椭圆的定义与标准方程
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椭圆及其标准方程椭圆是一种特殊的曲线,与圆形相似,但略有变形。
它在数学、几何学和物理学等领域中具有重要的应用。
本文将介绍椭圆及其标准方程,包括椭圆的定义、性质、参数方程和标准方程。
椭圆的定义:椭圆是平面上到两个固定点的距离之和等于常数的点的集合。
这两个固定点称为焦点,它们确定了椭圆的形状和大小。
椭圆的形状由椭圆的离心率确定,离心率是焦点距离的比例离心率小于1,等于1时是一个圆形,大于1时是一个双曲线。
椭圆的性质:1.对于给定的两个焦点和恒定的距离之和,椭圆上的所有点到两个焦点的距离之和始终相等。
2.椭圆的中心是两个焦点的中点。
3.椭圆的长轴是两焦点之间的距离,短轴是椭圆的纵坐标轴上的最大距离。
4.椭圆的离心率定义为焦距除以长轴。
离心率小于1,等于1时是一个圆,大于1时是一个双曲线。
5.椭圆的标准方程是(x-h)^2/a^2+(y-k)^2/b^2=1,其中(h,k)是椭圆的中心坐标,a和b分别是椭圆的长轴和短轴。
椭圆的参数方程:椭圆的参数方程可以通过参数t来表示椭圆上的点。
假设椭圆的中心是原点,长轴平行于x轴,短轴平行于y轴。
则椭圆的参数方程为:x = a*cos(t)y = b*sin(t)其中t的取值范围是[0,2π],每个t对应椭圆上的一个点。
椭圆的标准方程:椭圆的标准方程是一种用代数表达式来描述椭圆的方程。
标准方程基于椭圆的中心和长轴短轴的定义。
假设椭圆的中心是(h,k),长轴和短轴的长度分别是2a和2b。
则椭圆的标准方程为:(x-h)^2/a^2+(y-k)^2/b^2=1标准方程的推导:为了推导椭圆的标准方程,我们可以先考虑椭圆的定义。
由于椭圆上的任意一点到焦点的距离之和等于常数,我们可以设椭圆上一个点的坐标为(x,y)。
根据焦点的位置,我们可以得到以下两个方程:√((x+c)^2+y^2)+√((x-c)^2+y^2)=2a其中c为焦点到原点的距离。
由于离心率的定义为e=c/a,我们可以得到c=ea。
椭圆的标准公式首先,让我们来了解一下椭圆的定义。
椭圆是平面上到两个定点F1和F2的距离之和等于常数2a的点P的轨迹。
这两个定点F1和F2称为椭圆的焦点,常数2a称为椭圆的长轴长度。
椭圆上任意一点到两个焦点的距离之和等于常数2a。
椭圆的长轴的两端点称为椭圆的顶点,椭圆的中点称为椭圆的中心。
接下来,我们来看一下椭圆的标准公式。
设椭圆的中心为原点O(0,0),椭圆的长轴与x轴重合,短轴与y轴重合,长轴的长度为2a,短轴的长度为2b(a>b>0)。
椭圆上任意一点P(x,y),则有。
x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1。
这就是椭圆的标准方程。
在这个方程中,a表示椭圆长轴的长度,b表示椭圆短轴的长度。
通过这个方程,我们可以方便地求解椭圆上任意一点的坐标,也可以方便地画出椭圆的图形。
椭圆的标准公式还可以写成参数方程的形式。
设椭圆的中心为原点O(0,0),椭圆的长轴与x轴重合,短轴与y轴重合,长轴的长度为2a,短轴的长度为2b(a>b>0)。
椭圆上任意一点P(x,y),则有。
x = acosθ。
y = bsinθ。
其中θ为椭圆上点P的极坐标角。
通过这个参数方程,我们可以方便地求解椭圆上任意一点的坐标。
除了标准公式,椭圆还有一些重要的性质。
首先是椭圆的离心率。
椭圆的离心率定义为e=c/a,其中c为焦距,a为长轴的长度。
离心率描述了椭圆的扁平程度,离心率越接近于0,椭圆就越接近于圆;离心率越接近于1,椭圆就越扁平。
其次是椭圆的焦点方程。
设椭圆的焦点为F1(c,0)和F2(-c,0),则椭圆上任意一点P(x,y)满足PF1+PF2=2a,即√(x+c)^2 + y^2 + √(x-c)^2 + y^2 = 2a。
最后是椭圆的直径方程。
椭圆的直径方程为x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1与x^2/b^2 + y^2/a^2 = 1的交点为椭圆的端点。
