资源描述
第5讲 椭 圆
1.椭圆的概念
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.这两个定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做椭圆的焦距.
集合P={M||MF1|+|MF2|=2a},|F1F2|=2c,其中a>0,c>0,且a,c为常数:
(1)若a>c,则集合P为椭圆;
(2)若a=c,则集合P为线段;
(3)若a<c,则集合P为空集.
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:x轴、y轴对称中心:(0,0)
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=,e∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
[做一做]
1.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( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选D.右焦点为F(1,0)说明两层含义:椭圆的焦点在x轴上;c=1.又离心率为=,故a=2,b2=a2-c2=4-1=3,故椭圆的方程为+=1.
2.(2021·浙江省名校联考)已知F1,F2是椭圆+=1的两个焦点,过点F2作x轴的垂线交椭圆于A,B两点,则△F1AB的周长为________.
解析:由已知可得△F1AB的周长为|AF1|+|AF2|+|BF1|+|BF2|=4a=8.
答案:8
1.辨明两个易误点
(1)椭圆的定义中易忽视2a>|F1F2|这一条件,当2a=|F1F2|时,其轨迹为线段F1F2,当2a<|F1F2|时,不存在轨迹.
(2)求椭圆的标准方程时易忽视推断焦点的位置,而直接设方程为+=1(a>b>0).
2.求椭圆标准方程的两种方法
(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).
[做一做]
3.若直线x-2y+2=0经过椭圆的一个焦点和一个顶点,则该椭圆的标准方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+y2=1或+=1 D.以上答案都不对
解析:选C.直线与坐标轴的交点为(0,1),(-2,0),由题意知当焦点在x轴上时,c=2,b=1,
∴a2=5,所求椭圆的标准方程为+y2=1.
当焦点在y轴上时,b=2,c=1,
∴a2=5,所求椭圆标准方程为+=1.故选C.
4.(2021·江苏常州调研)若方程+=1表示椭圆,则k的取值范围是________.
解析:由已知得,解得3<k<5且k≠4.
答案:(3,4)∪(4,5)
__椭圆的定义及标准方程________________
(1)(2021·洛阳市高三班级统考)已知中心在原点的椭圆C的右焦点为F(,0),直线y=x与椭圆的一个交点的横坐标为2,则椭圆方程为( )
A.+y2=1 B.x2+=1
C.+=1 D.+=1
(2)(2022·高考大纲全国卷)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点为F1、F2,离心率为,过F2的直线l交C于A、B两点.若△AF1B的周长为4,则C的方程为( )
A.+=1 B.+y2=1
C.+=1 D.+=1
[解析] (1)依题意,设椭圆方程为+=1(a>b>0),则有,由此解得a2=20,b2=5,因此所求的椭圆方程是+=1.
(2)由e=,得=①.又△AF1B的周长为4,由椭圆定义,得4a=4,得a=,代入①得c=1,
∴b2=a2-c2=2,故C的方程为+=1.
[答案] (1)C (2)A
[规律方法] 用待定系数法求椭圆标准方程的四个步骤:
(1)作推断:依据条件推断椭圆的焦点在x轴上,还是在y轴上,还是两个坐标轴都有可能.
(2)设方程:依据上述推断设出方程.
(3)找关系:依据已知条件,建立关于a,b,c的方程组.
(4)得方程:解方程组,将解代入所设方程,即为所求.
1.(1)已知椭圆的中心在原点,以坐标轴为对称轴,且经过两点P1(,1),P2(-,-),则椭圆的方程为________;
(2)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:(1)设椭圆方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,且m≠n).
∵椭圆经过P1,P2两点,
∴P1,P2点坐标适合椭圆方程,
则
①②两式联立,解得
∴所求椭圆方程为+=1.
(2)设|PF1|=r1,|PF2|=r2,
则
∴2r1r2=(r1+r2)2-(r+r)
=4a2-4c2=4b2,
∵S△PF1F2=r1r2=b2=9,∴b=3.
答案:(1)+=1 (2)3
__椭圆的几何性质(高频考点)____________
椭圆的几何性质是高考的热点,高考中多以小题毁灭,试题难度一般较大,高考对椭圆几何性质的考查主要有以下三个命题角度:
(1)依据椭圆的性质求参数的值或范围;
(2)由性质写椭圆方程;
(3)求离心率的值或范围.
