
(1)定義
平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)F1,F(xiàn)2的距離的和等于① 常數(shù) (大于|F1F2|)的點(diǎn)的軌跡叫做橢圓.這兩個(gè)定點(diǎn)叫做橢圓的② 焦點(diǎn) ,兩焦點(diǎn)間的距離叫做橢圓的③ 焦距 .
集合語言:P={M||MF1|+|MF2|=2a,2a>|F1F2|},|F1F2|=2c,其中a>c>0,且a,c為常數(shù).
注意 若2a=|F1F2|,則動(dòng)點(diǎn)的軌跡是線段F1F2;若2a<|F1F2|,則動(dòng)點(diǎn)的軌跡不存在.
(2)標(biāo)準(zhǔn)方程
a.中心在坐標(biāo)原點(diǎn),焦點(diǎn)在x軸上的橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為④ x2a2+y2b2=1 (a>b>0);
b.中心在坐標(biāo)原點(diǎn),焦點(diǎn)在y軸上的橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為⑤ y2a2+x2b2=1 (a>b>0).
思維拓展
橢圓的第二定義、第三定義
橢圓的第二定義:{P||PF|d=e,0<e<1,其中F為定點(diǎn),l為定直線,e為離心率,F(xiàn)?l,d表示點(diǎn)P到直線l的距離}.
橢圓的第三定義:{P|kPA·kPB=e2-1,0<e<1,其中kPA,kPB分別表示點(diǎn)P與兩定點(diǎn)A,B連線的斜率,e為離心率}.
注意 橢圓的第三定義中的兩個(gè)定點(diǎn)(橢圓的頂點(diǎn))在x軸上,且利用橢圓第三定義得出的軌跡方程不包括這兩個(gè)定點(diǎn).
2.橢圓的幾何性質(zhì)
說明 離心率表示橢圓的扁平程度,當(dāng)e越接近于1時(shí),c越接近于a,從而b=a2-c2越小,因此橢圓越扁平;當(dāng)e越接近于0時(shí),c越接近于0,從而b=a2-c2越大,因此橢圓越接近于圓.
常用結(jié)論
1.橢圓的焦點(diǎn)三角形
以橢圓上的點(diǎn)P(x0,y0)與兩焦點(diǎn)F1,F(xiàn)2為頂點(diǎn)的△PF1F2叫做焦點(diǎn)三角形.
如圖所示,設(shè)∠F1PF2=θ.
(1)當(dāng)P為短軸端點(diǎn)時(shí),θ最大.(2)S△PF1F2=12|PF1|·|PF2|·sin θ=b2·sinθ1+csθ=b2tanθ2=c|y0|,當(dāng)|y0|=b,即P為短軸端點(diǎn)時(shí),S△PF1F2取最大值,最大值為bc.(3)|PF1|max=a+c,|PF1|min=a-c.(4)焦點(diǎn)三角形的周長為2(a+c).
2.設(shè)橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左、右焦點(diǎn)分別為F1(-c,0),F(xiàn)2(c,0),則當(dāng)點(diǎn)Px0,y0在橢圓上時(shí),|PF1|=a+ex0,|PF2|=a-ex0(e為橢圓的離心率).
1.(1)的推導(dǎo)過程:在焦點(diǎn)三角形PF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|c(diǎn)s θ,
則cs θ=|PF1|2+|PF2|2-|F1F2|22|PF1||PF2|
=(|PF1|+|PF2|)2-2|PF1||PF2|-|F1F2|22|PF1||PF2|
=(2a)2-4c2-2|PF1||PF2|2|PF1||PF2|
=2b2|PF1||PF2|-1,
∵|PF1||PF2|≤(|PF1|+|PF2|2)2=a2,當(dāng)且僅當(dāng)|PF1|=|PF2|,即點(diǎn)P是短軸端點(diǎn)時(shí)取等號(hào),
∴cs θ=2b2|PF1||PF2|-1≥2b2a2-1.
又函數(shù)y=cs x在(0,π)上單調(diào)遞減,∴當(dāng)P為短軸的端點(diǎn)時(shí),θ最大.
1.(2)的推導(dǎo)過程:由上條結(jié)論的推導(dǎo)過程得cs θ=2b2|PF1||PF2|-1,∴|PF1||PF2|=2b21+csθ,
∴S△PF1F2=12|PF1||PF2|sin θ=12·2b21+csθ·sin θ=b2·sinθ1+csθ=b2·2sinθ2csθ22cs2θ2=b2tan θ2.