综上所述,椭圆的标准公式是x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1,通过这个公式我们可以方便地求解椭圆上任意一点的坐标,也可以方便地画出椭圆的图形。
一、椭圆定义:平面内与两个定点F 1、F 2的距离的和等于常数(大于∣F 1F 2∣)的点的轨迹叫椭圆.两个定点叫椭圆的焦点,两焦点的距离叫椭圆的焦距.说明:①可用椭圆演示模板向学生展示椭圆图形的画法;②常数要大于 ∣F 1F 2∣的条件,常数小于轨迹为无轨迹等于∣F 1F 2∣时为一条线段.二、椭圆的标准方程:由椭圆定义,椭圆就是集合P ={M ∣∣MF 1∣+∣MF 2∣=2a }因为∣MF 1∣=22)(y c x ++∣MF 2∣=22)(y c x +- 所以得:22)(y c x +++22)(y c x +-=2a整理得:(a 2-c 2)x 2+a 2y 2=a 2(a 2-c 2).由椭圆的定义可知:2a >2c ,即a >c ,故a 2-c 2>0.令a 2-c 2=b 2,其中b >0,代入上式整理得:)0(12222>>=+b a by a x 形式一:)0(12222>>=+b a by a x 说明:此方程表示的椭圆焦点在x 轴上,焦点是F 1(-c ,0)、F 2(c ,0),其中c 2=a 2-b 2形式二:)0(12222>>=+babxay说明:①此方程表示的椭圆焦点在y轴上,焦点是F1(0,-c),F2(0,c),其中c2=a2-b2.②两种形式中,总有a>b>0;③两种形式中,椭圆焦点始终在长轴上;④a、b、c始终满足c2=a2-b2;⑤遇到形如Ax2+By2=C,只要A、B、C同号,就是椭圆方程,推导(用幻灯片给出):如图8—2,建立直角坐标系x O y,使x轴经过点F1、F2,并且O与线段F1F2的中点重合.设M(x,y)是椭圆上任意一点,椭圆的焦距为2c(c>0),那么焦点F1、F2的坐标分别是(-c,0),(c,0).又设M与F1和F2的距离的和等于常数2a.三、例题讲解:例1 求适合下列条件的椭圆的标准方程:(1)两个焦点的坐标分别是(-4,0),(4,0),椭圆上一点P到两焦点距离之和等于10;(2)两个焦点的坐标分别是(0,-2)、(0,2),并且椭圆经过点)25,23 ( .例2 已知B、C是两个定点,∣BC∣=6,且△ABC的周长等于16,求顶点A的轨迹方程.例3 如图,已知一个圆的圆心为坐标原点,半径为2,从这个圆上任意一点P向x轴作垂线段PPˊ,求线段PPˊ中点M的轨迹.例4 已知F是椭圆25x2+16y2=400在x轴上方的焦点,Q是此椭圆上任意一点,点P分所成的比为2,求动点P的轨迹方程.。
椭圆及其标准方程1.椭圆的定义:平面内与两个定点F1、F2的距离之和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆,这两个定点叫做椭圆的焦点,两焦点间的距离叫做焦距.注意:定义中的常数用2a表示,|F1F2|用2c表示,当2a>2c>0时,轨迹为椭圆,当2a=2c 时,轨迹为线段F1F2;当2a<2c时,无轨迹.这样,椭圆轨迹一定要有2a>2c这一条件.另外,应用定义来求椭圆方程或解题时,往往比较简便.2.椭圆的标准方程当焦点在x轴上时:+ =1(a>b>0)当焦点在y轴上时:+ =1(a>b>0)注意:(1)三个量之间的关系:a2=b2+c2(2)由x2,y2的分母大小确定焦点在哪条坐标轴上,x2的分母大,焦点就在x轴上,y2的分母大,焦点就在y轴上.(3)在方程Ax2+By2=C中,只有A、B、C同号时,才可能表示椭圆方程.(4)当且仅当椭圆的中心在原点,其焦点在坐标轴上时,椭圆的方程才具有标准形式.典型例题例1 求与椭圆+ =1共焦点,且过点M(3,-2)的椭圆方程.