例谈离心率的求法
椭圆、双曲线的离心率是高考常考的知识点,对于它的求值,我们可以依据题目的不同采取不同的求解方法.下面让我们一起来赏析求解离心率的几种方法.
一、 通过构建方程求解
列方程求值是求解离心率的一种重要方法,关键是要善于捕捉显性或隐性的等量关系,包括几何等量关系和代数等量关系,构建出关于e的方程,使e一解而出.
在椭圆+=1(a>b>0),双曲线-=1(a>0,b>0)中,P为其图像上任意一点,F1,F2为左、右焦点,∠PF1F2=α,∠PF2F1=β(0<α,β<π),过点P作左、右准线的垂线,记两个垂足依次为M,N,则它们的离心率e有下列三种几何形式.
1. 三边式(第一定义式):椭圆e=,双曲线e=;
2. 焦准式(第二定义式):椭圆、双曲线都有e==;
3. 三角式(导出正弦式):椭圆e=,双曲线e=.
这里只证第3组公式:在椭圆中e====;在双曲线中,同理可证.
例1 过椭圆左焦点F且倾斜角为60°的直线交椭圆于A,B两点.若|FA|=2|FB|,则椭圆的离心率e为()
A. B. C. D.
解 设左准线为l,作AA′⊥l于A′,BB′⊥l于B′,不妨设|FB|=1,|FA|=2,由第二定义,得=e,=e.即|AA′|=, |BB′|=.
过B作BM⊥AA′于M,在Rt△ABM中,∠BAM=30°,所以-=×3,解之得e=,选D.
例2 设双曲线-=1(0<a<b )的焦距为2c,直线l过A(a,0),B(0,b)两点,已知原点O到直线l的距离为c ,则双曲线的离心率e=_____.
解 在Rt△AOB中,•c=ab,又b2=c2-a2,所以原方程可化为c2=a,即3e4-16e2-16=0,解得e2=4或e2=.
又b>a>0,所以>1,e2==1+>2,所以e2=舍去.即e=2.
题结 以上两例充分挖掘平面几何的性质,利用三角形中的等量关系构建等式,从而化为关于e 的方程,解得离心率.
例3 若F1,F2分别为双曲线-=1的下、上两焦点,O为坐标原点,点P在双曲线的下支上,点M在准线上,且满足=,=λ+(λ>0),求此双曲线的离心率e.
解 因为==,则四边形OF1PM为平行四边形.又 =λ+,则四边形OF1PM为菱形.所以|PF1|=c,|MP|=c.
由双曲线的第一定义,得|PF2|-|PF1|=2a,即|PF2|=2a+c;由双曲线的第二定义,得=e,即+1=e,解得e=2或e=-1(舍去).
题结 双曲线的两个定义具有明显的平面几何性质,通过第二定义构建方程,从而解出离心率,同时综合了向量的几何形式的运算.
例4 已知椭圆的中心为坐标原点O,焦点在x 轴上,斜率为1且过椭圆右焦点F的直线交椭圆于A,B两点,+与a=(3,-1)共线,求椭圆的离心率e.
解 设椭圆方程为+=1(a>b>0),F (c,0),则直线AB的方程为y=x+c,将其代入+=1,消去y得(a2+b2)x2-2a2cx+a2c2-a2b2=0.
令A(x1,y1),B(x2,y2),则x1+x2=.
又+=(x1+x2,y1+y2)与a=(3,-1)共线,则3(y1+y2)+(x1+x2)=0.又y1=x1-c,y2=x2-c,所以3(x1+x2-2c)+x1+x2=0,x1+x2=c.
即=c,解得2a2=3c2,故e2=,e=.
题结 此题设而不求,利用韦达定理、向量共线构建a,b,c的等量关系,进而蜕变出关于e的方程,使e一解而出.
二、 通过构建不等式求解
除了要善于捕捉显性或隐生的等量关系,我们还要学会捕捉显性或隐性、代数或几何的不等量关系,实现等式向不等式的飞跃,进而变形蜕变出关于e的不等式,得出题目所要求的解.
例5 已知双曲线-=1(a>0 ,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,左准线为l,点P在双曲线的左支上,且|PF1|是点P到l的距离d与|PF2|的等比中项,求双曲线离心率的最大值.
解 由题意,得|PF1|2=d|PF2|,又由第二定义,得==e.
由第一定义,得|PF2|-|PF1|=2a.
联立两式,解得|PF1|=,|PF2|=.
又|PF1|+|PF2|≥2c,所以+≥2c,即1+e≥e(e-1).又e>1,解得1<e≤+1,即离心率的最大值为+1.
题结 捕捉三角形边的不等关系构建不等式.
例6 双曲线-=1(a>0,b>0)右支上存在与右焦点和左准线等距离的点,求双曲线离心率的最大值.
