
學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.掌握橢圓的幾何性質(zhì),了解橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程中a,b,c的幾何意義.2.會(huì)用橢圓的幾何意義解決相關(guān)問題.
導(dǎo)語
與利用直線的方程、圓的方程研究它們的幾何性質(zhì)一樣,我們利用橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程研究橢圓的幾何性質(zhì),包括橢圓的范圍、形狀、大小、對稱性和特殊點(diǎn)等.
一、橢圓的幾何性質(zhì)
問題1 觀察橢圓eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的形狀,你能從圖上看出它的范圍嗎?它具有怎樣的對稱性?橢圓上哪些點(diǎn)比較特殊?
提示 范圍:-a≤x≤a,-b≤y≤b;對稱性:對稱軸為x軸,y軸,對稱中心為原點(diǎn);
頂點(diǎn):A1(-a,0),A2(a,0),B1(0,-b),B2(0,b).
知識(shí)梳理
注意點(diǎn):
(1)橢圓的焦點(diǎn)一定在它的長軸上.
(2)橢圓上到中心的距離最小的點(diǎn)是短軸的兩個(gè)端點(diǎn),到中心的距離最大的點(diǎn)是長軸的兩個(gè)端點(diǎn).
(3)橢圓上到焦點(diǎn)的距離最大和最小的點(diǎn)分別是長軸的兩個(gè)端點(diǎn),最大值為a+c,最小值為a-c.
問題2 觀察圖,我們發(fā)現(xiàn),不同橢圓的扁平程度不同,扁平程度是橢圓的重要形狀特征,你能用適當(dāng)?shù)牧慷靠坍嫏E圓的扁平程度嗎?這個(gè)定量對橢圓的形狀有何影響?
提示 利用離心率e=eq \f(c,a)來刻畫橢圓的扁平程度.
如圖所示,在Rt△BF2O中,cs∠BF2O=eq \f(c,a),記e=eq \f(c,a),則00).
如圖所示,△A1FA2為等腰直角三角形,OF為斜邊A1A2的中線(高),且|OF|=c,|A1A2|=2b,
所以c=b=3,
所以a2=b2+c2=18,
故所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,18)+eq \f(y2,9)=1.
(2)當(dāng)橢圓的焦點(diǎn)在x軸上時(shí),設(shè)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0),
由題意,得a=3,
因?yàn)閑=eq \f(\r(6),3),所以c=eq \r(6),從而b2=a2-c2=3,所以橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,9)+eq \f(y2,3)=1;
當(dāng)橢圓的焦點(diǎn)在y軸上時(shí),設(shè)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0),
由題意,得b=3,
因?yàn)閑=eq \f(\r(6),3),
所以eq \f(\r(a2-b2),a)=eq \f(\r(6),3),
把b=3代入,得a2=27,所以橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(y2,27)+eq \f(x2,9)=1.
綜上可知,所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,9)+eq \f(y2,3)=1或eq \f(y2,27)+eq \f(x2,9)=1.
反思感悟 利用橢圓的幾何性質(zhì)求標(biāo)準(zhǔn)方程的步驟
(1)確定焦點(diǎn)位置.
(2)設(shè)出相應(yīng)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程.
(3)根據(jù)已知條件構(gòu)造關(guān)于參數(shù)的關(guān)系式,利用方程(組)求參數(shù).
(4)寫出橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程.
跟蹤訓(xùn)練2 (1)若橢圓的對稱軸為坐標(biāo)軸,長軸長與短軸長的和為18,一個(gè)焦點(diǎn)的坐標(biāo)是(3,0),則橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為______________.
答案 eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1
解析 由題意,得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(2a+2b=18,,c=3,,a2=b2+c2,))
解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=5,,b=4.))
因?yàn)闄E圓的焦點(diǎn)在x軸上,
所以橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,25)+eq \f(y2,16)=1.
(2)已知橢圓的對稱軸是坐標(biāo)軸,O為坐標(biāo)原點(diǎn),F(xiàn)是一個(gè)焦點(diǎn),A是一個(gè)頂點(diǎn),橢圓的長軸長為6,且cs∠OFA=eq \f(2,3),則橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程是__________.
答案 eq \f(x2,9)+eq \f(y2,5)=1或eq \f(x2,5)+eq \f(y2,9)=1
解析 因?yàn)闄E圓的長軸長是6,cs∠OFA=eq \f(2,3),所以點(diǎn)A不是長軸的端點(diǎn)(是短軸的端點(diǎn)).
所以|OF|=c,|AF|=a=3,
所以eq \f(c,3)=eq \f(2,3),所以c=2,b2=32-22=5,
所以橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程是eq \f(x2,9)+eq \f(y2,5)=1或eq \f(x2,5)+eq \f(y2,9)=1.