解法一:(待定系数法)由已知椭圆方程+ =1得C2=9-4=5,且焦点在x轴上,设所求椭圆方程为+ =1又∵点M(3,-2)在椭圆上∴+ =1,得a4-18a2+45=0∴a2=15或a2=3<5=C2(舍)∴所求椭圆方程为+ =1解法二:(定义法)椭圆两焦点为F1(- ,0),F2( ,0),点M(3,-2)到这两个焦点距离之和是2a,即2a=|M1F1|+|M1F2|= + =2∴a2=15 b2=a2-c2=15-5=10∴所求椭圆方程为+ =1例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(- ,- ),求椭圆的方程.解:设椭圆方程为mx2+ny2=1,(m>0,n>0)由题意有解得m= ,n=∴所求椭圆方程为+ =1说明:设椭圆方程为mx2+ny2=1(m>0,n>0)可免讨论焦点的位置,而且计算简便.例3 已知点P在以坐标轴为对称轴的椭圆上,点P到两焦点的距离分别为和,过P作焦点所在轴的垂线恰好过椭圆的一个焦点,求椭圆方程.解:设两个焦点为F1F2,且|PF1|= ,|PF2|=由椭圆定义知2a=|PF1|+|PF2|=2 ∴a=而|PF1|>|PF2|知PF2与焦点所在的对称轴垂直.∴Rt△PF2F1中,sin∠PF1F2= =∴∠PF1F2=2C=|PF1|cos =∴b2=a2-c2=故所求方程为+ y2=1或x2+ =13.(代入法)与椭圆有关的轨迹问题:常用的方法有定义法,坐标转移法,交轨法,点差法. 例4 已知圆C1:x2+y2+4x-12=0与圆C2:x2+y2-4x=0,动圆C与C1相内切,且与C2相外切,求动圆圆心的轨迹方程.解:圆C1与C2的标准方程是(x+2)2+y2=16,(x-2)2+y2=4圆心分别为C1(-2,0),C2(2,0)设动圆P的圆心为P,半径为r,有|PC1|=4-r,|PC2|=2+r∴|PC1|+|PC2|=6>|C1C2|=4∴P点在椭圆上运动,又2a=6,2c=4,∴b2=a2-c2=5∴P的轨迹为+ =1(在已知圆C1内)例5 已知MN是椭圆+ =1(a>b>0)中垂直于长轴的动弦,AB是椭圆长轴的两端点,求直线MA与NB的交点P的轨迹方程.解:设M、N的坐标为M(x0,y0),N(x0,-y0),又A(-a,0),B(a,0)所以直线AM的方程为y= (x+a) ①直线BN的方程为:y= ②①×②得:y2= (x2-a2) ③∵点M(x0,y0)在椭圆上,∴b2x20+a2y20=a2b2∴x20-a2=- y02,代入得③得:y2= (x2-a2)∴交点P的轨迹方程为- =1例6已知椭圆+y2=1(1)求斜率为2的平行弦的中点轨迹方程(2)过A(2,1)引椭圆的割线,求截得的弦中点轨迹方程(3)求过点P( ,),且被P平分的弦所在的直线方程.解:(点差法)设弦的两端点分别为M(x1,y1)N(x2,y2)、MN的中点为P(x,y),则x21+2y21=2,x22+2y22=2,两式相减弄除以(x2-x1)得:x1+x2+2(y1+y2) =0而x1+x2=2x,y1+y2=2y∴x+2y· =0 (*)(1)将=2代入(*)式得所求的轨迹方程为x+4y=0(椭圆内部分)(2)将= 代入(*)式,得所求的轨迹方程为x2+2y2-2x-2y=0(椭圆内部分)(3)将x1+x2=1,y1+y2=1代入(*)式,得=-∴所求的直线方程为2x+4y-3=0例7已知中心在原点,一焦点为F(0,)的椭圆被直线l:y=3x-2截得弦的中点横坐标为,求椭圆方程.解:∵C= ,∴a2=b2+50∴可设椭圆方程为+ =1把直线y=3x-2代入椭圆方程整理得10(b2+5)x2-12b2x-b4-46b2=0∴x1+x2=又∵=∴12b2=10b2+50解得b2=25 a2=75∴所求的椭圆方程为+ =1例8已知P为椭圆+ =1上的一点,F1F2是椭圆上的两焦点,∠F1PF2=60°,求△F1PF2的面积.解:∵= |PF1|·|PF2|sin∠F1PF2∴只需求|PF1|·|PF2|即可又|PF1|+|PF2|=10|PF1|2+|PF2|2-2|PF1|·|PF2|cos60°=4C2=64解得|PF1|·|PF2|=12∴= ×12× =3例9已知方程2(k2-2)x2+k2y2+k2-k-6=0表示椭圆,求实数k的取值范围.