1.設(shè)P是橢圓C:x25+y23=1上的動(dòng)點(diǎn),則P到橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和為( C )
A.22B.23C.25D.42
解析 根據(jù)橢圓的定義,可知點(diǎn)P到橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和為25.故選C.
2.已知橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)的離心率為12,則( B )
A.a2=2b2B.3a2=4b2C.a=2bD.3a=4b
解析 由題意得,ca=12,∴c2a2=14,又a2=b2+c2,∴a2-b2a2=14,∴b2a2=34,∴4b2=3a2.故選B.
3.[多選]下列說法正確的是( CD )
A.平面內(nèi)與兩個(gè)定點(diǎn)F1,F(xiàn)2的距離的和等于常數(shù)的點(diǎn)的軌跡是橢圓
B.橢圓的離心率e越大,橢圓就越圓
C.關(guān)于x,y的方程mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)表示的曲線是橢圓
D.x2a2+y2b2=1(a>b>0)與y2a2+x2b2=1(a>b>0)的焦距相同
4.[易錯(cuò)題]平面內(nèi)一點(diǎn)M到兩定點(diǎn)F1(-6,0),F(xiàn)2(6,0)的距離之和等于12,則點(diǎn)M的軌跡是 線段F1F2 .
解析 由題意知|MF1|+|MF2|=12,但|F1F2|=12,即|MF1|+|MF2|=|F1F2|,所以點(diǎn)M的軌跡是線段F1F2.
5.[易錯(cuò)題]橢圓x210-m+y2m-2=1的焦距為4,則m= 4或8 .
解析 當(dāng)焦點(diǎn)在x軸上時(shí),10-m>m-2>0,10-m-(m-2)=4,∴m=4.當(dāng)焦點(diǎn)在y軸上時(shí),m-2>10-m>0,m-2-(10-m)=4,∴m=8.
6.已知橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)為F(6,0),且B1,B2是短軸的兩個(gè)端點(diǎn),△FB1B2是等邊三角形,則這個(gè)橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程是 x248+y212=1 .
解析 由已知得橢圓的焦點(diǎn)在x軸上,設(shè)方程為x2a2+y2b2=1(a>b>0).由一個(gè)焦點(diǎn)為F(6,0),知c=6,又△FB1B2為等邊三角形,得b=23,所以a2=b2+c2=48,故橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為x248+y212=1.
研透高考 明確方向
命題點(diǎn)1 橢圓的定義及其應(yīng)用
例1 (1)[2023全國卷甲]設(shè)F1,F(xiàn)2為橢圓C:x25+y2=1的兩個(gè)焦點(diǎn),點(diǎn)P在C上,若PF1·PF2=0,則|PF1|·|PF2|=( B )
A.1B.2C.4D.5
解析 解法一 因?yàn)镻F1·PF2=0,所以PF1⊥PF2,則S△PF1F2=12|PF1|·|PF2|=b2tan∠F1PF22,得12|PF1|·|PF2|=1×tan90°2,所以|PF1|·|PF2|=2,故選B.
解法二 因?yàn)镻F1·PF2=0,所以PF1⊥PF2,所以PF12+PF22=F1F22=2c2=16.因?yàn)椋黀F1|+|PF2|=2a=25,所以(|PF1|+|PF2|)2=20,即|PF1|2+|PF2|2+2|PF1|·|PF2|=20,所以|PF1|·|PF2|=2,故選B.
(2)[2021新高考卷Ⅰ]已知F1,F(xiàn)2是橢圓C:x29+y24=1的兩個(gè)焦點(diǎn),點(diǎn)M在C上,則|MF1|·|MF2|的最大值為( C )
A.13B.12C.9D.6
解析 由橢圓C:x29+y24=1,得|MF1|+|MF2|=6,
則|MF1|·|MF2|≤(|MF1|+|MF2|2)2=32=9,當(dāng)且僅當(dāng)|MF1|=|MF2|=3時(shí)等號(hào)成立.
(3)動(dòng)圓M與圓M1:(x+1)2+y2=1外切,與圓M2:(x-1)2+y2=25內(nèi)切,則動(dòng)圓圓心M的軌跡是 橢圓 .
解析 設(shè)圓M的半徑為R.因?yàn)閳AM與圓M1外切,與圓M2內(nèi)切,所以MM1=1+R,|MM2|=5-R,所以|MM1|+|MM2|=1+R+5-R=6>|M1M2|=2,所以M的軌跡是橢圓.
方法技巧
1.橢圓定義的主要應(yīng)用
(1)確認(rèn)平面內(nèi)與兩定點(diǎn)有關(guān)的動(dòng)點(diǎn)軌跡是否為橢圓;(2)解決與焦點(diǎn)有關(guān)的距離或范圍問題.
