新高考数学二轮复习专题六微重点15离心率的范围问题学案
展开考点一 利用圆锥曲线的定义求离心率的范围
例1 (1)(2022·南京模拟)设e1,e2分别为具有公共焦点F1与F2的椭圆和双曲线的离心率,P为两曲线的一个公共点,且满足∠F1PF2=eq \f(π,3),则e1e2的最小值为( )
A.eq \f(\r(3),2) B.eq \f(3,2) C.eq \f(\r(3),4) D.eq \f(3,4)
答案 A
解析 设椭圆的长半轴长为a1,双曲线的实半轴长为a2,不妨设|PF1|>|PF2|,
由椭圆和双曲线的定义可得
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(|PF1|+|PF2|=2a1,,|PF1|-|PF2|=2a2,))
得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(|PF1|=a1+a2,,|PF2|=a1-a2,))
设|F1F2|=2c,
因为∠F1PF2=eq \f(π,3),由余弦定理得
|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|·cs∠F1PF2,
即4c2=(a1+a2)2+(a1-a2)2-2(a1+a2)(a1-a2)cs eq \f(π,3),
整理得aeq \\al(2,1)+3aeq \\al(2,2)=4c2,故eq \f(1,e\\al(2,1))+eq \f(3,e\\al(2,2))=4.
又4=eq \f(1,e\\al(2,1))+eq \f(3,e\\al(2,2))≥2eq \r(\f(1,e\\al(2,1))×\f(3,e\\al(2,2)))=eq \f(2\r(3),e1e2),
即2≥eq \f(\r(3),e1e2),
所以e1e2≥eq \f(\r(3),2),
即e1e2的最小值为eq \f(\r(3),2),
当且仅当eq \f(1,e\\al(2,1))=eq \f(3,e\\al(2,2)).即e1=eq \f(\r(2),2),e2=eq \f(\r(6),2)时,等号成立.
(2)(2022·杭州模拟)设椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,过原点的直线l与椭圆C相交于M,N两点(点M在第一象限).若|MN|=|F1F2|,eq \f(|NF1|,|MF1|)≥eq \f(\r(3),3),则椭圆C的离心率e的最大值为( )
A.eq \f(\r(6)-1,2) B.eq \r(6)-1
C.eq \f(\r(3)-1,2) D.eq \r(3)-1
答案 D
解析 依题意作图,如图所示,
由于|MN|=|F1F2|,并且线段MN,F1F2互相平分,∴四边形MF1NF2是矩形,
其中∠F1MF2=eq \f(π,2),
∴|NF1|=|MF2|,
设|MF2|=x,则|MF1|=2a-x,
根据勾股定理得|MF1|2+|MF2|2=|F1F2|2,
即x2+(2a-x)2=4c2,
整理得x2-2ax+2b2=0,
由于点M在第一象限,
则x=a-eq \r(a2-2b2),
由题意得eq \f(|NF1|,|MF1|)=eq \f(|MF2|,|MF1|)≥eq \f(\r(3),3),∠MF1F2≥eq \f(π,6),
即|MF2|≥eq \f(1,2)|F1F2|,a-eq \r(a2-2b2)≥c,
整理得2a2-2ac-c2≥0,e2+2e-2≤0,
解得0<e≤eq \r(3)-1,
即e的最大值为eq \r(3)-1.
规律方法 此类题型的一般方法是利用圆锥曲线的定义,以及余弦定理或勾股定理,构造关于a,b,c的不等式或不等式组求解,要注意椭圆、双曲线离心率自身的范围.
跟踪演练1 (2022·嘉兴模拟)如图,已知F1,F2分别为双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点,O为坐标原点,其渐近线与圆x2+y2=a2在第二象限交于点P,过P作圆的切线过双曲线的左焦点且与右支交于点Q,若|PQ|>|QF2|+eq \f(2,5)|OF2|,则双曲线的离心率的取值范围是________.
答案 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\r(2),\f(5,3)))
解析 因为OP⊥PF1,
所以|PF1|=eq \r(c2-a2)=b.
