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2020版高考数学新设计一轮复习浙江专版讲义:第八章第六节椭圆
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第六节椭__圆
1.椭圆的定义
平面内到两定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆.两定点F1,F2叫做椭圆的焦点.
集合P={M||MF1|+|MF2|=2a},|F1F2|=2c,其中a>0,c>0,且a,c为常数.
(1)当2a>|F1F2|时,P点的轨迹是椭圆;
(2)当2a=|F1F2|时,P点的轨迹是线段;
(3)当2a<|F1F2|时,P点不存在.
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
x∈[-a,a]
y∈[-b,b]
x∈[-b,b],
y∈[-a,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)
离心率
e=,且e∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
[小题体验]
1.(2018·全国卷Ⅰ)已知椭圆C:+=1的一个焦点为(2,0),则C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选C ∵a2=4+22=8,
∴a=2,∴e===.
2.已知椭圆的方程为+=1(m>0),若该椭圆的焦点在x轴上,则实数m的取值范围是________.
解析:由题可得,m2<16,因为m>0,所以0<m<4.故实数m的取值范围为(0,4).
答案:(0,4)
3.(教材习题改编)已知点P是椭圆+=1上y轴右侧的一点,且以点P及焦点F1,F2为顶点的三角形的面积等于1,则点P的坐标为________.
解析:设P(x,y),由题意知c2=a2-b2=5-4=1,
所以c=1,则F1(-1,0),F2(1,0),
由题意可得点P到x轴的距离为1,所以y=±1,
把y=±1代入+=1,得x=±,
又x>0,所以x=,
∴点P坐标为或.
答案:或
1.椭圆的定义中易忽视2a>|F1F2|这一条件,当2a=|F1F2|其轨迹为线段F1F2,当2a<|F1F2|不存在轨迹.
2.求椭圆的标准方程时易忽视判断焦点的位置,而直接设方程为+=1(a>b>0).
3.注意椭圆的范围,在设椭圆+=1(a>b>0)上点的坐标为P(x,y)时,|x|≤a,|y|≤b,这往往在求与点P有关的最值问题中特别有用,也是容易被忽略而导致求最值错误的原因.
[小题纠偏]
1.椭圆+=1的焦距为2,则m的值为( )
A.5 B.3
C.5或3 D.8
解析:选C 当m>4时,m-4=1,
∴m=5;当0<m<4时,4-m=1,
∴m=3,故m的值为5或3.
2.已知椭圆C:+=1的左、右焦点分别为F1,F2,椭圆C上的点A满足AF2⊥F1F2,若点P是椭圆C上的动点,则·的最大值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由椭圆方程知c==1,
所以F1(-1,0),F2(1,0).
因为椭圆C上点A满足AF2⊥F1F2,
则可设A(1,y0),代入椭圆方程可得y=,
所以y0=±.
设P(x1,y1),则=(x1+1,y1),=(0,y0),
所以·=y1y0.
因为点P是椭圆C上的动点,所以-≤y1≤,
故·的最大值为.
[题组练透]
1.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,
所求椭圆的标准方程为+=1.
2.(易错题)一个椭圆的中心在原点,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,则椭圆的标准方程为________________.
解析: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,
故椭圆方程为+=1.
答案:+=1
[谨记通法]
求椭圆标准方程的 2种常用方法
定义法
根据椭圆的定义,确定a2,b2的值,结合焦点位置可写出椭圆方程
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轴上两种情况讨论,也可设椭圆的方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B)
[典例引领]
1.设P是椭圆+=1上一点,M,N分别是两圆:(x+4)2+y2=1和(x-4)2+y2=1上的点,则|PM|+|PN|的最小值、最大值分别为( )
A.9,12 B.8,11
C.8,12 D.10,12
解析:选C 如图所示,因为两个圆心恰好是椭圆的焦点,由椭圆的定义可知|PF1|+|PF2|=10,易知|PM|+|PN|=(|PM|+|MF1|)+(|PN|+|NF2|)-2,则其最小值为|PF1|+|PF2|-2=8,
最大值为|PF1|+|PF2|+2=12.
2.F1,F2是椭圆+=1的两个焦点,A为椭圆上一点,且∠AF1F2=45°,则△AF1F2的面积为( )
A.7 B.
C. D.
解析:选C 由题意得a=3,b=,c=,
∴|F1F2|=2,|AF1|+|AF2|=6.
∵|AF2|2=|AF1|2+|F1F2|2-2|AF1|·|F1F2|cos 45°=|AF1|2-4|AF1|+8,
∴(6-|AF1|)2=|AF1|2-4|AF1|+8.
∴|AF1|=.
∴△AF1F2的面积
S=××2×=.
[由题悟法]
椭圆定义的应用技巧
求方程
通过对题设条件分析、转化后,能够明确动点P满足椭圆的定义,便可直接求解其轨迹方程
求焦点三角形
利用定义求焦点三角形的周长和面积.解决焦点三角形问题常利用椭圆的定义、正弦定理或余弦定理.其中|PF1|+|PF2|=2a两边平方是常用技巧
求最值
抓住|PF1|与|PF2|之和为定值,可联系到基本不等式求|PF1|·|PF2|的最值;利用定义|PF1|+|PF2|=2a转化或变形,借助三角形性质求最值
[即时应用]
1.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为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:选A 由题意及椭圆的定义知4a=4,则a=,又==,∴c=1,∴b2=2,∴C的方程为+=1,选A.
2.(2018·永康适应性测试)已知F1(-1,0),F2(1,0),且△PF1F2的周长为6,则动点P的轨迹C的方程为________.
