同的离心率.
(1)求椭圆C2的方程;
(2)设O为坐标原点,点A,B分别在椭圆C1和C2上,=2,求直线AB的方程.
解 (1)由已知可设椭圆C2的方程为+=1(a>2).
其离心率为,故=,解得a=4.
故椭圆C2的方程为+=1.
(2)A,B两点的坐标分别记为(xA,yA),(xB,yB),
由=2及(1)知,O,A,B三点共线且点A,B不在y轴上,因此可设直线AB的方程为y=kx.
将y=kx代入+y2=1中,得(1+4k2)x2=4,
所以x=.
将y=kx代入+=1中,得(4+k2)x2=16,
所以x=.又由=2 ,得x=4x,即=,解得k=±1.故直线AB的方程为y=x或y=-x.
基础巩固题组
(建议用时:40分钟)
一、选择题
1.已知△ABC的顶点B,C在椭圆+y2=1上,顶点A是椭圆的一个焦点,且椭圆的另外一个焦点在BC边上,则△ABC的周长是( ).
A.2 B.6 C.4 D.12
解析 由椭圆的定义知:|BA|+|BF|=|CA|+|CF|=2a(F是椭圆的另外一个焦点),∴周长为4a=4.
答案 C
2.(2022·广州模拟)椭圆+=1的离心率为,则k的值为( ).
A.-21 B.21 C.-或21 D.或21
解析 若a2=9,b2=4+k,则c=,
由=,即=,解得k=-;
若a2=4+k,b2=9,则c=,
由=,即=,解得k=21.
答案 C
3.(2022·韶关模拟)已知椭圆+=1,长轴在y轴上.若焦距为4,则m等于( ).
A.4 B.5 C.7 D.8
解析 将椭圆的方程转化为标准形式为+=1,
明显m-2>10-m,即m>6,且()2-()2=22,解得m=8.
答案 D
4.(2022·烟台质检)一个椭圆中心在原点,焦点F1,F2在x轴上,P(2,)是椭圆上一点,且|PF1|,|F1F2|,|PF2|成等差数列,则椭圆方程为( ).
A.+=1 B.+=1 C.+=1 D.+=1
解析 设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).由点(2,)在椭圆上知+=1.
又|PF1|,|F1F2|,|PF2|成等差数列,
则|PF1|+|PF2|=2|F1F2|,
即2a=2·2c,=,
又c2=a2-b2,联立解得a2=8,b2=6.
答案 A
5.(2021·辽宁卷)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左焦点为F,C与过原点的直线相交于A,B两点,连接AF,BF.若|AB|=10,|BF|=8,cos∠ABF=,则C的离心率为( ).
A. B. C. D.
解析 如图,设|AF|=x,则cos∠ABF==.
解得x=6,∴∠AFB=90°,由椭圆及直线关于原点对称可知|AF1|=8,∠FAF1=∠FAB+∠FBA=90°,
△FAF1是直角三角形,所以|F1F|=10,故2a=8+6=14,2c=10,∴=.
答案 B
二、填空题
6.(2022·青岛模拟)设椭圆+=1(m>0,n>0)的右焦点与抛物线y2=8x的焦点相同,离心率为,则此椭圆的方程为________.
解析 抛物线y2=8x的焦点为(2,0),∴m2-n2=4①,e==,∴m=4,代入①得,n2=12,∴椭圆方程为+=1.
答案 +=1
7.已知F1,F2是椭圆C:+=1(a>b>0)的两个焦点,P为椭圆C上的一点,且⊥.若△PF1F2的面积为9,则b=________.
解析 由题意知|PF1|+|PF2|=2a,⊥,
∴|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=4c2,
∴(|PF1|+|PF2|)2-2|PF1|·|PF2|=4c2,
∴2|PF1|·|PF2|=4a2-4c2=4b2.
∴|PF1|·|PF2|=2b2,
∴S△PF1F2=|PF1|·|PF2|=×2b2=b2=9.
∴b=3.
答案 3
8.(2021·福建卷)椭圆Γ:+=1(a>b>0)的左,右焦点分别为F1,F2,焦距为2c.若直线y=(x+c)与椭圆Γ的一个交点M满足∠MF1F2=2∠MF2F1,则该椭圆的离心率等于________.
解析 由于直线y=(x+c)过椭圆左焦点,且斜率为,所以∠MF1F2=60°,∠MF2F1=30°,∠F1MF2=90°,
故|MF1|=c,|MF2|=c
由点M在椭圆上知,c+c=2a.
故离心率e===-1.
答案 -1
三、解答题
9.已知椭圆的两焦点为F1(-1,0),F2(1,0),P为椭圆上一点,且2|F1F2|=|PF1|+|PF2|.