由双曲线的定义得|PQ|+b-|QF2|=2a,
所以|PQ|=2a-b+|QF2|,
因为|PQ|>|QF2|+eq \f(2,5)|OF2|,
所以2a-b+|QF2|>|QF2|+eq \f(2,5)c,
所以2a-b>eq \f(2,5)c,
即2a-eq \f(2,5)c>b,
所以eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2a-\f(2,5)c))2>b2=c2-a2,
所以21e2+40e-125<0,
所以(3e-5)(7e+25)<0,
所以e
所以tan∠QF1F2
所以e2>2,所以e>eq \r(2).
所以eq \r(2)
例2 (1)(2022·西安模拟)圆柱OO1的轴截面ABB1A1是正方形,过上底面圆弧上任意一点F作平面与圆柱的侧面相交,则相交所得到曲线的离心率的最大值为( )
A.eq \f(1,2) B.eq \f(\r(2),2)
C.eq \r(2) D.2
答案 B
解析 过点F的平面与圆柱侧面相交,交线所形成的曲线为椭圆,如图,椭圆的短轴长为底面圆的直径,不妨令底面圆的半径为1,则短轴长2b=2,∴b=1,如图所示,当该椭圆刚好与上、下底面有一个交点时,长轴最长为EF,
由图知,MENF为正方形,边长为2,
则EF=2eq \r(2),即2a≤2eq \r(2),∴a≤eq \r(2),
∵c2=a2-b2=a2-1,
∴eq \f(c,a)=eq \r(\f(a2-1,a2))=eq \r(1-\f(1,a2))≤eq \f(\r(2),2).
∴0<e≤eq \f(\r(2),2),e的最大值为eq \f(\r(2),2).
(2)已知椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0),点P是C上任意一点,若圆O:x2+y2=b2上存在点M,N,使得∠MPN=120°,则C的离心率的取值范围是( )
A.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(3),2))) B.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),2),1))
C.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(1,2))) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),1))
答案 C
解析 连接OP,当P不为椭圆的上、下顶点时,设直线PA,PB分别与圆O切于点A,B,∠OPA=α,
∵存在M,N使得∠MPN=120°,
∴∠APB≥120°,即α≥60°,
又α<90°,
∴sin α≥sin 60°,
连接OA,则sin α=eq \f(|OA|,|OP|)=eq \f(b,|OP|)≥eq \f(\r(3),2),
∴|OP|≤eq \f(2\r(3)b,3).
又P是C上任意一点,
则|OP|max≤eq \f(2\r(3)b,3),
又|OP|max=a,∴a≤eq \f(2\r(3)b,3),
则由a2=b2+c2,得e2≤eq \f(1,4),
又0
规律方法 利用圆锥曲线的性质,如:椭圆的最大角,通径,三角形中的边角关系,曲线上的点到焦点距离的范围等,建立不等式(不等式组).
跟踪演练2 椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)上存在一点P满足F1P⊥F2P,F1,F2分别为椭圆的左、右焦点,则椭圆的离心率的范围是( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,2))) B.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(2),2)))
C.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2),1)) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),1))
答案 D
解析 如图所示,A为椭圆的上顶点.
依题意∠F1AF2≥90°,
即∠OAF2≥45°,
又|AF2|=a,|AO|=b,|OF2|=c,
∴sin∠OAF2=eq \f(|OF2|,|AF2|)=eq \f(c,a)=e,
∵∠OAF2≥45°,
∴sin∠OAF2∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),1)),
即e∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),1)).
考点三 利用几何图形的性质求离心率的范围
例3 (1)(2022·乐清模拟)设F1,F2分别为椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点,若在直线x=-eq \f(a2,c)(c为半焦距)上存在点P,使|PF1|的长度恰好为椭圆的焦距,则椭圆离心率的取值范围为( )
A.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(3),3))) B.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),3),1))
C.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(2),2))) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),1))
答案 B
解析 如图所示,椭圆eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1,
可得焦距|F1F2|=2c,
因为在直线x=-eq \f(a2,c)上存在点P,使|PF1|的长度恰好为椭圆的焦距,
可得|MF1|≤2c,即eq \f(a2,c)-c≤2c,
可得a2≤3c2,即eq \f(c2,a2)≥eq \f(1,3),解得eq \f(c,a)≥eq \f(\r(3),3),
又因为椭圆的离心率e∈(0,1),
所以e∈eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),3),1)).
