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第 3 章圆锥曲线的方程
3.1.1 椭圆及其标准方程
1.理解椭圆的定义及椭圆的标准方程.(重点)
2.掌握用定义法和待定系数法求椭圆的标准方程.(重点)
3.理解椭圆标准方程的推导过程,并能运用标准方程解决相关问题.(难点)
学习目标
我们知道,用一个垂直于圆锥的轴的平面截圆锥,截口曲线(截面与圆锥侧面的交线)是一个圆. 如果改变圆锥的轴与截平面所成的角,那么会得到怎样的曲线呢
如图,用一个不垂直于圆锥的轴的平面截圆锥,当圆锥的轴与截面所成的角不同时,可以得到不同的截口曲线,它们分别是椭圆、抛物线和双曲线. 我们通常把椭圆、抛物线、双曲线统称为圆锥曲线.
椭圆是圆锥曲线的一种具有丰富的几何性质,在科研生产和人类生活中具有广泛的应用,那么椭圆到底有怎样的几何性质,我们该如何利用这些特征建立椭圆的方程,从而为研究椭圆的几何性质奠定基础。
问题背景与思考
一、椭圆的定义
探究 取一条定长的细绳, 把它的两端都固定在图板的同一点,
套上铅笔, 拉紧绳子, 移动笔尖, 这时笔尖(动点)画出的轨迹是
一个圆. 如果把细绳的两端拉开一段距离, 分别固定在图板的两点F1, F2, 套上铅笔, 拉紧绳子, 移动笔尖, 画出的轨迹是什么曲线
在这一过程中, 移动的笔尖(动点)满足的几何条件是什么
通过动画演示可知,画出的轨迹是椭圆.
在这一过程中, 移动的笔尖(动点)满足的几何条件是:
移动的笔尖M(动点)到固定在图板上的两定点F1, F2的距离
之和是定值, 并且这个定值大于两定点间的距离,即
由此可得椭圆的定义.
一、椭圆的定义
平面内与两个定点F1, F2的距离的和等于常数(大于|F1F2 |)的点的轨迹叫椭圆. 这两个定点F1, F2叫做椭圆的焦点,两焦点之间的距离| F1F2|叫做椭圆的焦距. 焦距的一半称为半焦距.
椭圆的定义:
思考 动点的轨迹是椭圆应满足什么条件?
② 动点M到两个定点F1, F2的距离之和是常数;
动点M的轨迹是线段F1F2 ;
动点M没有轨迹 .
① 在平面内----(这是前提条件);
当|MF1|+|MF2|=|F1F2|时:
当|MF1|+|MF2|<|F1F2|时:
一、椭圆的定义
椭圆的定义集合表示:
椭圆的光学性质:从F1(F2)发出的光线,经椭圆反射后聚焦于点F2(F1).
定义中的“常数”通常用2a表示,焦距用2c表示,故2a>2c>0,即a>c>0,
因此,椭圆的定义可以用集合表示为:
{M||MF1|+|MF2|=2a},其中|F1F2|=2c,a>c>0
(1)已知A(-3,0),B(3,0),M点到A,B两点的距离和为10,则M点的轨迹是什么
(2)已知A(-3,0),B(3,0),M点到A,B两点的距离和为6,则M点的轨迹是什么
(3)已知A(-3,0),B(3,0),M点到A,B两点的距离和为5,则M点的轨迹是什么
椭圆
线段AB
不存在
椭圆定义的限制条件:|MF1|+|MF2|=2a>|F1F2|=2c>0
F1
F2
M
x
y
O
如图示, 建立平面直角坐标系.设M(x,y)是椭圆上任一点, 椭圆的焦距为2c(c>0), M与F1, F2的距离的和等于常数2a(a>0), 则
(x,y)
由定义知:
化简整理得
由椭圆定义知:
为了使方程形式更简单:
①
我们把方程①叫做椭圆的标准方程.
二. 椭圆的标准方程
上式两边同除以a2(a2-c2)得
设a2-c2=b2(b>0),则方程形式变为
二. 椭圆的标准方程
椭圆的标准方程:如图示, 若椭圆的焦点在x轴上, 则椭
圆的标准方程为
其中焦点坐标为F1(-c,0), F2(c,0), c2=a2-b2.