(1)已知椭圆+=1(a>b>0)的一个焦点是圆x2+y2-6x+8=0的圆心,且短轴长为8,则椭圆的左顶点为( )
A.(-3,0) B.(-4,0)
C.(-10,0) D.(-5,0)
(2)椭圆+=1的离心率为,则k的值为( )
A.-21 B.21
C.-或21 D.或21
(3)(2022·高考江西卷)设椭圆C:+=1(a>b>0)的左,右焦点为F1,F2,过F2作x轴的垂线与C相交于A,B两点,F1B与y轴相交于点D,若AD⊥F1B,则椭圆C的离心率等于________.
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椭圆及其几何性质
[解析] (1)∵圆的标准方程为(x-3)2+y2=1,
∴圆心坐标为(3,0),∴c=3.又b=4,
∴a==5.
∵椭圆的焦点在x轴上,
∴椭圆的左顶点为(-5,0).
(2)若a2=9,b2=4+k,则c=,
由=,即=,得k=-;
若a2=4+k,b2=9,则c=,
由=,即=,解得k=21.
(3)直线AB:x=c,代入+=1,得y=±.
∴A,B.
∴kBF1===-.
∴直线BF1:y-0=-(x+c).
令x=0,则y=-,
∴D,∴kAD==.
由于AD⊥BF1,∴-·=-1,
∴3b4=4a2c2,∴b2=2ac,即(a2-c2)=2ac,
∴e2+2e-=0,
∴e==.
∵e>0,∴e===.
[答案] (1)D (2)C (3)
若本例(3)条件变为“过F1,F2的两条相互垂直的直线l1,l2的交点在椭圆的内部”,求离心率的取值范围.
解:作图分析可知以线段F1F2为直径的圆在椭圆的内部(图略),所以c<b,从而c2<b2,即c2<a2-c2,()2<,0<<,故e∈(0,).
[规律方法] (1)求椭圆的离心率问题的一般思路:
求椭圆的离心率或其范围时,一般是依据题设得出一个关于a,b,c的等式(或不等式),利用a2=b2+c2消去b,即可求得离心率或离心率的范围.
(2)利用椭圆几何性质的技巧:
求解与椭圆几何性质有关的问题时,要结合图形进行分析,当涉及顶点、焦点、长轴、短轴等椭圆的基本量时,要理清它们之间的内在联系.
2.(1)已知椭圆的长轴长是8,离心率是,则此椭圆的标准方程是( )
A.+=1 B.+=1或+=1
C.+=1 D.+=1或+=1
(2)设e是椭圆+=1的离心率,且e∈(,1),则实数k的取值范围是( )
A.(0,3) B.(3,)
C.(0,3)∪(,+∞) D.(0,2)
(3)已知椭圆短轴上的两个顶点分别为B1,B2,焦点为F1,F2,若四边形B1F1B2F2是正方形,则这个椭圆的离心率e等于( )
A. B.
C. D.
(4) (2021·安徽合肥质检)如图,焦点在x轴上的椭圆+=1的离心率e=,F,A分别是椭圆的一个焦点和顶点,P是椭圆上任意一点,则·的最大值为________.
解析:(1)∵a=4,e=,∴c=3.
∴b2=a2-c2=16-9=7.
∴椭圆的标准方程是+=1或+=1.
(2)当4>k时,e==∈(,1),即<<1⇒1<4-k<4,即0<k<3;
当4<k时,e==∈(,1),
即<<1⇒<1-<1⇒>>0⇒k>.
(3) 如图所示,由于四边形B1F1B2F2是正方形,则△OB1F2是等腰直角三角形.
法一:由于|OF2|=c,|B1F2|=a,∠OF2B1=45°,所以椭圆的离心率e===cos∠OF2B1=cos 45°=.
法二:由于|OB1|=|OF2|,所以b=c,所以b2=c2,所以a2-b2=a2-c2=c2,所以a2=2c2,所以e==.
(4)设P点坐标为(x0,y0).由题意知a=2,
∵e==,c=1,∴b2=a2-c2=3.
故所求椭圆方程为+=1.
∴-2≤x0≤2,-≤y0≤.
∵F(-1,0),A(2,0),
=(-1-x0,-y0),=(2-x0,-y0),
∴·=x-x0-2+y=x-x0+1=(x0-2)2.
即当x0=-2时,·取得最大值4.
答案:(1)B (2)C (3)A (4)4
__直线与椭圆的位置关系________________
(2022·高考陕西卷) 已知椭圆+=1(a>b>0)经过点(0,),离心率为,左,右焦点分别为F1(-c,0),F2(c,0).