解析:由F1(-1,0),F2(1,0),△PF1F2的周长为6,
得|PF1|+|PF2|=4>|F1F2|,∴点P的轨迹是F1,F2为焦点的椭圆(不包括左右顶点).∵2a=4,c=1,
∴a=2,b=,∴轨迹C的方程为+=1(y≠0).
答案:+=1(y≠0)
[锁定考向]
椭圆的几何性质是高考的热点,高考中多以小题出现,常见的命题角度有:
(1)求离心率的值或范围;
(2)根据椭圆的性质求参数的值或范围.
[题点全练]
角度一:求离心率的值或范围
1.(2018·全国卷Ⅱ)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( )
A.1- B.2-
C. D.-1
解析:选D 在Rt△PF1F2中,∠PF2F1=60°,
不妨设椭圆焦点在x轴上,且焦距|F1F2|=2,
则|PF2|=1,|PF1|=,
由椭圆的定义可知,方程+=1中,
2a=1+,2c=2,得a=,c=1,
所以离心率e===-1.
角度二:根据椭圆的性质求参数的值或范围
2.椭圆+=1上的一点P到两焦点的距离的乘积为m,则m的最大值为________.
解析:记椭圆的两个焦点分别为F1,F2,
则|PF1|+|PF2|=2a=10.
则m=|PF1|·|PF2|≤2=25,
当且仅当|PF1|=|PF2|=5时等号成立,
即点P位于椭圆的短轴的顶点处时,m取得最大值25.
答案:25
[通法在握]
1.应用椭圆几何性质的2个技巧
(1)与椭圆几何性质有关的问题要结合图形进行分析,即使画不出图形,思考时也要联想到一个图形.
(2)椭圆的范围或最值问题常常涉及一些不等式.例如-a≤x≤a,-b≤y≤b,0<e<1,在求椭圆的相关量的范围时,要注意应用这些不等关系.
2.求椭圆离心率的方法
(1)直接求出a,c的值,利用离心率公式直接求解.
(2)列出含有a,b,c的齐次方程(或不等式),借助于b2=a2-c2消去b,转化为含有e的方程(或不等式)求解.
[演练冲关]
1.(2018·瑞安期末)已知椭圆+=1(a>0)的一个焦点与抛物线y2=8x的焦点重合,则该椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题可得,抛物线的焦点坐标为(2,0),所以a2=12+4=16,所以a=4,所以离心率e===.
2.过椭圆+=1(a>b>0)的左焦点F1作x轴的垂线交椭圆于点P,F2为椭圆的右焦点,若∠F1PF2=60°,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意,可设P.
因为在Rt△PF1F2中,
|PF1|=,|F1F2|=2c,∠F1PF2=60°,
所以=.
又因为b2=a2-c2,
所以c2+2ac-a2=0,
即e2+2e-=0,
解得e=或e=-,
又因为e∈(0,1),所以e=.
3.(2018·温州十校联考)已知F1(-c,0),F2(c,0)为椭圆+=1(a>b>0)的两个焦点,P为椭圆上一点,且·=c2,则此椭圆离心率的取值范围是________.
解析:设P(x,y),则·=(-c-x,-y)·(c-x,-y)=x2-c2+y2=c2,①
将y2=b2-x2代入①式解得
x2==,
又x2∈[0,a2],
∴2c2≤a2≤3c2,
∴e=∈.
答案:
[典例引领]
(2018·浙江名校联考)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为 F1,F2,离心率为,直线y=1与C的两个交点间的距离为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)分别过F1,F2作l1,l2满足l1∥l2,设l1,l2与C的上半部分分别交于A,B两点,求四边形ABF2F1面积的最大值.
解:(1)易知椭圆过点,所以+=1,①
又=,②
a2=b2+c2,③
由①②③得a2=4,b2=3,
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)由(1)知F1(-1,0),F2(1,0),
设直线l1:x=my-1,它与椭圆C的另一个交点为D.
与椭圆C的方程联立,消去x,得(3m2+4)y2-6my-9=0,
则Δ=144(m2+1)>0,
|AD|=·,
又F2到l1的距离为d=,
所以S△ADF2=×|AD|×d=.
令t=≥1,则S△ADF2=,
因为y=3t+在[1,+∞)上单调递增,
所以当t=1时,S△ADF2取得最大值3.
又S四边形ABF2F1=·d
=(|AF1|+|DF1|)·d=|AB|·d=S△ADF2,
所以四边形ABF2F1面积的最大值为3.
[由题悟法]
1.直线与椭圆的位置关系的解题策略
(1)解决直线与椭圆的位置关系的相关问题,其常规思路是先把直线方程与椭圆方程联立,消元、化简,然后应用根与系数的关系建立方程,解决相关问题.涉及弦中点的问题常常用“点差法”解决,往往会更简单.
(2)设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),则|AB|=
= (k为直线斜率).
2.直线与椭圆相交时的常见问题的处理方法
涉及问题
处理方法
弦长
根与系数的关系、弦长公式
(直线与椭圆有两交点)
中点弦或弦的中点
点差法(结果要检验)
[即时应用]
(2017·浙江新高考联盟)椭圆C1 :+=1(a>b>0)的右焦点与抛物线C2 :y2=2px(p>0)的焦点重合, 曲线C1与C2相交于点.
(1)求椭圆C1的方程;
(2)过右焦点F2的直线l(与x轴不重合)与椭圆C1交于A,C两点,线段AC的中点为G,连接OG并延长交椭圆C1于B点(O为坐标原点),求四边形OABC的面积S的最小值.
