(共52张PPT)
3.2.1 双曲线的标准方程
第3章 3.2 双曲线
学习目标
1.了解双曲线的定义、几何图形和标准方程的推导过程,培养数学抽象的核心素养.
2.掌握双曲线的标准方程及其求法,提升数学运算的核心素养.
3.会利用双曲线的定义和标准方程解决较简单的问题,提升逻辑推理、数学运算的核心素养.
4.了解双曲线的简单应用.
任务一 双曲线的定义
问题导思
问题1.如图,在直线l上取两个定点A,B,P是直线l上的动点.在平面内,取定点F1,F2,以点F1为圆心、线段PA为半径作圆,再以F2为圆心、线段PB为半径作圆.我们知道,当点P在线段AB上运动时,如果|F1F2|<|AB|,那么两圆相交,其交点M的轨迹是椭圆;如果|F1F2|>|AB|,两圆不相交,不存在交点轨迹.
如图,在|F1F2|>|AB|的条件下,让P点在线段AB外运动,这时动点M满足什么几何条件?
提示:如题图,曲线上的点满足条件:|MF1|-|MF2|=常数.
新知构建
平面上到两个定点F1,F2的距离之差的________为正常数(小于|F1F2|)的点的轨迹叫作双曲线.这两个定点F1,F2叫作双曲线的______,两个焦点之间的距离|F1F2|叫作双曲线的______.
绝对值
焦点
焦距
已知A(0,-5),B(0,5),|PA|-|PB|=2a,当a=3或5时,P点的轨迹为
A.双曲线或一条直线 B.双曲线或两条直线
C.双曲线一支或一条直线 D.双曲线一支或一条射线
典例1
当a=3时,2a=6,此时|AB|=10,
所以点P的轨迹为双曲线的一支(靠近点B).
当a=5时,2a=10,此时|AB|=10,
所以点P的轨迹为射线,且是以B为端点的一条射线.
√
规律方法
判断点的轨迹是否为双曲线时,要根据双曲线的定义成立的充要条件.
F1,F2是定点,且|F1F2|=10,所以满足条件|PF1|-|PF2|=10的点P的轨迹应为一条射线.
√
对点练1.已知F1(-8,3),F2(2,3),动点P满足|PF1|-|PF2|=10,则P点的轨迹是
A.双曲线 B.双曲线的一支
C.直线 D.一条射线
返回
任务二 双曲线的标准方程
问题导思
问题2.类比求椭圆标准方程的过程.如何建立适当的坐标系,求出双曲线的标准方程?
提示:观察我们画出的双曲线,发现它也具有对称性,
而且直线F1F2是它的一条对称轴,所以以F1,F2所在
直线为x轴,线段F1F2的垂直平分线为y轴,建立平面
直角坐标系Oxy,
此时双曲线的焦点分别为F1(-c,0),F2 (c,0),焦距为2c,c>0.
设P(x,y)是双曲线上一点,则||PF1|-|PF2||=2a(a为大于0的
常数),
新知构建
焦点位置 焦点在x轴上 焦点在y轴上
图形
标准方程
_________________________
_________________________
焦点 ________________________ ________________________
a,b,c的关系 b2=________
F1(-c,0),F2(c,0)
F1(0,-c),F2(0,c)
c2-a2
典例2
规律方法
返回
任务三 双曲线定义的简单应用
典例3
由题意得||PF1|-|PF2||=6,
所以|PF2|=|PF1|±6,所以|PF2|=9或-3(舍去),故选B.
√
规律方法
双曲线的定义的应用
1.已知双曲线上一点的坐标,可以求得该点到某一焦点的距离,进而根据定义求该点到另一焦点的距离.
2.双曲线中与焦点三角形有关的问题可以根据定义结合余弦定理、勾股定理或三角形面积公式等知识进行运算,在运算中要注意整体思想和一些变形技巧的灵活运用.
√
返回
随堂评价
√
因为已知方程表示双曲线,
所以(2+m)(2-m)>0.
所以-2<m<2.
√
√
√
返回
课时测评
√
√
√
√
√
√
不妨设|AF2|>|AF1|,
由双曲线的定义,知|AF2|-|AF1|=2a,|BF2|-|BF1|=2a,
所以|AF2|+|BF2|=(|AF1|+|BF1|)+4a=m+4a,
于是△ABF2的周长l=|AF2|+|BF2|+|AB|=4a+2m.
