备考2024届高考数学一轮复习讲义第八章平面解析几何第5讲椭圆
展开(1)定义
平面内与两个定点F1,F2的距离的和等于① 常数 (大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆.这两个定点叫做椭圆的② 焦点 ,两焦点间的距离叫做椭圆的③ 焦距 .
集合语言:P={M||MF1|+|MF2|=2a,2a>|F1F2|},|F1F2|=2c,其中a>c>0,且a,c为常数.
注意 若2a=|F1F2|,则动点的轨迹是线段F1F2;若2a<|F1F2|,则动点的轨迹不存在.
(2)标准方程
a.中心在坐标原点,焦点在x轴上的椭圆的标准方程为④ x2a2+y2b2=1 (a>b>0);
b.中心在坐标原点,焦点在y轴上的椭圆的标准方程为⑤ y2a2+x2b2=1 (a>b>0).
思维拓展
椭圆的第二定义、第三定义
椭圆的第二定义:{P||PF|d=e,0<e<1,其中F为定点,l为定直线,e为离心率,F∉l,d表示点P到直线l的距离}.
椭圆的第三定义:{P|kPA·kPB=e2-1,0<e<1,其中kPA,kPB分别表示点P与两定点A,B连线的斜率,e为离心率}.
注意 椭圆的第三定义中的两个定点(椭圆的顶点)在x轴上,且利用椭圆第三定义得出的轨迹方程不包括这两个定点.
2.椭圆的几何性质
说明 离心率表示椭圆的扁平程度,当e越接近于1时,c越接近于a,从而b=a2-c2越小,因此椭圆越扁平;当e越接近于0时,c越接近于0,从而b=a2-c2越大,因此椭圆越接近于圆.
常用结论
1.椭圆的焦点三角形
以椭圆上的点P(x0,y0)与两焦点F1,F2为顶点的△PF1F2叫做焦点三角形.
如图所示,设∠F1PF2=θ.
(1)当P为短轴端点时,θ最大.(2)S△PF1F2=12|PF1|·|PF2|·sin θ=b2·sinθ1+csθ=b2tanθ2=c|y0|,当|y0|=b,即P为短轴端点时,S△PF1F2取最大值,最大值为bc.(3)|PF1|max=a+c,|PF1|min=a-c.(4)焦点三角形的周长为2(a+c).
2.设椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1(-c,0),F2(c,0),则当点Px0,y0在椭圆上时,|PF1|=a+ex0,|PF2|=a-ex0(e为椭圆的离心率).
1.(1)的推导过程:在焦点三角形PF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cs θ,
则cs θ=|PF1|2+|PF2|2-|F1F2|22|PF1||PF2|
=(|PF1|+|PF2|)2-2|PF1||PF2|-|F1F2|22|PF1||PF2|
=(2a)2-4c2-2|PF1||PF2|2|PF1||PF2|
=2b2|PF1||PF2|-1,
∵|PF1||PF2|≤(|PF1|+|PF2|2)2=a2,当且仅当|PF1|=|PF2|,即点P是短轴端点时取等号,
∴cs θ=2b2|PF1||PF2|-1≥2b2a2-1.
又函数y=cs x在(0,π)上单调递减,∴当P为短轴的端点时,θ最大.
1.(2)的推导过程:由上条结论的推导过程得cs θ=2b2|PF1||PF2|-1,∴|PF1||PF2|=2b21+csθ,
∴S△PF1F2=12|PF1||PF2|sin θ=12·2b21+csθ·sin θ=b2·sinθ1+csθ=b2·2sinθ2csθ22cs2θ2=b2tan θ2.
1.设P是椭圆C:x25+y23=1上的动点,则P到椭圆的两个焦点的距离之和为( C )
A.22B.23C.25D.42
解析 根据椭圆的定义,可知点P到椭圆的两个焦点的距离之和为25.故选C.