解:(1)∵点在y2=2px上,
∴=2×p×,解得p=2,
∴椭圆C1的右焦点为(1,0),
∴解得
∴椭圆C1的方程为+=1.
(2)设直线AC的方程为x=my+1,A(x1,y1),C(x2,y2),G(x0,y0),
联立消去x,
整理得(4+3m2)y2+6my-9=0,
则y1+y2=-,y1y2=.
由弦长公式可得|AC|=·|y1-y2|
=
=·
=.
由中点坐标公式可知,y0=-,
x0=my0+1=
∴G.
∴直线OG的方程为y=-x,代入+=1,整理得x2=,∴B,
故B到直线AC的距离d1==,
O到直线AC的距离d2=,
∴S=·|AC|·(d1+d2)=··=6× =6≥3,当且仅当m=0时取得最小值.
综上所述,四边形OABC的面积S的最小值是3.
一抓基础,多练小题做到眼疾手快
1.“2<m<6”是“方程+=1表示椭圆”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
解析:选B 若方程+=1表示椭圆.
则有∴2<m<6且m≠4.
故“2<m<6”是“+=1表示椭圆”的必要不充分条件.
2.(2019·湖州一中月考)过点(,-),且与椭圆+=1有相同焦点的椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选C 法一:椭圆+=1的焦点为(0,-4),(0,4),故c=4.
由椭圆的定义知,2a=+,解得a=2,
由c2=a2-b2,得b2=4.所以所求椭圆的标准方程为+=1,故选C.
法二:设所求椭圆方程为+=1(k<9),将点(,-)的坐标代入可得+=1,解得k=5或k=21(舍),所以所求椭圆的标准方程为+=1,故选C.
3.(2019·丽水质检)已知椭圆+=1的左、右焦点分别为F1,F2,过F2且垂直于长轴的直线交椭圆于A,B两点,则△ABF1内切圆的半径为( )
A. B.1
C. D.
解析:选D 法一:不妨设点A在点B上方,由题意知F2(1,0),将F2的横坐标代入方程+=1中,可得A点纵坐标为,故|AB|=3,所以内切圆半径r===(其中S为△ABF1的面积,C为△ABF1的周长).故选D.
法二:由椭圆的通径公式得|AB|==3,则S△ABF1=×2×3=3,而△ABF1的周长C周=4a=8,由S△ABF1=C周·r得r=,故选D.
4.(2018·长兴中学适应测试)已知椭圆C:+=1,则该椭圆的长轴长为________;焦点坐标为________.
解析:长轴长为2a=8,c2=16-9=7,所以c=,所以焦点坐标为(0,-)和(0,).
答案:8 (0,-)和(0,)
5.(2018·宁波五校联考)已知椭圆+=1(m>0)的左焦点为F1(-4,0),则m=________;离心率为________.
解析:因为椭圆的左焦点为F1(-4,0),所以25-m2=42,解得m=3.所以离心率为e==.
答案:3
二保高考,全练题型做到高考达标
1.(2018·丽水高三质检)已知椭圆C:+=1(a>b>0)与直线x=b在第一象限交于点P,若直线OP的倾斜角为30°,则椭圆C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意可得P,因为直线OP的倾斜角为30°,所以==tan 30°,所以e=.故选B.
2.(2018·东阳调研)椭圆ax2+by2=1(a>0,b>0)与直线y=1-x交于A,B两点,过原点与线段AB中点的直线的斜率为,则的值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 设A(x1,y1),B(x2,y2),
则ax+by=1,ax+by=1,
两式相减得ax-ax=-(by-by),
即=-1,∴×(-1)×=-1,
∴=,故选B.
3.(2019·德阳模拟)设点P为椭圆C:+=1上一点,F1,F2分别是椭圆C的左、右焦点,且△PF1F2的重心为点G,如果|PF1|∶|PF2|=3∶4,那么△GPF1的面积为( )
A.24 B.12
C.8 D.6
解析:选C ∵点P为椭圆C:+=1上一点,
|PF1|∶|PF2|=3∶4,|PF1|+|PF2|=2a=14,
∴|PF1|=6,|PF2|=8.
又∵|F1F2|=2c=10,
∴△PF1F2是直角三角形,
S△PF1F2=|PF1|·|PF2|=24,
∵△PF1F2的重心为G,
∴S△PF1F2=3S△GPF1,
∴△GPF1的面积为8,故选C.
4.(2017·全国卷Ⅰ)设A,B是椭圆C:+=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.(0,1]∪[9,+∞) B.(0, ]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞) D.(0, ]∪[4,+∞)
解析:选A 当0<m<3时,焦点在x轴上,
要使C上存在点M满足∠AMB=120°,
则≥tan 60°=,即≥,
解得0<m≤1.
当m>3时,焦点在y轴上,
要使C上存在点M满足∠AMB=120°,
则≥tan 60°=,即≥,解得m≥9.
故m的取值范围为(0,1]∪[9,+∞).
5.如图,已知椭圆C的中心为原点O,F(-2,0)为C的左焦点,P为C上一点,满足|OP|=|OF|,且|PF|=4,则椭圆C的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选B 设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0),焦距为2c,右焦点为F′,连接PF′,如图所示.因为F(-2,0)为C的左焦点,所以c=2.由|OP|=|OF|=|OF′|知,∠FPF′=90°,即FP⊥PF′.在Rt△PFF′中,由勾股定理,得|PF′|===8.由椭圆定义,得|PF|+|PF′|=2a=4+8=12,所以a=6,a2=36,于是b2=a2-c2=36-(2)2=16,所以椭圆C的方程为+=1.
