利用定义式求圆锥曲线方程

前言

求圆锥曲线方程,其本质是求解(a)(b),或(p)的值,所以常常直接求解其值,或者利用题目给定的等量关系建立方程组求解,利用等量关系时,务必记住使用圆锥曲线的定义。

定义式

  • 椭圆

文字语言:平面内到两个定点(F_1)(F_2)的距离之和等于常数((>|F_1F_2|))的动点(P)的集合称为椭圆,即(|PF_1|)(+|PF_2|)(=2a)

数学语言:

图形语言:

  • 双曲线

文字语言:

数学语言:

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  • 抛物线

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典例剖析

例0( riangle ABC)的两个顶点坐标为(A(-4,0))(B(4,0))( riangle ABC)的周长为(18),则顶点(C)的轨迹方程为_________。

分析:容易知道顶点(C)的轨迹是(c=4)(a=5)(b=3)的焦点在(x)轴的椭圆,即(cfrac{x^2}{25}+cfrac{y^2}{9}=1)

但是由于需要确保( riangle ABC)的存在,故必须限制(y eq 0)

故顶点(C)的轨迹方程为(cfrac{x^2}{25}+cfrac{y^2}{9}=1(y eq 0)).

例0【2019届高三理科数学第三轮模拟训练题】以双曲线(cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{12}=1)的焦点为顶点,顶点为焦点的椭圆方程为【】

$A.cfrac{y^2}{16}+cfrac{x^2}{12}=1$ $B.cfrac{x^2}{16}+cfrac{y^2}{12}=1$ $C.cfrac{x^2}{12}+cfrac{y^2}{4}=1$ $D.cfrac{y^2}{12}+cfrac{x^2}{4}=1$

分析:对双曲线而言,(a^2=4)(b^2=12),则(c^2=a^2+b^2=16),故(c=4),其焦点为((pm 4,0)),故椭圆的一组顶点坐标为((pm 4,0))

双曲线的顶点坐标为((pm 2,0)),故椭圆的焦点坐标为((pm 2,0)),故椭圆的(c=2)(a=4),故(b^2=12),则椭圆的方程为(cfrac{x^2}{16}+cfrac{y^2}{12}=1),故选(B)

例1(F_1)(F_2)是双曲线(cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{b^2}=1(b>0))的左右焦点,过(F_1)的直线(l)交双曲线的左支与(A)(B)两点,若(|AF_2|+|BF_2|)的最小值为13,则双曲线的离心率为【】

$A.cfrac{3}{2}$ $B.cfrac{5}{3}$ $C.sqrt{3}$ $D.sqrt{5}$

分析:如图所示,可知(a=2)

由双曲线的定义可知,(|AF_2|-|AF_1|=2a=4)(|BF_2|-|BF_1|=2a=4)

(|AF_2|=|AF_1|+4)(|BF_2|=|BF_1|+4)

又由于(|AF_2|+|BF_2|ge 13),即(|AF_1|+4+|BF_1|+4ge 13)

(|AF_1|+|BF_1|ge 5),即(|AB|ge 5)

又由于过焦点的弦中,只有通径最小,故(AB)为通径,

则可知(A(-c,cfrac{5}{2}))

(left{egin{array}{l}{cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{b^2}=1}\{x=-c}end{array} ight.),以及(y=cfrac{5}{2})

代入得到(cfrac{c^2}{4}-1=cfrac{y^2}{b^2}),即变形得到(b^2cdot cfrac{c^2-4}{4}=y^2=cfrac{25}{4})

(b^2(c^2-4)=25),即((c^2-4)(c^2-4)=25),即(c^2-4=5)

(c=3),又(a=2),则(e=cfrac{c}{a}=cfrac{3}{2}),故选(A)

例2(O)为坐标原点,(A)(B)为抛物线(C:y^2=mx(m>0))上的两点,且( riangle OAB)(OA=)(OB)(=2sqrt{2})(S_{ riangle OAB}=4),则焦点(C)到准线的距离为【】

$A.2$ $B.4$ $C.3$ $D.1$

分析:如图所示,

由题可知,焦点坐标为((cfrac{m}{4},0)),准线为(x=-cfrac{m}{4})

故焦点(C)到准线的距离为(cfrac{m}{2})

又由于(OA=OB=2sqrt{2})(S_{ riangle OAB}=4)