三、求橢圓的離心率
例3 設(shè)橢圓C:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn)分別為F1,F(xiàn)2,P是C上的點(diǎn),PF2⊥F1F2,∠PF1F2=30°,則C的離心率為________.
答案 eq \f(\r(3),3)
解析 方法一 由題意可設(shè)|PF2|=m,結(jié)合條件可知|PF1|=2m,|F1F2|=eq \r(3)m,故離心率e=eq \f(c,a)=eq \f(2c,2a)=eq \f(|F1F2|,|PF1|+|PF2|)=eq \f(\r(3)m,2m+m)=eq \f(\r(3),3).
方法二 由PF2⊥F1F2可知P點(diǎn)的橫坐標(biāo)為c,將x=c代入橢圓方程可解得y=±eq \f(b2,a),所以|PF2|=eq \f(b2,a).又由∠PF1F2=30°可得|F1F2|=eq \r(3)|PF2|,故2c=eq \r(3)·eq \f(b2,a),變形可得eq \r(3)(a2-c2)=2ac,等式兩邊同除以a2,得eq \r(3)(1-e2)=2e,解得e=eq \f(\r(3),3)或e=-eq \r(3)(舍去).
延伸探究
1.若將本例中“PF2⊥F1F2,∠PF1F2=30°”改為“∠PF2F1=75°,∠PF1F2=45°”,求C的離心率.
解 在△PF1F2中,
∵∠PF1F2=45°,∠PF2F1=75°,
∴∠F1PF2=60°,
設(shè)|PF1|=m,|PF2|=n,|F1F2|=2c,m+n=2a,
則在△PF1F2中,有eq \f(m,sin 75°)=eq \f(n,sin 45°)=eq \f(2c,sin 60°),
∴eq \f(m+n,sin 75°+sin 45°)=eq \f(2c,sin 60°),
∴e=eq \f(c,a)=eq \f(2c,2a)=eq \f(sin 60°,sin 75°+sin 45°)=eq \f(\r(6)-\r(2),2).
2.若將本例中“PF2⊥F1F2,∠PF1F2=30°”改為“C上存在點(diǎn)P,使∠F1PF2為鈍角”,求C的離心率的取值范圍.
解 由題意,知c>b,∴c2>b2.
又b2=a2-c2,
∴c2>a2-c2,即2c2>a2.∴e2=eq \f(c2,a2)>eq \f(1,2),
∴e>eq \f(\r(2),2),又00),則由橢圓的定義,可得|MF1|+|MF2|=|NF1|+|NF2|=2a.由△MF2N的周長為20,可得4a=20,即a=5.過點(diǎn)F1作直線與橢圓相交,當(dāng)直線垂直于x軸時(shí),弦長最短,令x=-c,代入橢圓的方程,可得y=±eq \f(b2,a),即eq \f(2b2,a)=eq \f(18,5),解得b2=9,所以c=eq \r(a2-b2)=4,所以橢圓的離心率為e=eq \f(c,a)=eq \f(4,5).
1.知識(shí)清單:
(1)橢圓的簡單幾何性質(zhì).
(2)由橢圓的幾何性質(zhì)求標(biāo)準(zhǔn)方程.
(3)求橢圓的離心率.
2.方法歸納:分類討論、方程法(不等式法).
3.常見誤區(qū):忽略橢圓離心率的范圍0<e<1及長軸長與a的關(guān)系.
1.(多選)已知橢圓C:16x2+4y2=1,則下列結(jié)論正確的是( )
A.長軸長為eq \f(1,2)
B.焦距為eq \f(\r(3),4)
C.焦點(diǎn)坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,±\f(\r(3),4)))
D.離心率為eq \f(\r(3),2)
答案 CD
解析 由橢圓方程16x2+4y2=1化為標(biāo)準(zhǔn)方程可得eq \f(x2,\f(1,16))+eq \f(y2,\f(1,4))=1,
所以a=eq \f(1,2),b=eq \f(1,4),c=eq \f(\r(3),4) ,
所以長軸長為2a=1,焦距為2c=eq \f(\r(3),2),焦點(diǎn)坐標(biāo)為eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,±\f(\r(3),4))),離心率為e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(3),2).
2.已知橢圓的離心率為eq \f(1,2),焦點(diǎn)是(-3,0)和(3,0),則該橢圓的方程為( )
A.eq \f(x2,36)+eq \f(y2,27)=1 B.eq \f(x2,6)+eq \f(y2,3)=1
C.eq \f(x2,27)+eq \f(y2,36)=1 D.eq \f(x2,9)+eq \f(y2,6)=1
答案 A
解析 由題意知c=3,eq \f(c,a)=eq \f(1,2),
則a=6,∴b2=a2-c2=27,
∴橢圓的方程為eq \f(x2,36)+eq \f(y2,27)=1.