解 设双曲线右支上的点为P(x0,y0),则由焦半径公式|PF2|=ex0-a,得x0+=ex0-a,得x0=.
又点P在双曲线右支上,即x0≥a,所以≥a,即≥1,解得1<e≤+1,即离心率的最大值为+1.
即当右顶点是左准线在x轴上交点与右焦点构成的线段的中点时,双曲线离心率取得最大值.
题结 通过双曲线上点的横坐标的范围构建不等式.
例7 若椭圆+=1(a>b>0) 上存在一点P使∠F1PF2=120°,F1,F2为椭圆的左、右焦点,求椭圆离心率的最小值.
解 设|PF1|=r1, |PF2|=r2,由余弦定理,得r1 2+r2 2-2r1r2cos120°=4c2,得4a2-2r1r2-2r1r2cos120°=4c2,即r1r2=4b2.
又r1r2≤2=a2,所以4b2≤a2,故3a2≤4c2,得e2
≥,所以1> e≥,即离心率的最小值为.
当且仅当点P为椭圆的上顶点时,椭圆的离心率取得最大值,其它的椭圆比这个椭圆都要扁一些.
题结 捕捉重要不等式的背景构建不等式.
例8 过椭圆+=1(a>b>0)左焦点F的直线交椭圆于P,Q两点,且 •=0,求椭圆离心率的最小值.
解 为避免讨论,设直线PQ的方程为x+c=my?摇(m∈R).
令P(x1,y1),Q(x2,y2),则x+c=my,b2x2+a2y2=a2b2,消去x得(a2+m2b2)y2-2mcb2y-b4=0.所以y1+y2=, y1y2=
-.
因为•=0,所以x1x2+y1y2=0,又x1=my1-c,x2=my2-c.所以(my1-c)(my2-c)+y1y2=0,即(m2+1)b4+2m2c2b2=c2(a2+m2b2),解得m2=.
所以≥0,即ac≥b2,得c2+ac-a2≥0,即e2+e-1≥0,所以≤e<1,即离心率的最小值为?摇(当且仅当m=0时,即直线PQ与x轴垂直时,椭圆离心率最小.这个椭圆也叫黄金椭圆(优美椭圆)).
题结 捕捉 m2≥0?摇的性质构建不等式.
例9 已知双曲线 -=1(a>0,b>0)的右焦点为F,若过点F且倾斜角为60°的直线与双曲线右支有且只有一个交点,求双曲线离心率的取值范围.
解 依题意,有≥tan60°,即≥3,得e2-1≥3,解得e≥2.
题结 数形结合构建不等式.
最值(范围)问题是数学习题中一道亮丽的风景线,常用数形结合法和构造函数法,构建不等式解出最值也不失为其中的一种重要方法.
1. (2009年江西理科卷6)过椭圆+=1(a>b>0)的左焦点F1作x轴的垂线交椭圆于点P,F2为右焦点,若∠F1PF2=60°,则椭圆的离心率为()
A. B. C. D.
2. (2009年全国Ⅰ理科卷12)已知椭圆C:+y2=1的右焦点为F,右准线为l,点A∈l,线段AF交椭圆C于点B,若=3,则||=()
A.B. 2C.D. 3
3. 设F1,F2为双曲线-y2=1的左、右两焦点,点P在双曲线上,且有∠F1PF2=90°,求△F1PF2面积.
4. (2008年福建卷11)双曲线-=1(a>0,b>0)的两个焦点为F1,F2,若P为其上一点,且PF1=2PF2,则双曲线离心率的取值范围为()
A. (1,3) B. (1,3]
C. (3,+∞) D. [3,+∞)
5. (2009全国Ⅱ理科卷11)已知双曲线C:-=1(a>0,b>0)的右焦点为F,过F且斜率为的直线交双曲线C于A,B两点,若=4,则双曲线C的离心率为()
A. B. C. D.
6. 在一个椭圆中,F1,F2为两焦点,P为椭圆上一点,且恒有PF1⊥PF2,求椭圆离心率的取值范围.
7. 已知双曲线-=1(a>0,b>0)的左、右焦点分别为F1,F2,点P在双曲线的右支上,且|PF1|=4|PF2|,求双曲线离心率的取值范围.
8. 双曲线-=1(a>1,b>0)的焦距为2c,直线l过点(a,0)和(0,b),且点(1,0)到直线l的距离与点(-1,0)到直线l的距离之和不小于c,求双曲线离心率的取值范围.
9. 双曲线-=1(a>1,b>0)与直线y=2x有交点,求双曲线离心率的取值范围.
10. 设θ∈0,,求二次曲线x2cotθ-y2tanθ=1的离心率的取值范围.
1. B. 2. A. 3. 1. 4. B. 5. A. 6. ≤e≤1. 7. 1<e≤. 8. ≤e≤. 9. e>. 10. e>.