(S_{ riangle OAB}=cfrac{1}{2} imes 2sqrt{2} imes 2sqrt{2} imes sinangle AOB=4)

(sinangle AOB=1),即(angle AOB=cfrac{pi}{2})

( riangle OAB)为等腰直角三角形,则(A(2,2))

代入(y^2=mx)求得,(m=2)

故焦点(C)到准线的距离为(cfrac{m}{2}=1);故选(D)

例3【定义法】已知圆(M:(x+1)^2+y^2=1),圆(N:(x-1)^2+y^2=9),动圆(P)与圆(M)外切并且与圆(N)内切,圆心(P)的轨迹方程为曲线(C),求(C)的方程;

分析:由已知得,圆(M)的圆心为(M(-1,0)),半径(r_1=1);圆(N)的圆心为(N(1,0)),半径(r_2=3)

设圆(P)的圆心为(P(x,y)),半径为(R);由于圆(P)与圆(M)外切并且与圆(N)内切,

所以(|PM|+|PN|=(R+r_1)+(r_2-R)=r_1+r_2=4),由[椭圆的定义]可知,曲线(C)是以(M)(N)为左右焦点,长半轴长为2,短半轴长为(sqrt{3})的椭圆(左顶点除外),

其轨迹方程为(cfrac{x^2}{4}+cfrac{y^2}{3}=1(x eq -2))

例4【2017凤翔中学高三理科第三次月考第14题】【利用椭圆的定义求解】已知直线(l)交椭圆(cfrac{x^2}{9}+cfrac{y^2}{5}=1)(A、B)两点,(F_1)是椭圆的左焦点,当直线(l)经过椭圆的右焦点时,求(Delta ABF_1)的周长。

分析:由题可知,(a=3),如图所示,由椭圆的定义可知(|AF_1|+|AF_2|=2a)(|BF_1|+|BF_2|=2a)

(Delta ABF_1)的周长为(|AF_1|+|BF_1|+|AB|=|AF_1|+|BF_1|+|AF_2|+|BF_2|=4a=12)

例5已知(F_1,F_2)是椭圆(C)的两个焦点,(P)(C)上一点,若(PF_1perp PF_2),且(angle PF_2F_1=60^{circ}),则(C)的离心率是【】

$A.1-cfrac{sqrt{3}}{2}$ $B.2-sqrt{3}$ $C.cfrac{sqrt{3}-1}{2}$ $D.sqrt{3}-1$

分析:自行做出示意图,由图可知,在(RtDelta PF_1F_2)中,(angle F_1PF_2=90^{circ})(angle PF_2F_1=60^{circ})(F_1F_2=2c),故(PF_2=c)(PF_1=sqrt{3}c)

由椭圆的定义可知,(|PF_1|+|PF_2|=2a),即(c+sqrt{3}c=2a),解得(e=cfrac{c}{a}=cfrac{2}{sqrt{3}+1}=sqrt{3}-1),故选D。

【建议】用圆锥曲线的定义解题,是高考中的一个高频考查方式。

例6【2017高考理科数学Ⅲ卷第5题】【2019高三理科二轮限时训练3】已知双曲线(C:cfrac{x^2}{a^2}-cfrac{y^2}{b^2}=1) ((a>0,b>0))的一条渐近线方程为(y=cfrac{sqrt{5}}{2}x),且与椭圆(cfrac{x^2}{12}+cfrac{y^2}{3}=1)有公共焦点,则(C)的方程为【】

$A.cfrac{x^2}{8}-cfrac{y^2}{10}=1$ $B.cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{5}=1$ $C.cfrac{x^2}{5}-cfrac{y^2}{4}=1$ $D.cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{3}=1$

分析:由双曲线(C:cfrac{x^2}{a^2}-cfrac{y^2}{b^2}=1)可知其渐进线为(y=cfrac{b}{a}x),由已知渐近线方程为(y=cfrac{sqrt{5}}{2}x)

则可设(a=2k)(b=sqrt{5}k(k>0)),则(c=3k),又由椭圆的(c=3),可可知(3k=3),即(k=1),故双曲线的(a=2)(b=sqrt{5}),则其方程为(cfrac{x^2}{4}-cfrac{y^2}{5}=1),故选(B)