2.已知椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)的离心率为12,则( B )
A.a2=2b2B.3a2=4b2C.a=2bD.3a=4b
解析 由题意得,ca=12,∴c2a2=14,又a2=b2+c2,∴a2-b2a2=14,∴b2a2=34,∴4b2=3a2.故选B.
3.[多选]下列说法正确的是( CD )
A.平面内与两个定点F1,F2的距离的和等于常数的点的轨迹是椭圆
B.椭圆的离心率e越大,椭圆就越圆
C.关于x,y的方程mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)表示的曲线是椭圆
D.x2a2+y2b2=1(a>b>0)与y2a2+x2b2=1(a>b>0)的焦距相同
4.[易错题]平面内一点M到两定点F1(-6,0),F2(6,0)的距离之和等于12,则点M的轨迹是 线段F1F2 .
解析 由题意知|MF1|+|MF2|=12,但|F1F2|=12,即|MF1|+|MF2|=|F1F2|,所以点M的轨迹是线段F1F2.
5.[易错题]椭圆x210-m+y2m-2=1的焦距为4,则m= 4或8 .
解析 当焦点在x轴上时,10-m>m-2>0,10-m-(m-2)=4,∴m=4.当焦点在y轴上时,m-2>10-m>0,m-2-(10-m)=4,∴m=8.
6.已知椭圆的一个焦点为F(6,0),且B1,B2是短轴的两个端点,△FB1B2是等边三角形,则这个椭圆的标准方程是 x248+y212=1 .
解析 由已知得椭圆的焦点在x轴上,设方程为x2a2+y2b2=1(a>b>0).由一个焦点为F(6,0),知c=6,又△FB1B2为等边三角形,得b=23,所以a2=b2+c2=48,故椭圆的标准方程为x248+y212=1.
研透高考 明确方向
命题点1 椭圆的定义及其应用
例1 (1)[2023全国卷甲]设F1,F2为椭圆C:x25+y2=1的两个焦点,点P在C上,若PF1·PF2=0,则|PF1|·|PF2|=( B )
A.1B.2C.4D.5
解析 解法一 因为PF1·PF2=0,所以PF1⊥PF2,则S△PF1F2=12|PF1|·|PF2|=b2tan∠F1PF22,得12|PF1|·|PF2|=1×tan90°2,所以|PF1|·|PF2|=2,故选B.
解法二 因为PF1·PF2=0,所以PF1⊥PF2,所以PF12+PF22=F1F22=2c2=16.因为|PF1|+|PF2|=2a=25,所以(|PF1|+|PF2|)2=20,即|PF1|2+|PF2|2+2|PF1|·|PF2|=20,所以|PF1|·|PF2|=2,故选B.
(2)[2021新高考卷Ⅰ]已知F1,F2是椭圆C:x29+y24=1的两个焦点,点M在C上,则|MF1|·|MF2|的最大值为( C )
A.13B.12C.9D.6
解析 由椭圆C:x29+y24=1,得|MF1|+|MF2|=6,
则|MF1|·|MF2|≤(|MF1|+|MF2|2)2=32=9,当且仅当|MF1|=|MF2|=3时等号成立.
(3)动圆M与圆M1:(x+1)2+y2=1外切,与圆M2:(x-1)2+y2=25内切,则动圆圆心M的轨迹是 椭圆 .
解析 设圆M的半径为R.因为圆M与圆M1外切,与圆M2内切,所以MM1=1+R,|MM2|=5-R,所以|MM1|+|MM2|=1+R+5-R=6>|M1M2|=2,所以M的轨迹是椭圆.
方法技巧
1.椭圆定义的主要应用
(1)确认平面内与两定点有关的动点轨迹是否为椭圆;(2)解决与焦点有关的距离或范围问题.
2.解决焦点三角形问题常利用椭圆的定义以及余弦定理.