6.(2018·达州模拟)以圆x2+y2=4与x轴的交点为焦点,以抛物线y2=10x的焦点为一个顶点且中心在原点的椭圆的离心率是( )
A. B.
C. D.
解析:选C 根据题意,圆x2+y2=4与x轴的交点为(±2,0),抛物线y2=10x的焦点为,即椭圆的焦点为(±2,0),椭圆的一个顶点为,则椭圆中c=2,a=,则椭圆的离心率e===.
7.(2019·温州模拟)设F1,F2为椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,经过F1的直线交椭圆C于A,B两点,若△F2AB是面积为4的等边三角形,则椭圆C的方程为________________.
解析:由题意知|AF2|=|BF2|=|AB|=|AF1|+|BF1|, ①又由椭圆的定义知|AF2|+|AF1|=|BF2|+|BF1|=2a, ②联立①②,解得|AF2|=|BF2|=|AB|=a,|AF1|=|BF1|=a,所以S△F2AB=|AB|·|AF2|sin 60°=4,所以a=3,|F1F2|=|AB|=2,所以c=,所以b2=a2-c2=6,所以椭圆C的方程为+=1.
答案:+=1
8.已知△ABC的顶点A(-3,0)和顶点B(3,0),顶点C在椭圆+=1上,则=________.
解析:由椭圆+=1知长轴长为10,短轴长为8,焦距为6,则顶点A,B为椭圆的两个焦点.在△ABC中,设△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,则c=|AB|=6,a+b=|BC|+|AC|=10,由正弦定理可得===3.
答案:3
9.(2018·新乡一模)已知直线l:y=2x-2与椭圆Ω:+=1(m≠0)交于A,B两点.
(1)求Ω的离心率;
(2)若以线段AB为直径的圆C经过坐标原点,求Ω的方程及圆C的标准方程.
解:(1)e= = = =.
(2)由得17x2-32x+16-4m2=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则Δ=322-68(16-4m2)>0,
x1+x2=,x1x2=.
由已知得OA·OB=x1x2+y1y2=x1x2+4(x1-1)(x2-1)=5x1x2-4(x1+x2)+4=0,
即5×-4×+4=0,
解得m2=1,且满足Δ=322-68(16-4m2)>0,
故Ω的方程为+y2=1.
设圆C的圆心坐标为(x0,y0),
则x0==,y0=2(x0-1)=-.
由x1x2==,
得|AB|=·=.
故圆C的标准方程为(x-x0)2+(y-y0)2=2,
即2+2=.
10.(2018·天津高考)设椭圆+=1(a>b>0)的右顶点为A,上顶点为B,已知椭圆的离心率为,|AB|=.
(1)求椭圆的方程.
(2)设直线l:y=kx(k<0)与椭圆交于P,Q两点,l与直线AB交于点M,且点P,M均在第四象限.若△BPM的面积是△BPQ面积的2倍,求k的值.
解:(1)设椭圆的焦距为2c,由已知有=,
又由a2=b2+c2,可得2a=3b.
又|AB|==,从而a=3,b=2.
所以椭圆的方程为+=1.
(2)设点P的坐标为(x1,y1),点M的坐标为(x2,y2),
由题意知,x2>x1>0,点Q的坐标为(-x1,-y1).
因为△BPM的面积是△BPQ面积的2倍,
所以|PM|=2|PQ|,
所以x2-x1=2[x1-(-x1)],即x2=5x1.
易知直线AB的方程为2x+3y=6,
由方程组消去y,可得x2=.
由方程组消去y,可得x1= .
由x2=5x1,可得=5(3k+2),
两边平方,整理得18k2+25k+8=0,
解得k=-或k=-.
当k=-时,x2=-9<0,不合题意,舍去;
当k=-时,x2=12,x1=,符合题意.
所以k的值为-.
三上台阶,自主选做志在冲刺名校
1.(2018·绍兴一中质检)已知直线l:y=kx+2过椭圆+=1(a>b>0)的上顶点B和左焦点F,且被圆x2+y2=4截得的弦长为L,若L≥,则椭圆离心率e的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析:选B 依题意,知b=2,kc=2.
设圆心到直线l的距离为d,则L=2≥,
解得d2≤.又因为d=,所以≤,
解得k2≥.
于是e2===,所以0<e2≤,
解得0<e≤.
2.(2018·杭州模拟)已知中心在原点,焦点在x轴上,离心率为的椭圆过点.
(1)求椭圆的方程;
(2)设不过原点O的直线l,与该椭圆交于P,Q两点,直线OP,PQ,OQ的斜率依次为k1,k(k≠0),k2,满足k1,2k,k2依次成等差数列,求△OPQ面积的取值范围.
解:(1)由题意可设椭圆方程为+=1(a>b>0),
则解得所以椭圆的方程为+y2=1.
(2)由题意可知,直线l的斜率存在且不为0,
故可设直线l的方程为 y=kx+m (m≠0),P(x1,y1),Q(x2,y2),由消去y,
得(1+4k2)x2+8kmx+4(m2-1)=0,
则Δ=64k2m2-16(1+4k2)(m2-1)=16(4k2-m2+1)>0,
且x1+x2=,x1x2=.
因为k1,2k,k2依次成等差数列,
所以k1+k2=4k,即+=4k,
所以=2k,即=2k,解得m2=.
所以|PQ|=|x1-x2|=·=·,O到直线PQ的距离d=,
所以S△OPQ=·d·|PQ|=.
令=t,t>1,
则S△OPQ==,
因为t>1时,t+>2,
所以0<<1,
所以△OPQ面积的取值范围为(0,1).
