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2021高考数学一轮复习统考第9章平面解析几何第5讲椭圆学案含解析北师大版
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第5讲 椭圆
基础知识整合
1.椭圆的概念
在平面内到两定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹(或集合)叫做椭圆.这两定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做焦距.
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表示椭圆;
(2)若a=c,则集合P表示线段;
(3)若a
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
焦点
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
离心率
e=∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
1.椭圆的焦点三角形
椭圆上的点P(x0,y0)与两焦点构成的△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=|PF1||PF2|sinθ=b2tan=c|y0|,当|y0|=b时,即点P为短轴端点时,S取最大值,最大值为bc.
(3)焦点三角形的周长为2(a+c).
(4)4c2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cosθ.
2.焦点弦(过焦点的弦):焦点弦中以通径(垂直于长轴的焦点弦)最短,弦长lmin=.
3.AB为椭圆+=1(a>b>0)的弦,A(x1,y1),B(x2,y2),弦中点M(x0,y0),则
(1)弦长l=|x1-x2|=|y1-y2|;
(2)直线AB的斜率kAB=-.
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
答案 B
解析 由4=(m>0 )⇒m=3,故选B.
2.若椭圆x2+my2=1的焦点在y轴上,且长轴长是短轴长的两倍,则m的值为( )
A. B.
C.2 D.4
答案 A
解析 将原方程变形为x2+=1.由题意知a2=,b2=1,∴a=,b=1.∴=2,∴m=.
3.(2019·北京高考)已知椭圆+=1(a>b>0)的离心率为,则( )
A.a2=2b2 B.3a2=4b2
C.a=2b D.3a=4b
答案 B
解析 因为椭圆的离心率e==,所以a2=4c2.
又a2=b2+c2,所以3a2=4b2.故选B.
4.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
答案 D
解析 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.
5.(2019·西安模拟)已知点P(x1,y1)是椭圆+=1上的一点,F1,F2是其左、右焦点,当∠F1PF2最大时,△PF1F2的面积是( )
A. B.12
C.16(2+) D.16(2-)
答案 B
解析 ∵椭圆的方程为+=1,∴a=5,b=4,c==3,∴F1(-3,0),F2(3,0).根据椭圆的性质可知当点P与短轴端点重合时,∠F1PF2最大,此时△PF1F2的面积S=×2×3×4=12,故选B.
6.椭圆3x2+ky2=3的一个焦点是(0,),则k=________.
答案 1
解析 方程3x2+ky2=3可化为x2+=1.a2=>1=b2,c2=a2-b2=-1=2,解得k=1.
核心考向突破
考向一 椭圆定义及其应用
例1 (1)已知圆(x+2)2+y2=36的圆心为M,设A是圆上任意一点,N(2,0),线段AN的垂直平分线交MA于点P,则动点P的轨迹是( )
A.圆 B.椭圆
C.双曲线 D.抛物线
答案 B
解析 点P在线段AN的垂直平分线上,故|PA|=|PN|.又AM是圆的半径,所以|PM|+|PA|=|PM|+|PN|=|AM|=6>|MN|.由椭圆的定义知,P的轨迹是椭圆.
(2)设F1,F2分别是椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点,过点F1的直线交椭圆E于A,B两点,|AF1|=3|F1B|,且|AB|=4,△ABF2的周长为16.则|AF2|=________.
答案 5
解析 由|AF1|=3|F1B|,|AB|=4,得|AF1|=3.∵△ABF2的周长为16,∴4a=16,∴a=4.则|AF1|+|AF2|=2a=8,∴|AF2|=8-|AF1|=8-3=5.
(1)椭圆定义的应用范围
①确认平面内与两定点有关的轨迹是否为椭圆.
②解决与焦点有关的距离问题.
(2)焦点三角形的应用
椭圆上一点P与椭圆的两焦点组成的三角形通常称为“焦点三角形”,利用定义可求其周长;利用定义和余弦定理可求|PF1|,|PF2|;通过整体代入可求其面积等.
[即时训练] 1.(2019·河北保定一模)与圆C1:(x+3)2+y2=1外切,且与圆C2:(x-3)2+y2=81内切的动圆圆心P的轨迹方程为________.
答案 +=1
解析 设动圆的半径为r,圆心P(x,y),则有|PC1|=r+1,|PC2|=9-r,所以|PC1|+|PC2|=10>|C1C2|,即点P在以C1(-3,0),C2(3,0)为焦点,长轴长为10的椭圆上,即点P的轨迹方程为+=1.
2.已知椭圆C:+=1,点M与椭圆C的焦点不重合.若M关于椭圆C的焦点的对称点分别为A,B,线段MN的中点在椭圆C上,则|AN|+|BN|=________.
答案 12
解析 取MN的中点为G,点G在椭圆C上.设点M关于椭圆C的焦点F1的对称点为A,点M关于椭圆C的焦点F2的对称点为B,则有|GF1|=|AN|,|GF2|=|BN|,所以|AN|+|BN|=2(|GF1|+|GF2|)=4a=12.