例7【2018高考新课标Ⅲ卷第16题】已知点(M(-1,1))和抛物线(C:y^2=4x),过(C)的焦点且斜率为(k)的直线与(C)交于(A)(B)两点,若(angle AMB=90^{circ}),则(k)=_________。

法1:点差法,做出如下示意图,连结(MH)(H)为焦点弦(AB)的中点,

由于( riangle AMB)为直角三角形,(H)(AB)的中点,则(MH=cfrac{1}{2}AB)

又由于(AB=AF+BF=AP+BQ),则(MH=cfrac{1}{2}AB=cfrac{1}{2}(AP+BQ))

(MH)为直角梯形的中位线,则(MH//x)轴,

(A(x_1,y_1))(B(x_2,y_2)),则有(y_1^2=4x_1) ①,(y_2^2=4x_2) ②,

①-②得到,(y_1^2-y_2^2=4(x_1-x_2)),即((y_1+y_2)(y_1-y_2)=4(x_1-x_2))

则有(cfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=cfrac{4}{y_1+y_2}),即(k=cfrac{4}{y_1+y_2})

又由于(MH//x)轴,(M(-1,1)),则(H)点的纵坐标为1,即(cfrac{y_1+y_2}{2}=1),则(y_1+y_2=2),代入上式,

得到(k=cfrac{4}{y_1+y_2}=2).

法2:向量法,设直线(AB:y=k(x-1)),由于点(A,B)都在抛物线上,故设(A(4t_1^2,4t_1))(B(4t_2^2,4t_2))

联立直线和抛物线,得到(left{egin{array}{l}{y=k(x-1)}\{y^2=4x}end{array} ight.),消(x)得到,

(y^2-cfrac{4}{k}y-4=0),则由韦达定理可知,(4t_1+4t_2=cfrac{4}{k})(4t_1cdot 4t_2=-4)

(t_1+t_2=cfrac{1}{k})(t_1cdot t_2=-cfrac{1}{4})

(overrightarrow{MA}=(4t_1^2+1,4t_1-1))(overrightarrow{MB}=(4t_2^2+1,4t_2-1))(angle AMB=90^{circ})

(overrightarrow{MA}cdot overrightarrow{MB}=0),即((4t_1^2+1)(4t_2^2+1)+(4t_1-1)(4t_2-1)=0)

打开整理得到,(16(t_1t_2)^2+4(t_1^2+t_2^2)+1+16t_1t_2-4(t_1+t_2)+1=0)

代入整理得到,(cfrac{4}{k^2}-cfrac{4}{k}+1=0),即((cfrac{2}{k}-1)^2=0),解得(k=2)

例8【2019届宝鸡市高三理科数学质检Ⅰ第8题】平面直角坐标系(xoy)中,动点(P)与圆((x-2)^2+y^2=1)上的点的最短距离与其到直线(x=-1)的距离相等,则点(P)的轨迹方程为【】

$A.y^2=8x$ $B.x^2=8y$ $C.y^2=4x$ $D.x^2=4y$

分析:由题意可知,(|PQ|=|PD|),但是用这个不好建立轨迹方程,或者不能有效的和抛物线的定义建立联系,

故等价转化为(|PA|=|PB|),且其模型为(y^2=2px)

这样就可以理解为平面内一个动点(P)到一个定点(A)的距离等于其到定直线(x=-2)的距离。

由抛物线的定义可知,(-cfrac{p}{2}=-2),即(p=4),故(y^2=2 imes 4x=8x),故选(A)

  • 注意:抛物线的定义是高考考查时的高频考点。

例9设抛物线(C:y^2=3x)的焦点,过F且倾斜角为(30^{circ})的直线交(C)(A)(B)两点,则(|AB|)等于【】

$A.cfrac{sqrt{30}}{3}$ $B.6$ $C.12$ $D.7sqrt{3}$

【法1】:常规方法,利用两点间距离公式,由于(2p=3),则(cfrac{p}{2}=cfrac{3}{4}),故焦点(F(cfrac{3}{4},0)),又斜率为(k=cfrac{sqrt{3}}{3})

则直线(AB)的方程为(y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4}))

联立直线(AB)和抛物线方程,得到(left{egin{array}{l}{y^2=3x}\{y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4})}end{array} ight.)