1.椭圆的定义
平面内到两定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆.两定点F1,F2叫做椭圆的焦点.
集合P={M||MF1|+|MF2|=2a},|F1F2|=2c,其中a>0,c>0,且a,c为常数.
(1)当2a>|F1F2|时,P点的轨迹是椭圆;
(2)当2a=|F1F2|时,P点的轨迹是线段;
(3)当2a<|F1F2|时,P点不存在.
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
x∈[-a,a]
y∈[-b,b]
x∈[-b,b],
y∈[-a,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)
离心率
e=,且e∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
[小题体验]
1.(2018·全国卷Ⅰ)已知椭圆C:+=1的一个焦点为(2,0),则C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选C ∵a2=4+22=8,
∴a=2,∴e===.
2.已知椭圆的方程为+=1(m>0),若该椭圆的焦点在x轴上,则实数m的取值范围是________.
解析:由题可得,m2<16,因为m>0,所以0<m<4.故实数m的取值范围为(0,4).
答案:(0,4)
3.(教材习题改编)已知点P是椭圆+=1上y轴右侧的一点,且以点P及焦点F1,F2为顶点的三角形的面积等于1,则点P的坐标为________.
解析:设P(x,y),由题意知c2=a2-b2=5-4=1,
所以c=1,则F1(-1,0),F2(1,0),
由题意可得点P到x轴的距离为1,所以y=±1,
把y=±1代入+=1,得x=±,
又x>0,所以x=,
∴点P坐标为或.
答案:或
1.椭圆的定义中易忽视2a>|F1F2|这一条件,当2a=|F1F2|其轨迹为线段F1F2,当2a<|F1F2|不存在轨迹.
2.求椭圆的标准方程时易忽视判断焦点的位置,而直接设方程为+=1(a>b>0).
3.注意椭圆的范围,在设椭圆+=1(a>b>0)上点的坐标为P(x,y)时,|x|≤a,|y|≤b,这往往在求与点P有关的最值问题中特别有用,也是容易被忽略而导致求最值错误的原因.
[小题纠偏]
1.椭圆+=1的焦距为2,则m的值为( )
A.5 B.3
C.5或3 D.8
解析:选C 当m>4时,m-4=1,
∴m=5;当0<m<4时,4-m=1,
∴m=3,故m的值为5或3.
2.已知椭圆C:+=1的左、右焦点分别为F1,F2,椭圆C上的点A满足AF2⊥F1F2,若点P是椭圆C上的动点,则·的最大值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由椭圆方程知c==1,
所以F1(-1,0),F2(1,0).
因为椭圆C上点A满足AF2⊥F1F2,
则可设A(1,y0),代入椭圆方程可得y=,
所以y0=±.
设P(x1,y1),则=(x1+1,y1),=(0,y0),
所以·=y1y0.
因为点P是椭圆C上的动点,所以-≤y1≤,
故·的最大值为.
[题组练透]
1.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,
所求椭圆的标准方程为+=1.
2.(易错题)一个椭圆的中心在原点,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,则椭圆的标准方程为________________.
解析: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,
故椭圆方程为+=1.
答案:+=1
[谨记通法]
求椭圆标准方程的 2种常用方法
定义法
根据椭圆的定义,确定a2,b2的值,结合焦点位置可写出椭圆方程
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轴上两种情况讨论,也可设椭圆的方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B)
[典例引领]
1.设P是椭圆+=1上一点,M,N分别是两圆:(x+4)2+y2=1和(x-4)2+y2=1上的点,则|PM|+|PN|的最小值、最大值分别为( )
A.9,12 B.8,11
C.8,12 D.10,12
解析:选C 如图所示,因为两个圆心恰好是椭圆的焦点,由椭圆的定义可知|PF1|+|PF2|=10,易知|PM|+|PN|=(|PM|+|MF1|)+(|PN|+|NF2|)-2,则其最小值为|PF1|+|PF2|-2=8,
最大值为|PF1|+|PF2|+2=12.
2.F1,F2是椭圆+=1的两个焦点,A为椭圆上一点,且∠AF1F2=45°,则△AF1F2的面积为( )
A.7 B.
C. D.
解析:选C 由题意得a=3,b=,c=,
∴|F1F2|=2,|AF1|+|AF2|=6.
∵|AF2|2=|AF1|2+|F1F2|2-2|AF1|·|F1F2|cos 45°=|AF1|2-4|AF1|+8,
∴(6-|AF1|)2=|AF1|2-4|AF1|+8.
∴|AF1|=.
∴△AF1F2的面积
S=××2×=.
[由题悟法]
椭圆定义的应用技巧
求方程
通过对题设条件分析、转化后,能够明确动点P满足椭圆的定义,便可直接求解其轨迹方程
求焦点三角形
利用定义求焦点三角形的周长和面积.解决焦点三角形问题常利用椭圆的定义、正弦定理或余弦定理.其中|PF1|+|PF2|=2a两边平方是常用技巧
求最值
抓住|PF1|与|PF2|之和为定值,可联系到基本不等式求|PF1|·|PF2|的最值;利用定义|PF1|+|PF2|=2a转化或变形,借助三角形性质求最值
[即时应用]
1.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为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:选A 由题意及椭圆的定义知4a=4,则a=,又==,∴c=1,∴b2=2,∴C的方程为+=1,选A.
2.(2018·永康适应性测试)已知F1(-1,0),F2(1,0),且△PF1F2的周长为6,则动点P的轨迹C的方程为________.