训练1 (1)[2023全国卷甲]设O为坐标原点,F1,F2为椭圆C:x29+y26=1的两个焦点,点P在C上,cs∠F1PF2=35,则|OP|=( B )
A.135B.302C.145D.352
解析 解法一 依题意a=3,b=6,c=a2-b2=3.如图,不妨令F1(-3,0),F2(3,0).设|PF1|=m,|PF2|=n,在△F1PF2中,cs∠F1PF2=m2+n2-122mn=35 ①,由椭圆的定义可得m+n=2a=6 ②.由①②,解得mn=152.设|OP|=x.在△F1OP和△F2OP中,∠F1OP+∠F2OP=π,由余弦定理得x2+3-m223x=-x2+3-n223x,得x2=m2+n2-62=(m+n)2-2mn-62=152,所以|OP|=302.(也可由PO=12(PF1+PF2),两边同时平方求|OP|)
解法二 依题意a=3,b=6,c=a2-b2=3.如图(图同解法一),设点P的坐标为(x0,y0),利用焦点三角形面积公式知S△F1PF2=b2sin∠F1PF21+cs∠F1PF2.因为cs∠F1PF2=35,所以sin∠F1PF2=45,故S△F1PF2=6×451+35=3.又S△F1PF2=12×2c|y0|=3|y0|,故y02=3,又x029+y026=1,所以x02=92,故|OP|2=x02+y02=152,得|OP|=302.
(2)已知椭圆x24+y23=1,F是椭圆的左焦点,P是椭圆上一点,若点A的坐标为(1,1),则|PA|+|PF|的最小值为( A )
A.3B.10C.5+12D.5+1
解析 设椭圆的右焦点为F2(1,0),则|AF2|=1,PA+PF=PA+4-PF2=4+PA-PF2.又||PA|-|PF2||≤|AF2|=1,所以-1≤PA-PF2≤1,所以|PA|+|PF|的最小值为3(此时点P是射线F2A与椭圆的交点).
(3)已知△ABC的周长为20,且顶点B(0,-4),C(0,4),则顶点A的轨迹方程是 x220+y236=1(x≠0) .
解析 因为△ABC的周长为20,顶点B(0,-4),C(0,4),所以|BC|=8,|AB|+|AC|=20-8=12,因为12>8,所以点A到两个定点的距离之和等于定值,所以点A的轨迹是焦点在y轴上的椭圆的一部分,设椭圆方程为x2b2+y2a2=1(a>b>0),易得a=6,c=4,所以b2=20,所以点A的轨迹方程是x220+y236=1(x≠0).
命题点2 椭圆的标准方程
例2 (1)[2023南京模拟]已知椭圆的两个焦点分别为F1(0,2),F2(0,-2),P为椭圆上任意一点,若|F1F2|是|PF1|,|PF2|的等差中项,则此椭圆的标准方程为( D )
A.x264+y260=1B.y264+x260=1
C.x216+y212=1D.y216+x212=1
解析 由题意得|PF1|+|PF2|=2|F1F2|=8=2a,故a=4,又c=2,则b=23,又焦点在y轴上,故椭圆的标准方程为y216+x212=1.
(2)[2022全国卷甲]已知椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的离心率为13,A1,A2分别为C的左、右顶点,B为C的上顶点.若BA1·BA2=-1,则C的方程为( B )
A.x218+y216=1B.x29+y28=1
C.x23+y22=1D.x22+y2=1
解析 依题意得A1(-a,0),A2(a,0),B(0,b),所以BA1=(-a,-b),BA2=(a,-b),BA1·BA2=-a2+b2=-c2=-1,故c=1,又C的离心率e=ca=13,所以a=3,故a2=9,b2=a2-c2=8,即C的方程为x29+y28=1,故选B.
方法技巧
求椭圆标准方程的两种方法
1.定义法
先根据椭圆的定义确定a,b,c的值,再结合焦点位置求出椭圆的标准方程.
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的值;若焦点位置不明确,则需要分焦点在x轴上和y轴上两种情况讨论,也可设椭圆方程为mx2+ny2=1m>0,n>0,m≠n,用待定系数法求出m,n的值.
