第四节椭 圆
本节主要包括2个知识点:
1.椭圆的定义和标准方程; 2.椭圆的几何性质
突破点(一) 椭圆的定义和标准方程
基础联通 抓主干知识的“源”与“流”
1.椭圆的定义
平面内与两个定点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ab>0)上一点P(x0,y0)(y0≠0)和焦点F1(-c,0),F2(c,0)为顶点的△PF1F2中,若∠F1PF2=θ,则
(1)|PF1|+|PF2|=2a.
(2)4c2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|·cos θ.
(3)S△PF1F2=|PF1||PF2|·sin θ,当|y0|=b,即P为短轴端点时,S△PF1F2取最大值,为bc.
(4)焦点三角形的周长为2(a+c).
[例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] 由椭圆的方程得a=.设椭圆的另一个焦点为F,则由椭圆的定义得|BA|+|BF|=|CA|+|CF|=2a,所以△ABC的周长为|BA|+|BC|+|CA|=|BA|+|BF|+|CF|+|CA|=(|BA|+|BF|)+(|CF|+|CA|)=2a+2a=4a=4.
[答案] C
求椭圆的标准方程
求椭圆标准方程的两种方法
(1)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.
(2)待定系数法.这种方法是求椭圆方程的常用方法,一般步骤是:
[例2] (1)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
(2)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,则椭圆的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
[解析] (1)由题意及椭圆的定义知4a=4,则a=,
又e===,
所以c=1,则b2=2,
故C的方程为+=1.
(2)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,则=,又c2=a2-b2,联立得a2=8,b2=6,故椭圆方程为+=1.
[答案] (1)A (2)A
[方法技巧]
待定系数法求椭圆方程的思路
求椭圆标准方程的基本方法是待定系数法,具体过程是先定形,再定量,即首先确定焦点所在位置,然后再根据条件建立关于a,b的方程组.如果焦点位置不确定,要考虑是否有两解,有时为了解题方便,也可把椭圆方程设为mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)的形式.
能力练通 抓应用体验的“得”与“失”
1.已知椭圆C:+=1,M,N是坐标平面内的两点,且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|=( )
A.4 B.8 C.12 D.16
解析:选B 设MN的中点为D,椭圆C的左、右焦点分别为F1,F2,如图,连接DF1,DF2,因为F1是MA的中点,D是MN的中点,所以F1D是△MAN的中位线,则|DF1|=|AN|,同理|DF2|=|BN|,所以|AN|+|BN|=2(|DF1|+|DF2|),因为D在椭圆上,所以根据椭圆的定义知|DF1|+|DF2|=4,所以|AN|+|BN|=8.
2.(2017·浙江金丽衢十二校联考)若椭圆C:+=1的焦点为F1,F2,点P在椭圆C上,且|PF1|=4,则∠F2PF1=( )
A. B.
C. D.
解析:选C 由题意得a=3,c=,则|PF2|=2a-|PF1|=2.在△F2PF1中,由余弦定理可得cos∠F2PF1==-.又∵∠F2PF1∈(0,π),∴∠F2PF1=.
3.已知中心在原点,焦点坐标为(0,±2)的椭圆被直线3x-y-2=0截得的弦的中点的横坐标为,则该椭圆的方程为________.
解析:根据题意可设椭圆的方程为+=1(a>b>0),联立直线与椭圆方程可得,(9b2+a2)x2-12b2x+4b2-a2b2=0,则可得弦的中点的横坐标为,即=,又a2-b2=24,解得a2=27,b2=3,所以椭圆的方程为+=1.
答案:+=1
4.已知椭圆的焦点在x轴上,一个顶点为A(0,-1),其右焦点到直线x-y+2=0的距离为3,则椭圆的方程为________.
解析:据题意知b=1,故可设椭圆方程为+y2=1.设右焦点为(c,0)(c>0),它到已知直线的距离为=3,解得c=,所以a2=b2+c2=3,故椭圆的方程为+y2=1.
答案:+y2=1
5.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在第二象限,∠F2F1P=120°,求△PF1F2的面积.