解析:由F1(-1,0),F2(1,0),△PF1F2的周长为6,
得|PF1|+|PF2|=4>|F1F2|,∴点P的轨迹是F1,F2为焦点的椭圆(不包括左右顶点).∵2a=4,c=1,
∴a=2,b=,∴轨迹C的方程为+=1(y≠0).
答案:+=1(y≠0)
[锁定考向]
椭圆的几何性质是高考的热点,高考中多以小题出现,常见的命题角度有:
(1)求离心率的值或范围;
(2)根据椭圆的性质求参数的值或范围.
[题点全练]
角度一:求离心率的值或范围
1.(2018·全国卷Ⅱ)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( )
A.1- B.2-
C. D.-1
解析:选D 在Rt△PF1F2中,∠PF2F1=60°,
不妨设椭圆焦点在x轴上,且焦距|F1F2|=2,
则|PF2|=1,|PF1|=,
由椭圆的定义可知,方程+=1中,
2a=1+,2c=2,得a=,c=1,
所以离心率e===-1.
角度二:根据椭圆的性质求参数的值或范围
2.椭圆+=1上的一点P到两焦点的距离的乘积为m,则m的最大值为________.
解析:记椭圆的两个焦点分别为F1,F2,
则|PF1|+|PF2|=2a=10.
则m=|PF1|·|PF2|≤2=25,
当且仅当|PF1|=|PF2|=5时等号成立,
即点P位于椭圆的短轴的顶点处时,m取得最大值25.
答案:25
[通法在握]
1.应用椭圆几何性质的2个技巧
(1)与椭圆几何性质有关的问题要结合图形进行分析,即使画不出图形,思考时也要联想到一个图形.
(2)椭圆的范围或最值问题常常涉及一些不等式.例如-a≤x≤a,-b≤y≤b,0<e<1,在求椭圆的相关量的范围时,要注意应用这些不等关系.
2.求椭圆离心率的方法
(1)直接求出a,c的值,利用离心率公式直接求解.
(2)列出含有a,b,c的齐次方程(或不等式),借助于b2=a2-c2消去b,转化为含有e的方程(或不等式)求解.
[演练冲关]
1.(2018·瑞安期末)已知椭圆+=1(a>0)的一个焦点与抛物线y2=8x的焦点重合,则该椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题可得,抛物线的焦点坐标为(2,0),所以a2=12+4=16,所以a=4,所以离心率e===.
2.过椭圆+=1(a>b>0)的左焦点F1作x轴的垂线交椭圆于点P,F2为椭圆的右焦点,若∠F1PF2=60°,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意,可设P.
因为在Rt△PF1F2中,
|PF1|=,|F1F2|=2c,∠F1PF2=60°,
所以=.
又因为b2=a2-c2,
所以c2+2ac-a2=0,
即e2+2e-=0,
解得e=或e=-,
又因为e∈(0,1),所以e=.
3.(2018·温州十校联考)已知F1(-c,0),F2(c,0)为椭圆+=1(a>b>0)的两个焦点,P为椭圆上一点,且·=c2,则此椭圆离心率的取值范围是________.
解析:设P(x,y),则·=(-c-x,-y)·(c-x,-y)=x2-c2+y2=c2,①
将y2=b2-x2代入①式解得
x2==,
又x2∈[0,a2],
∴2c2≤a2≤3c2,
∴e=∈.
答案:
[典例引领]
(2018·浙江名校联考)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为 F1,F2,离心率为,直线y=1与C的两个交点间的距离为.
(1)求椭圆C的方程;
(2)分别过F1,F2作l1,l2满足l1∥l2,设l1,l2与C的上半部分分别交于A,B两点,求四边形ABF2F1面积的最大值.
解:(1)易知椭圆过点,所以+=1,①
又=,②
a2=b2+c2,③
由①②③得a2=4,b2=3,
所以椭圆C的方程为+=1.
(2)由(1)知F1(-1,0),F2(1,0),
设直线l1:x=my-1,它与椭圆C的另一个交点为D.
与椭圆C的方程联立,消去x,得(3m2+4)y2-6my-9=0,
则Δ=144(m2+1)>0,
|AD|=·,
又F2到l1的距离为d=,
所以S△ADF2=×|AD|×d=.
令t=≥1,则S△ADF2=,
因为y=3t+在[1,+∞)上单调递增,
所以当t=1时,S△ADF2取得最大值3.
又S四边形ABF2F1=·d
=(|AF1|+|DF1|)·d=|AB|·d=S△ADF2,
所以四边形ABF2F1面积的最大值为3.
[由题悟法]
1.直线与椭圆的位置关系的解题策略
(1)解决直线与椭圆的位置关系的相关问题,其常规思路是先把直线方程与椭圆方程联立,消元、化简,然后应用根与系数的关系建立方程,解决相关问题.涉及弦中点的问题常常用“点差法”解决,往往会更简单.
(2)设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2),则|AB|=
= (k为直线斜率).
2.直线与椭圆相交时的常见问题的处理方法
涉及问题
处理方法
弦长
根与系数的关系、弦长公式
(直线与椭圆有两交点)
中点弦或弦的中点
点差法(结果要检验)
[即时应用]
(2017·浙江新高考联盟)椭圆C1 :+=1(a>b>0)的右焦点与抛物线C2 :y2=2px(p>0)的焦点重合, 曲线C1与C2相交于点.
(1)求椭圆C1的方程;
(2)过右焦点F2的直线l(与x轴不重合)与椭圆C1交于A,C两点,线段AC的中点为G,连接OG并延长交椭圆C1于B点(O为坐标原点),求四边形OABC的面积S的最小值.