训练2 (1)[2023银川市质检]已知A是椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的右顶点,焦距为4,直线y=kx(k≠0)与C相交于P,Q两点,若直线AP与直线AQ的斜率之积为-12,则椭圆C的方程为( B )
A.x26+y22=1B.x28+y24=1
C.x29+y25=1D.x232+y216=1
解析 解法一 因为A是椭圆C的右顶点,所以点A的坐标为(a,0),因为直线y=kx(k≠0)过原点,所以与椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)的交点P,Q关于原点对称,因此可设P,Q两点的坐标分别为(x1,y1),(-x1,-y1),则kAP·kAQ=y1x1-a·-y1-x1-a=y1x1-a·y1x1+a=y12x12-a2.因为点P(x1,y1)在椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)上,所以x12a2+y12b2=1,故y12=b2(1-x12a2)=b2a2(a2-x12),所以kAP·kAQ=y12x12-a2=b2a2(a2-x12)x12-a2=-b2a2,由已知可得-b2a2=-12,所以a2=2b2.由焦距2c=4,得c=2,再结合椭圆中a2=b2+c2,可得a2=8,b2=4,故椭圆C的方程为x28+y24=1,故选B.
解法二 由二级结论可知,直线AP和AQ的斜率之积为-b2a2,所以-b2a2=-12,所以a2=2b2,由焦距2c=4,得c=2,再结合椭圆中a2=b2+c2,可得a2=8,b2=4,故椭圆C的方程为x28+y24=1,故选B.(二级结论:过原点的直线与椭圆x2a2+y2b2=1(a>b>0)相交于P,Q两点,A为椭圆上任意一点,且直线AP和AQ与坐标轴不垂直,则直线AP和AQ的斜率之积为定值-b2a2)
(2)若椭圆经过两点(1,32)和(2,22),则椭圆的标准方程为 x24+y2=1 .
解析 解法一 当椭圆的焦点在x轴上时,设所求椭圆的方程为x2a2+y2b2=1 (a>b>0).∵椭圆经过两点(1,32)和(2,22),∴1a2+34b2=1,2a2+12b2=1,解得a=2,b=1.∴所求椭圆的标准方程为x24+y2=1.当椭圆的焦点在y轴上时,设所求椭圆的方程为y2a2+x2b2=1(a>b>0).∵椭圆经过两点(1,32)和(2,22),∴34a2+1b2=1,12a2+2b2=1,解得a=1,b=2,与a>b矛盾,故舍去.
综上可知,所求椭圆的标准方程为x24+y2=1.
解法二 设椭圆方程为mx2+ny2=1 (m>0,n>0,m≠n).
∵椭圆过(1,32)和(2,22)两点,∴m+3n4=1,2m+n2=1,解得m=14,n=1.∴所求椭圆的标准方程为x24+y2=1.
命题点3 椭圆的几何性质
角度1 离心率
例3 (1)[2023新高考卷Ⅰ]设椭圆C1:x2a2+y2=1(a>1),C2:x24+y2=1的离心率分别为e1,e2,若e2=3e1,则a=( A )
A.233B.2C.3D.6
解析 解法一(直接求解法) 由已知得e1=a2-1a,e2=4-12=32,因为e2=3e1,所以32=3×a2-1a,得a=233.故选A.
解法二(选项代入验证法) 若a=233,则e1=a2-1a=(233)2-1233=12,又e2=32,所以e2=3e1,所以a=233符合题意,由于是单选题,故选A.
(2)[2022全国卷甲]椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左顶点为A,点P,Q均在C上,且关于y轴对称.若直线AP,AQ的斜率之积为14,则C的离心率为( A )
A.32B.22C.12D.13
解析 解法一 设P(m,n)(n≠0),则Q(-m,n),易知A(-a,0),所以kAP·kAQ=nm+a·n-m+a=n2a2-m2=14 ①.因为点P在椭圆C上,所以m2a2+n2b2=1,得n2=b2a2(a2-m2),代入①式,得b2a2=14,所以e=1-b2a2=32.故选A.