2.解決焦點(diǎn)三角形問題常利用橢圓的定義以及余弦定理.
訓(xùn)練1 (1)[2023全國卷甲]設(shè)O為坐標(biāo)原點(diǎn),F(xiàn)1,F(xiàn)2為橢圓C:x29+y26=1的兩個(gè)焦點(diǎn),點(diǎn)P在C上,cs∠F1PF2=35,則|OP|=( B )
A.135B.302C.145D.352
解析 解法一 依題意a=3,b=6,c=a2-b2=3.如圖,不妨令F1(-3,0),F(xiàn)2(3,0).設(shè)|PF1|=m,|PF2|=n,在△F1PF2中,cs∠F1PF2=m2+n2-122mn=35 ①,由橢圓的定義可得m+n=2a=6 ②.由①②,解得mn=152.設(shè)|OP|=x.在△F1OP和△F2OP中,∠F1OP+∠F2OP=π,由余弦定理得x2+3-m223x=-x2+3-n223x,得x2=m2+n2-62=(m+n)2-2mn-62=152,所以|OP|=302.(也可由PO=12(PF1+PF2),兩邊同時(shí)平方求|OP|)
解法二 依題意a=3,b=6,c=a2-b2=3.如圖(圖同解法一),設(shè)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x0,y0),利用焦點(diǎn)三角形面積公式知S△F1PF2=b2sin∠F1PF21+cs∠F1PF2.因?yàn)閏s∠F1PF2=35,所以sin∠F1PF2=45,故S△F1PF2=6×451+35=3.又S△F1PF2=12×2c|y0|=3|y0|,故y02=3,又x029+y026=1,所以x02=92,故|OP|2=x02+y02=152,得|OP|=302.
(2)已知橢圓x24+y23=1,F(xiàn)是橢圓的左焦點(diǎn),P是橢圓上一點(diǎn),若點(diǎn)A的坐標(biāo)為(1,1),則|PA|+|PF|的最小值為( A )
A.3B.10C.5+12D.5+1
解析 設(shè)橢圓的右焦點(diǎn)為F2(1,0),則|AF2|=1,PA+PF=PA+4-PF2=4+PA-PF2.又||PA|-|PF2||≤|AF2|=1,所以-1≤PA-PF2≤1,所以|PA|+|PF|的最小值為3(此時(shí)點(diǎn)P是射線F2A與橢圓的交點(diǎn)).
(3)已知△ABC的周長為20,且頂點(diǎn)B(0,-4),C(0,4),則頂點(diǎn)A的軌跡方程是 x220+y236=1(x≠0) .
解析 因?yàn)椤鰽BC的周長為20,頂點(diǎn)B(0,-4),C(0,4),所以|BC|=8,|AB|+|AC|=20-8=12,因?yàn)?2>8,所以點(diǎn)A到兩個(gè)定點(diǎn)的距離之和等于定值,所以點(diǎn)A的軌跡是焦點(diǎn)在y軸上的橢圓的一部分,設(shè)橢圓方程為x2b2+y2a2=1(a>b>0),易得a=6,c=4,所以b2=20,所以點(diǎn)A的軌跡方程是x220+y236=1(x≠0).
命題點(diǎn)2 橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程
例2 (1)[2023南京模擬]已知橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)分別為F1(0,2),F(xiàn)2(0,-2),P為橢圓上任意一點(diǎn),若|F1F2|是|PF1|,|PF2|的等差中項(xiàng),則此橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為( D )
A.x264+y260=1B.y264+x260=1
C.x216+y212=1D.y216+x212=1
解析 由題意得|PF1|+|PF2|=2|F1F2|=8=2a,故a=4,又c=2,則b=23,又焦點(diǎn)在y軸上,故橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為y216+x212=1.
(2)[2022全國卷甲]已知橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的離心率為13,A1,A2分別為C的左、右頂點(diǎn),B為C的上頂點(diǎn).若BA1·BA2=-1,則C的方程為( B )
A.x218+y216=1B.x29+y28=1
C.x23+y22=1D.x22+y2=1
解析 依題意得A1(-a,0),A2(a,0),B(0,b),所以BA1=(-a,-b),BA2=(a,-b),BA1·BA2=-a2+b2=-c2=-1,故c=1,又C的離心率e=ca=13,所以a=3,故a2=9,b2=a2-c2=8,即C的方程為x29+y28=1,故選B.
方法技巧
求橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程的兩種方法
1.定義法
先根據(jù)橢圓的定義確定a,b,c的值,再結(jié)合焦點(diǎn)位置求出橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程.