解:(1)∵点在y2=2px上,
∴=2×p×,解得p=2,
∴椭圆C1的右焦点为(1,0),
∴解得
∴椭圆C1的方程为+=1.
(2)设直线AC的方程为x=my+1,A(x1,y1),C(x2,y2),G(x0,y0),
联立消去x,
整理得(4+3m2)y2+6my-9=0,
则y1+y2=-,y1y2=.
由弦长公式可得|AC|=·|y1-y2|
=
=·
=.
由中点坐标公式可知,y0=-,
x0=my0+1=
∴G.
∴直线OG的方程为y=-x,代入+=1,整理得x2=,∴B,
故B到直线AC的距离d1==,
O到直线AC的距离d2=,
∴S=·|AC|·(d1+d2)=··=6× =6≥3,当且仅当m=0时取得最小值.
综上所述,四边形OABC的面积S的最小值是3.
一抓基础,多练小题做到眼疾手快
1.“2<m<6”是“方程+=1表示椭圆”的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
解析:选B 若方程+=1表示椭圆.
则有∴2<m<6且m≠4.
故“2<m<6”是“+=1表示椭圆”的必要不充分条件.
2.(2019·湖州一中月考)过点(,-),且与椭圆+=1有相同焦点的椭圆的标准方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选C 法一:椭圆+=1的焦点为(0,-4),(0,4),故c=4.
由椭圆的定义知,2a=+,解得a=2,
由c2=a2-b2,得b2=4.所以所求椭圆的标准方程为+=1,故选C.
法二:设所求椭圆方程为+=1(k<9),将点(,-)的坐标代入可得+=1,解得k=5或k=21(舍),所以所求椭圆的标准方程为+=1,故选C.
3.(2019·丽水质检)已知椭圆+=1的左、右焦点分别为F1,F2,过F2且垂直于长轴的直线交椭圆于A,B两点,则△ABF1内切圆的半径为( )
A. B.1
C. D.
解析:选D 法一:不妨设点A在点B上方,由题意知F2(1,0),将F2的横坐标代入方程+=1中,可得A点纵坐标为,故|AB|=3,所以内切圆半径r===(其中S为△ABF1的面积,C为△ABF1的周长).故选D.
法二:由椭圆的通径公式得|AB|==3,则S△ABF1=×2×3=3,而△ABF1的周长C周=4a=8,由S△ABF1=C周·r得r=,故选D.
4.(2018·长兴中学适应测试)已知椭圆C:+=1,则该椭圆的长轴长为________;焦点坐标为________.
解析:长轴长为2a=8,c2=16-9=7,所以c=,所以焦点坐标为(0,-)和(0,).
答案:8 (0,-)和(0,)
5.(2018·宁波五校联考)已知椭圆+=1(m>0)的左焦点为F1(-4,0),则m=________;离心率为________.
解析:因为椭圆的左焦点为F1(-4,0),所以25-m2=42,解得m=3.所以离心率为e==.
答案:3
二保高考,全练题型做到高考达标
1.(2018·丽水高三质检)已知椭圆C:+=1(a>b>0)与直线x=b在第一象限交于点P,若直线OP的倾斜角为30°,则椭圆C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意可得P,因为直线OP的倾斜角为30°,所以==tan 30°,所以e=.故选B.
2.(2018·东阳调研)椭圆ax2+by2=1(a>0,b>0)与直线y=1-x交于A,B两点,过原点与线段AB中点的直线的斜率为,则的值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 设A(x1,y1),B(x2,y2),
则ax+by=1,ax+by=1,
两式相减得ax-ax=-(by-by),
即=-1,∴×(-1)×=-1,
∴=,故选B.
3.(2019·德阳模拟)设点P为椭圆C:+=1上一点,F1,F2分别是椭圆C的左、右焦点,且△PF1F2的重心为点G,如果|PF1|∶|PF2|=3∶4,那么△GPF1的面积为( )
A.24 B.12
C.8 D.6
解析:选C ∵点P为椭圆C:+=1上一点,
|PF1|∶|PF2|=3∶4,|PF1|+|PF2|=2a=14,
∴|PF1|=6,|PF2|=8.
又∵|F1F2|=2c=10,
∴△PF1F2是直角三角形,
S△PF1F2=|PF1|·|PF2|=24,
∵△PF1F2的重心为G,
∴S△PF1F2=3S△GPF1,
∴△GPF1的面积为8,故选C.
4.(2017·全国卷Ⅰ)设A,B是椭圆C:+=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.(0,1]∪[9,+∞) B.(0, ]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞) D.(0, ]∪[4,+∞)
解析:选A 当0<m<3时,焦点在x轴上,
要使C上存在点M满足∠AMB=120°,
则≥tan 60°=,即≥,
解得0<m≤1.
当m>3时,焦点在y轴上,
要使C上存在点M满足∠AMB=120°,
则≥tan 60°=,即≥,解得m≥9.
故m的取值范围为(0,1]∪[9,+∞).
5.如图,已知椭圆C的中心为原点O,F(-2,0)为C的左焦点,P为C上一点,满足|OP|=|OF|,且|PF|=4,则椭圆C的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选B 设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0),焦距为2c,右焦点为F′,连接PF′,如图所示.因为F(-2,0)为C的左焦点,所以c=2.由|OP|=|OF|=|OF′|知,∠FPF′=90°,即FP⊥PF′.在Rt△PFF′中,由勾股定理,得|PF′|===8.由椭圆定义,得|PF|+|PF′|=2a=4+8=12,所以a=6,a2=36,于是b2=a2-c2=36-(2)2=16,所以椭圆C的方程为+=1.