考向二 椭圆的标准方程
例2 (1)(2019·全国卷Ⅰ)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
答案 B
解析 设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0),由椭圆定义可得|AF1|+|AB|+|BF1|=4a.
∵|AB|=|BF1|,∴|AF1|+2|AB|=4a.
又|AF2|=2|F2B|,∴|AB|=|AF2|,
∴|AF1|+3|AF2|=4a.
又|AF1|+|AF2|=2a,∴|AF2|=a,
∴A为椭圆的短轴端点.如图,不妨设A(0,b),又F2(1,0),=2,∴B.将B点坐标代入椭圆方程+=1,得+=1,
∴a2=3,b2=a2-c2=2.
∴椭圆C的方程为+=1.故选B.
(2)已知椭圆的中心在原点,以坐标轴为对称轴,且经过两点P1(,1),P2(-,-),则该椭圆的方程为________.
答案 +=1
解析 设椭圆的方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,且m≠n).因为椭圆经过P1,P2两点,所以点P1,P2的坐标满足椭圆方程,
则解得
所以所求椭圆的方程为+=1.
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2a,2c,然后确定a2,b2的值,再结合焦点位置写出椭圆的标准方程.
(2)待定系数法:具体过程是先定位,再定量,即首先确定焦点所在位置,然后根据条件建立关于a,b的方程组.如果焦点位置不确定,那么要考虑是否有两解.有时为了解题方便,也可把椭圆方程设成mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)的形式.解题步骤如下:
—
—
—
—
[即时训练] 3.(2019·青岛模拟)已知F1(-1,0),F2(1,0)是椭圆C的两个焦点,过F2且垂直于x轴的直线交C于A,B两点,且|AB|=3,则C的方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案 C
解析 如图,|AF2|=|AB|=,|F1F2|=2,
由椭圆定义,得|AF1|=2a-. ①
在Rt△AF1F2中,
|AF1|2=|AF2|2+|F1F2|2=2+22. ②
由①②得a=2,∴b2=a2-c2=3.
∴椭圆C的方程为+=1,应选C.
4.已知A,B是圆:2+y2=4(F为圆心)上一动点,线段AB的垂直平分线交BF于点P,则动点P的轨迹方程为________.
答案 x2+y2=1
解析 如图,由题意知|PA|=|PB|,|PF|+|BP|=2.所以|PA|+|PF|=2且|PA|+|PF|>|AF|,即动点P的轨迹是以A,F为焦点的椭圆,a=1,c=,b2=.所以动点P的轨迹方程为x2+y2=1.
考向三 椭圆的几何性质
例3 (1)(2019·云南保山期末)椭圆+=1(a>b>0)的一个焦点为F1,若椭圆上存在一点P,满足以椭圆短轴为直径的圆与线段PF1相切于该线段的中点,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 设线段PF1的中点为M,另一个焦点为F2,由题意知,|OM|=b,又OM是△F2PF1的中位线,∴|OM|=|PF2|=b,|PF2|=2b,由椭圆的定义知|PF1|=2a-|PF2|=2a-2b.
又|MF1|=|PF1|=(2a-2b)=a-b,又|OF1|=c,在直角三角形OMF1中,由勾股定理得(a-b)2+b2=c2,又a2-b2=c2,可得2a=3b,故有4a2=9b2=9(a2-c2),由此可求得离心率e==,故选D.
(2)已知椭圆+=1(a>b>0)的半焦距为c,且满足c2-b2+ac<0,则该椭圆的离心率e的取值范围是________.
答案
解析 ∵c2-b2+ac<0,∴c2-(a2-c2)+ac<0,即2c2-a2+ac<0,∴-1+<0,即2e2+e-1<0,解得-1
1.求椭圆的离心率的方法
(1)直接求出a,c来求解,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.
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等,在求椭圆相关量的范围时,要注意应用这些不等式关系.
[即时训练] 5.(2019·辽宁大连二模)焦点在x轴上的椭圆方程为+=1(a>b>0),短轴的一个端点和两个焦点相连构成一个三角形,该三角形内切圆的半径为,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 由短轴的一个端点和两个焦点相连构成一个三角形,又由三角形面积公式得×2c·b=(2a+2c)·,得a=2c,即e==,故选C.
6.(2019·郑州市高三预测)已知椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,过F2的直线与椭圆交于A,B两点,若△F1AB是以A为直角顶点的等腰直角三角形,则椭圆的离心率为( )
A. B.2-
C.-2 D.-
答案 D
解析 设|F1F2|=2c,|AF1|=m,若△ABF1是以A为直角顶点的等腰直角三角形,则|AB|=|AF1|=m,|BF1|=m.由椭圆的定义可得△ABF1的周长为4a,即有4a=2m+m,即m=(4-2)a,则|AF2|=2a-m=(2-2)a,在Rt△AF1F2中,|F1F2|2=|AF1|2+|AF2|2,即4c2=4×(2-)2a2+4×(-1)2a2,即有c2=(9-6)a2,即c=(-)a,即e==-,故选D.
精准设计考向,多角度探究突破
考向四 直线与椭圆的位置关系
角度1 弦的中点问题
例4 (2018·全国卷Ⅲ)已知斜率为k的直线l与椭圆C:+=1交于A,B两点.线段AB的中点为M(1,m)(m>0).