(2)(2022·萍乡模拟)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左顶点为A,左、右焦点分别为F1,F2,以F1F2为直径的圆交双曲线一条渐近线于P,Q两点,若cs∠PAQ≥-eq \f(3,5),则该双曲线离心率的取值范围是( )
A.(1,eq \r(13)] B.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(13),2)))
C.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(1,\f(\r(21),3))) D.[eq \r(21),+∞)
答案 B
解析 以F1F2为直径的圆的方程为x2+y2=c2,
双曲线C的一条渐近线方程为y=eq \f(b,a)x,
由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(y=\f(b,a)x,,x2+y2=c2,))
解得(不妨设)P(a,b),Q(-a,-b),A(-a,0),
所以eq \(AP,\s\up6(→))=(2a,b),eq \(AQ,\s\up6(→))=(0,-b),
所以cs∠PAQ=eq \f(\(AP,\s\up6(→))·\(AQ,\s\up6(→)),|\(AP,\s\up6(→))||\(AQ,\s\up6(→))|)
=eq \f(-b2,\r(4a2+b2)·b)
=-eq \f(b,\r(4a2+b2))≥-eq \f(3,5),
即eq \f(b,\r(4a2+b2))≤eq \f(3,5),
解得eq \f(b2,a2)≤eq \f(9,4),
所以双曲线的离心率1
跟踪演练3 (2022·长沙市雅礼中学等十六校联考)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,若C与直线y=x有交点,且双曲线上存在不是顶点的点P,使得∠PF2F1=3∠PF1F2,则双曲线离心率的取值范围为____________.
答案 (eq \r(2),2)
解析 双曲线C与直线y=x有交点,
则eq \f(b,a)>1,eq \f(b2,a2)=eq \f(c2-a2,a2)>1,
解得e=eq \f(c,a)>eq \r(2),
双曲线上存在不是顶点的点P,
使得∠PF2F1=3∠PF1F2,
则P点在右支上,设PF1与y轴交于点Q,由对称性知|QF1|=|QF2|,
所以∠QF1F2=∠QF2F1,
所以∠PF2Q=∠PF2F1-∠QF2F1
=2∠PF1F2=∠PQF2,
所以|PQ|=|PF2|,
所以|PF1|-|PF2|=|PF1|-|PQ|
=|QF1|=2a,
由|QF1|>|OF1|得2a>c,
所以e=eq \f(c,a)<2,
在△PF1F2中,∠PF1F2+∠PF2F1=4∠PF1F2<180°,∠PF1F2<45°,
所以eq \f(c,2a)=cs∠PF1F2>eq \f(\r(2),2),
即e=eq \f(c,a)>eq \r(2),
综上,eq \r(2)
1.(2022·南充质检)已知F1(-c,0),F2(c,0)是椭圆C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦点,若椭圆上存在一点P使得eq \(PF1,\s\up6(--→))·eq \(PF2,\s\up6(--→))=c2,则椭圆C的离心率的取值范围为( )
A.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),3),\f(\r(3),2))) B.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),3),\f(\r(2),2)))
C.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\r(3)-1,\f(\r(3),2))) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(2),2),1))
答案 B
解析 设点P(x,y),eq \(PF1,\s\up6(--→))·eq \(PF2,\s\up6(--→))
=(-c-x,-y)·(c-x,-y)=x2-c2+y2
=x2-c2+b2-eq \f(b2,a2)x2=eq \f(c2,a2)x2-c2+b2,
因为0≤x2≤a2,
所以b2-c2≤eq \(PF1,\s\up6(--→))·eq \(PF2,\s\up6(--→))≤b2,
即b2-c2≤c2≤b2,
结合b2=a2-c2可得eq \f(1,3)≤eq \f(c2,a2)≤eq \f(1,2),
所以e∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),3),\f(\r(2),2))).