√
√
√
12.双曲线x2-y2=1的左、右焦点分别为F1,F2,双曲线上的点P满足∠F1PF2=60°,则|PF1|·|PF2|等于
A.1 B.4
C.7 D.9
在△PF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°
=(|PF1|-|PF2|)2+|PF1||PF2|,
即4c2=4a2+|PF1|·|PF2|,
即|PF1|·|PF2∣=4c2-4a2=4b2=4.
13.动圆与圆x2+y2=1和x2+y2-8x+12=0都外切,则动圆圆心的轨迹是
A.双曲线的一支 B.圆
C.椭圆 D.双曲线
√
设动圆的圆心为M,半径为r,圆x2+y2=1与x2+y2-8x+12=0的圆心分别为O1和O2,半径分别为1和2,
由两圆外切的充要条件,得|MO1|=r+1,|MO2|=r+2.
所以|MO2|-|MO1|=1,
又|O1O2|=4,
所以动点M的轨迹是双曲线的一支(靠近O1).
√
√
√
返回3.2 双曲线
3.2.1 双曲线的标准方程
学习目标 1.了解双曲线的定义、几何图形和标准方程的推导过程,培养数学抽象的核心素养. 2.掌握双曲线的标准方程及其求法,提升数学运算的核心素养. 3.会利用双曲线的定义和标准方程解决较简单的问题,提升逻辑推理、数学运算的核心素养. 4.了解双曲线的简单应用.
任务一 双曲线的定义
问题1.如图,在直线l上取两个定点A,B,P是直线l上的动点.在平面内,取定点F1,F2,以点F1为圆心、线段PA为半径作圆,再以F2为圆心、线段PB为半径作圆.我们知道,当点P在线段AB上运动时,如果|F1F2|<|AB|,那么两圆相交,其交点M的轨迹是椭圆;如果|F1F2|>|AB|,两圆不相交,不存在交点轨迹.
如图,在|F1F2|>|AB|的条件下,让P点在线段AB外运动,这时动点M满足什么几何条件?
提示:如题图,曲线上的点满足条件:|MF1|-|MF2|=常数.
平面上到两个定点F1,F2的距离之差的绝对值为正常数(小于|F1F2|)的点的轨迹叫作双曲线.这两个定点F1,F2叫作双曲线的焦点,两个焦点之间的距离|F1F2|叫作双曲线的焦距.
已知A(0,-5),B(0,5),|PA|-|PB|=2a,当a=3或5时,P点的轨迹为( )
A.双曲线或一条直线 B.双曲线或两条直线
C.双曲线一支或一条直线 D.双曲线一支或一条射线
答案:D
解析:当a=3时,2a=6,此时|AB|=10,
所以点P的轨迹为双曲线的一支(靠近点B).
当a=5时,2a=10,此时|AB|=10,
所以点P的轨迹为射线,且是以B为端点的一条射线.
判断点的轨迹是否为双曲线时,要根据双曲线的定义成立的充要条件.
对点练1.已知F1(-8,3),F2(2,3),动点P满足|PF1|-|PF2|=10,则P点的轨迹是( )
A.双曲线 B.双曲线的一支
C.直线 D.一条射线
答案:D
解析:F1,F2是定点,且|F1F2|=10,所以满足条件|PF1|-|PF2|=10的点P的轨迹应为一条射线.
任务二 双曲线的标准方程
问题2.类比求椭圆标准方程的过程.如何建立适当的坐标系,求出双曲线的标准方程?
提示:观察我们画出的双曲线,发现它也具有对称性,而且直线F1F2是它的一条对称轴,所以以F1,F2所在直线为x轴,线段F1F2的垂直平分线为y轴,建立平面直角坐标系Oxy,
此时双曲线的焦点分别为F1(-c,0),F2 (c,0),焦距为2c,c>0.
设P(x,y)是双曲线上一点,则
||PF1|-|PF2||=2a(a为大于0的常数),
因为|PF1|=,|PF2|=,
所以-=±2a,①
类比椭圆标准方程的化简过程,化简①,得(c2-a2)x2-a2y2=a2(c2-a2),两边同除以a2(c2-a2),得-=1.
由双曲线的定义知,2c>2a,即c>a,所以c2-a2>0,类比椭圆标准方程的建立过程,令b2=c2-a2,其中b>0,代入上式,得-=1(a>0,b>0).
问题3.设双曲线的焦点为 F1和F2,焦距为2c,而且双曲线上的动点P满足||PF1|-|PF2||=2a,其中c>a>0 ,以F1,F2所在直线为y轴,线段F1F2的垂直平分线为x轴,建立平面直角坐标系,如图所示,此时,双曲线的标准方程是什么?
提示:-=1(a>0,b>0).