(1)证明:k<-;
(2)设F为C的右焦点,P为C上一点,且++=0.证明:||,||,||成等差数列,并求该数列的公差.
解 (1)证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),则+=1,+=1.
两式相减,并由=k得+·k=0.
由题设知=1,=m,于是k=-.①
由题设得m< =,且m>0,
即0
(2)由题意得F(1,0).设P(x3,y3),则由(1)及题设得(x3-1,y3)+(x1-1,y1)+(x2-1,y2)=(0,0),
x3=3-(x1+x2)=1,y3=-(y1+y2)=-2m<0.
又点P在C上,所以m=,
从而P,||=.
于是||== =2-.同理||=2-.
所以||+||=4-(x1+x2)=3.
故2||=||+||,即||,||,||成等差数列.
设该数列的公差为d,则
2|d|=|||-|||=|x1-x2|
= .②
将m=代入①得k=-1.
所以l的方程为y=-x+,代入C的方程,并整理得7x2-14x+=0.
故x1+x2=2,x1x2=,代入②解得|d|=.
所以该数列的公差为或-.
角度2 切线问题
例5 (2019·湖北优质高中联考)已知椭圆+=1(a>b>0)的右焦点为F,右顶点为A,上顶点为B.已知|AB|=|OF|,且△AOB的面积为.
(1)求椭圆的方程;
(2)直线y=2上是否存在点M,使得从该点向椭圆所引的两条切线相互垂直?若存在,求点M的坐标;若不存在,说明理由.
解 (1)由|AB|=|OF|,△AOB的面积为,
得 =c,ab=,
∴a=2,b=,即椭圆方程为+=1.
(2)假设直线y=2上存在点M满足题意,设M(m,2),当m=±2时,从M点所引的两切线不垂直.当m≠±2时,设过点M向椭圆所引的切线的斜率为k,则l的方程为y=k(x-m)+2,
由得(1+2k2)x2-4k(mk-2)x+2(mk-2)2-4=0,∵Δ=0,∴(m2-4)k2-4mk+2=0,设两切线的斜率分别为k1,k2,则k1k2==-1,∴m=±,即点M坐标为(,2)或(-,2).
角度3 弦长问题
例6 (2019·陕西咸阳模拟)在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),且离心率e=.
(1)求椭圆C的方程;
(2)直线l的斜率为,直线l与椭圆C交于A,B两点.求△PAB面积的最大值.
解 (1)∵e2===,∴a2=4b2.
又椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),
∴+=1,∴a2=8,b2=2.
故所求椭圆方程为+=1.
(2)设l的方程为y=x+m,点A(x1,y1),B(x2,y2),联立整理,得x2+2mx+2m2-4=0.
∵Δ=4m2-8m2+16>0,解得|m|<2.
∴x1+x2=-2m,x1x2=2m2-4.
则|AB|= × =.
点P到直线l的距离d==.
∴S△PAB=d|AB|=××
=≤=2.
当且仅当m2=2,即m=±时,△PAB的面积取得最大值2.
(1)解决有关弦及弦中点问题常用方法是利用根与系数的关系和“点差法”.这两种方法的前提都必须保证直线和椭圆有两个不同的公共点.
(2)直线与椭圆相切,有且仅有一个公共点,过椭圆外一点可以作两条切线,过椭圆上一点只能作一条切线.
(3)设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2)
则有|AB|==(k为直线斜率,k≠0).
提醒:利用公式计算直线被椭圆截得的弦长是在方程有解的情况下进行的,不要忽略判别式.
[即时训练] 7.已知椭圆具有如下性质:若椭圆的方程为+=1(a>b>0),则椭圆上一点A(x0,y0)处的切线方程为+=1.试运用该性质解决以下问题,椭圆C1:+=1(a>b>0),其焦距为2,且过点,点B为C1在第一象限中的任意一点,过B作C1的切线l,l分别与x轴和y轴的正半轴交于C,D两点,则△OCD面积的最小值为( )
A. B.
C. D.2
答案 B
解析 由题意,得2c=2,即c=1,a2-b2=1,将点代入椭圆方程,可得+=1,解得a=,b=1,即椭圆的方程为+y2=1,设B(x2,y2),则椭圆C1在点B处的切线方程为x+y2y=1,令x=0,得yD=,令y=0,可得xC=,又点B为椭圆在第一象限上的点,所以x2>0,y2>0,+y=1,所以S△OCD=··===+≥2=,即S△OCD≥,当且仅当=y=,即点B的坐标为时,△OCD面积取得最小值,故选B.
8.(2019·广西联考)已知椭圆C:+=1(a>b>1)的焦距为2,过短轴的一个端点与两个焦点的圆的面积为,过椭圆C的右焦点作斜率为k(k≠0)的直线l与椭圆C相交于A,B两点,线段AB的中点为P.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点P且垂直于AB的直线与x轴交于点D,求k的值.
解 (1)由题中条件,可得过椭圆短轴的一个端点与两个焦点的圆的半径为 .