解:结合椭圆的变形方程式a2y2+b2x2-a2b2=0从而有:2(k2-2)>0 k<- 或k>k2≠0解得k≠0k2-k-6<0 -2<k<32(k2-2)≠k2k≠±2∴k∈(-2,- )∪( ,2)∪(2,3)例10△ABC的三边a>b>c,且a+c=2b,|AC|=2,求顶点B的轨迹.解:以AC的中点为坐标原点建立坐标系,则A(-1,0),C(1,0),又a+c=2b=4由椭圆的定义知B点在椭圆上运动.∵a>b>c,且A、B、C三点不共线∴B点的轨迹方程是椭圆+ =1,在y轴左侧的部分,但要去掉点(-2,0),(0,),(0,- )核心知识1.椭圆+ =1(a>b>0),范围:椭圆位于直线x=±a和y=±b所围成的矩形里,即|x|≤a,|y|≤b.2.对称性:椭圆关于x轴,y轴和原点都是对称的.坐标轴为椭圆的对称轴,原点是椭圆的对称中心,即为椭圆的中心.3.顶点:椭园与坐标轴的交点为椭圆的顶点为A1(-a,0),A2(a,0),B1(0,b),B2(0,-b)4.离心率:e= ,(o<e<1),e越接近于1,则椭圆越扁;e越接近于0,椭圆就越接近于圆.5.椭圆的第二定义:平面内的点到定点的距离和它到定直线的距离的比为常数e(0<e<1=的点的轨迹.定点即为椭圆的焦点,定直线为椭圆的准线.6.椭圆的焦半径公式:设P(x0,y0)是椭圆+ =1(a>b>0)上的任意一点,F1、F2分别是椭圆的左、右焦点,则|PF1|=a+ex0,|PF2|=a-ex0.7.椭圆的参数方程典型例题例1 设直线l过点P(-1,0),倾角为,求l被椭圆x2+2y2=4所截得的弦长.解:直线l的方程为y= x+ ,代入椭圆方程,得7x2+12x+2=0,∵△=144-4×7×2=88∴弦长= =例2 求椭圆+ =1上的点到直线3x+4y-64=0的最长距离与最短距离.解:设椭圆上的点为(5cosθ,9sinθ),则d= ==∴d max=例3 已知椭圆+ =1内有一点P(1,-1),F是右焦点,M是椭圆上的动点,求|MP|+2|MF|的最小值,并求此时M的坐标.解:过M作右准线x=4的垂线,垂足为M1,由椭圆第二定义,有= ∴2|MF|=|MM1|∴|MP|+2|MF|=|MP|+|MM1|过P作右准线的垂线交椭圆于N,垂足为N1,垂线方程为y=-1.显然|MP|+|MM1|≥|NP|+|NN1|(当M与N重合时等号成立)而|NP|+|NN1|=|PN1|=3由方程组得N( ,-1)∴|MP|+2|MF|的最小值是3,此时M的坐标是( ,-1)例4 P是椭圆方程为+ =1上的任意一点,F1,F2是椭圆的两个焦点,试求|PF1|·|PF2|的取值范围.解:设|PF1|=t,则t∈[a-c,a+c],即t∈[4- ,4+ ]且|PF2|=2a-t=8-t.∴|PF1|·|PF2|=t(8-t)=-(t-4)2+16 t∈[4- ,4+ ]当t=4时,取最大值为16当t=4± 时,取最小值为9.∴所求范围为[9,16]例5 F1、F2是椭圆的两个焦点,过F2作一条直线交椭圆于P、Q两点,使PF1⊥PQ,且|PF1|=|PQ|,求椭圆的离心率e.解:如下图,设|PF1|=t,则|PQ|=t,|F1Q|= t,由椭圆定义有:|PF1|+|PF2|=|QF1|+|QF2|=2a∴|PF1|+|PQ|+|F1Q|=4a 即( +2)t=2a,t=(4-2 )a∴|PF2|=2a-t=(2 -2)a在Rt△PF1F2中,|F1F1|2=(2c)2∴[(4-2 )a]2+[(2 -2)a]2=(2c)2∴=9-6 ∴e= = -双曲线1.双曲线的定义平面内与两定点F1、F2的距离差的绝对值是常数(大于零小于|F1F2|)的点的轨迹叫双曲线.两定点F1、F2是焦点,两焦点间的距离|F1F2|是焦距,用2c表示.常数用2a表示.(1)若|MF1|-|MF2|=2a时,曲线只表示焦点F2所对应的一支双曲线.(2)若|MF1|-|MF2|=-2a时,曲线只表示焦点F1所对应的一支双曲线.