备战2024年高考数学大一轮复习(人教A版-理)第九章 平面解析几何 第5节 椭圆 第一课时 椭圆及其性质
展开这是一份备战2024年高考数学大一轮复习(人教A版-理)第九章 平面解析几何 第5节 椭圆 第一课时 椭圆及其性质,共20页。试卷主要包含了椭圆的标准方程和几何性质,焦点三角形,焦点弦,已知F1,F2为椭圆C等内容,欢迎下载使用。
第5节 椭 圆
考试要求 1.了解椭圆的实际背景,了解椭圆在刻画现实世界和解决实际问题中的作用;2.掌握椭圆的定义、几何图形、标准方程及简单几何性质.
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.
其数学表达式: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: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
1.点P(x0,y0)和椭圆的位置关系
(1)点P(x0,y0)在椭圆内⇔+<1;
(2)点P(x0,y0)在椭圆上⇔+=1;
(3)点P(x0,y0)在椭圆外⇔+>1.
2.若点P在椭圆上,F为椭圆的一个焦点,则
(1)b≤|OP|≤a;
(2)a-c≤|PF|≤a+c.
3.焦点三角形:椭圆上的点P(x0,y0)与两焦点构成的△PF1F2叫作焦点三角形,r1=|PF1|,r2=|PF2|,∠F1PF2=θ,△PF1F2的面积为S,则在椭圆+=1(a>b>0)中:
(1)当r1=r2时,即点P的位置为短轴端点时,θ最大;
(2)S=b2tan =c|y0|,当|y0|=b时,即点P的位置为短轴端点时,S取最大值,最大值为bc.
4.焦点弦(过焦点的弦):焦点弦中通径(垂直于长轴的焦点弦)最短,弦长lmin=.
5.AB为椭圆+=1(a>b>0)的弦,A(x1,y1),B(x2,y2),弦中点M(x0,y0),则直线AB的斜率kAB=-.
1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)
(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)椭圆的离心率e越大,椭圆就越圆.( )
(3)椭圆是轴对称图形,也是中心对称图形.( )
(4)+=1(a>b>0)与+=1(a>b>0)的焦距相同.( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)√
解析 (1)由椭圆的定义知,当该常数大于|F1F2|时,其轨迹才是椭圆,而常数等于|F1F2|时,其轨迹为线段F1F2,常数小于|F1F2|时,不存在这样的图形.
(2)因为e===,所以e越大,则越小,椭圆就越扁.
2.(易错题)(2022·济南联考)“2
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
答案 B
解析 若方程+=1表示的曲线为椭圆,
则解得2
A.13 B.12 C.9 D.6
答案 C
解析 由椭圆C:+=1,得|MF1|+|MF2|=2×3=6,则|MF1|·|MF2|≤=32=9,当且仅当|MF1|=|MF2|=3时等号成立.
4.(2021·洛阳模拟)已知椭圆C:16x2+4y2=1,则下列结论正确的是( )
A.长轴长为 B.焦距为
C.短轴长为 D.离心率为
答案 D
解析 把椭圆方程16x2+4y2=1化为标准方程可得+=1,所以a=,b=,c=,则长轴长2a=1,焦距2c=,短轴长2b=,离心率e==.
5.(易错题)已知椭圆+=1(m>0)的离心率e=,则m的值为________.
答案 3或
解析 若a2=5,b2=m,则c=.
由=,即=,解得m=3.
若a2=m,b2=5,则c=.
由=,即=,解得m=.
综上,m=3或.
6.(2021·全国甲卷)已知F1,F2为椭圆C:+=1的两个焦点,P,Q为C上关于坐标原点对称的两点,且|PQ|=|F1F2|,则四边形PF1QF2的面积为________.
答案 8
解析 根据椭圆的对称性及|PQ|=|F1F2|可以得到四边形PF1QF2为对角线相等的平行四边形,所以四边形PF1QF2为矩形.
设|PF1|=m,则|PF2|=2a-|PF1|=8-m,则|PF1|2+|PF2|2=m2+(8-m)2=2m2+64-16m=|F1F2|2=4c2=4(a2-b2)=48,得m(8-m)=8,所以四边形PF1QF2的面积为|PF1|·|PF2|=m(8-m)=8.