设椭圆的右焦点的坐标为(c,0),
依题意知
又因为b>1,解得a=2,b=,c=1,
所以椭圆C的标准方程为+=1.
(2)由题意,过椭圆C的右焦点的直线l的方程为
y=k(x-1),将其代入+=1,
得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=,x1x2=,
所以y1+y2=k(x1+x2)-2k=.
因为P为线段AB的中点,
所以点P的坐标为.
又因为直线PD的斜率为-,
所以直线PD的方程为
y-=-.
令y=0,得x=,
所以点D的坐标为,
则=,解得k=±1.
9.(2019·云南昆明模拟)已知中心在原点O,焦点在x轴上的椭圆E过点C(0,1),离心率为.
(1)求椭圆E的方程;
(2)直线l过椭圆E的左焦点F,且与椭圆E交于A,B两点,若△OAB的面积为,求直线l的方程.
解 (1)设椭圆E的方程为+=1(a>b>0),
由已知得解得a2=2,b2=1,
所以椭圆E的方程为+y2=1.
(2)由已知,直线l过左焦点F(-1,0).
当直线l与x轴垂直时,A,B,
此时|AB|=,则S△OAB=××1=,不满足条件.
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为
y=k(x+1),A(x1,y1),B(x2,y2).
由得(1+2k2)x2+4k2x+2k2-2=0,
所以x1+x2=-,x1x2=.
因为S△OAB=|OF|·|y1-y2|=|y1-y2|,
由已知S△OAB=,得|y1-y2|=.
因为y1+y2=k(x1+1)+k(x2+1)=k(x1+x2)+2k=k· +2k=,
y1y2=k(x1+1)·k(x2+1)=k2(x1x2+x1+x2+1)
=,
所以|y1-y2|=
==,
所以k4+k2-2=0,解得k=±1,
所以直线l的方程为x-y+1=0或x+y+1=0.
1.已知点F1,F2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
答案 C
解析 解法一:设P(x0,y0),则=(-1-x0,-y0),=(1-x0,-y0),所以+=(-2x0,-2y0),所以|+|==2=2.因为点P在椭圆上,所以0≤y≤1,所以当y=1时,|+|取最小值2.故选C.
解法二:由+=+++=2,所以|+|=2|P|=2,因为点P在椭圆上,所以x+2y=2,且0≤y≤1,则2=2=2,当y=1时,|+|取最小值2.故选C.
2.已知F是椭圆+=1的左焦点,P是此椭圆上的动点,A(1,1)是一定点,求|PA|+|PF|的最大值和最小值.
解 由题意知a=3,b=,c=2,F(-2,0).
设椭圆右焦点为F′,则|PF|+|PF′|=6,所以|PA|+|PF|=|PA|-|PF′|+6.当P,A,F′三点共线时,|PA|-|PF′|取到最大值|AF′|=,或者最小值-|AF′|=-.
所以|PA|+|PF|的最大值为6+,最小值为6-.
3.在椭圆+=1上求一点,使它到直线2x-3y+15=0的距离最短.
解 设所求点坐标为A(3cosθ,2sinθ),θ∈R,
由点到直线的距离公式得
d=
=,
当θ=2kπ+,k∈Z时,d取到最小值,
此时A点坐标为(-3,2).
答题启示
椭圆中距离的最值问题一般有三种解法:
(1)利用椭圆的定义结合平面几何知识求解(适用于所求的表达式中隐含有长轴或者离心率e);
(2)根据椭圆标准方程的特点,把距离问题转化为二次函数求最值的问题(适用于定点在椭圆的对称轴上);
(3)用椭圆的参数方程设动点的坐标,转化为三角问题求解.
对点训练
1.(2020·青海西宁复习检测)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,即|PA|+|PB|的最大值为5.
2.设P,Q分别为圆x2+(y-6)2=2和椭圆+y2=1上的点,则P,Q两点间的最大距离是( )
A.5 B.+
C.7+ D.6
答案 D
解析 解法一:设椭圆上任意一点为Q(x,y),且-≤x≤,-1≤y≤1,则圆心(0,6)到点Q的距离
d==
=,
当y=-时,dmax=5,
P,Q两点间的最大距离d′=dmax+=6.
解法二:易知圆心坐标为M(0,6),|PQ|的最大值为|MQ|max+,设Q(cosθ,sinθ),
则|MQ|=
=
=,
当sinθ=-时,|MQ|max=5,
所以|PQ|max=5+=6.故选D.
3.如图,焦点在x轴上的椭圆+=1的离心率e=,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·的最大值为________.
答案 4
解析 设P点坐标为(x0,y0).由题意知a=2,
因为e==,所以c=1,所以b2=a2-c2=3.
所以椭圆方程为+=1.
所以-2≤x0≤2,-≤y0≤.
因为F(-1,0),A(2,0),
=(-1-x0,-y0),=(2-x0,-y0),
所以·=x-x0-2+y=x-x0+1
=(x0-2)2.
即当x0=-2时,·取得最大值4.
基础知识整合
1.椭圆的概念
在平面内到两定点F1,F2的距离的和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹(或集合)叫做椭圆.这两定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做焦距.