F1
F2
M
x
y
O
(x,y)
思考1 观察图, 你能从中找出表示a,b,c的线段吗?
F1
F2
P
x
y
O
由图可知,
a
b
c
思考2 如图示, 如果焦点F1, F2在y轴上, 且F1, F2的坐标分别为(0,-c), (0, c), a, b的意义同上, 那么椭圆的方程是什么
(焦点在x轴上)
(焦点在y轴上)
二. 椭圆的标准方程
定义 焦点位置
图形
方程
特点 共同点 不同点
F1
F2
M
x
y
O
F1
F2
M
x
y
O
焦点在x轴上
焦点在y轴上
a>b>0,且a2=b2+c2
焦点坐标F1(-c,0),F2(c,0)
方程中的a2是x2的分母
焦点坐标F1(0,-c),F2(0,c)
方程中的a2是y2的分母
二. 椭圆的标准方程
解1: (定义法)
由于椭圆的焦点在x轴上,且关于O(0,0)对称,故可设椭圆方程为
由椭圆的定义知c=2,则
故所求椭圆的标准方程为
三、题型与方法
题型一 求椭圆的标准方程
解2: (待定系数法)
由于椭圆的焦点在x轴上,且关于O(0,0)对称,故可设椭圆方程为
解得
故所求椭圆的标准方程为
三、题型与方法
题型一 求椭圆的标准方程
【方法说明】
2.用待定系数法求椭圆标准方程的一般步骤:
1. 求椭圆标准方程的主要方法有:
3.a, b, c 满足的关系有:
根据焦点位置设方程,代入计算出待定字母的值.
用定义寻找a, b, c的方程;
(1) 定义法:
(2) 待定系数法:
(1)定“位”:即确定焦点的位置;
(2)设方程:根据上述判断设方程
(3)找关系:根据已知条件建立关于a,b,c(或m,n)的方程组.即求 a, b 的大小 .
或整式形式mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n).
三、题型与方法
三、题型与方法
题型一 求椭圆的标准方程
跟踪训练:
所以c2=25-9=16.故a2-b2=16 ①.
由①②得a2=36,b2=20,所以所求椭圆的标准方程为
法二:由题意可设所求椭圆的标准方程为
解得λ=11或λ=-21(舍去).
跟踪训练:
题型一 求椭圆的标准方程
三、题型与方法
解(1)因为椭圆的焦点在x轴上,
(2)因为椭圆的焦点在y轴上,设它的标准方程为
(3)设椭圆的一般方程为Ax2+By2=1(A>0,B>0,A≠B).
例2. (1)如图,在圆x2+y2=4上任意一点P , 过点P作x轴的垂线段 PD,D为垂足. 当点P在圆上运动时, 线段 PD中点M的轨迹是什么?为什么?
三、题型与方法
题型二 利用椭圆定义求轨迹方程
x
y
P
M
O
D
解1:(相关点代入法)设点M的坐标为(x, y),点P的坐标为(x0, y0),则点D的坐标为(x0, 0).由点M是线段PD的中点,得
∵点P(x0,y0)在圆x2+y2=4上,
把x0=x,y0=2y代入上式,得x2+(2y)2=4,即
∴x02+y02=4
∴点M的轨迹是椭圆。
注:寻求动点M的坐标(x,y)中x, y与另一已知动点坐标x0, y0之间的关系,然后消去x0, y0, 得到点M的轨迹方程. 这种方法叫相关点法(代入法).
三、题型与方法
题型二 利用椭圆定义求轨迹方程
例2. (1)如图,在圆x2+y2=4上任意一点P , 过点P作x轴的垂线段 PD,D为垂足. 当点P在圆上运动时, 线段 PD中点M的轨迹是什么?为什么?
x
y
P
M
O
D
解2:(参数法)设 点M的坐标为(x, y),
∵ P 在圆 x2 + y2 = 4 上,
∴ 可设P(2cosθ, 2sinθ),
由题意有
消去参数θ,得
∴点M的轨迹是一个椭圆 .
