圆锥曲线 · 三级定义、拓展与经典例题
人教A版(2019)选择性必修第一册 第三章 · 河南高二。
本章的题大多从定义出发。把一级、二级、三级定义分清,再看拓展结论和例题,做题时先想"这题在用哪级定义"。
1 圆锥曲线的三级定义
1.1 第一定义(距离定义)
椭圆:平面内与两个定点 $F_1$、$F_2$ 的距离之和等于常数(大于 $|F_1F_2|$)的点的轨迹。
$$ |PF_1|+|PF_2|=2a\quad(2a>2c)\ \Longrightarrow\ \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad b^2=a^2-c^2 $$
双曲线:与两个定点距离之差的绝对值等于常数(小于 $|F_1F_2|$ 且不为 $0$)的点的轨迹。
$$ \bigl||PF_1|-|PF_2|\bigr|=2a\quad(0<2a<2c)\ \Longrightarrow\ \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad b^2=c^2-a^2 $$
抛物线:与一个定点 $F$ 和一条定直线 $l$($F\notin l$)距离相等的点的轨迹。
$$ |PF|=d(P,l)\ \Longrightarrow\ y^2=2px\quad(p>0) $$
第一定义里那种"系数相等"的写法最容易错,注意边界:
| 条件 | 椭圆 | 双曲线 |
|---|---|---|
| $2a$ 与 $2c$ 的关系 | $2a>2c$ 才是椭圆 | $0<2a<2c$ 才是双曲线 |
| 临界 | $2a=2c$ 退化为线段 | $2a=2c$ 退化为两条射线 |
| 另一侧 | $2a<2c$ 无轨迹 | $2a>2c$ 无轨迹 |
1.2 第二定义(统一定义)
动点 $M$ 到定点 $F$ 的距离与它到定直线 $l$($F\notin l$)的距离之比等于常数 $e$,即
$$ \frac{|MF|}{d(M,l)}=e $$
- $0<e<1$:椭圆
- $e=1$:抛物线
- $e>1$:双曲线
$F$ 是焦点,$l$ 是对应的准线。焦点在 $x$ 轴上时,椭圆与双曲线的准线为 $x=\pm\dfrac{a^2}{c}$;抛物线 $y^2=2px$ 的准线是 $x=-\dfrac{p}{2}$,且 $e=1$ 时它正好满足第二定义。
第二定义把三种曲线收进一个式子,也是极坐标统一方程 $\rho=\dfrac{ep}{1-e\cos\theta}$ 的来源。题目里出现"到焦点距离"和"到准线距离"的比值,基本就是在考第二定义。
1.3 第三定义(斜率乘积定义)
设 $A_1(-a,0)$、$A_2(a,0)$ 是椭圆 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$ 的两个顶点,$P$ 是椭圆上异于 $A_1$、$A_2$ 的任意一点,则
$$ k_{PA_1}\cdot k_{PA_2}=-\frac{b^2}{a^2} $$
双曲线上同理,符号相反:
$$ k_{PA_1}\cdot k_{PA_2}=\frac{b^2}{a^2} $$
更一般的说法:若 $A$、$B$ 是曲线上关于原点对称的两点,$P$ 是曲线上任一点(且 $P\ne A,B$),则 $k_{PA}\cdot k_{PB}$ 也是这个定值。把定值记作 $\lambda$,椭圆 $\lambda<0$、双曲线 $\lambda>0$、圆 $\lambda=-1$。
第三定义的两种用法很常见:已知斜率之积反推 $a$、$b$ 求离心率;已知动点与两定点连线斜率之积为定值,判断轨迹是哪种圆锥曲线。
2 拓展知识
2.1 焦半径与焦点弦
设 $P(x_0,y_0)$ 在曲线上,$F_1$、$F_2$ 为焦点。
- 椭圆(焦点在 $x$ 轴):$|PF_1|=a+ex_0$,$|PF_2|=a-ex_0$。
- 双曲线右支:$|PF_1|=ex_0+a$,$|PF_2|=ex_0-a$。
- 抛物线 $y^2=2px$:$|PF|=x_0+\dfrac{p}{2}$,这是抛物线最常用的焦半径公式。
过焦点的弦叫焦点弦。椭圆中过焦点、倾斜角为 $\theta$ 的弦长
$$ |AB|=\frac{2ab^2}{a^2-c^2\cos^2\theta} $$
垂直于长轴的那条焦点弦最短,称为通径,长度 $L=\dfrac{2b^2}{a}$。双曲线的通径也是 $\dfrac{2b^2}{a}$。
2.2 焦点三角形
$P$ 在椭圆上,$\angle F_1PF_2=\theta$,则焦点三角形面积
$$ S=b^2\tan\frac{\theta}{2} $$