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表示椭圆;
(2)若a=c,则集合P表示线段;
(3)若a
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
焦点
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
离心率
e=∈(0,1)
a,b,c的关系
c2=a2-b2
1.椭圆的焦点三角形
椭圆上的点P(x0,y0)与两焦点构成的△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=|PF1||PF2|sinθ=b2tan=c|y0|,当|y0|=b时,即点P为短轴端点时,S取最大值,最大值为bc.
(3)焦点三角形的周长为2(a+c).
(4)4c2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cosθ.
2.焦点弦(过焦点的弦):焦点弦中以通径(垂直于长轴的焦点弦)最短,弦长lmin=.
3.AB为椭圆+=1(a>b>0)的弦,A(x1,y1),B(x2,y2),弦中点M(x0,y0),则
(1)弦长l=|x1-x2|=|y1-y2|;
(2)直线AB的斜率kAB=-.
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
答案 B
解析 由4=(m>0 )⇒m=3,故选B.
2.若椭圆x2+my2=1的焦点在y轴上,且长轴长是短轴长的两倍,则m的值为( )
A. B.
C.2 D.4
答案 A
解析 将原方程变形为x2+=1.由题意知a2=,b2=1,∴a=,b=1.∴=2,∴m=.
3.(2019·北京高考)已知椭圆+=1(a>b>0)的离心率为,则( )
A.a2=2b2 B.3a2=4b2
C.a=2b D.3a=4b
答案 B
解析 因为椭圆的离心率e==,所以a2=4c2.
又a2=b2+c2,所以3a2=4b2.故选B.
4.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
答案 D
解析 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.
5.(2019·西安模拟)已知点P(x1,y1)是椭圆+=1上的一点,F1,F2是其左、右焦点,当∠F1PF2最大时,△PF1F2的面积是( )
A. B.12
C.16(2+) D.16(2-)
答案 B
解析 ∵椭圆的方程为+=1,∴a=5,b=4,c==3,∴F1(-3,0),F2(3,0).根据椭圆的性质可知当点P与短轴端点重合时,∠F1PF2最大,此时△PF1F2的面积S=×2×3×4=12,故选B.
6.椭圆3x2+ky2=3的一个焦点是(0,),则k=________.
答案 1
解析 方程3x2+ky2=3可化为x2+=1.a2=>1=b2,c2=a2-b2=-1=2,解得k=1.
核心考向突破
考向一 椭圆定义及其应用
例1 (1)已知圆(x+2)2+y2=36的圆心为M,设A是圆上任意一点,N(2,0),线段AN的垂直平分线交MA于点P,则动点P的轨迹是( )
A.圆 B.椭圆
C.双曲线 D.抛物线
答案 B
解析 点P在线段AN的垂直平分线上,故|PA|=|PN|.又AM是圆的半径,所以|PM|+|PA|=|PM|+|PN|=|AM|=6>|MN|.由椭圆的定义知,P的轨迹是椭圆.
(2)设F1,F2分别是椭圆E:+=1(a>b>0)的左、右焦点,过点F1的直线交椭圆E于A,B两点,|AF1|=3|F1B|,且|AB|=4,△ABF2的周长为16.则|AF2|=________.
答案 5
解析 由|AF1|=3|F1B|,|AB|=4,得|AF1|=3.∵△ABF2的周长为16,∴4a=16,∴a=4.则|AF1|+|AF2|=2a=8,∴|AF2|=8-|AF1|=8-3=5.
(1)椭圆定义的应用范围
①确认平面内与两定点有关的轨迹是否为椭圆.
②解决与焦点有关的距离问题.
(2)焦点三角形的应用
椭圆上一点P与椭圆的两焦点组成的三角形通常称为“焦点三角形”,利用定义可求其周长;利用定义和余弦定理可求|PF1|,|PF2|;通过整体代入可求其面积等.
[即时训练] 1.(2019·河北保定一模)与圆C1:(x+3)2+y2=1外切,且与圆C2:(x-3)2+y2=81内切的动圆圆心P的轨迹方程为________.
答案 +=1
解析 设动圆的半径为r,圆心P(x,y),则有|PC1|=r+1,|PC2|=9-r,所以|PC1|+|PC2|=10>|C1C2|,即点P在以C1(-3,0),C2(3,0)为焦点,长轴长为10的椭圆上,即点P的轨迹方程为+=1.
2.已知椭圆C:+=1,点M与椭圆C的焦点不重合.若M关于椭圆C的焦点的对称点分别为A,B,线段MN的中点在椭圆C上,则|AN|+|BN|=________.
答案 12
解析 取MN的中点为G,点G在椭圆C上.设点M关于椭圆C的焦点F1的对称点为A,点M关于椭圆C的焦点F2的对称点为B,则有|GF1|=|AN|,|GF2|=|BN|,所以|AN|+|BN|=2(|GF1|+|GF2|)=4a=12.
考向二 椭圆的标准方程
例2 (1)(2019·全国卷Ⅰ)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
答案 B
解析 设椭圆的标准方程为+=1(a>b>0),由椭圆定义可得|AF1|+|AB|+|BF1|=4a.