标准方程
参数方程:
参数方程
x2+y2=r2
(x-a)2+(y-b)2=r2
圆
圆
椭圆
三、题型与方法
x
y
B
M
O
A
解: 设点M (x, y),由A(-5, 0), B(5, 0),可得
点M的轨迹为除去(-5,0),(5,0)两点的椭圆。
三、题型与方法
解决与椭圆有关的轨迹问题的三种方法
1.直接法:直接法是求轨迹方程的最基本的方法,根据所满足的几何条件,将几何条件{M|p(M)}直接翻译成x,y的形式,即F(x,y)=0,然后进行等价变换,化简为f(x,y)=0.
3.相关点法:有些问题中的动点轨迹是由另一动点按照某种规律运动而形成的,只要把所求动点的坐标“转移”到另一个动点在运动中所遵循的条件中去,即可解决问题,这种方法称为相关点法.
2.定义法:用定义法求椭圆方程的思路是先观察、分析已知条件,看所求动点轨迹是否符合椭圆的定义.若符合椭圆的定义,则用待定系数法求解即可.
三、题型与方法
1. 由例2(1)我们发现,可以由圆通过 “压缩”或 “拉伸” 得到椭圆. 由此你能发现椭圆与圆之间的关系吗
2. 由例2(2)我们发现,“平面内的动点到两个定点连线的斜率之积为常数m(-1问题背景
三、题型与方法
三、题型与方法
跟踪训练:1.如图,已知动圆P过定点A(-3,0),并且在定圆B:(x-3)2+y2=64的内部与其内切,求动圆圆心P的轨迹方程.
题型二 利用椭圆定义求轨迹方程
解:设动圆P和定圆B内切于点M,动圆圆心P到两定点A(-3,0)和B(3,0)的距离之和恰好等于定圆半径,即|PA|+|PB|=|PM|+|PB|=|BM|=8>|AB|,所以动圆圆心P的轨迹是以A,B为左、右焦点的椭圆,其中c=3,a=4,b2=a2-c2=42-32=7,
其轨迹方程为
基本轨迹法
相关点法
三、题型与方法
题型三 椭圆中的焦点三角形问题
从而|F1F2|=2c=2.
在△PF1F2中,由余弦定理得|PF2|2=|PF1|2+|F1F2|2-2|PF1||F1F2|cos∠PF1F2,
即|PF2|2=|PF1|2+4+2|PF1|. ①
由椭圆定义得|PF1|+|PF2|=2a=4. ②
三、题型与方法
题型三 椭圆中的焦点三角形问题
解(2)∵∠PF1F2=90°,∴|PF2|2=|PF1|2+|F1F2|2.从而(4-|PF1|)2=|PF1|2+4,
(1)椭圆上一点P与椭圆的两个焦点F1,F2构成的△PF1F2称为焦点三角形.解关于椭圆的焦点三角形的问题,通常要利用椭圆的定义,再结合正弦定理、余弦定理等知识求解.
(2)焦点三角形的常用公式①焦点三角形的周长L=2a+2c.②在△PF1F2中,由余弦定理可知|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos∠F1PF2.
③设P(xP,yP),焦点三角形的面积
三、题型与方法
题型三 椭圆中的焦点三角形问题
椭圆中的焦点三角形问题解法:
三、题型与方法
题型三 椭圆中的焦点三角形问题
解:由直线AB过椭圆的一个焦点F1,知|AB|=|F1A|+|F1B|,所以在△F2AB中,|F2A|+|F2B|+|AB|=4a=20,又|F2A|+|F2B|=12,所以|AB|=8.
8
答案:4
3.椭圆的两焦点为F1(-4,0)、F2(4,0),点P在椭圆上,若△PF1F2的面积最大为12,则椭圆方程为________.
四.小结与练习
1、椭圆定义:平面内到两个定点F1、F2的距离之和等于常数(大于|F1F2|)的点的轨迹叫做椭圆。
2、椭圆的标准方程:
当堂达标
四.小结与练习
答案:C
答案:D
答案:D
四.小结与练习
当堂达标
(-6,-2)∪(3,+∞)
四.小结与练习
当堂达标