双曲线上对应结论换成 $S=\dfrac{b^2}{\tan(\theta/2)}$。这类题常配合余弦定理:在 $\triangle F_1PF_2$ 里 $|F_1F_2|=2c$,把 $|PF_1|$、$|PF_2|$、$\theta$ 用余弦定理连起来。
2.3 离心率与形状
$e=\dfrac{c}{a}$。椭圆 $0<e<1$,$e$ 越大越扁;双曲线 $e>1$,$e$ 越大开口越阔。求离心率的套路是列出含 $a$、$b$、$c$ 的关系式,再换成 $a$、$c$。双曲线的渐近线斜率 $k=\dfrac{b}{a}=\sqrt{e^2-1}$,由此可以反推 $e$。
2.4 光学性质
- 椭圆:从一焦点发出的光线,经椭圆反射后必过另一焦点。
- 抛物线:平行于对称轴的光线反射后过焦点,探照灯、卫星接收天线就是这原理。
- 双曲线:射向一个焦点的光线反射后,反向延长线过另一焦点。
2.5 参数方程与极坐标
$$ \text{椭圆}:\begin{cases}x=a\cos\theta\\ y=b\sin\theta\end{cases}\qquad \text{双曲线}:\begin{cases}x=a\sec\theta\\ y=b\tan\theta\end{cases}\qquad \text{抛物线}:\begin{cases}x=2pt^2\\ y=2pt\end{cases} $$
把曲线写成参数方程,是求最值、判断点的位置的常用手段。极坐标下三种曲线统一为 $\rho=\dfrac{ep}{1-e\cos\theta}$($p$ 为焦点到准线的距离)。
2.6 蒙日圆
椭圆的两条互相垂直的切线的交点轨迹是一个圆,称为蒙日圆:
$$ x^2+y^2=a^2+b^2 $$
它在解析几何压轴题里偶尔出现,记住这个结论可以省下推导时间。
2.7 共轭直径
椭圆的一组共轭直径,其斜率之积等于 $-\dfrac{b^2}{a^2}$,与第三定义是同一个结论在不同对象上的体现。共轭直径长度的平方和为定值 $a^2+b^2$。
3 经典例题
例 1(第三定义求离心率) 设椭圆 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1\ (a>b>0)$ 的左右顶点为 $A_1$、$A_2$,$P$ 为椭圆上一点,且 $k_{PA_1}\cdot k_{PA_2}=-\dfrac12$,求椭圆的离心率。
解:由第三定义
$$ k_{PA_1}\cdot k_{PA_2}=-\frac{b^2}{a^2}=-\frac12\ \Longrightarrow\ \frac{b^2}{a^2}=\frac12 $$
于是
$$ e^2=1-\frac{b^2}{a^2}=1-\frac12=\frac12,\qquad e=\frac{\sqrt2}{2} $$
例 2(焦点三角形) 已知椭圆 $\dfrac{x^2}{9}+\dfrac{y^2}{4}=1$ 的焦点为 $F_1$、$F_2$,$P$ 是椭圆上一点,且 $\angle F_1PF_2=60^\circ$,求 $\triangle F_1PF_2$ 的面积。
解:$a=3$,$b=2$,代入焦点三角形面积公式
$$ S=b^2\tan\frac{\theta}{2}=4\cdot\tan30^\circ=4\cdot\frac{\sqrt3}{3}=\frac{4\sqrt3}{3} $$
例 3(第二定义判轨迹) 动点 $M$ 到定点 $F(2,0)$ 的距离与它到定直线 $l:x=8$ 的距离之比为 $\dfrac12$,求 $M$ 的轨迹方程。
解:比值 $e=\dfrac12<1$,轨迹是椭圆,$F(2,0)$ 是它的一个焦点,所以 $c=2$。准线 $x=8$ 对应焦点 $F$,由准线公式 $\dfrac{a^2}{c}=8$ 得 $a^2=16$,即 $a=4$,此时 $e=\dfrac{c}{a}=\dfrac24=\dfrac12$,与题设相符。于是
$$ b^2=a^2-c^2=16-4=12 $$
轨迹方程为
$$ \frac{x^2}{16}+\frac{y^2}{12}=1 $$
例 4(通径) 椭圆 $\dfrac{x^2}{16}+\dfrac{y^2}{9}=1$ 的右焦点为 $F$,过 $F$ 作垂直于 $x$ 轴的直线交椭圆于 $A$、$B$,求 $|AB|$。
解:这条弦就是通径,直接代入通径公式
$$ |AB|=\frac{2b^2}{a}=\frac{2\times9}{4}=\frac92 $$
例 5(抛物线焦半径) 抛物线 $y^2=4x$ 上一点 $P$ 到焦点的距离为 $5$,求 $P$ 的横坐标。
解:$2p=4$,故 $p=2$,焦点 $F(1,0)$,准线 $x=-1$。由抛物线定义,$P$ 到焦点的距离等于它到准线的距离。设 $P(x_0,y_0)$,则
$$ x_0+\frac{p}{2}=x_0+1=5\ \Longrightarrow\ x_0=4 $$