∵|AB|=|BF1|,∴|AF1|+2|AB|=4a.
又|AF2|=2|F2B|,∴|AB|=|AF2|,
∴|AF1|+3|AF2|=4a.
又|AF1|+|AF2|=2a,∴|AF2|=a,
∴A为椭圆的短轴端点.如图,不妨设A(0,b),又F2(1,0),=2,∴B.将B点坐标代入椭圆方程+=1,得+=1,
∴a2=3,b2=a2-c2=2.
∴椭圆C的方程为+=1.故选B.
(2)已知椭圆的中心在原点,以坐标轴为对称轴,且经过两点P1(,1),P2(-,-),则该椭圆的方程为________.
答案 +=1
解析 设椭圆的方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0,且m≠n).因为椭圆经过P1,P2两点,所以点P1,P2的坐标满足椭圆方程,
则解得
所以所求椭圆的方程为+=1.
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2a,2c,然后确定a2,b2的值,再结合焦点位置写出椭圆的标准方程.
(2)待定系数法:具体过程是先定位,再定量,即首先确定焦点所在位置,然后根据条件建立关于a,b的方程组.如果焦点位置不确定,那么要考虑是否有两解.有时为了解题方便,也可把椭圆方程设成mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)的形式.解题步骤如下:
—
—
—
—
[即时训练] 3.(2019·青岛模拟)已知F1(-1,0),F2(1,0)是椭圆C的两个焦点,过F2且垂直于x轴的直线交C于A,B两点,且|AB|=3,则C的方程为( )
A.+y2=1 B.+=1
C.+=1 D.+=1
答案 C
解析 如图,|AF2|=|AB|=,|F1F2|=2,
由椭圆定义,得|AF1|=2a-. ①
在Rt△AF1F2中,
|AF1|2=|AF2|2+|F1F2|2=2+22. ②
由①②得a=2,∴b2=a2-c2=3.
∴椭圆C的方程为+=1,应选C.
4.已知A,B是圆:2+y2=4(F为圆心)上一动点,线段AB的垂直平分线交BF于点P,则动点P的轨迹方程为________.
答案 x2+y2=1
解析 如图,由题意知|PA|=|PB|,|PF|+|BP|=2.所以|PA|+|PF|=2且|PA|+|PF|>|AF|,即动点P的轨迹是以A,F为焦点的椭圆,a=1,c=,b2=.所以动点P的轨迹方程为x2+y2=1.
考向三 椭圆的几何性质
例3 (1)(2019·云南保山期末)椭圆+=1(a>b>0)的一个焦点为F1,若椭圆上存在一点P,满足以椭圆短轴为直径的圆与线段PF1相切于该线段的中点,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案 D
解析 设线段PF1的中点为M,另一个焦点为F2,由题意知,|OM|=b,又OM是△F2PF1的中位线,∴|OM|=|PF2|=b,|PF2|=2b,由椭圆的定义知|PF1|=2a-|PF2|=2a-2b.
又|MF1|=|PF1|=(2a-2b)=a-b,又|OF1|=c,在直角三角形OMF1中,由勾股定理得(a-b)2+b2=c2,又a2-b2=c2,可得2a=3b,故有4a2=9b2=9(a2-c2),由此可求得离心率e==,故选D.
(2)已知椭圆+=1(a>b>0)的半焦距为c,且满足c2-b2+ac<0,则该椭圆的离心率e的取值范围是________.
答案
解析 ∵c2-b2+ac<0,∴c2-(a2-c2)+ac<0,即2c2-a2+ac<0,∴-1+<0,即2e2+e-1<0,解得-1
1.求椭圆的离心率的方法
(1)直接求出a,c来求解,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.
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等,在求椭圆相关量的范围时,要注意应用这些不等式关系.
[即时训练] 5.(2019·辽宁大连二模)焦点在x轴上的椭圆方程为+=1(a>b>0),短轴的一个端点和两个焦点相连构成一个三角形,该三角形内切圆的半径为,则椭圆的离心率为( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 由短轴的一个端点和两个焦点相连构成一个三角形,又由三角形面积公式得×2c·b=(2a+2c)·,得a=2c,即e==,故选C.
6.(2019·郑州市高三预测)已知椭圆+=1(a>b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,过F2的直线与椭圆交于A,B两点,若△F1AB是以A为直角顶点的等腰直角三角形,则椭圆的离心率为( )
A. B.2-
C.-2 D.-
答案 D
解析 设|F1F2|=2c,|AF1|=m,若△ABF1是以A为直角顶点的等腰直角三角形,则|AB|=|AF1|=m,|BF1|=m.由椭圆的定义可得△ABF1的周长为4a,即有4a=2m+m,即m=(4-2)a,则|AF2|=2a-m=(2-2)a,在Rt△AF1F2中,|F1F2|2=|AF1|2+|AF2|2,即4c2=4×(2-)2a2+4×(-1)2a2,即有c2=(9-6)a2,即c=(-)a,即e==-,故选D.
精准设计考向,多角度探究突破
考向四 直线与椭圆的位置关系
角度1 弦的中点问题
例4 (2018·全国卷Ⅲ)已知斜率为k的直线l与椭圆C:+=1交于A,B两点.线段AB的中点为M(1,m)(m>0).