焦点位置 焦点在x轴上 焦点在y轴上
图形
标准方程 -=1(a>0,b>0) -=1(a>0,b>0)
焦点 F1(-c,0),F2(c,0) F1(0,-c),F2(0,c)
a,b,c 的关系 b2=c2-a2
(1)以椭圆+=1长轴的端点为焦点,且经过点(3,)的双曲线的标准方程为 .
(2)求过点P,Q且焦点在坐标轴上的双曲线的标准方程.
答案:(1)-=1
解析:(1)由题意得,双曲线的焦点在x轴上,
且c=2.
设双曲线的标准方程为-=1(a>0,b>0),
则有a2+b2=c2=8,-=1,
解得a2=3,b2=5.
故所求双曲线的标准方程为-=1.
(2)解:设双曲线的方程为Ax2+By2=1,AB<0.
因为点P,Q在双曲线上,
则
故双曲线的标准方程为-=1.
双曲线的标准方程 1.用待定系数法求双曲线的标准方程时,若焦点位置不确定,可按焦点在x轴和y轴上两种情况讨论求解. 2.当mn<0时,方程+=1表示双曲线.
对点练2.焦点在x轴上,经过点P(4,-2)和点Q(2,2)的双曲线的标准方程为 .
答案:-=1
解析:设双曲线方程为-=1(a>0,b>0),
将点(4,-2)和(2,2)代入方程得
解得a2=8,b2=4,
所以双曲线的标准方程为-=1.
任务三 双曲线定义的简单应用
(1)若双曲线E:-=1的左、右焦点分别为F1,F2,点P在双曲线E上,且|PF1|=3,则|PF2|等于( )
A.11 B.9
C.5 D.3
(2)已知双曲线-=1的左、右焦点分别是F1,F2.若双曲线上一点P使得∠F1PF2=60°,求△F1PF2的面积.
答案:(1)B
解析:(1)由题意得||PF1|-|PF2||=6,
所以|PF2|=|PF1|±6,所以|PF2|=9或-3(舍去),故选B.
(2)解:由-=1得,a=3,b=4,c=5.
由双曲线的定义和余弦定理得|PF1|-|PF2|=±6,
|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°,
所以102=(|PF1|-|PF2|)2+|PF1|·|PF2|,
所以|PF1|·|PF2|=64,
所以=|PF1|·|PF2|·sin ∠F1PF2
=×64×=16.
双曲线的定义的应用 1.已知双曲线上一点的坐标,可以求得该点到某一焦点的距离,进而根据定义求该点到另一焦点的距离. 2.双曲线中与焦点三角形有关的问题可以根据定义结合余弦定理、勾股定理或三角形面积公式等知识进行运算,在运算中要注意整体思想和一些变形技巧的灵活运用.
对点练3.设F1,F2分别是双曲线x2-=1的左、右焦点,P是双曲线上的一点,且3|PF1|=4|PF2|,则△PF1F2的面积等于( )
A.4 B.8
C.24 D.48
答案:C
解析:由解得|PF1|=8,|PF2|=6.
在△PF1F2中,|PF1|=8,|PF2|=6,|F1F2|=10,
所以△PF1F2为直角三角形,
所以=|PF1||PF2|=24.
1.已知点P(x,y)的坐标满足-=±,则动点P的轨迹是( )
A.椭圆 B.双曲线
C.两条射线 D.双曲线的一支
答案:B
解析:设A(1,0),B(-1,0),
则由已知得||PA|-|PB||=,即动点P到两个定点A,B的距离之差的绝对值等于常数,又|AB|=2,且<2,所以根据双曲线的定义知,动点P的轨迹是双曲线.
2.方程-=1表示双曲线,则m的取值范围是( )
A.-2<m<2 B.m>0
C.m≥0 D.|m|≥2
答案:A
解析:因为已知方程表示双曲线,
所以(2+m)(2-m)>0.
所以-2<m<2.
3.椭圆+=1与双曲线-=1有相同的焦点,则a的值是( )
A.1 B.1或-2
C.1或 D.
答案:A
解析:依题意得解得a=1.
4.已知双曲线的焦点分别为F1(0,-3),F2(0,3),P是双曲线上一点且||PF1|-|PF2||=4,则双曲线的标准方程为( )
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
答案:C
解析:由双曲线的定义可得c=3,2a=4,即a=2,b2=c2-a2=9-4=5,且焦点在y轴上,所以双曲线的方程为-=1.