3.若橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)與短軸的一個(gè)端點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)正三角形,則該橢圓的離心率為( )
A.eq \f(1,2) B.eq \f(\r(3),2) C.eq \f(\r(3),4) D.eq \f(\r(6),4)
答案 A
解析 不妨設(shè)橢圓的左、右焦點(diǎn)分別為F1,F(xiàn)2,B為橢圓的上頂點(diǎn).
依題意可知,△BF1F2是正三角形.
∵在Rt△OBF2中,|OF2|=c,
|BF2|=a,∠OF2B=60°,
∴cs 60°=eq \f(c,a)=eq \f(1,2),
即橢圓的離心率e=eq \f(1,2).
4.若橢圓C:eq \f(x2,m)+eq \f(y2,m2-1)=1的一個(gè)焦點(diǎn)坐標(biāo)為(0,1),則C的長軸長為________.
答案 2eq \r(3)
解析 ∵橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)坐標(biāo)為(0,1),
∴m2-1-m=1,即m2-m-2=0,
解得m=2或m=-1,
由于eq \f(x2,m)+eq \f(y2,m2-1)=1表示的是橢圓,
則m>1,∴m=2,
則橢圓方程為eq \f(y2,3)+eq \f(x2,2)=1,
∴a=eq \r(3),2a=2eq \r(3).
課時(shí)對點(diǎn)練
1.(多選)為使橢圓eq \f(x2,2)+eq \f(y2,m)=1的離心率為eq \f(1,2),正數(shù)m的值可以是( )
A.1 B.eq \r(3) C.eq \f(8,3) D.eq \f(3,2)
答案 CD
解析 當(dāng)00),F(xiàn)1,F(xiàn)2分別為橢圓的左、右焦點(diǎn),A為橢圓的上頂點(diǎn),直線AF2交橢圓于另一點(diǎn)B.
(1)若∠F1AB=90°,求橢圓的離心率;
(2)若橢圓的焦距為2,且eq \(AF2,\s\up6(→))=2eq \(F2B,\s\up6(—→)),求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程.
解 (1)若∠F1AB=90°,則△AOF2為等腰直角三角形,
所以有|OA|=|OF2|,即b=c.
所以a=eq \r(2)c,e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(2),2).
(2)由題意知A(0,b),F(xiàn)2(1,0),
設(shè)B(x,y),由eq \(AF2,\s\up6(→))=2eq \(F2B,\s\up6(—→)),
解得x=eq \f(3,2),y=-eq \f(b,2).
代入eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1,
得eq \f(\f(9,4),a2)+eq \f(\f(b2,4),b2)=1,即eq \f(9,4a2)+eq \f(1,4)=1,
解得a2=3,
又c2=1,所以b2=2,
所以橢圓的方程為eq \f(x2,3)+eq \f(y2,2)=1.
11.(多選)阿基米德是古希臘數(shù)學(xué)家,他利用“逼近法”算出橢圓面積等于圓周率、橢圓的長半軸長、短半軸長三者的乘積.據(jù)此得某橢圓面積為6eq \r(2)π,且兩焦點(diǎn)恰好將長軸三等分,則此橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程可以為( )
A.eq \f(x2,8)+eq \f(y2,9)=1 B.eq \f(x2,18)+eq \f(y2,16)=1
C.eq \f(x2,12)+eq \f(y2,6)=1 D.eq \f(x2,9)+eq \f(y2,8)=1
答案 AD
解析 由題意可知,eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(πab=6\r(2)π,,2c=\f(1,3)×2a,))
又a2=b2+c2,
解得a=3,b=2eq \r(2),c=1,
所以橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為eq \f(x2,9)+eq \f(y2,8)=1或eq \f(y2,9)+eq \f(x2,8)=1.
12.橢圓eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的兩個(gè)焦點(diǎn)是F1,F(xiàn)2,若P為其上一點(diǎn),且|PF1|=5|PF2|,則此橢圓離心率的取值范圍是( )
A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(0,\f(2,3))) B.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(2,3))) C.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3),1)) D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3),1))
答案 C
解析 由題意可知|PF1|+|PF2|=2a,|PF1|=5|PF2|,
則|PF1|=eq \f(5a,3),|PF2|=eq \f(a,3),
∵|PF1|-|PF2|≤|F1F2|,
∴eq \f(4a,3)≤2c,e≥eq \f(2,3).
又eb>0)的焦距為2c,以O(shè)為圓心,a為半徑的圓,過點(diǎn)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a2,c),0))作圓的兩切線互相垂直,則離心率e=________.