(1)证明:k<-;
(2)设F为C的右焦点,P为C上一点,且++=0.证明:||,||,||成等差数列,并求该数列的公差.
解 (1)证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),则+=1,+=1.
两式相减,并由=k得+·k=0.
由题设知=1,=m,于是k=-.①
由题设得m< =,且m>0,
即0
x3=3-(x1+x2)=1,y3=-(y1+y2)=-2m<0.
又点P在C上,所以m=,
从而P,||=.
于是||== =2-.同理||=2-.
所以||+||=4-(x1+x2)=3.
故2||=||+||,即||,||,||成等差数列.
设该数列的公差为d,则
2|d|=|||-|||=|x1-x2|
= .②
将m=代入①得k=-1.
所以l的方程为y=-x+,代入C的方程,并整理得7x2-14x+=0.
故x1+x2=2,x1x2=,代入②解得|d|=.
所以该数列的公差为或-.
角度2 切线问题
例5 (2019·湖北优质高中联考)已知椭圆+=1(a>b>0)的右焦点为F,右顶点为A,上顶点为B.已知|AB|=|OF|,且△AOB的面积为.
(1)求椭圆的方程;
(2)直线y=2上是否存在点M,使得从该点向椭圆所引的两条切线相互垂直?若存在,求点M的坐标;若不存在,说明理由.
解 (1)由|AB|=|OF|,△AOB的面积为,
得 =c,ab=,
∴a=2,b=,即椭圆方程为+=1.
(2)假设直线y=2上存在点M满足题意,设M(m,2),当m=±2时,从M点所引的两切线不垂直.当m≠±2时,设过点M向椭圆所引的切线的斜率为k,则l的方程为y=k(x-m)+2,
由得(1+2k2)x2-4k(mk-2)x+2(mk-2)2-4=0,∵Δ=0,∴(m2-4)k2-4mk+2=0,设两切线的斜率分别为k1,k2,则k1k2==-1,∴m=±,即点M坐标为(,2)或(-,2).
角度3 弦长问题
例6 (2019·陕西咸阳模拟)在平面直角坐标系xOy中,已知椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),且离心率e=.
(1)求椭圆C的方程;
(2)直线l的斜率为,直线l与椭圆C交于A,B两点.求△PAB面积的最大值.
解 (1)∵e2===,∴a2=4b2.
又椭圆C:+=1(a>b>0)过点P(2,1),
∴+=1,∴a2=8,b2=2.
故所求椭圆方程为+=1.
(2)设l的方程为y=x+m,点A(x1,y1),B(x2,y2),联立整理,得x2+2mx+2m2-4=0.
∵Δ=4m2-8m2+16>0,解得|m|<2.
∴x1+x2=-2m,x1x2=2m2-4.
则|AB|= × =.
点P到直线l的距离d==.
∴S△PAB=d|AB|=××
=≤=2.
当且仅当m2=2,即m=±时,△PAB的面积取得最大值2.
(1)解决有关弦及弦中点问题常用方法是利用根与系数的关系和“点差法”.这两种方法的前提都必须保证直线和椭圆有两个不同的公共点.
(2)直线与椭圆相切,有且仅有一个公共点,过椭圆外一点可以作两条切线,过椭圆上一点只能作一条切线.
(3)设直线与椭圆的交点坐标为A(x1,y1),B(x2,y2)
则有|AB|==(k为直线斜率,k≠0).
提醒:利用公式计算直线被椭圆截得的弦长是在方程有解的情况下进行的,不要忽略判别式.
[即时训练] 7.已知椭圆具有如下性质:若椭圆的方程为+=1(a>b>0),则椭圆上一点A(x0,y0)处的切线方程为+=1.试运用该性质解决以下问题,椭圆C1:+=1(a>b>0),其焦距为2,且过点,点B为C1在第一象限中的任意一点,过B作C1的切线l,l分别与x轴和y轴的正半轴交于C,D两点,则△OCD面积的最小值为( )
A. B.
C. D.2
答案 B
解析 由题意,得2c=2,即c=1,a2-b2=1,将点代入椭圆方程,可得+=1,解得a=,b=1,即椭圆的方程为+y2=1,设B(x2,y2),则椭圆C1在点B处的切线方程为x+y2y=1,令x=0,得yD=,令y=0,可得xC=,又点B为椭圆在第一象限上的点,所以x2>0,y2>0,+y=1,所以S△OCD=··===+≥2=,即S△OCD≥,当且仅当=y=,即点B的坐标为时,△OCD面积取得最小值,故选B.
8.(2019·广西联考)已知椭圆C:+=1(a>b>1)的焦距为2,过短轴的一个端点与两个焦点的圆的面积为,过椭圆C的右焦点作斜率为k(k≠0)的直线l与椭圆C相交于A,B两点,线段AB的中点为P.
(1)求椭圆C的标准方程;
(2)过点P且垂直于AB的直线与x轴交于点D,求k的值.
解 (1)由题中条件,可得过椭圆短轴的一个端点与两个焦点的圆的半径为 .