6.(2018·达州模拟)以圆x2+y2=4与x轴的交点为焦点,以抛物线y2=10x的焦点为一个顶点且中心在原点的椭圆的离心率是( )
A. B.
C. D.
解析:选C 根据题意,圆x2+y2=4与x轴的交点为(±2,0),抛物线y2=10x的焦点为,即椭圆的焦点为(±2,0),椭圆的一个顶点为,则椭圆中c=2,a=,则椭圆的离心率e===.
7.(2019·温州模拟)设F1,F2为椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,经过F1的直线交椭圆C于A,B两点,若△F2AB是面积为4的等边三角形,则椭圆C的方程为________________.
解析:由题意知|AF2|=|BF2|=|AB|=|AF1|+|BF1|, ①又由椭圆的定义知|AF2|+|AF1|=|BF2|+|BF1|=2a, ②联立①②,解得|AF2|=|BF2|=|AB|=a,|AF1|=|BF1|=a,所以S△F2AB=|AB|·|AF2|sin 60°=4,所以a=3,|F1F2|=|AB|=2,所以c=,所以b2=a2-c2=6,所以椭圆C的方程为+=1.
答案:+=1
8.已知△ABC的顶点A(-3,0)和顶点B(3,0),顶点C在椭圆+=1上,则=________.
解析:由椭圆+=1知长轴长为10,短轴长为8,焦距为6,则顶点A,B为椭圆的两个焦点.在△ABC中,设△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,则c=|AB|=6,a+b=|BC|+|AC|=10,由正弦定理可得===3.
答案:3
9.(2018·新乡一模)已知直线l:y=2x-2与椭圆Ω:+=1(m≠0)交于A,B两点.
(1)求Ω的离心率;
(2)若以线段AB为直径的圆C经过坐标原点,求Ω的方程及圆C的标准方程.
解:(1)e= = = =.
(2)由得17x2-32x+16-4m2=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),则Δ=322-68(16-4m2)>0,
x1+x2=,x1x2=.
由已知得OA·OB=x1x2+y1y2=x1x2+4(x1-1)(x2-1)=5x1x2-4(x1+x2)+4=0,
即5×-4×+4=0,
解得m2=1,且满足Δ=322-68(16-4m2)>0,
故Ω的方程为+y2=1.
设圆C的圆心坐标为(x0,y0),
则x0==,y0=2(x0-1)=-.
由x1x2==,
得|AB|=·=.
故圆C的标准方程为(x-x0)2+(y-y0)2=2,
即2+2=.
10.(2018·天津高考)设椭圆+=1(a>b>0)的右顶点为A,上顶点为B,已知椭圆的离心率为,|AB|=.
(1)求椭圆的方程.
(2)设直线l:y=kx(k<0)与椭圆交于P,Q两点,l与直线AB交于点M,且点P,M均在第四象限.若△BPM的面积是△BPQ面积的2倍,求k的值.
解:(1)设椭圆的焦距为2c,由已知有=,
又由a2=b2+c2,可得2a=3b.
又|AB|==,从而a=3,b=2.
所以椭圆的方程为+=1.
(2)设点P的坐标为(x1,y1),点M的坐标为(x2,y2),
由题意知,x2>x1>0,点Q的坐标为(-x1,-y1).
因为△BPM的面积是△BPQ面积的2倍,
所以|PM|=2|PQ|,
所以x2-x1=2[x1-(-x1)],即x2=5x1.
易知直线AB的方程为2x+3y=6,
由方程组消去y,可得x2=.
由方程组消去y,可得x1= .
由x2=5x1,可得=5(3k+2),
两边平方,整理得18k2+25k+8=0,
解得k=-或k=-.
当k=-时,x2=-9<0,不合题意,舍去;
当k=-时,x2=12,x1=,符合题意.
所以k的值为-.
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1.(2018·绍兴一中质检)已知直线l:y=kx+2过椭圆+=1(a>b>0)的上顶点B和左焦点F,且被圆x2+y2=4截得的弦长为L,若L≥,则椭圆离心率e的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析:选B 依题意,知b=2,kc=2.
设圆心到直线l的距离为d,则L=2≥,
解得d2≤.又因为d=,所以≤,
解得k2≥.
于是e2===,所以0<e2≤,
解得0<e≤.
2.(2018·杭州模拟)已知中心在原点,焦点在x轴上,离心率为的椭圆过点.
(1)求椭圆的方程;
(2)设不过原点O的直线l,与该椭圆交于P,Q两点,直线OP,PQ,OQ的斜率依次为k1,k(k≠0),k2,满足k1,2k,k2依次成等差数列,求△OPQ面积的取值范围.
解:(1)由题意可设椭圆方程为+=1(a>b>0),
则解得所以椭圆的方程为+y2=1.
(2)由题意可知,直线l的斜率存在且不为0,
故可设直线l的方程为 y=kx+m (m≠0),P(x1,y1),Q(x2,y2),由消去y,
得(1+4k2)x2+8kmx+4(m2-1)=0,
则Δ=64k2m2-16(1+4k2)(m2-1)=16(4k2-m2+1)>0,
且x1+x2=,x1x2=.
因为k1,2k,k2依次成等差数列,
所以k1+k2=4k,即+=4k,
所以=2k,即=2k,解得m2=.
所以|PQ|=|x1-x2|=·=·,O到直线PQ的距离d=,
所以S△OPQ=·d·|PQ|=.
令=t,t>1,
则S△OPQ==,
因为t>1时,t+>2,
所以0<<1,
所以△OPQ面积的取值范围为(0,1).
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