(1)求椭圆的方程;
(2)若直线l:y=-x+m与椭圆交于A,B两点,与以F1F2为直径的圆交于C,D两点,且满足=,求直线l的方程.
[解] (1)由题设知解得
∴椭圆的方程为+=1.
(2)由题设,以F1F2为直径的圆的方程为x2+y2=1,
∴圆心到直线l的距离d=,
由d<1,得|m|<.(*)
∴|CD|=2=2= .
设A(x1,y1),B(x2,y2),
由,得x2-mx+m2-3=0,
由根与系数的关系可得x1+x2=m,x1x2=m2-3.
∴|AB|=
= .
由=,得 =1,解得m=±,满足(*).
∴直线l的方程为y=-x+或y=-x-.
[规律方法] (1)直线与椭圆位置关系推断的步骤:
①联立直线方程与椭圆方程;
②消元得出关于x(或y)的一元二次方程;
③当Δ>0时,直线与椭圆相交;当Δ=0时,直线与椭圆相切;当Δ<0时,直线与椭圆相离.
(2)直线被椭圆截得的弦长公式
设直线与椭圆的交点为A(x1,y1)、B(x2,y2),则
|AB|=
=(k为直线斜率).
3. 如图,点F1(-c,0),F2(c,0)分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左,右焦点,过点F1作x轴的垂线交椭圆C的上半部分于点P,过点F2作直线PF2的垂线交直线x=于点Q.
(1)假如点Q的坐标是(4,4),求此时椭圆C的方程;
(2)证明:直线PQ与椭圆C只有一个交点.
解:(1)法一:由条件知,P,故直线PF2的斜率为kPF2==-.
由于PF2⊥F2Q,
所以直线F2Q的方程为y=x-,
故Q.
由题设知,=4,2a=4,
解得a=2,c=1.
故椭圆C的方程为+=1.
法二:设直线x=与x轴交于点M.
由条件知,P.
由于△PF1F2∽△F2MQ,
所以=,
即=,解得|MQ|=2a.
所以解得
故椭圆C的方程为+=1.
(2)证明:直线PQ的方程为=,
即y=x+a.
将上式代入+=1,得x2+2cx+c2=0,
解得x=-c,y=.
所以直线PQ与椭圆C只有一个交点.
方法思想——数形结合思想在椭圆求值中的应用
(2022·高考辽宁卷)已知椭圆C:+=1,点M与C的焦点不重合.若M关于C的焦点的对称点分别为A,B,线段MN的中点在C上,则|AN|+|BN|=________.
[解析] 椭圆+=1中,a=3.
如图,设MN的中点为D,则|DF1|+|DF2|=2a=6.
∵D,F1,F2分别为MN,AM,BM的中点,
∴|BN|=2|DF2|,|AN|=2|DF1|,
∴|AN|+|BN|=2(|DF1|+|DF2|)=12.
[答案] 12
[名师点评] (1)本题利用了数形结合的思想,把DF1和DF2分别看作△MAN和△MNB的中位线,再结合椭圆定义即可求解.(2)在求解有关圆锥曲线焦点问题时,结合图形,留意动点到两焦点距离的转化.
1. (2021·北京东城区统一检测)如图,已知抛物线y2=2px(p>0)的焦点恰好是椭圆+=1(a>b>0)的右焦点F,且这两条曲线交点的连线过点F,则该椭圆的离心率为________.
解析:如图,设F′为椭圆的左焦点,椭圆与抛物线在x轴上方的交点为A,连接AF′,所以|FF′|=2c=p,由于|AF|=p,所以|AF′|=p.由于|AF′|+|AF|=2a,所以2a=p+p,所以e==-1.
答案:-1
2.设F1,F2分别是椭圆+=1的左、右焦点,P为椭圆上任一点,点M的坐标为(6,4),则|PM|+|PF1|的最大值为________.
解析:如图,|PF1|+|PF2|=10,|PF1|=10-|PF2|,|PM|+|PF1|=10+|PM|-|PF2|,易知点M在椭圆外,连接MF2并延长交椭圆于P点,此时|PM|-|PF2|取最大值|MF2|,故|PM|+|PF1|的最大值为10+|MF2|=10+=15.
答案:15
1.已知方程+=1表示焦点在y轴上的椭圆,则实数k的取值范围是( )
A.(,2) B.(1,+∞)
C.(1,2) D.(,1)
解析:选C.由题意可得,2k-1>2-k>0,
即解得1<k<2.
