选择性必修第一册 第三章 圆锥曲线的方程
人教A版(2019)选择性必修第一册 · 河南高二。
椭圆、双曲线、抛物线合称圆锥曲线,是高考解析几何解答题的主战场。定义里的几何条件、标准方程的形式、离心率与渐近线,这几组结论必须分清,压轴题常围绕它们与直线联立后的计算展开。
1 知识点总结
1.1 椭圆
定义:平面内到两定点 $F_1,F_2$ 的距离之和等于常数 $2a$(且 $2a>|F_1F_2|=2c$)的点的轨迹。若 $2a=2c$,轨迹是线段 $F_1F_2$;若 $2a<2c$,无轨迹。
标准方程(其中 $a>b>0$):
- 焦点在 $x$ 轴:$\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$,焦点 $(\pm c,0)$;
- 焦点在 $y$ 轴:$\dfrac{y^2}{a^2}+\dfrac{x^2}{b^2}=1$,焦点 $(0,\pm c)$。
三者关系 $b^2=a^2-c^2$,也就是 $a^2=b^2+c^2$。判断焦点在哪条轴,看分母大小,$a^2$ 总在大的分母上。
离心率 $e=\dfrac ca\in(0,1)$。$e$ 越接近 $1$,椭圆越扁;越接近 $0$,越接近圆。椭圆上一点 $P$ 与两焦点构成的三角形叫焦点三角形,由定义知 $|PF_1|+|PF_2|=2a$,再配合余弦定理就能求 $\angle F_1PF_2$。
例 1 已知椭圆的焦点为 $F_1(-2,0)$,$F_2(2,0)$,椭圆上一点 $P$ 满足 $|PF_1|+|PF_2|=6$,求椭圆的标准方程及离心率。
解:由定义 $2a=6$,得 $a=3$。又 $c=2$,所以
$$ b^2=a^2-c^2=9-4=5 $$
焦点在 $x$ 轴上,标准方程为
$$ \frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{5}=1 $$
离心率 $e=\dfrac ca=\dfrac23$。
例 2 已知方程 $\dfrac{x^2}{m}+\dfrac{y^2}{4}=1$ 表示焦点在 $y$ 轴上的椭圆,求 $m$ 的取值范围。
解:表示椭圆要求两个分母都为正,即 $m>0$。
焦点在 $y$ 轴上,要求 $y^2$ 项的分母大于 $x^2$ 项的分母,即 $4>m$。
所以 $m$ 的取值范围是 $0<m<4$。
椭圆关于两条坐标轴和原点都对称,四个顶点为 $(\pm a,0)$、$(0,\pm b)$,取值范围是 $-a\le x\le a$,$-b\le y\le b$。过焦点且垂直于长轴的弦叫通径,长为 $\dfrac{2b^2}a$。
直线与椭圆联立时,一般把直线方程代入椭圆方程,整理成关于 $x$(或 $y$)的一元二次方程,再用韦达定理处理弦长、中点、面积等问题。联立前先看直线是否可能垂直于坐标轴,免得漏掉斜率不存在的那种。
1.2 双曲线
定义:平面内到两定点距离之差的绝对值等于常数 $2a$(且 $0<2a<2c=|F_1F_2|$)的点的轨迹。若 $2a=2c$,轨迹是两条射线;若 $2a>2c$,无轨迹。绝对值不能丢,丢了只剩一支。
标准方程:
- 焦点在 $x$ 轴:$\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1$,焦点 $(\pm c,0)$;
- 焦点在 $y$ 轴:$\dfrac{y^2}{a^2}-\dfrac{x^2}{b^2}=1$,焦点 $(0,\pm c)$。
三者关系 $c^2=a^2+b^2$,这里 $c$ 最大,和椭圆正好相反。
渐近线:焦点在 $x$ 轴时 $y=\pm\dfrac ba x$;焦点在 $y$ 轴时 $y=\pm\dfrac ab x$。记忆办法是把标准方程里的 $1$ 换成 $0$,再解出 $y$,就不容易记反。渐近线相同的双曲线可以统一写成 $\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=\lambda$($\lambda\ne0$),$\lambda>0$ 时焦点在 $x$ 轴,$\lambda<0$ 时焦点在 $y$ 轴。