课时测评30 双曲线的标准方程
(时间:60分钟 满分:110分)
(1—8小题,每小题5分,共40分)
1.双曲线C的两焦点分别为(-6,0),(6,0),且经过点(-5,2),则双曲线的标准方程为( )
A.-=1 B.-=1
C.-=1 D.-=1
答案:B
解析:2a=|-|
=4,
所以a=2,
又c=6,
所以b2=c2-a2=36-20=16.
所以双曲线的标准方程为-=1.
2.已知方程+=1表示双曲线,则m的取值范围是( )
A.(-1,+∞) B.(2,+∞)
C.(-∞,-1)∪(2,+∞) D.(-1,2)
答案:D
解析:因为方程+=1表示双曲线,
所以(m-2)(m+1)<0,
解得-1<m<2,
所以m的取值范围是(-1,2).
3.若双曲线方程为x2-2y2=1,则它的右焦点坐标为( )
A. B.
C. D.(,0)
答案:B
解析:将双曲线方程化为标准方程为x2-=1,
所以a2=1,b2=,所以c2=a2+b2=,所以c=,
故右焦点坐标为.
4.(多选)双曲线-=1上的点到一个焦点的距离为12,则到另一个焦点的距离为( )
A.17 B.7
C.22 D.2
答案:CD
解析:设双曲线-=1的左、右焦点分别为F1,F2,
则a=5,b=3,c=,
设P为双曲线上一点,不妨令|PF1|=12(12>a+c=5+),
所以点P可能在左支,也可能在右支,
由||PF1|-|PF2||=2a=10,得|12-|PF2||=10,
所以|PF2|=22或2.
所以点P到另一个焦点的距离是22或2.
5.已知双曲线-=1(a>0,b>0),F1,F2为其两个焦点,若过焦点F1的直线与双曲线的同一支相交,且所得弦长|AB|=m,则△ABF2的周长为( )
A.4a B.4a-m
C.4a+2m D.4a-2m
答案:C
解析:不妨设|AF2|>|AF1|,
由双曲线的定义,知|AF2|-|AF1|=2a,|BF2|-|BF1|=2a,
所以|AF2|+|BF2|=(|AF1|+|BF1|)+4a=m+4a,
于是△ABF2的周长l=|AF2|+|BF2|+|AB|=4a+2m.
6.已知双曲线-=1上一点P到左焦点F1的距离为10,则PF1的中点N到坐标原点O的距离为( )
A.3或7 B.6或14
C.3 D.7
答案:A
解析:设F2是双曲线的右焦点,
连接ON(图略),ON是△PF1F2的中位线,
所以|ON|=|PF2|,
因为||PF1|-|PF2||=4,|PF1|=10,
所以|PF2|=14或6,
所以|ON|=|PF2|=7或3.
7.焦点在x轴上的双曲线经过点P(4,-3),且Q(0,5)与两焦点的连线互相垂直,则此双曲线的标准方程为 .
答案:-=1
解析:设焦点为F1(-c,0),F2(c,0)(c>0),
则由QF1⊥QF2,得·=-1,
所以·=-1,所以c=5.
设双曲线方程为-=1(a>0,b>0),
因为双曲线过点P(4,-3),
所以-=1,
又因为c2=a2+b2=25,
所以a2=16,b2=9.
所以双曲线的标准方程为-=1.
8.设F1,F2分别是双曲线x2-=1的左、右焦点.若P在双曲线上,且·=0,则|+|的值为 .
答案:2
解析:由题意,知双曲线两个焦点的坐标分别为
F1(-,0),F2(,0).
设点P(x,y),
则=(--x,-y),=(-x,-y).
因为·=0,所以x2+y2-10=0,即x2+y2=10.
所以|+|===2.
9.(13分)在周长为48的Rt△MPN中,∠MPN=90°,tan∠PMN=,求以M,N为焦点,且过点P的双曲线方程.
解:因为△MPN的周长为48,且tan∠PMN=,
所以设|PN|=3k,|PM|=4k,则|MN|=5k.
由3k+4k+5k=48,得k=4.
所以|PN|=12,|PM|=16,|MN|=20.
以MN所在直线为x轴,以MN的中点为原点建立平面直角坐标系,如图所示.
设所求双曲线方程为-=1(a>0,b>0).
由|PM|-|PN|=4,
得2a=4,a=2,a2=4.
由|MN|=20,得2c=20,c=10,c2=100,
所以b2=c2-a2=100-4=96,
故所求方程为-=1(x>2).
10.(15分)如图,若F1,F2是双曲线-=1的两个焦点.
(1)若双曲线上一点M到它的一个焦点的距离等于16,求点M到另一个焦点的距离;
(2)若P是双曲线左支上的点,且|PF1|·|PF2|=32,试求△F1PF2的面积.