2.矩形ABCD中,|AB|=4,|BC|=3,则以A,B为焦点,且过C,D两点的椭圆的短轴的长为( )
A.2 B.2
C.4 D.4
解析:选D.依题意得|AC|=5,所以椭圆的焦距为2c=|AB|=4,长轴长2a=|AC|+|BC|=8,所以短轴长为2b=2=2=4.
3.(2021·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:选A.设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).由点P(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,联立得a2=8,b2=6.
4.(2021·豫西五校联考)已知椭圆+=1(0<b<2)的左、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:选D.由椭圆的方程可知a=2,由椭圆的定义可知,|AF2|+|BF2|+|AB|=4a=8,所以|AB|=8-(|AF2|+|BF2|)≥3,由椭圆的性质可知过椭圆焦点的弦中,通径最短,则=3.所以b2=3,即b=.
5.(2021·内蒙古包头调研)椭圆+=1上有两个动点P、Q,E(3,0),EP⊥EQ,则·的最小值为( )
A.6 B.3-
C.9 D.12-6
解析:选A.设P点坐标为(m,n),则+=1,所以|PE|===,由于-6≤m≤6,所以|PE|的最小值为,所以·=·(-)=2-·=||2,所以·的最小值为6.
6.椭圆对称轴在坐标轴上,短轴的一个端点与两个焦点构成一个正三角形,焦点到椭圆上的点的最短距离是,则这个椭圆方程为________.
解析:由题意知解得
∴椭圆方程为+=1或 +=1.
答案:+=1或 +=1
7.(2021·福州质检)若一个椭圆长轴的长度,短轴的长度和焦距依次成等差数列,则该椭圆的离心率是________.
解析:不妨设椭圆的方程为+=1(a>b>0),则由题意知,2a+2c=2×2b,即a+c=2b,又c2=a2-b2,消去b整理得5c2=3a2-2ac,即5e2+2e-3=0,解得e=或e=-1(舍去).
答案:
8.(2021·宜昌调研)过椭圆+=1的右焦点作一条斜率为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________.
解析:由题意知椭圆的右焦点F的坐标为(1,0),则直线AB的方程为y=2x-2.联立,解得交点A(0,-2),B(,),∴S△OAB=·|OF|·|yA-yB|=×1×|-2-|=.
答案:
9.(2022·高考课标全国卷Ⅱ)设F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左,右焦点,M是C上一点且MF2与x轴垂直,直线MF1与C的另一个交点为N.
(1)若直线MN的斜率为,求C的离心率;
(2)若直线MN在y轴上的截距为2,且|MN|=5|F1N|,求a,b.
解:(1)依据c=及题设知M,=,
2b2=3ac.
将b2=a2-c2代入2b2=3ac,解得=,=-2(舍去).
故C的离心率为.
(2)由题意,原点O为F1F2的中点,MF2∥y轴,
所以直线MF1与y轴的交点D(0,2)是线段MF1的中点,
故=4,即b2=4a.①
由|MN|=5|F1N|,得|DF1|=2|F1N|.
设N(x1,y1),由题意知y1<0,则
即
代入C的方程,得+=1.②
将①及c=代入②得+=1.
解得a=7,b2=4a=28,故a=7,b=2.
10.已知椭圆G:+=1(a>b>0)的离心率为,右焦点为(2,0).斜率为1的直线l与椭圆G交于A,B两点,以AB为底边作等腰三角形,顶点为P(-3,2).
(1)求椭圆G的方程;
(2)求△PAB的面积.
解:(1)由已知得c=2,e==.
解得a=2.
又b2=a2-c2=4,
所以椭圆G的方程为+=1.
(2)设直线l的方程为y=x+m.
由,得4x2+6mx+3m2-12=0.①
设A,B的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2)(x1<x2),AB中点为E(x0,y0),则
x0==-,y0=x0+m=.
由于AB是等腰△PAB的底边,所以PE⊥AB,
所以PE的斜率k==-1.
解得m=2.
此时方程①为4x2+12x=0.
解得x1=-3,x2=0.所以y1=-1,y2=2.
所以|AB|=3.
此时,点P(-3,2)到直线l:x-y+2=0的距离d==,
所以△PAB的面积S=|AB|·d=.