解:(1)依题意得,c=1,|F1F2|=2.
∵2|F1F2|=|PF1|+|PF2|,
∴|PF1|+|PF2|=4=2a,∴a=2,则b2=3.
∵椭圆焦点在x轴上,
∴所求椭圆的方程为+=1.
(2)设P点坐标为(x,y),x0,∵∠F2F1P=120°,
∴PF1所在直线的方程为y=-(x+1).
则解方程组可得
∴S△PF1F2=|F1F2|×=.
突破点(二) 椭圆的几何性质
基础联通 抓主干知识的“源”与“流”
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:(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)
离心率
e=,且e∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
考点贯通 抓高考命题的“形”与“神”
求椭圆的离心率
椭圆的离心率是一个重要的基本量,在椭圆中有着极其特殊的作用,也是高考常考的知识点,主要考查两类问题:一是求椭圆的离心率;二是求椭圆离心率的取值范围.求解方法有以下三种:
(1)直接求出a,c来求解e.通过已知条件列方程组,解出a,c的值.
(2)构造a,c的齐次式,解出e.由已知条件得出关于a,c的二元齐次方程,然后转化为关于离心率e的一元二次方程求解.
(3)通过取特殊值或特殊位置,求出离心率.
[例1] (2016·江苏高考)如图,在平面直角坐标系xOy中,F是椭圆+=1(a>b>0)的右焦点,直线y=与椭圆交于B,C两点,且∠BFC=90°,则该椭圆的离心率是________.
[解析] 将y=代入椭圆的标准方程,得+=1,
所以x=±a,故B,C.
又因为F(c,0),所以=,=c-a,-.
因为∠BFC=90°,所以·=0,
所以+2=0,
即c2-a2+b2=0,将b2=a2-c2代入并化简,得a2=c2,所以e2==,
所以e=(负值舍去).
[答案]
[易错提醒]
在解关于离心率e的二次方程时,要注意利用椭圆的离心率e∈(0,1)进行根的取舍,否则将产生增根.
依据椭圆性质求值或范围(最值)
与椭圆有关的最值或取值范围问题的求解方法主要有以下几种:
(1)利用数形结合、几何意义,尤其是椭圆的性质,求最值或取值范围.
(2)利用函数,尤其是二次函数求最值或取值范围.
(3)利用不等式,尤其是基本不等式求最值或取值范围.
(4)利用一元二次方程的判别式求最值或取值范围.
[例2] 已知动点P(x,y)在椭圆+=1上,若A点的坐标为(3,0),M为平面内一点,||=1,且·=0,则||的最小值为________.
[解析] 由||=1,A(3,0),知点M在以A(3,0)为圆心,1为半径的圆上运动,
∵·=0且P在椭圆上运动,∴PM⊥AM,
即PM为圆A的切线,连接PA(如图),
则||==,
∴当||min=a-c=5-3=2时,||min=.
[答案]
[易错提醒]
求解与椭圆几何性质有关的参数问题时,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,要理清它们之间的关系.
能力练通 抓应用体验的“得”与“失”
1.设F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,点P在椭圆C上,若线段PF1的中点在y轴上,∠PF1F2=30°,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选A 如图,设PF1的中点为M,连接PF2.因为O为F1F2的中点,所以OM为△PF1F2的中位线.所以OM∥PF2,所以∠PF2F1=∠MOF1=90°.因为∠PF1F2=30°,所以|PF1|=2|PF2|,|F1F2|=|PF2|.由椭圆定义得2a=|PF1|+|PF2|=3|PF2|,即a=,2c=|F1F2|=|PF2|,即c=,则e==·=.
2. [考点一]设F1,F2分别是椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点,M为直线y=2b上的一点,△F1MF2是等边三角形,则椭圆C的离心率为( )
A. B.
C. D.
解析:选C 因为△F1MF2是等边三角形,故M(0,2b),|MF1|=|F1F2|,即=2c,即4b2+c2=4c2,又b2=a2-c2,所以4(a2-c2)+c2=4c2,即4a2=7c2,则e2==,故e=(负值舍去),故选C.