解:(1)F1,F2是双曲线-=1的两个焦点,
则a=3,b=4,c=5,
设点M到另一个焦点的距离为m,
由双曲线定义可知|m-16|=2a=6,
解得m=10或m=22,
即点M到另一个焦点的距离为10或22.
(2)P是双曲线左支上的点,|PF2|-|PF1|=2a=6,
则|PF2|2-2|PF1|·|PF2|+|PF1|2=36,
代入|PF1|·|PF2|=32,
可得|PF1|2+|PF2|2=36+2×32=100,
即|PF1|2+|PF2|2=|F1F2|2=100,
所以△F1PF2为直角三角形,
所以=|PF1|·|PF2|=×32=16.
(11—14小题,每小题5分,共20分)
11.设椭圆+=1和双曲线-y2=1的公共焦点为F1,F2,P是两曲线的一个公共点,则cos∠F1PF2等于( )
A. B.
C. D.
答案:B
解析:设|PF1|=d1,|PF2|=d2,
则d1+d2=2,①
|d1-d2|=2,②
①2+②2,得+=18.
①2-②2,得2d1d2=6.
而c=2,
所以cos∠F1PF2=.
12.双曲线x2-y2=1的左、右焦点分别为F1,F2,双曲线上的点P满足∠F1PF2=60°,则|PF1|·|PF2|等于( )
A.1 B.4
C.7 D.9
答案:B
解析:在双曲线x2-y2=1中,a=b=1,c=,
设P在右支上,则|PF1|-|PF2|=2a=2,
因为∠F1PF2=60°,
在△PF1F2中,由余弦定理可得|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2-2|PF1||PF2|cos 60°
=(|PF1|-|PF2|)2+|PF1||PF2|,
即4c2=4a2+|PF1|·|PF2|,
即|PF1|·|PF2∣=4c2-4a2=4b2=4.
13.动圆与圆x2+y2=1和x2+y2-8x+12=0都外切,则动圆圆心的轨迹是( )
A.双曲线的一支 B.圆
C.椭圆 D.双曲线
答案:A
解析:设动圆的圆心为M,半径为r,圆x2+y2=1与x2+y2-8x+12=0的圆心分别为O1和O2,半径分别为1和2,
由两圆外切的充要条件,得
|MO1|=r+1,|MO2|=r+2.
所以|MO2|-|MO1|=1,
又|O1O2|=4,
所以动点M的轨迹是双曲线的一支(靠近O1).
14.(多选)已知点P在双曲线C:-=1上,F1,F2是双曲线C的左、右焦点,若△PF1F2的面积为20,则下列说法正确的有( )
A.点P到x轴的距离为
B.|PF1|+|PF2|=
C.△PF1F2为钝角三角形
D.∠F1PF2=
答案:BC
解析:因为双曲线C:-=1,所以c==5.又因为=·2c|yP|=×10×|yP|=20,所以|yP|=4,所以选项A错误;
将|yP|=4代入C:-=1得-=1,即|xP|=.由对称性,不妨取P的坐标为,可知|PF2|==.由双曲线定义可知|PF1|=|PF2|+2a=+8=,所以|PF1|+|PF2|=+=,所以选项B正确;
由对称性,对于点P,在△PF1F2中,|PF1|=>2c=10>|PF2|=.且cos∠PF2F1==-<0,则∠PF2F1为钝角,所以△PF1F2为钝角三角形,选项C正确;
由余弦定理得
cos∠F1PF2==≠,∠F1PF2≠,所以选项D错误.
15.(5分)已知P为双曲线-=1右支上一点,F1,F2分别为双曲线的左、右焦点,M为△PF1F2的内心.若=+8,则△MF1F2的面积为( )
A.2 B.10
C.8 D.6
答案:B
解析:设△PF1F2的内切圆的半径为R,
由双曲线的标准方程可知a=4,b=3,c=5.
因为=+8,
所以(|PF1|-|PF2|)R=8,即aR=8,
所以R=2,
所以=·2c·R=10.
16.(17分)如图所示,已知双曲线-=1(a>0,b>0)中,c=2a,F1,F2为左、右焦点,P为双曲线上的点,∠F1PF2=60°,=12,求双曲线的标准方程.
解:由题意得||PF1|-|PF2||=2a,
在△F1PF2中,由余弦定理得
cos 60°=
=,
所以|PF1|·|PF2|=4(c2-a2)=4b2.
所以=|PF1||PF2|·sin 60°=2b2·=b2.
所以b2=12,b2=12.
由c=2a,c2=a2+b2,得a2=4.
所以双曲线的标准方程为-=1.
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