设椭圆的右焦点的坐标为(c,0),
依题意知
又因为b>1,解得a=2,b=,c=1,
所以椭圆C的标准方程为+=1.
(2)由题意,过椭圆C的右焦点的直线l的方程为
y=k(x-1),将其代入+=1,
得(3+4k2)x2-8k2x+4k2-12=0.
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则x1+x2=,x1x2=,
所以y1+y2=k(x1+x2)-2k=.
因为P为线段AB的中点,
所以点P的坐标为.
又因为直线PD的斜率为-,
所以直线PD的方程为
y-=-.
令y=0,得x=,
所以点D的坐标为,
则=,解得k=±1.
9.(2019·云南昆明模拟)已知中心在原点O,焦点在x轴上的椭圆E过点C(0,1),离心率为.
(1)求椭圆E的方程;
(2)直线l过椭圆E的左焦点F,且与椭圆E交于A,B两点,若△OAB的面积为,求直线l的方程.
解 (1)设椭圆E的方程为+=1(a>b>0),
由已知得解得a2=2,b2=1,
所以椭圆E的方程为+y2=1.
(2)由已知,直线l过左焦点F(-1,0).
当直线l与x轴垂直时,A,B,
此时|AB|=,则S△OAB=××1=,不满足条件.
当直线l与x轴不垂直时,设直线l的方程为
y=k(x+1),A(x1,y1),B(x2,y2).
由得(1+2k2)x2+4k2x+2k2-2=0,
所以x1+x2=-,x1x2=.
因为S△OAB=|OF|·|y1-y2|=|y1-y2|,
由已知S△OAB=,得|y1-y2|=.
因为y1+y2=k(x1+1)+k(x2+1)=k(x1+x2)+2k=k· +2k=,
y1y2=k(x1+1)·k(x2+1)=k2(x1x2+x1+x2+1)
=,
所以|y1-y2|=
==,
所以k4+k2-2=0,解得k=±1,
所以直线l的方程为x-y+1=0或x+y+1=0.
1.已知点F1,F2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
答案 C
解析 解法一:设P(x0,y0),则=(-1-x0,-y0),=(1-x0,-y0),所以+=(-2x0,-2y0),所以|+|==2=2.因为点P在椭圆上,所以0≤y≤1,所以当y=1时,|+|取最小值2.故选C.
解法二:由+=+++=2,所以|+|=2|P|=2,因为点P在椭圆上,所以x+2y=2,且0≤y≤1,则2=2=2,当y=1时,|+|取最小值2.故选C.
2.已知F是椭圆+=1的左焦点,P是此椭圆上的动点,A(1,1)是一定点,求|PA|+|PF|的最大值和最小值.
解 由题意知a=3,b=,c=2,F(-2,0).
设椭圆右焦点为F′,则|PF|+|PF′|=6,所以|PA|+|PF|=|PA|-|PF′|+6.当P,A,F′三点共线时,|PA|-|PF′|取到最大值|AF′|=,或者最小值-|AF′|=-.
所以|PA|+|PF|的最大值为6+,最小值为6-.
3.在椭圆+=1上求一点,使它到直线2x-3y+15=0的距离最短.
解 设所求点坐标为A(3cosθ,2sinθ),θ∈R,
由点到直线的距离公式得
d=
=,
当θ=2kπ+,k∈Z时,d取到最小值,
此时A点坐标为(-3,2).
答题启示
椭圆中距离的最值问题一般有三种解法:
(1)利用椭圆的定义结合平面几何知识求解(适用于所求的表达式中隐含有长轴或者离心率e);
(2)根据椭圆标准方程的特点,把距离问题转化为二次函数求最值的问题(适用于定点在椭圆的对称轴上);
(3)用椭圆的参数方程设动点的坐标,转化为三角问题求解.
对点训练
1.(2020·青海西宁复习检测)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,即|PA|+|PB|的最大值为5.
2.设P,Q分别为圆x2+(y-6)2=2和椭圆+y2=1上的点,则P,Q两点间的最大距离是( )
A.5 B.+
C.7+ D.6
答案 D
解析 解法一:设椭圆上任意一点为Q(x,y),且-≤x≤,-1≤y≤1,则圆心(0,6)到点Q的距离
d==
=,
当y=-时,dmax=5,
P,Q两点间的最大距离d′=dmax+=6.
解法二:易知圆心坐标为M(0,6),|PQ|的最大值为|MQ|max+,设Q(cosθ,sinθ),
则|MQ|=
=
=,
当sinθ=-时,|MQ|max=5,
所以|PQ|max=5+=6.故选D.
3.如图,焦点在x轴上的椭圆+=1的离心率e=,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·的最大值为________.
答案 4
解析 设P点坐标为(x0,y0).由题意知a=2,
因为e==,所以c=1,所以b2=a2-c2=3.
所以椭圆方程为+=1.
所以-2≤x0≤2,-≤y0≤.
因为F(-1,0),A(2,0),
=(-1-x0,-y0),=(2-x0,-y0),
所以·=x-x0-2+y=x-x0+1
=(x0-2)2.
即当x0=-2时,·取得最大值4.
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