离心率 $e=\dfrac ca\in(1,+\infty)$。$e$ 越大,开口越开阔。
例 3 已知双曲线 $\dfrac{x^2}{9}-\dfrac{y^2}{16}=1$,求它的焦点坐标、渐近线方程与离心率。
解:由方程得 $a^2=9$,$b^2=16$,所以 $a=3$,$b=4$,
$$ c=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{9+16}=5 $$
焦点在 $x$ 轴上,故焦点为 $(\pm5,0)$。渐近线为
$$ y=\pm\frac ba x=\pm\frac43 x $$
离心率 $e=\dfrac ca=\dfrac53$。
例 4 已知双曲线的渐近线方程为 $y=\pm\dfrac12x$,且经过点 $P(4,\sqrt3)$,焦点在 $x$ 轴上,求它的标准方程。
解:焦点在 $x$ 轴上,设方程为 $\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1$,则渐近线 $y=\pm\dfrac ba x$,由已知得 $\dfrac ba=\dfrac12$,即 $b=\dfrac a2$。
把 $P(4,\sqrt3)$ 代入方程:
$$ \frac{16}{a^2}-\frac{3}{b^2}=1 $$
代入 $b^2=\dfrac{a^2}4$,得 $\dfrac{16}{a^2}-\dfrac{12}{a^2}=1$,即 $\dfrac4{a^2}=1$,所以 $a^2=4$,$b^2=1$。
故双曲线方程为
$$ \frac{x^2}4-y^2=1 $$
当 $a=b$ 时,双曲线叫等轴双曲线,此时渐近线为 $y=\pm x$,两条渐近线互相垂直,离心率 $e=\sqrt2$。实轴长与虚轴长相等的双曲线都是等轴双曲线。
双曲线 $\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}=1$ 关于两条坐标轴和原点都对称,顶点为 $(\pm a,0)$,取值范围是 $|x|\ge a$。实轴长为 $2a$,虚轴长为 $2b$。
1.3 抛物线
定义:平面内到定点 $F$ 与定直线 $l$($F\notin l$)距离相等的点的轨迹。定点是焦点,定直线是准线。
标准方程(其中 $p>0$):
| 方程 | 焦点 | 准线 | 开口方向 |
|---|---|---|---|
| $y^2=2px$ | $\left(\dfrac p2,0\right)$ | $x=-\dfrac p2$ | 向右 |
| $y^2=-2px$ | $\left(-\dfrac p2,0\right)$ | $x=\dfrac p2$ | 向左 |
| $x^2=2py$ | $\left(0,\dfrac p2\right)$ | $y=-\dfrac p2$ | 向上 |
| $x^2=-2py$ | $\left(0,-\dfrac p2\right)$ | $y=\dfrac p2$ | 向下 |
抛物线的离心率恒为 $1$。解题时经常把「到焦点的距离」换成「到准线的距离」,这是定义最直接的用法。对 $y^2=2px$ 上一点 $P(x_0,y_0)$,到焦点的距离就是焦半径 $x_0+\dfrac p2$。
例 5 已知抛物线 $y^2=8x$ 上一点 $P$ 到焦点的距离为 $5$,求 $P$ 到 $y$ 轴的距离。
解:由 $y^2=8x$ 得 $2p=8$,$p=4$,焦点 $F(2,0)$,准线 $x=-2$。
设 $P(x_0,y_0)$,由定义「到焦点的距离等于到准线的距离」,
$$ |PF|=x_0+2=5 $$
得 $x_0=3$,所以 $P$ 到 $y$ 轴的距离为 $3$。
抛物线 $y^2=2px$ 上过焦点且垂直于对称轴的弦叫通径,长为 $2p$。过焦点的弦叫焦点弦,把弦的两个端点分别用焦半径 $x+\dfrac p2$ 表示,往往能把弦长问题化得很简单。