答案 eq \f(\r(2),2)
解析 如圖,切線PA,PB互相垂直,
又半徑OA垂直于PA,所以△OAP是等腰直角三角形,eq \f(a2,c)=eq \r(2)a.解得eq \f(c,a)=eq \f(\r(2),2),
則離心率e=eq \f(\r(2),2).
14.如圖,把橢圓eq \f(x2,16)+eq \f(y2,9)=1的長軸AB八等分,過每個(gè)分點(diǎn)作x軸的垂線交橢圓的上半部分于P1,P2,…,P7七個(gè)點(diǎn),F(xiàn)是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn),則|P1F|+|P2F|+|P3F|+…+|P7F|的值為________.
答案 28
解析 設(shè)橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)為F′,
由橢圓的幾何性質(zhì)可知|P1F|=|P7F′|,
∴|P1F|+|P7F|=|P7F′|+|P7F|=2a,
同理可得|P2F|+|P6F|=|P3F|+|P5F|=2|P4F|=2a,又a=4,
故|P1F|+|P2F|+|P3F|+…+|P7F|=7a=28.
15.橢圓是日常生活中常見的圖形,在圓柱形的玻璃杯中盛半杯水,將杯體傾斜一個(gè)角度,水面的邊界即是橢圓.現(xiàn)有一高度為12厘米,底面半徑為3厘米的圓柱形玻璃杯,且杯中所盛水的體積恰為該玻璃杯容積的一半(玻璃厚度忽略不計(jì)),在玻璃杯傾斜的過程中(杯中的水不能溢出),杯中水面邊界所形成的橢圓的離心率的取值范圍是( )
A.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(\r(5),5))) B.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(5),5),1)) C.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(2\r(5),5))) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2\r(5),5),1))
答案 C
解析 當(dāng)玻璃杯傾斜至杯中水剛好不溢出時(shí),水面邊界所形成橢圓的離心率最大,此時(shí)橢圓長軸長為eq \r(122+62)=6eq \r(5)(厘米),短軸長為6厘米,
∴橢圓離心率e=eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(6,6\r(5))))2)=eq \f(2\r(5),5),
∴e∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(0,\f(2\r(5),5))).
16.設(shè)F1,F(xiàn)2分別是橢圓E:eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn),過點(diǎn)F1的直線交橢圓E于A,B兩點(diǎn),|AF1|=3|F1B|.
(1)若|AB|=4,△ABF2的周長為16,求|AF2|;
(2)若cs∠AF2B=eq \f(3,5),求橢圓E的離心率.
解 (1)由|AF1|=3|F1B|,|AB|=4,
得|AF1|=3,|F1B|=1.
因?yàn)椤鰽BF2的周長為16,所以由橢圓定義可得4a=16,
|AF1|+|AF2|=2a=8,故|AF2|=8-3=5.
(2)設(shè)|F1B|=k,則k>0且|AF1|=3k,|AB|=4k.
由橢圓定義可得|AF2|=2a-3k,|BF2|=2a-k.
在△ABF2中,由余弦定理可得|AB|2=|AF2|2+|BF2|2-2|AF2|·|BF2|cs∠AF2B,
即(4k)2=(2a-3k)2+(2a-k)2-eq \f(6,5)(2a-3k)(2a-k).
化簡可得(a+k)(a-3k)=0,而a+k>0,故a=3k.
于是有|AF2|=3k=|AF1|,|BF2|=5k.
因此|BF2|2=|F2A|2+|AB|2,可得F1A⊥F2A,
故△AF1F2為等腰直角三角形.
從而c=eq \f(\r(2),2)a,所以橢圓E的離心率e=eq \f(c,a)=eq \f(\r(2),2).焦點(diǎn)的位置
焦點(diǎn)在x軸上
焦點(diǎn)在y軸上
圖形
標(biāo)準(zhǔn)方程
eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1(a>b>0)
eq \f(y2,a2)+eq \f(x2,b2)=1(a>b>0)
范圍
-a≤x≤a,-b≤y≤b
-b≤x≤b,-a≤y≤a
頂點(diǎn)
A1(-a,0),A2(a,0),B1(0,-b),B2(0,b)
A1(0,-a),A2(0,a),B1(-b,0),B2(b,0)
軸長
短軸長=2b,長軸長=2a
焦點(diǎn)
(±eq \r(a2-b2),0)
(0,±eq \r(a2-b2))
焦距
|F1F2|=2eq \r(a2-b2)
對稱性
對稱軸:x軸、y軸 對稱中心:原點(diǎn)
這是一份人教A版 (2019)選擇性必修 第一冊3.1 橢圓導(dǎo)學(xué)案,共4頁。學(xué)案主要包含了復(fù)習(xí)回顧,探究新知,課堂小結(jié)等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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