3.已知点F1,F2分别是椭圆x2+2y2=2的左、右焦点,点P是该椭圆上的一个动点,那么|+|的最小值是( )
A.0 B.1
C.2 D.2
解析:选C 设P(x0,y0),由题可知F1(-1,0),F2(1,0),则=(-1-x0,-y0),=(1-x0,-y0),∴+=(-2x0,-2y0),∴|+|==2=2.∵点P在椭圆上,∴0≤y≤1,∴当y=1时,|+|取最小值为2.
4.如图,圆O与离心率为的椭圆T:+=1(a>b>0)相切于点M(0,1),过点M引两条互相垂直的直线l1,l2,两直线与两曲线分别交于点A,C与点B,D(均不重合).若P为椭圆上任一点,记点P到两直线的距离分别为d1,d2,则d+d的最大值是( )
A.4 B.5
C. D.
解析:选C 易知椭圆C的方程为+y2=1,圆O的方程为x2+y2=1,设P(x0,y0),因为l1⊥l2,则d+d=PM2=x+(y0-1)2,因为+y=1,所以d+d=4-4y+(y0-1)2=-32+,因为-1≤y0≤1,所以当y0=-时,d+d取得最大值,此时点P.
5.已知焦点在x轴上的椭圆C:+y2=1(a>0),过右焦点作垂直于x轴的直线交椭圆于A,B两点,且|AB|=1,则该椭圆的离心率为________.
解析:因为椭圆+y2=1(a>0)的焦点在x轴上,所以c=,又过右焦点且垂直于x轴的直线为x=c,将其代入椭圆方程中,得+y2=1,则y=± ,又|AB|=1,所以2=1,得=,所以该椭圆的离心率e==(负值舍去).
答案:
[全国卷5年真题集中演练——明规律]
1.(2016·全国乙卷)直线l经过椭圆的一个顶点和一个焦点,若椭圆中心到l的距离为其短轴长的,则该椭圆的离心率为( )
A. B. C. D.
解析:选B 不妨设直线l经过椭圆的一个顶点B(0,b)和一个焦点F(c,0),则直线l
的方程为+=1,即bx+cy-bc=0.由题意知=×2b,又a2=b2+c2,所以=,即e=.故选B.
2.(2016·全国丙卷)已知O为坐标原点,F是椭圆C:+=1(a>b>0)的左焦点,A,B分别为C的左、右顶点.P为C上一点,且PF⊥x轴.过点A的直线l与线段PF交于点M,与y轴交于点E.若直线BM经过OE的中点,则C的离心率为( )
A. B. C. D.
解析:选A 如图所示,由题意得A(-a,0),B(a,0),F(-c,0).设E(0,m),
由PF∥OE,得=,
则|MF|=.①
又由OE∥MF,得=,
则|MF|=. ②
由①②得a-c=(a+c),即a=3c,
所以e==.故选A.
3.(2013·新课标全国卷Ⅰ)已知椭圆E:+=1(a>b>0)的右焦点为F(3,0),过点F的直线交E于A,B两点.若AB的中点坐标为(1,-1),则E的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选D 因为直线AB过点F(3,0)和点(1,-1),所以直线AB的方程为y=(x-3),代入椭圆方程+=1消去y,得x2-a2x+a2-a2b2=0,所以AB的中点的横坐标为=1,即a2=2b2,又a2=b2+c2,所以b2=9,a2=18,即E的方程为+=1.
4.(2012·新课标全国卷)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:选C 由题意可得|PF2|=|F1F2|,∠PF2x=2∠PF1F2=60°,所以2=2c,所以3a=4c,所以e==.
[课时达标检测] 重点保分课时——一练小题夯双基,二练题点过高考
[练基础小题——强化运算能力]
1.已知椭圆+=1(m>0)的左焦点为F1(-4,0),则m=( )
A.2 B.3 C.4 D.9
解析:选B 由左焦点为F1(-4,0)知c=4.又a=5,所以25-m2=16,解得m=3或-3.又m>0,故m=3.