1.(2021·山西省第三次四校联考)已知圆锥曲线mx2+4y2=4m的离心率e为方程2x2-5x+2=0的根,则满足条件的圆锥曲线的个数为( )
A.4 B.3
C.2 D.1
解析:选B.∵e是方程2x2-5x+2=0的根,∴e=2或e=.mx2+4y2=4m可化为+=1,当它表示焦点在x轴上的椭圆时,有=,∴m=3;当它表示焦点在y轴上的椭圆时,有=,∴m=;当它表示焦点在x轴上的双曲线时,可化为-=1,有=2,∴m=-12.∴满足条件的圆锥曲线有3个.
2.已知椭圆+=1(a>b>0)的右焦点为F1,左焦点为F2,若椭圆上存在一点P,满足线段PF1相切于以椭圆的短轴为直径的圆,切点为线段PF1的中点,则该椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选A. 如图所示,设线段PF1与圆切于点M,则|OM|=b,|OF1|=c,故|MF1|=,所以|PF1|=2|MF1|=2.又O为F1F2的中点,M为PF1的中点,所以|PF2|=2|OM|=2b.由椭圆的定义,得2+2b=2a,即=a-b,即=a-,即=1-,两边平方,整理得3e2-3=-2,再次平方,整理得9e4-14e2+5=0,解得e2=或e2=1(舍去),故e=.
3.(2021·贵阳模拟)已知F1、F2是椭圆+=1的两个焦点,P是椭圆上一点,且PF1⊥PF2,则△F1PF2的面积为________.
解析:由题意可得a=10,b=8,c=6.由椭圆的定义知|PF1|+|PF2|=2a=20①,在Rt△PF1F2中,由勾股定理,得|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=4c2=144②,①2-②,得2|PF1|·|PF2|=400-144=256,∴|PF1|·|PF2|=128,∴S△F1PF2=|PF1|·|PF2|=×128=64.
答案:64
4.(2022·高考安徽卷)设F1,F2分别是椭圆E:x2+=1(0<b<1)的左、右焦点,过点F1的直线交椭圆E于A,B两点.若|AF1|=3|F1B|,AF2⊥x轴,则椭圆E的方程为________.
解析:设点B的坐标为(x0,y0).∵x2+=1,
∴F1(-,0),F2(,0).
∵AF2⊥x轴,∴A(,b2).
∵|AF1|=3|F1B|,∴=3,
∴(-2,-b2)=3(x0+,y0).
∴x0=- ,y0=-.
∴点B的坐标为.
将B代入x2+=1,得b2=.
∴椭圆E的方程为x2+y2=1.
答案:x2+y2=1
5.(2021·山西省其次次四校联考)已知椭圆C的中心在原点,焦点在x轴上,焦距为2,离心率为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)设直线l经过点M(0,1),且与椭圆C交于A,B两点,若=2,求直线l的方程.
解:(1)设椭圆方程为+=1(a>b>0).
由于c=1,e==,所以a=2,b=,
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)由题意可知直线l的斜率存在,设直线l的方程为y=kx+1,
则由,得(3+4k2)x2+8kx-8=0,且Δ>0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),则由=2,得x1=-2x2.
又,
所以,消去x2得()2=.
解得k2=,k=±.
所以直线l的方程为y=±x+1,即x-2y+2=0或x+2y-2=0.
6.(选做题)(2022·高考北京卷)已知椭圆C:x2+2y2=4.
(1)求椭圆C的离心率;
(2)设O为原点,若点A在椭圆C上,点B在直线y=2上,且OA⊥OB,试推断直线AB与圆x2+y2=2的位置关系,并证明你的结论.
解:(1)由题意得,椭圆C的标准方程为+=1,
所以a2=4,b2=2,从而c2=a2-b2=2.
因此a=2,c=.
故椭圆C的离心率e==.
(2)直线AB与圆x2+y2=2相切.证明如下:
设点A,B的坐标分别为(x0,y0),(t,2),其中x0≠0.
由于OA⊥OB,所以·=0,即tx0+2y0=0,解得t=-.
当x0=t时,y0=-,代入椭圆C的方程,得t=±,
故直线AB的方程为x=±,圆心O到直线AB的距离d=.
此时直线AB与圆x2+y2=2相切.
当x0≠t时,直线AB的方程为y-2=(x-t).
即(y0-2)x-(x0-t)y+2x0-ty0=0.
圆心O到直线AB的距离
d= .
又x+2y=4,t=-,
故d===.
此时直线AB与圆x2+y2=2相切.
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