(3)若2a=2c时,动点的轨迹不再是双曲线,而是以F1、F2为端点向外的两条射线.(4)若2a>2c时,动点的轨迹不存在.2.双曲线的标准方程- =1(a>0,b>0)焦点在x轴上的双曲线;- =1(a>0,b>0)焦点在y轴上的双曲线.判定焦点在哪条坐标轴上,不像椭圆似的比较x2、y2的分母的大小,而是x2、y2的系数的符号,焦点在系数正的那条轴上.典型例题例1 若方程+ =1表示双曲线,则实数m的取值范围是( )A.-3<m<2或m>3B.m<-3或m>3C.-2<m<3D.-3<m<3或m>3分析该方程表示双曲线,则x2与y2项的系数的符号相反,即(2-m)(|m|-3)<0,将问题转化为不等式的求解.答:A例2 求与椭圆+ =1共焦点,且过点(3 ,)的双曲线的方程.分析一由题意知所求双曲线的焦点在x轴上,且焦距为8,∴c=4,设所求双曲线方程为- =1代入点(3 ,),得λ2=7,故所求双曲线方程为- =1.分析二运用与椭圆共焦点的曲线系方程.设所求双曲线方程为+ =1,代入点(3 ,),得λ=16或λ=-7(舍),故所求双曲线方程为- =1.例3 课本第108页习题8.3第一题:△ABC一边的两个端点是B(0,6)和C(0,-6),另两边所在直线的斜率之积是,求顶点A的轨迹.分析其顶点A的轨迹方程求得:- =1(x≠0).若将问题一般化:B(0,a)、C(0,-a)·k AB·k AC= ,则顶点A的轨迹方程为:- =1(x≠0).若B(bcotφ,acosφ)、C(-cotφ,-acscφ).k AB·k AC= ,则顶点A的轨迹会是怎样?反之,双曲线- =1(x≠0)上任一点到B(0,a),C(0,-a)两点的连线的斜率之和,等于;若改变B、C的位置保持B、C两点关于原点对称于双曲线上,k AB·k AC是否成立.总之,同学们在学习过程中要多动手、多思考,举一反三,做到“以点代面,以少胜多”.例4一动圆与圆(x+3)2+y2=1外切又与圆(x-3)2+y2=9内切,求动圆圆心轨迹方程.分析如图,设动圆M与⊙O外切于A,与⊙O2内切于B,由位置关系可得数量关系:|MO1|=|MA|+1 |MO2|=|MB|-3由|MA|=|MB|可得|MO1|-|MO2|=4由定义可知M点轨迹为双曲线的一支.解:如图,设动圆圆心M坐标为M(x,y),圆M与圆O1外切于A,与圆O2内切于B,则,MO1=|MA|+1,①|MO2|=|MB|=3②,①-②:|MO1|-|MO2|=4由双曲线定义知,M点轨迹是以O1(-3,0)O2(3,0)为焦点2a=4的双曲线的右支∴b2=32-23=5∴所求轨迹方程为:- =1(x≥2)说明:在求轨迹方程时,要注意使用曲线的定义,此时的思路:位置关系(内切,外切)数量关系(|MO1|=r1+r0,|MO2|=r-r2其中r为动圆半径曲线形状写出标准方程,可以简化运算.同时应注意定义中是到两定点距离的绝对值,此时不含绝对值,要求|MO1|>|MO2|,所以是双曲线的右支,而不是整个双曲线.例5过双曲线- =1的右焦点作倾角为45°的弦,求弦AB的中点C到右焦点F 的距离,并求弦AB的长.分析将直线方程与双曲线方程联立,求出A、B两点的坐标,再求其中点,由两点的距离公式求出|CF|.解:∵双曲线的右焦点为F(5,0),直线AB的方程为y=x-5,故16x2-9y2-144=0 ①y=x-5 ②消去y,并整理得7x2+90x-369=0 ③此方程的两个根x1、x2是A、B两点的横坐标,设AB的中心点C的坐标为(x,y),则x===- .C点的坐标满足方程②,故y=- -5=-∴|CF|==(5+ )=又设A点坐标为(x1,y1),B点坐标为(x2,y2),则y1=x1-5,y2=x2-5.∴y1-y2=x1-x2,|AB|====由方程③知x1+x2=- ,x1·x2=-∴|AB|====27点评:利用韦达定理及两点间距离公式求弦长核心知识1.双曲线- =1的简单几何性质(1)范围:|x|≥a,y∈R.(2)对称性:双曲线的对称性与椭圆完全相同,关于x轴、y轴及原点中心对称。