2.已知双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,点P在双曲线的右支上,且|PF1|=4|PF2|,则此双曲线的离心率e的最大值为( )
A.eq \f(4,3) B.eq \f(5,3) C.2 D.eq \f(7,3)
答案 B
解析 方法一 由双曲线的定义知
|PF1|-|PF2|=2a,①
又|PF1|=4|PF2|,②
故联立①②,解得|PF1|=eq \f(8,3)a,|PF2|=eq \f(2,3)a.
在△PF1F2中,由余弦定理,
得cs∠F1PF2=eq \f(\f(64,9)a2+\f(4,9)a2-4c2,2·\f(8,3)a·\f(2,3)a)=eq \f(17,8)-eq \f(9,8)e2,
要求e的最大值,即求cs∠F1PF2的最小值,
当cs∠F1PF2=-1时,
解得e=eq \f(5,3),即e的最大值为eq \f(5,3).
方法二 由双曲线的定义知,|PF1|-|PF2|=2a,
又|PF1|=4|PF2|,
∴|PF1|=eq \f(8,3)a,|PF2|=eq \f(2,3)a,
∵|F1F2|=2c,
∴eq \f(8,3)a+eq \f(2,3)a≥2c,
∴eq \f(c,a)≤eq \f(5,3),
即双曲线的离心率e的最大值为eq \f(5,3).
3.(2022·湘豫名校联考)已知双曲线M:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,以线段F1F2为直径的圆O与双曲线M在第一象限交于点A,若tan∠AF2F1≤2,则双曲线M的离心率的取值范围为( )
A.[eq \r(3),+∞) B.(1,eq \r(3)]
C.(1,eq \r(5)] D.[eq \r(5),+∞)
答案 D
解析 依题意可得|AF1|-|AF2|=2a,
又|AF1|2+|AF2|2=|F1F2|2=4c2,
所以(|AF2|+2a)2+|AF2|2=4c2,
得|AF2|=-a+eq \r(2c2-a2),
所以|AF1|=2a+|AF2|=a+eq \r(2c2-a2),
所以tan∠AF2F1=eq \f(|AF1|,|AF2|)=eq \f(a+\r(2c2-a2),-a+\r(2c2-a2))≤2,
得c2≥5a2,得e≥eq \r(5).
4.已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0),直线x=2a与C交于A,B两点(A在B的上方),eq \(DA,\s\up6(→))=eq \(AB,\s\up6(→)),点E在y轴上,且EA∥x轴.若△BDE的内心到y轴的距离不小于eq \f(4a,3),则C的离心率的最大值为( )
A.eq \f(\r(6),2) B.eq \f(\r(10),3)
C.eq \r(2) D.eq \f(\r(39),6)
答案 B
解析 因为A在B的上方,且这两点都在C上,
所以A(2a,eq \r(3)b),
B(2a,-eq \r(3)b),
则|AB|=2eq \r(3)b.
因为eq \(DA,\s\up6(→))=eq \(AB,\s\up6(→)),
所以A是线段BD的中点,
又EA∥x轴,
所以|ED|=|EB|,EA⊥BD,
所以△BDE的内心G在线段EA上.
因为DG平分∠EDA,在△EDA中,
由角平分线定理知eq \f(|EG|,|GA|)=eq \f(|ED|,|DA|),
因为G到y轴的距离不小于eq \f(4a,3),
所以eq \f(|EG|,|GA|)≥eq \f(\f(4a,3),2a-\f(4a,3))=2,
所以eq \f(|ED|,|DA|)≥2,所以∠EDA≥60°,
因此tan∠EDA=eq \f(|EA|,|DA|)=eq \f(2a,2\r(3)b)≥eq \r(3),
即a≥3b,eq \f(b,a)≤eq \f(1,3),
故1
A.|QF1|+|QF2|=4
B.当离心率为eq \f(\r(2),4)时,|QF1|的最大值为2+eq \f(\r(2),2)
C.椭圆C离心率的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(1,2)))
D.存在点Q使得eq \(QF1,\s\up6(--→))·eq \(QF2,\s\up6(--→))=0
答案 AB
解析 由长轴长为4,故2a=4⇒a=2,由点Q在椭圆上,
根据椭圆的定义得|QF1|+|QF2|=4,故A正确;
当离心率为eq \f(\r(2),4)时,可得e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(2),4)⇒c=eq \f(\r(2),2),
则|QF1|的最大值为2+eq \f(\r(2),2),故B正确;
点P(eq \r(2),1)在椭圆内部,
故eq \f(1,2)+eq \f(1,b2)<1⇒4>b2>2,
椭圆C的离心率为e=eq \f(c,a)=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b,a)))2)∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(2),2))),故C错误;
由选项C知,c=ae∈(0,eq \r(2)),b∈(eq \r(2),2),
∴|OQ|min=b>c,
故不存在点Q使得eq \(QF1,\s\up6(--→))·eq \(QF2,\s\up6(--→))=0,故D错误.