第一课时 椭圆及其性质
考点一 椭圆的定义及其应用
1.如图,圆O的半径为定长r,A是圆O内一个定点,P是圆上任意一点,线段AP的垂直平分线l和半径OP相交于点Q,当点P在圆上运动时,点Q的轨迹是( )
A.椭圆 B.双曲线 C.抛物线 D.圆
答案 A
解析 连接QA(图略).
由已知得|QA|=|QP|,
所以|QO|+|QA|=|QO|+|QP|=|OP|=r.
又因为点A在圆内,所以|OA|<|OP|,根据椭圆的定义,点Q的轨迹是以O,A为焦点,r为长轴长的椭圆.
2.(2022·合肥模拟)已知F是椭圆E:+=1(a>b>0)的左焦点,椭圆E上一点P(2,1)关于原点的对称点为Q,若△PQF的周长为4+2,则a-b=( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 根据椭圆的对称性及椭圆的定义可知,△PQF的周长为2a+2×=2a+2.
又△PQF的周长为4+2,
所以2a=4,解得a=2.
又点P(2,1)在椭圆上,
所以+=1,解得b=,
所以a-b=.
3.设点P为椭圆C:+=1(a>2)上一点,F1,F2分别为C的左、右焦点,且
∠F1PF2=60°,则△PF1F2的面积为________.
答案
解析 由题意知,c=.
又∠F1PF2=60°,|F1P|+|PF2|=2a,|F1F2|=2,
∴|F1F2|2=(|F1P|+|PF2|)2-2|F1P|·|PF2|-2|F1P|·|PF2|cos 60°
=4a2-3|F1P|·|PF2|=4a2-16,
∴|F1P|·|PF2|=,
∴S△PF1F2=|F1P|·|PF2|sin 60°
=××=.
4.已知F是椭圆5x2+9y2=45的左焦点,P是此椭圆上的动点,A(1,1)是一定点,则|PA|+|PF|的最大值为________,最小值为________.
答案 6+ 6-
解析 椭圆方程化为+=1,
设F1是椭圆的右焦点,则F1(2,0),
∴|AF1|=,
∴|PA|+|PF|=|PA|-|PF1|+6.
又-|AF1|≤|PA|-|PF1|≤|AF1|(当P,A,F1三点共线时等号成立),
∴6-≤|PA|+|PF|≤6+.
感悟提升 1.椭圆定义的应用主要有:判断平面内动点的轨迹是否为椭圆,求焦点三角形的周长、面积及弦长、最值和离心率等.
2.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.
考点二 椭圆的标准方程
例1 (1)已知椭圆C的焦点为F1(-1,0),F2(1,0),过F2的直线与C交于A,B两点.若|AF2|=2|F2B|,|AB|=|BF1|,则C的方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
(2)已知椭圆的中心在原点,以坐标轴为对称轴,且经过两点,(,),则椭圆方程为________.
(3)过点(,-),且与椭圆+=1有相同焦点的椭圆的标准方程为________.
答案 (1)B (2)+=1 (3)+=1
解析 (1)设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).连接F1A,
令|F2B|=m,则|AF2|=2m,|BF1|=3m.由椭圆的定义知,4m=2a,得m=,故|F2A|=a=|F1A|,则点A为椭圆C的上顶点或下顶点.如图,不妨设A(0,-b),由F2(1,0),=2,得B.
由点B在椭圆上,得+=1,
得a2=3,b2=a2-c2=2,椭圆C的方程为+=1.
(2)设椭圆方程为mx2+ny2=1(m,n>0,m≠n).
由
解得m=,n=,
∴椭圆方程为+=1.
(3)法一(待定系数法) 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(k=21舍去),
所以所求椭圆的标准方程为+=1.
法二(定义法) 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.
感悟提升 根据条件求椭圆方程的主要方法有:
(1)定义法:根据题目所给条件确定动点的轨迹满足椭圆的定义.