(1)求此椭圆的方程;
(2)若点P在其次象限,∠F2F1P=120°,求△PF1F2的面积.
解 (1)依题意得|F1F2|=2,
又2|F1F2|=|PF1|+|PF2|,
∴|PF1|+|PF2|=4=2a.∴a=2,c=1,b2=3.
∴所求椭圆的方程为+=1.
(2)设P点坐标为(x,y),
∵∠F2F1P=120°,
∴PF1所在直线的方程为y=(x+1)·tan 120°,
即y=-(x+1).
解方程组
并留意到x<0,y>0,可得
∴S△PF1F2=|F1F2|·=.
10.(2022·绍兴模拟)
如图,椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1(-c,0),F2(c,0).已知点M在椭圆上,
且点M到两焦点距离之和为4.
(1)求椭圆的方程;
(2)设与MO(O为坐标原点)垂直的直线交椭圆于A,B(A,B不重合),求·的取值范围.
解 (1)∵2a=4,∴a=2,
又M在椭圆上,
∴+=1,解得b2=2,
∴所求椭圆方程+=1.
(2)由题意知kMO=,∴kAB=-.
设直线AB的方程为y=-x+m,
联立方程组
消去y,得13x2-4mx+2m2-4=0,
Δ=(-4m)2-4×13×(2m2-4)=8(12m2-13m2+26)>0,
∴m2<26,设A(x1,y1),B(x2,y2),
由根与系数的关系得x1+x2=,x1x2=,
则·=x1x2+y1y2=7x1x2-m(x1+x2)+m2=∈.
∴·的取值范围是.
力量提升题组
(建议用时:25分钟)
一、选择题
1.(2022·潍坊模拟)已知椭圆:+=1(0<b<2),左、右焦点分别为F1,F2,过F1的直线l交椭圆于A,B两点,若|BF2|+|AF2|的最大值为5,则b的值是( ).
A.1 B.
C. D.
解析 由题意知a=2,所以|BF2|+|AF2|+|AB|=4a=8,由于|BF2|+|AF2|的最大值为5,所以|AB|的最小值为3,当且仅当AB⊥x轴时,取得最小值,此时A,B,代入椭圆方程得+=1,又c2=a2-b2=4-b2,所以+=1,即1-+=1,所以=,解得b2=3,所以b=.
答案 D
2.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.
解析 令c=.如图,据题意,|F2P|=|F1F2|,∠F1PF2=30°,∴∠F1F2P=120°,
∴∠PF2x=60°,
∴|F2P|=2=3a-2c.
∵|F1F2|=2c,∴3a-2c=2c,
∴3a=4c,∴=,
即椭圆的离心率为.
答案 C
二、填空题
3.(2022·陕西五校联考)椭圆+=1(a为定值,且a>)的左焦点为F,直线x=m与椭圆相交于点A,B.若△FAB的周长的最大值是12,则该椭圆的离心率是________.
解析 设椭圆的右焦点为F′,如图,由椭圆定义知,|AF|+|AF′|=|BF|+|BF′|=2a.
又△FAB的周长为|AF|+|BF|+|AB|≤|AF|+|BF|+|AF′|+|BF′|=4a,
当且仅当AB过右焦点F′时等号成立.
此时4a=12,则a=3.
故椭圆方程为+=1,所以c=2,
所以e==.
答案
三、解答题
4.(2022·河南省三市调研)已知圆G:x2+y2-2x-y=0经过椭圆+=1(a>b>0)的右焦点F及上顶点B.过椭圆外一点M(m,0)(m>a)作倾斜角为π的直线l交椭圆于C,D两点.
(1)求椭圆的方程;
(2)若右焦点F在以线段CD为直径的圆E的内部,求m的取值范围.
解 (1)∵圆G:x2+y2-2x-y=0经过点F,B,
∴F(2,0),B(0,),∴c=2,b=,
∴a2=b2+c2=6,椭圆的方程为+=1.
(2)由题意知直线l的方程为y=-(x-m),m>,
由
消去y,得2x2-2mx+(m2-6)=0.
由Δ=4m2-8(m2-6)>0,解得-2<m<2.
∵m>,∴<m<2.设C(x1,y1),D(x2,y2),
则x1+x2=m,x1x2=,
∴y1y2=·=x1x2-(x1+x2)+.
∵=(x1-2,y1).=(x2-2,y2),
∴·=(x1-2)(x2-2)+y1y2=x1x2-(x1+x2)++4=.
∵点F在圆E内部,∴·<0,
即<0,解得0<m<3.
又<m<2,∴<m<3.
故m的取值范围是(,3).
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