抛物线只有一条对称轴,顶点在原点,图象向开口方向无限延伸。判断一条曲线是不是抛物线,看它能否写成 $y^2=\pm2px$ 或 $x^2=\pm2py$ 的形式。
2 易错题总结
| 易错点 | 常见错法 | 正确做法 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 椭圆关系式记混 | 用 $c^2=a^2+b^2$ | 椭圆是 $b^2=a^2-c^2$,即 $a^2=b^2+c^2$ | 椭圆里 $a$ 最大,是长半轴 |
| 双曲线关系式记混 | 用 $a^2=b^2+c^2$ | 双曲线是 $c^2=a^2+b^2$ | 双曲线里 $c$ 最大 |
| 焦点位置判断 | 只看常数项符号,不看分母 | 看 $x^2,y^2$ 项系数的正负或分母大小,先定轴再写方程 | 标准方程的分母决定焦点在哪条坐标轴 |
| 双曲线定义缺绝对值 | 写成 $|PF_1|-|PF_2|=2a$ | 必须是 $\big||PF_1|-|PF_2|\big|=2a$ | 去掉绝对值只得到一支 |
| 双曲线定义的范围 | 不管 $2a$ 与 $2c$ 的大小 | 必须满足 $0<2a<2c$ | 否则轨迹退化为射线或不存在 |
| 抛物线焦点与准线 | 把 $y^2=2px$ 的焦点写成 $(p,0)$ | 焦点是 $\left(\dfrac p2,0\right)$,准线 $x=-\dfrac p2$ | 焦准距为 $p$,焦点到顶点的距离是 $\dfrac p2$ |
| 离心率取值范围 | 让三种曲线的 $e$ 随意取值 | 椭圆 $0<e<1$,双曲线 $e>1$,抛物线 $e=1$ | 三种曲线正是由离心率区分 |
2.1 易错典型题
题 1 已知双曲线 $\dfrac{x^2}{16}-\dfrac{y^2}{9}=1$,求它的渐近线方程和离心率。
错法:按椭圆的习惯取 $c^2=a^2-b^2=16-9=7$,得 $c=\sqrt7$,于是离心率 $e=\dfrac ca=\dfrac{\sqrt7}{4}$。这个结果小于 $1$,其实已经暴露了错误。
正解:双曲线中 $a^2=16$,$b^2=9$,所以 $a=4$,$b=3$,$c$ 由 $c^2=a^2+b^2$ 给出:
$$ c=\sqrt{16+9}=5 $$
焦点在 $x$ 轴上,渐近线为 $y=\pm\dfrac ba x=\pm\dfrac34 x$,离心率 $e=\dfrac ca=\dfrac54$。
要点:椭圆用 $a^2=b^2+c^2$,双曲线用 $c^2=a^2+b^2$,两式别记反。如果算出的双曲线离心率小于 $1$,一定是公式用错了,这是最省事的自查。
题 2 已知抛物线 $x^2=4y$,求它的焦点坐标与准线方程。
错法:看成 $y^2=4x$,得焦点 $(1,0)$,准线 $x=-1$,开口方向也判断错了。
正解:$x^2=4y$ 开口向上,对照 $x^2=2py$,由 $2p=4$ 得 $p=2$,焦点的横坐标为 $0$,故焦点为
$$ \left(0,\frac p2\right)=(0,1) $$
准线为 $y=-\dfrac p2=-1$。
要点:先认清是 $y^2=\pm2px$ 还是 $x^2=\pm2py$,再确定焦点在哪条坐标轴的正负方向。无论开口朝哪,焦点到顶点的距离总是 $\dfrac p2$。
题 3 已知椭圆 $\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$($0<b<2$)的离心率为 $\dfrac{\sqrt3}2$,求 $b$ 的值。
错法:看到 $b^2$ 的分母较小,误以为长半轴是 $b$,把 $a^2$ 取成 $b^2$,后面的关系式全跟着错。
正解:$x^2$ 项的分母 $4$ 较大,所以 $a^2=4$,$a=2$。由离心率 $e=\dfrac ca=\dfrac{\sqrt3}2$ 得 $c=\sqrt3$。再由 $b^2=a^2-c^2=4-3=1$,得 $b=1$。
要点:椭圆里 $a^2$ 总在较大的分母上。已知离心率时,先由 $e$ 定出 $c$,再用 $a^2=b^2+c^2$ 反解 $b$,不要直接把 $a,c$ 的位置弄反。