(2)待定系数法:根据题目所给的条件确定椭圆中的a,b.当不知焦点在哪一个坐标轴上时,一般可设所求椭圆的方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n),不必考虑焦点位置,用待定系数法求出m,n的值即可.
(3)椭圆系方程
①与+=1共焦点的椭圆系为+=1(k
训练1 (1)与椭圆+=1有相同离心率且经过点(,)的椭圆标准方程为______________.
(2)(2021·赣中南五校联考)已知椭圆C的中心在原点,焦点在坐标轴上,且经过点(0,),过其中一焦点且垂直于x轴的直线交椭圆C于A,B两点,若|AB|=1,则椭圆C的标准方程为( )
A.x2+=1 B.+y2=1
C.+=1 D.+=1
答案 (1)+=1或+=1 (2)C
解析 (1)若焦点在x轴上,设所求椭圆方程为+=a(a>0),
将点(,)代入,得a=2.
故所求椭圆的标准方程为+=1.
若焦点在y轴上,
设所求椭圆方程为+=λ(λ>0),
将点(,)代入,得λ=.
故所求椭圆方程为+=1.
(2)由题意知,椭圆C的焦点在x轴上,
设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0).
由椭圆C经过点(0,),得b=.
不妨设A(c,y1),
代入椭圆方程得+=1,解得y=,
所以|AB|==1,由此解得a=6,
所以椭圆C的标准方程为+=1.
考点三 椭圆的几何性质
角度1 椭圆的离心率
例2 (1)(2022·昆明诊断)已知F1,F2分别是椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点,M是椭圆短轴的端点,点N在椭圆上,若=3,则椭圆E的离心率为( )
A. B. C. D.
(2)(2021·兰州调研)设椭圆C:+=1(a>b>0)的左、右焦点分别是F1,F2,P是椭圆C上一点,且PF1与x轴垂直,直线PF2与椭圆C的另一个交点为Q.若直线PQ的斜率为-,则椭圆C的离心率为( )
A. B. C. D.
答案 (1)C (2)B
解析 (1)设M(0,b),F1(-c,0),F2(c,0),N(x,y),
因为=3,
所以(-c,-b)=3(c-x,-y),
所以代入椭圆方程并化简,
得e2+=1,解得e=.
(2)由题意知F1(-c,0),F2(c,0),
由PF1与x轴垂直,PQ的斜率为-,
可得P,
由kPQ=kPF2==-,
整理得=,即2c2+3ac-2a2=0,
得2e2+3e-2=0,解得e=或e=-2(舍去).
感悟提升 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,借助于b2=a2-c2消去b,转化为含有e的方程求解.
(3)利用公式e=求解.
角度2 与椭圆几何性质有关的最值范围问题
例3 (1)(2021·全国乙卷)设B是椭圆C:+=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( )
A. B. C. D.
(2)已知点A(0,2)及椭圆+y2=1上任意一点P,则|PA|的最大值是________.
答案 (1)C (2)
解析 (1)依题意,B(0,b),
设椭圆上一点P(x0,y0),
则|y0|≤b,+=1,可得x=a2-y,
则|PB|2=x+(y0-b)2
=x+y-2by0+b2
=-y-2by0+a2+b2
=-++a2+b2≤4b2.
因为当y0=-b时,|PB|2=4b2,
所以-≤-b,得2c2≤a2,
所以离心率e=≤.
(2)设P(x0,y0),则-2≤x0≤2,-1≤y0≤1,
∴|PA|2=x+(y0-2)2.
∵+y=1,
∴|PA|2=4(1-y)+(y0-2)2=-3y-4y0+8=-3+.
∵-1≤y0≤1,
∴当y0=-时,|PA|=,
即|PA|max=.
感悟提升 利用椭圆几何性质求值域或范围的思路
(1)将所求问题用椭圆上点的坐标表示,利用坐标范围构造函数或不等关系.
(2)将所求范围用a,b,c表示,利用a,b,c自身的范围、关系求范围.
训练2 (1)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,+∞)
(2)(2022·驻马店模拟)已知椭圆C:+=1(a>b>0)的一个焦点为F,点P是椭圆C上的一个动点,|PF|的最小值为-1,且存在点P,使得△OPF(点O为坐标原点)为正三角形,则椭圆C的离心率为________,焦距为________.