解法二 设椭圆C的右顶点为B,则直线BP与直线AQ关于y轴对称,所以kAQ=-kBP,所以kAP·kBP=-kAP·kAQ=-14=e2-1,所以e=32.故选A.
(3)[2021全国卷乙]设B是椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的上顶点,若C上的任意一点P都满足|PB|≤2b,则C的离心率的取值范围是( C )
A.[22,1)B.[12,1)C.(0,22]D.(0,12]
解析 依题意,得B(0,b),设椭圆上一点P(x0,y0),则|y0|≤b,由x02a2+y02b2=1,可得x02=a2-a2b2y02,则|PB|2=x02+(y0-b)2=x02+y02-2by0+b2=-c2b2y02-2by0+a2+b2≤4b2.因为当y0=-b时,|PB|2=4b2,所以-b3c2≤-b,得2c2≤a2,所以离心率e=ca≤22,故选C.
方法技巧
1.求椭圆离心率的方法
(1)直接利用公式求离心率.e=ca=1-(ba)2.
(2)由椭圆的定义求离心率.设F1,F2为椭圆的两个焦点,P为椭圆上一点,则e=ca=2c2a=|F1F2||PF1|+|PF2|.
(3)构造关于a,c的齐次式求离心率.可以不求出a,c的具体值,而是得出a与c的关系,从而求得e.
注意 将余弦定理与椭圆的定义结合列方程,是常见的构造关于a,b,c的齐次式的方法.
2.求椭圆离心率范围时,要注意对几何图形的临界情况的应用.
训练3 (1)已知椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左顶点为A,上顶点为B,右焦点为F,且△ABF是等腰三角形,则椭圆C的离心率为( B )
A.5-12B.3-12C.3-1D.5-1
解析 由题意知|AB|>|BF|,|AF|>|BF|,故|AB|=|AF|,即a2+b2=a+c,所以2a2-c2=a2+2ac+c2,即2c2+2ac-a2=0,即2e2+2e-1=0,解得e=3-12(负值舍去),故选B.
(2)已知F1,F2是椭圆C的两个焦点,P是C上的一点.若PF1⊥PF2,且∠PF2F1=60°,则C的离心率为( D )
A.1-32B.2-3C.3-12D.3-1
解析 由题意可得,|PF2|∶|PF1|∶|F1F2|=1∶3∶2.因为|F1F2|=2c,所以|PF2|=c,|PF1|=3c,由椭圆的定义得|PF1|+|PF2|=2a,故椭圆C的离心率e=ca=|F1F2||PF1|+|PF2|=23+1=3-1.故选D.
角度2 与椭圆性质有关的最值(范围)问题
例4 (1)[2021全国卷乙]设B是椭圆C:x25+y2=1的上顶点,点P在C上,则|PB|的最大值为( A )
A.52B.6C.5D.2
解析 设点P(x,y),则根据点P在椭圆x25+y2=1上可得x2=5-5y2.易知点B(0,1),所以|PB|2=x2+(y-1)2=5-5y2+(y-1)2=-4y2-2y+6=254-(2y+12)2(|y|≤1).当2y+12=0,即y=-14时,|PB|2取得最大值254,所以|PB|max=52.故选A.
(2)设A,B是椭圆C:x23+y2m=1长轴的两个端点.若C上存在点M满足∠AMB=120°,则m的取值范围是( A )
A.(0,1]∪[9,+∞)B.(0,3]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞)D.(0,3]∪[4,+∞)
解析 依题意得3m≥tan∠AMB2,0
方法技巧
利用椭圆的简单几何性质求最值或范围的思路
(1)代数法,设坐标,利用坐标构造函数或不等关系,利用函数或基本不等式求最值或范围;
(2)几何法,通过数形结合、几何意义等结合椭圆性质求解.