2.在平面直角坐标系xOy内,动点P到定点F(-1,0)的距离与P到定直线x=-4的距离的比值为.则动点P的轨迹C的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选B 设点P(x,y),由题意知=,化简得3x2+4y2=12,所以动点P的轨迹C的方程为+=1,故选B.
3.已知椭圆C的中心为原点,焦点F1,F2在y轴上,离心率为,过点F2的直线交椭圆C于M,N两点,且△MNF1的周长为8,则椭圆C的焦距为( )
A.4 B.2 C.2 D.2
解析:选C 由题意得|MF1|+|NF1|+|MN|=|MF1|+|NF1|+|MF2|+|NF2|=(|MF1|+|MF2|)+(|NF1|+|NF2|)=2a+2a=8,解得a=2,又e==,故c=,即椭圆C的焦距为2,故选C.
4.如图,椭圆+=1的左、右焦点分别为F1,F2,点P在椭圆上,若|PF1|=4,∠F1PF2=120°,则a的值为( )
A.2 B.3 C.4 D.5
解析:选B 由题可知b2=2,则c=,故|F1F2|=2,又|PF1|=4,|PF1|+|PF2|=2a,则|PF2|=2a-4,由余弦定理得cos 120°==-,化简得8a=24,即a=3,故选B.
5.椭圆+=1(a>b>0)的离心率为,短轴长为4,则椭圆的方程为________.
解析:由题意可知e==,2b=4,得b=2,
∴解得
∴椭圆的标准方程为+=1.
答案:+=1
[练常考题点——检验高考能力]
一、选择题
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,则椭圆C的方程是( )
A.+=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
解析:选D 依题意,设椭圆方程为+=1(a>b>0),所以解得a2=9,b2=8.故椭圆C的方程为+=1.
2.椭圆+=1(a>b>0)的左、右顶点分别为A,B,左、右焦点分别为F1,F2,若|AF1|,|F1F2|,|F1B|成等差数列,则此椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.-2
解析:选A 由题意可得2|F1F2|=|AF1|+|F1B|,即4c=a-c+a+c=2a,故e==.
3.已知圆C1:x2+2cx+y2=0,圆C2:x2-2cx+y2=0,椭圆C:+=1(a>b>0),若圆C1,C2都在椭圆内,则椭圆离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析:选B 圆C1,C2都在椭圆内等价于圆C2的右顶点(2c,0),上顶点(c,c)在椭圆内部,∴只需又b2=a2-c2,∴0<≤.即椭圆离心率的取值范围是
4.已知椭圆+=1(a>b>0)上的动点到焦点的距离的最小值为-1.以原点为圆心、椭圆的短半轴长为半径的圆与直线x-y+=0相切,则椭圆C的方程为( )
A.+=1 B.+=1
C.+y2=1 D.+=1
解析:选C 由题意知a-c=-1,又b==1,由得a2=2,b2=1,故c2=1,椭圆C的方程为+y2=1,故选C.
5.已知椭圆E:+=1(a>b>0)的右焦点为F,短轴的一个端点为M,直线l:3x-4y=0交椭圆E于A,B两点.若|AF|+|BF|=4,点M到直线l的距离不小于,则椭圆E的离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
解析:选A 根据椭圆的对称性及椭圆的定义可得A,B两点到椭圆左、右焦点的距离和为4a=2(|AF|+|BF|)=8,所以a=2.又d=≥,所以1≤b<2,所以e=== .因为1≤b<2,所以0<e≤.
6.已知F1,F2为椭圆C:+=1的左、右焦点,点E是椭圆C上的动点, ·的最大值、最小值分别为( )
A.9,7 B.8,7
C.9,8 D.17,8
解析:选B 由题意可知椭圆的左、右焦点坐标分别为F1(-1,0),F2(1,0),设E(x,y),则=(-1-x,-y),=(1-x,-y),·=x2-1+y2=x2-1+8-x2=x2+7(-3≤x≤3),所以当x=0时,·有最小值7,当x=±3时,·有最大值8,故选B.