2.待定系數(shù)法
若焦點(diǎn)位置明確,則可設(shè)出橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程,結(jié)合已知條件求出a,b的值;若焦點(diǎn)位置不明確,則需要分焦點(diǎn)在x軸上和y軸上兩種情況討論,也可設(shè)橢圓方程為mx2+ny2=1m>0,n>0,m≠n,用待定系數(shù)法求出m,n的值.
訓(xùn)練2 (1)[2023銀川市質(zhì)檢]已知A是橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的右頂點(diǎn),焦距為4,直線y=kx(k≠0)與C相交于P,Q兩點(diǎn),若直線AP與直線AQ的斜率之積為-12,則橢圓C的方程為( B )
A.x26+y22=1B.x28+y24=1
C.x29+y25=1D.x232+y216=1
解析 解法一 因?yàn)锳是橢圓C的右頂點(diǎn),所以點(diǎn)A的坐標(biāo)為(a,0),因?yàn)橹本€y=kx(k≠0)過原點(diǎn),所以與橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)的交點(diǎn)P,Q關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱,因此可設(shè)P,Q兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(-x1,-y1),則kAP·kAQ=y(tǒng)1x1-a·-y1-x1-a=y(tǒng)1x1-a·y1x1+a=y12x12-a2.因?yàn)辄c(diǎn)P(x1,y1)在橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)上,所以x12a2+y12b2=1,故y12=b2(1-x12a2)=b2a2(a2-x12),所以kAP·kAQ=y(tǒng)12x12-a2=b2a2(a2-x12)x12-a2=-b2a2,由已知可得-b2a2=-12,所以a2=2b2.由焦距2c=4,得c=2,再結(jié)合橢圓中a2=b2+c2,可得a2=8,b2=4,故橢圓C的方程為x28+y24=1,故選B.
解法二 由二級(jí)結(jié)論可知,直線AP和AQ的斜率之積為-b2a2,所以-b2a2=-12,所以a2=2b2,由焦距2c=4,得c=2,再結(jié)合橢圓中a2=b2+c2,可得a2=8,b2=4,故橢圓C的方程為x28+y24=1,故選B.(二級(jí)結(jié)論:過原點(diǎn)的直線與橢圓x2a2+y2b2=1(a>b>0)相交于P,Q兩點(diǎn),A為橢圓上任意一點(diǎn),且直線AP和AQ與坐標(biāo)軸不垂直,則直線AP和AQ的斜率之積為定值-b2a2)
(2)若橢圓經(jīng)過兩點(diǎn)(1,32)和(2,22),則橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為 x24+y2=1 .
解析 解法一 當(dāng)橢圓的焦點(diǎn)在x軸上時(shí),設(shè)所求橢圓的方程為x2a2+y2b2=1 (a>b>0).∵橢圓經(jīng)過兩點(diǎn)(1,32)和(2,22),∴1a2+34b2=1,2a2+12b2=1,解得a=2,b=1.∴所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為x24+y2=1.當(dāng)橢圓的焦點(diǎn)在y軸上時(shí),設(shè)所求橢圓的方程為y2a2+x2b2=1(a>b>0).∵橢圓經(jīng)過兩點(diǎn)(1,32)和(2,22),∴34a2+1b2=1,12a2+2b2=1,解得a=1,b=2,與a>b矛盾,故舍去.
綜上可知,所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為x24+y2=1.
解法二 設(shè)橢圓方程為mx2+ny2=1 (m>0,n>0,m≠n).
∵橢圓過(1,32)和(2,22)兩點(diǎn),∴m+3n4=1,2m+n2=1,解得m=14,n=1.∴所求橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為x24+y2=1.
命題點(diǎn)3 橢圓的幾何性質(zhì)
角度1 離心率
例3 (1)[2023新高考卷Ⅰ]設(shè)橢圓C1:x2a2+y2=1(a>1),C2:x24+y2=1的離心率分別為e1,e2,若e2=3e1,則a=( A )
A.233B.2C.3D.6
解析 解法一(直接求解法) 由已知得e1=a2-1a,e2=4-12=32,因?yàn)閑2=3e1,所以32=3×a2-1a,得a=233.故選A.
解法二(選項(xiàng)代入驗(yàn)證法) 若a=233,則e1=a2-1a=(233)2-1233=12,又e2=32,所以e2=3e1,所以a=233符合題意,由于是單選題,故選A.