训练4 (1)[2023贵阳摸底]已知椭圆C:x24+y23=1的左、右焦点分别为F1,F2,点P在椭圆上且异于长轴端点.点M,N在△PF1F2所围区域之外,且始终满足MP·MF1=0,NP·NF2=0,则|MN|的最大值为( A )
A.3B.4C.5D.6
解析 设PF1,PF2的中点分别为A,B,因为MP·MF1=0,NP·NF2=0,所以M在以A为圆心,PF1为直径的圆上,N在以B为圆心,PF2为直径的圆上,所以直线AB与两圆的交点(△PF1F2所围区域之外)分别为M,N(M,N的位置如图所示)时,|MN|最大,此时|MN|=|PA|+|AB|+|PB|=|PF1|+|PF2|2+|AB|.又椭圆C:x24+y23=1,所以a=2,b=3,c=a2-b2=1,所以|MN|的最大值为|PF1|+|PF2|2+|AB|=a+c=2+1=3,故选A.
(2)如图,焦点在x轴上的椭圆x24+y2b2=1(b>0)的离心率e=12,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PF·PA的最大值为 4 .
解析 由题意知a=2,因为e=ca=12,所以c=1,b2=a2-c2=3.故椭圆方程为x24+y23=1.设P点坐标为(x0,y0),-2≤x0≤2,-3≤y0≤3.因为F(-1,0),A(2,0),PF=(-1-x0,-y0),PA=(2-x0,-y0),x024+y023=1,所以PF·PA=x02-x0-2+y02=14x02-x0+1=14(x0-2)2,则当x0=-2时,PF·PA取得最大值4.课标要求
命题点
五年考情
命题分析预测
1.掌握椭圆的定义、标准方程及简单几何性质.
2.了解椭圆的简单应用.
3.体会数形结合的思想.
椭圆的定义及其应用
2023全国卷甲T7;2023全国卷甲T12;2021新高考卷ⅠT5;2021全国卷甲T15;2020新高考卷ⅠT9
该讲是高考命题的热点,主要体现:(1)以定义作为命题思路求解椭圆的标准方程、离心率等;(2)以特殊的几何图形为命题背景,求解三角形的面积,弦长等.题型既有小题也有大题,难度中等偏上.在2025年高考的备考中,应关注椭圆的定义和几何性质在解题中的应用.
椭圆的标准方程
2023全国卷乙T20;2022全国卷甲T11;2022全国卷乙T20;2021新高考卷ⅡT20;2020新高考卷ⅠT22;2020新高考卷ⅡT21;2020全国卷ⅠT20;2020全国卷ⅡT19;2020全国卷ⅢT20;2019全国卷ⅠT10;2019全国卷ⅡT21
椭圆的几何性质
2023新高考卷ⅠT5;2022新高考卷ⅠT16;2022全国卷乙T20;2022全国卷甲T10;2021全国卷乙T11;2020全国卷ⅡT19;2019全国卷ⅢT15
标准方程
x2a2+y2b2=1(a>b>0)
y2a2+x2b2=1(a>b>0)
图形
标准方程
x2a2+y2b2=1(a>b>0)
y2a2+x2b2=1(a>b>0)
几
何
性
质
范围
-a≤x≤a,-b≤y≤b
-b≤x≤b,-a≤y≤a
对称性
对称轴:⑥ x轴、y轴 .对称中心:⑦ 原点
焦点
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
顶点
A1-a,0,A2a,0,
B10,-b,B20,b
A10,-a,A20,a,
B1-b,0,B2b,0
轴
线段A1A2,B1B2分别是椭圆的长轴和短轴,长轴长为⑧ 2a ,短轴长为⑨ 2b
焦距
|F1F2|=2c
离心率
e=ca=1-b2a2∈⑩ (0,1)
a,b,c
的关系
⑪ a2=b2+c2
备考2024届高考数学一轮复习讲义第八章平面解析几何第8讲直线与圆锥曲线的位置关系: 这是一份备考2024届高考数学一轮复习讲义第八章平面解析几何第8讲直线与圆锥曲线的位置关系,共11页。
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