6.(多选)已知O为坐标原点,双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的右焦点为F,l是C的一条渐近线,以F为圆心,a为半径的圆与l交于A,B两点,则( )
A.过点O且与圆F相切的直线与双曲线C没有公共点
B.C的离心率的最大值是eq \r(2)
C.若eq \(FA,\s\up6(→))·eq \(FB,\s\up6(→))>0,则C的离心率的取值范围是eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(6),2),\r(2)))
D.若eq \(OA,\s\up6(→))=eq \(AB,\s\up6(→)),则C的离心率为eq \f(\r(17),3)
答案 ACD
解析 对于A,因为双曲线C的渐近线l与圆F交于A,B两点,所以过点O且与圆F相切的直线与C没有公共点(如图),故选项A正确;
对于B,过点F作FD⊥l,垂足为D,易知|FD|=b,
因为圆F与直线l相交,
所以b所以c2<2a2,即e2<2,
所以C的离心率的取值范围是(1,eq \r(2)),
故选项B错误;
对于C,若eq \(FA,\s\up6(→))·eq \(FB,\s\up6(→))>0,
则0<∠AFB
即eq \f(b,a)>eq \f(\r(2),2),a
又由B知e∈(1,eq \r(2)),
所以e∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(6),2),\r(2))),故选项C正确;
对于D,因为eq \(OA,\s\up6(→))=eq \(AB,\s\up6(→)),
所以A为线段OB的中点,
设|AD|=m,则|OA|=2m,|OD|=3m,
在Rt△AFD和Rt△OFD中,
由勾股定理得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(b2+m2=a2,,b2+9m2=c2,))
消去m2,得c2=9a2-8b2,即17a2=9c2,
所以e=eq \f(\r(17),3),故选项D正确.
7.(2022·湖南六校联考)已知双曲线C:eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1(a>0,b>0)的右焦点为F(2eq \r(6),0),点Q是双曲线C的左支上一动点,圆O:x2+y2=1与y轴的一个交点为P,若|PQ|+|QF|+|PF|≥13,则双曲线C的离心率的取值范围为________.
答案 eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(1,\f(4\r(6),3)))
解析 设双曲线C的左焦点为F′,
则|QF|-|QF′|=2a,
即|QF|=|QF′|+2a,
故|QF|+|PQ|=|QF′|+|PQ|+2a
≥|PF′|+2a.
由题意可得|PF|=|PF′|=eq \r(24+1)=5,
∵|PQ|+|QF|+|PF|≥|PF′|+2a+|PF|
=10+2a≥13,∴a≥eq \f(3,2),
则双曲线C的离心率e=eq \f(c,a)=eq \f(2\r(6),a)≤eq \f(4\r(6),3).
∴1
答案 eq \f(1+\r(2),2)
解析 由图知e1=eq \f(c,a1)=eq \f(|OF1|,|BF1|),
e2=eq \f(c,a2)=eq \f(2c,2a2)=eq \f(2|OF1|,|PF1|+|PF2|),
则eq \f(e1,e2)=eq \f(|PF1|+|PF2|,2|BF1|),
设∠PF1F2=θ,|F1F2|=2c,
则|PF1|+|PF2|=2c·(sin θ+cs θ),
|BF1|=eq \f(c,cs θ),
则eq \f(e1,e2)=(sin θ+cs θ)·cs θ
=eq \f(\r(2),2)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2θ+\f(π,4)))+eq \f(1,2)≤eq \f(1+\r(2),2),
当且仅当2θ=eq \f(π,4)时,等号成立.
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