二、填空题
7.若椭圆的方程为+=1,且此椭圆的焦距为4,则实数a=________.
解析:由题可知c=2.①当焦点在x轴上时,10-a-(a-2)=22,解得a=4.②当焦点在y轴上时,a-2-(10-a)=22,解得a=8.故实数a=4或8.
答案:4或8
8.点P是椭圆+=1上一点,F1,F2是椭圆的两个焦点,且△PF1F2的内切圆半径为1,当P在第一象限时,P点的纵坐标为______.
解析:由题意知,|PF1|+|PF2|=10,|F1F2|=6,S△PF1F2=(|PF1|+|PF2|+|F1F2|)×1=|F1F2|·yP=3yP=8,所以yP=.
答案:
9.已知椭圆+=1(a>b>0)的离心率等于,其焦点分别为A,B.C为椭圆上异于长轴端点的任意一点,则在△ABC中,的值等于________.
解析:在△ABC中,由正弦定理得=,因为点C在椭圆上,所以由椭圆定义知|CA|+|CB|=2a,而|AB|=2c,所以===3.
答案:3
10.如图,椭圆的中心在坐标原点O,顶点分别是A1,A2,B1,B2,焦点分别为F1,F2,延长B1F2与A2B2交于P点,若∠B1PA2为钝角,则此椭圆的离心率的取值范围为________.
解析:设椭圆的方程为+=1(a>b>0),∠B1PA2为钝角可转化为,所夹的角为钝角,则(a,-b)·(-c,-b)<0,即b2<ac,则a2-c2<ac,故
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(c,a)))2+-1>0,即e2+e-1>0,e>或e<,又0<e<1,所以<e<1.
答案:
三、解答题
11.如图,在平面直角坐标系xOy中,F1,F2分别是椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点,顶点B的坐标为(0,b),连接BF2并延长交椭圆于点A,过点A作x轴的垂线交椭圆于另一点C,连接F1C.
(1)若点C的坐标为,且BF2=,求椭圆的方程;
(2)若F1C⊥AB,求椭圆离心率e的值.
解:设椭圆的焦距为2c,则F1(-c,0),F2(c,0).
(1)因为B(0,b),所以BF2==a.
又BF2=,故a=,即a2=2.
因为点C在椭圆上,所以+=1,解得b2=1.
故所求椭圆的方程为+y2=1.
(2)因为B(0,b),F2(c,0)在直线AB上,
所以直线AB的方程为+=1.
解方程组得
所以点A的坐标为.
又AC垂直于x轴,由椭圆的对称性,可得点C的坐标为.
因为直线F1C的斜率为=,直线AB的斜率为-,且F1C⊥AB,所以·=-1.结合b2=a2-c2,整理得a2=5c2.故e2=.因此e=(负值舍去).
12.已知椭圆E:+=1(a>b>0)的半焦距为c,原点O到经过两点(
c,0),(0,b)的直线的距离为c.
(1)求椭圆E的离心率;
(2)如图,AB是圆M:(x+2)2+(y-1)2=的一条直径,若椭圆E经过A,B两点,求椭圆E的方程.
解:(1)过点(c,0),(0,b)的直线方程为bx+cy-bc=0,
则原点O到该直线的距离d==,
由d=c,得a=2b=2,解得离心率e==.
(2)由(1)知,椭圆E的方程为x2+4y2=4b2.①
依题意,圆心M(-2,1)是线段AB的中点,且|AB|=.
易知,AB与x轴不垂直,设其方程为y=k(x+2)+1,代入①得(1+4k2)x2+8k(2k+1)x+4(2k+1)2-4b2=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=-,x1x2=.
由x1+x2=-4,得-=-4,解得k=.
从而x1x2=8-2b2.于是|AB|= |x1-x2|
= =
由|AB|=,得=,解得b2=3.
故椭圆E的方程为x2+4y2=12,即+=1.