(2)[2022全國卷甲]橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左頂點(diǎn)為A,點(diǎn)P,Q均在C上,且關(guān)于y軸對(duì)稱.若直線AP,AQ的斜率之積為14,則C的離心率為( A )
A.32B.22C.12D.13
解析 解法一 設(shè)P(m,n)(n≠0),則Q(-m,n),易知A(-a,0),所以kAP·kAQ=nm+a·n-m+a=n2a2-m2=14 ①.因?yàn)辄c(diǎn)P在橢圓C上,所以m2a2+n2b2=1,得n2=b2a2(a2-m2),代入①式,得b2a2=14,所以e=1-b2a2=32.故選A.
解法二 設(shè)橢圓C的右頂點(diǎn)為B,則直線BP與直線AQ關(guān)于y軸對(duì)稱,所以kAQ=-kBP,所以kAP·kBP=-kAP·kAQ=-14=e2-1,所以e=32.故選A.
(3)[2021全國卷乙]設(shè)B是橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的上頂點(diǎn),若C上的任意一點(diǎn)P都滿足|PB|≤2b,則C的離心率的取值范圍是( C )
A.[22,1)B.[12,1)C.(0,22]D.(0,12]
解析 依題意,得B(0,b),設(shè)橢圓上一點(diǎn)P(x0,y0),則|y0|≤b,由x02a2+y02b2=1,可得x02=a2-a2b2y02,則|PB|2=x02+(y0-b)2=x02+y02-2by0+b2=-c2b2y02-2by0+a2+b2≤4b2.因?yàn)楫?dāng)y0=-b時(shí),|PB|2=4b2,所以-b3c2≤-b,得2c2≤a2,所以離心率e=ca≤22,故選C.
方法技巧
1.求橢圓離心率的方法
(1)直接利用公式求離心率.e=ca=1-(ba)2.
(2)由橢圓的定義求離心率.設(shè)F1,F(xiàn)2為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn),P為橢圓上一點(diǎn),則e=ca=2c2a=|F1F2||PF1|+|PF2|.
(3)構(gòu)造關(guān)于a,c的齊次式求離心率.可以不求出a,c的具體值,而是得出a與c的關(guān)系,從而求得e.
注意 將余弦定理與橢圓的定義結(jié)合列方程,是常見的構(gòu)造關(guān)于a,b,c的齊次式的方法.
2.求橢圓離心率范圍時(shí),要注意對(duì)幾何圖形的臨界情況的應(yīng)用.
訓(xùn)練3 (1)已知橢圓C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的左頂點(diǎn)為A,上頂點(diǎn)為B,右焦點(diǎn)為F,且△ABF是等腰三角形,則橢圓C的離心率為( B )
A.5-12B.3-12C.3-1D.5-1
解析 由題意知|AB|>|BF|,|AF|>|BF|,故|AB|=|AF|,即a2+b2=a+c,所以2a2-c2=a2+2ac+c2,即2c2+2ac-a2=0,即2e2+2e-1=0,解得e=3-12(負(fù)值舍去),故選B.
(2)已知F1,F(xiàn)2是橢圓C的兩個(gè)焦點(diǎn),P是C上的一點(diǎn).若PF1⊥PF2,且∠PF2F1=60°,則C的離心率為( D )
A.1-32B.2-3C.3-12D.3-1
解析 由題意可得,|PF2|∶|PF1|∶|F1F2|=1∶3∶2.因?yàn)椋麱1F2|=2c,所以|PF2|=c,|PF1|=3c,由橢圓的定義得|PF1|+|PF2|=2a,故橢圓C的離心率e=ca=|F1F2||PF1|+|PF2|=23+1=3-1.故選D.
角度2 與橢圓性質(zhì)有關(guān)的最值(范圍)問題
例4 (1)[2021全國卷乙]設(shè)B是橢圓C:x25+y2=1的上頂點(diǎn),點(diǎn)P在C上,則|PB|的最大值為( A )
A.52B.6C.5D.2
解析 設(shè)點(diǎn)P(x,y),則根據(jù)點(diǎn)P在橢圓x25+y2=1上可得x2=5-5y2.易知點(diǎn)B(0,1),所以|PB|2=x2+(y-1)2=5-5y2+(y-1)2=-4y2-2y+6=254-(2y+12)2(|y|≤1).當(dāng)2y+12=0,即y=-14時(shí),|PB|2取得最大值254,所以|PB|max=52.故選A.
(2)設(shè)A,B是橢圓C:x23+y2m=1長軸的兩個(gè)端點(diǎn).若C上存在點(diǎn)M滿足∠AMB=120°,則m的取值范圍是( A )
A.(0,1]∪[9,+∞)B.(0,3]∪[9,+∞)
C.(0,1]∪[4,+∞)D.(0,3]∪[4,+∞)
解析 依題意得3m≥tan∠AMB2,0
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