答案 (1)A (2)-1 4
解析 (1)①当焦点在x轴上,依题意得
0
综上,m的取值范围是(0,1]∪[9,+∞).
(2)不妨设F为椭圆C的右焦点,F1为椭圆C的左焦点,如图,连接PF1.
因为△OPF为等边三角形,
所以|OF|=|OF1|=|OP|=|PF|=c,
所以△F1PF是直角三角形,
所以|PF1|=c.
因为|PF|+|PF1|=c+c=2a,
所以e===-1.
因为|PF|的最小值为-1,
所以a-c=-1,
所以c=2,故椭圆C的焦距为4.
1.椭圆+=1的焦距为2,则m的值等于( )
A.5 B.3
C.5或3 D.8
答案 C
解析 由题意知椭圆焦距为2,即c=1,又满足关系式a2-b2=c2=1,故当a2=4时,m=b2=3;当b2=4时,m=a2=5.
2.(2022·西安模拟)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12,则C的方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案 D
解析 由题意可得=,4a=12,解得a=3,c=2,则b==,所以椭圆C的方程为+=1.
3.已知两圆C1:(x-4)2+y2=169,C2:(x+4)2+y2=9,动圆在圆C1内部且和圆C1相内切,和圆C2相外切,则动圆圆心M的轨迹方程为( )
A.-=1 B.+=1
C.-=1 D.+=1
答案 D
解析 设圆M的半径为r,
则|MC1|+|MC2|=(13-r)+(3+r)=16>8=|C1C2|,
所以M的轨迹是以C1,C2为焦点的椭圆,
且2a=16,2c=8,
所以a=8,c=4,b==4,
故所求动圆圆心M的轨迹方程为+=1.
4.已知椭圆C:+=1(a>b>0)的右焦点为F,过点F作圆x2+y2=b2的切线,若两条切线互相垂直,则椭圆C的离心率为( )
A. B. C. D.
答案 D
解析 如图,由题意可得,b=c,则2b2=c2,
即2(a2-c2)=c2,
则2a2=3c2,
∴=,即e==.
5.(2021·盐城调研)已知F1,F2为椭圆+=1的左、右焦点,P是椭圆上一点,若S△F1PF2=4,则∠F1PF2等于( )
A.30° B.45°
C.60° D.90°
答案 D
解析 由+=1,可得a=2,b=2,c==2.
设P(x1,y1)且y1>0,
所以S△F1PF2=|F1F2|·y1=×4×y1=4,解得y1=2,
此时点P的坐标为(0,2),
所以|PF1|=|PF2|=2.
又因为|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2,
所以∠F1PF2=90°.
6.设F1,F2分别是椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点,若在直线x=上存在点P,使线段PF1的中垂线过点F2,则椭圆离心率的取值范围是( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 设P,F1(-c,0),F2(c,0),
由线段PF1的中垂线过点F2
得|PF2|=|F1F2|,即=2c,
得m2=4c2-=-+2a2+3c2≥0,
即3c4+2a2c2-a4≥0,
得3e4+2e2-1≥0,解得e2≥.
又0
答案 +=1或+=1
解析 若焦点在x轴上,设所求椭圆方程为
+=t(t>0),将点(2,-)代入,得
t=+=2,
故所求椭圆的标准方程为+=1.
若焦点在y轴上,设方程为+=λ(λ>0)代入点(2,-),得λ=,
∴所求椭圆的标准方程为+=1.
8.(2021·皖北协作体联考)“天问一号”推开了我国行星探测的大门,通过一次发射,将实现火星环绕、着陆、巡视,是世界首创,也是我国真正意义上的首次深空探测.2021年2月10日,“天问一号”探测器顺利进入火星的椭圆环火轨道(将火星近似看成一个球体,球心为椭圆的一个焦点).2月15日17时,“天问一号”探测器成功实施捕获轨道“远火点(椭圆轨迹上距离火星表面最远的一点)平面机动”,同时将近火点高度调整至约265公里.若此时远火点距离约为11 945公里,火星半径约为3 400公里,则调整后“天问一号”的运行轨迹(环火轨道曲线)的离心率约为________(精确到0.1).