(y)得到(16x^2-24 imes7x+9=0),设点(A(x_1,y_1)),点(B(x_2,y_2))

(x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})(x_1x_2=cfrac{9}{16})

(|AB|=sqrt{1+k^2}cdot |x_1-x_2|)

(=sqrt{1+k^2}cdotsqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}=12)

【法2】:利用直线(AB)的参数方程的参数的几何意义,

直线(AB)的参数方程为(egin{cases}x=cfrac{3}{4}+cfrac{sqrt{3}}{2}t\y=0+cfrac{1}{2}tend{cases}(t为参数)),将其代入(y^2=3x)中,

整理得到(t^2-6sqrt{3}t-9=0),设(A)(B)对应的参数分别为(t_1)(t_2)

(Delta>0),且有(t_1+t_2=6sqrt{3})(t_1t_2=-9)

(|AB|=|t_1-t_2|=sqrt{(t_1+t_2)^2-4t_1t_2}=sqrt{36 imes3-4 imes(-9)}=12)

【法3】:利用抛物线的定义可知,(|AB|=|AF|+|BF|=|AN|+|BO|=x_1+cfrac{p}{2}+x_2+cfrac{p}{2}=x_1+x_2+p)

故由法1中,得到(x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})(p=cfrac{3}{2}),即(|AB|=x_1+x_2+p=12)

法4:利用抛物线的焦点弦长公式:(|AB|=cfrac{2p}{sin^2alpha})

(|AB|=cfrac{2 imes cfrac{3}{2}}{(cfrac{1}{2})^2}=12)

例10【2019届高三理科数学三轮用题】已知顶点在原点,焦点在(x)轴正半轴上的抛物线(C),若其焦点到准线的距离为4,准线交(x)轴于点(K),点(A)在抛物线(C)上,(|AK|=sqrt{2}|AF|),则( riangle AFK)的面积为【】

$A.4$ $B.6$ $C.8$ $D.12$

分析:如图所示,由题可知,(|OF|=|OK|=2)(|KF|=4),由抛物线定义可知,(|AF|=|AB|),则(|AK|=sqrt{2}|AB|)

故可知(angle AKF=45^{circ}),在( riangle AKF)中,(|KF|=4),设(|AF|=x),则(|AK|=sqrt{2}x)

由余弦定理可知,(|AF|=4),其高为(|KB|=4),故(S_{ riangle AFK}=cfrac{1}{2} imes 4 imes 4=8),故选(C)

例11【2019届高三理科数学三轮模拟试题】已知点(A)在离心率为(cfrac{sqrt{2}}{2})的椭圆(C:cfrac{x^2}{a^2}+cfrac{y^2}{b^2}=1(a>b>0))上,左、右焦点分别为(F_1)(F_2)( riangle AF_1F_2)的内切圆的半径(r=sqrt{2}-1),且(S_{ riangle AF_1F_2}=1),求椭圆(C)的方程;

分析:由三角形面积公式可知,(S_{ riangle AF_1F_2}=cfrac{1}{2}(|AF_1|+|AF_2|+|F_1F_2|)cdot r=1)

(cfrac{1}{2}(2a+2c)(sqrt{2}-1)=1),化简得到(a+c=sqrt{2}+1)①;

(cfrac{c}{a}=cfrac{sqrt{2}}{2})②,两式联立,解得(c=1)(a=sqrt{2}),则(b^2=a^2-c^2=1)

故椭圆(C)的方程为(cfrac{x^2}{2}+y^2=1)

例12【2019届高三理科数学三轮模拟试题】已知曲线(C)上的点到两定点(F_1(-sqrt{5},0))(F_2(sqrt{5},0))的距离之和为定值,且该定值是原点(O)到直线(x-y+sqrt{3}=0)的距离的(4)倍,求曲线(C)的方程。

分析:原点(O)到直线(x-y+sqrt{3}=0)的距离为(d=cfrac{|sqrt{3}|}{sqrt{1^2+1^2}}=cfrac{sqrt{6}}{2}),故(4d=2sqrt{6})

由椭圆的定义可知,曲线(C)为一椭圆,其长轴长为(2sqrt{6}),焦点(F_1(-sqrt{5},0))(F_2(sqrt{5},0))

则短轴长为(2sqrt{(sqrt{6})^2-(sqrt{5})^2}=2),所以曲线(C)的方程为(cfrac{x^2}{6}+y^2=1).

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