答案 0.6
解析 设椭圆的方程为+=1(a>b>0),由椭圆的性质可得椭圆上的点到焦点的距离的最小值为a-c,最大值为a+c,
根据题意可得近火点满足a-c=3 400+265=3 665,远火点满足a+c=3 400+11 945=15 345,
解得a=9 505,c=5 840,
所以椭圆的离心率为e==≈0.6.
9.已知椭圆+=1上的一点P到两焦点的距离的乘积为m,当m取最大值时,点P的坐标是________.
答案 (-3,0)或(3,0)
解析 记椭圆的两个焦点分别为F1,F2,
由题意知a=5,b=3,|PF1|+|PF2|=2a=10,
则m=|PF1|·|PF2|≤=25,当且仅当|PF1|=|PF2|=5,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.
所以点P的坐标为(-3,0)或(3,0).
10.已知椭圆的中心在原点,两焦点F1,F2在x轴上,且过点A(-4,3).若F1A⊥F2A,求椭圆的标准方程.
解 设所求椭圆的标准方程为
+=1(a>b>0).
设焦点F1(-c,0),F2(c,0)(c>0),
∵F1A⊥F2A,∴·=0.
而=(-4+c,3),=(-4-c,3),
∴(-4+c)·(-4-c)+32=0,
∴c2=25,即c=5,
∴F1(-5,0),F2(5,0),
∴2a=|AF1|+|AF2|
=+
=+=4,
∴a=2,
∴b2=a2-c2=(2)2-52=15.
∴所求椭圆的标准方程为+=1.
11.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 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·=4a2-3a2=a2(当且仅当m=n时取等号),∴≥,即e≥.又0
12.在平面直角坐标系xOy中,P是椭圆+=1上的一个动点,点A(1,1),B(0,-1),则|PA|+|PB|的最大值为( )
A.5 B.4 C.3 D.2
答案 A
解析 ∵椭圆的方程为+=1,
∴a2=4,b2=3,c2=1,
∴B(0,-1)是椭圆的一个焦点,
设另一个焦点为C(0,1),如图所示.
根据椭圆的定义知,|PB|+|PC|=4,
∴|PB|=4-|PC|,
∴|PA|+|PB|=4+|PA|-|PC|
≤4+|AC|=5.
13.(2022·绵阳诊断)已知F(0,1)为椭圆E:+=1(a>b>0)的右焦点,过E的下顶点B和F的直线与E的另一个交点为A,若4=5,则a=________.
答案 3
解析 如图,设椭圆的左焦点为F′,则F′(-1,0).
连接AF′,BF′,
则|BF|=|BF′|=a.
由4=5,得|AF|=.
由椭圆的定义可知,|AF′|=2a-|AF|=a,
设∠AFF′=θ,则∠BFF′=π-θ,
则cos θ=
==
=①,
而cos(π-θ)=
==②,
由①+②得+=0,解得a=3.
14.已知F1,F2是椭圆C:+=1(a>b>0)的两个焦点,P为C上的点,O为坐标原点.
(1)若△POF2为等边三角形,求C的离心率;
(2)如果存在点P,使得PF1⊥PF2,且△F1PF2的面积等于16,求b的值和a的取值范围.
解 (1)连接PF1.由△POF2为等边三角形可知在△F1PF2中,∠F1PF2=90°,|PF2|=c,|PF1|=c,
于是2a=|PF1|+|PF2|=(+1)c,
故C的离心率为e==-1.
(2)由题意可知,满足条件的点P(x,y)存在当且仅当|y|·2c=16,
·=-1,+=1,
即c|y|=16,①
x2+y2=c2,②
+=1.③
由②③及a2=b2+c2得y2=.
又由①知y2=,故b=4.
由②③及a2=b2+c2得x2=(c2-b2),
所以c2≥b2,从而a2=b2+c2≥2b2=32,
故a≥4.
当b=4,a≥4时,存在满足条件的点P,
所以b=4,a的取值范围为[4,+∞).
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