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求解圆锥曲线离心率的取值范围的基本思路就是设法建立关于a,b,c的齐次不等式,然后转化为关于离心率的不等式,进而求出离心率e的取值范围.然而,大多数学生面对题目中的已知量时,往往束手无策,不知如何挖掘出它们之间的关系.笔者在本文中结合一些具体问题,探求建立关于离心率e的不等关系的几种途径.
途径1:从题设条件中获取不等关系
直接根据题设得到不等式是最容易想到的途径,关键是要认真审题.
例1 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A(1,0)到直线l的距离与点B(-1,0)到直线l的距离之和s≥c,求双曲线的离心率e的取值范围.
解:直线l的方程为+=1,即bx+ay-ab=0.
由点到直线的距离公式及a>1,得点A(1,0)和B(-1,0)到直线l的距离之和s=+=+=.
又s≥c,有≥c,
所以5a≥2c2,
即5≥2e2.
化为4e4-25e2+25≤0,
解得≤e2≤5.
注意到e>1,从而≤e≤.
故双曲线的离心率e的取值范围是,.
途径2:根据圆锥曲线的范围建立不等关系
圆锥曲线自身的范围都隐含着不等关系.比如对于椭圆+=1(a>b>0),有x≤a,y≤b;对于双曲线-=1(a>0,b>0),有x≥a,等等.通过对曲线范围的把握,根据点的坐标适合的不等式,可以建立关于a,b,c或e的不等关系.
例2 已知F1,F2是椭圆的两个焦点,P为椭圆上一点,∠F1PF2=60°,求椭圆离心率的取值范围.
分析:设法用a,b,c表示椭圆中的x(或y),再用x(或y)的范围构造不等式.
解:设椭圆方程为+=1(a>b>0),P的坐标为(x0,y0).
则PF1=a+ex0,PF2=a-ex0 .
△F1PF2中,cos∠F1PF2==,
由此解得:x20=.
因为-a≤x0≤a,即0≤x20≤a2,
解得≤e≤1,注意到0 故椭圆离心率的取值范围是[,1).
途径3:利用数形结合寻找不等关系
根据题设条件画出图形,由图形发现或寻找出不等关系,往往能收到事半功倍的效果.
例3 过双曲线-=1(a>0,b>0)的一个焦点F2,作垂直于渐近线的直线与双曲线的两支都相交,求双曲线的离心率的取值范围.
解:如图所示,渐近线l2的方程为y=x,过F2与l2垂直的直线斜率为-,要使得此直线与双曲线的两支都相交,只需->-,解得e>.
故双曲线的离心率的取值范围是e>.
评注:求解这类问题的关键是比较渐近线斜率与已知直线斜率的大小关系.
途径4:利用平面几何性质挖掘不等关系
很多离心率范围的问题都是以平面图形为载体出现的,我们知道,平面图形的背后包含着丰富的数量关系,比如三角形中两边之和大于第三边,三角形或梯形中位线的相关性质等.仔细分析平面图形的特征,挖掘出所需的不等关系,有时会使问题柳暗花明,峰回路转.
例4已知双曲线-=1(a>0,b>0)左、右焦点分别为F1、F2,左准线为l,P为双曲线左支上一点,且PF1是P到l的距离d与PF2的比例中项,求双曲线离心率e的取值范围.
解:由题意,可知PF1=
d•PF2,由双曲线的第二定义,可知PF1=ed.
∴PF2= ePF1 .又PF2-PF1=2a,得PF1=,PF2=.
因为在三角形中,两边之和大于第三边,
所以有PF1+PF2>F1F2,即+>2c,
整理得e2-2e-1<0,注意到e>1,
解得1 故所求双曲线离心率的取值范围是(1,1+).
途径5:利用圆锥曲线中的最值产生不等关系
在解题中,细心的学生会注意到,围绕着椭圆与双曲线有大量的最值结论,比如对于椭圆+=1(a>b>0)的任一点P,左右两焦点为F1、F2,长轴两顶点为A1、A2,短轴两顶点为B1、B2则有如下一些结论:
1. PF1max=a+c,PF1min=a-c;
2.(∠F1PF2)max=∠F1B2F2,
(∠A1PA2)max=∠A1B2A2;
3. (S△F1PF2)max=bc.
利用这些结论,我们可以快速得到关于离心率e的不等式,使问题获得解决.
例5 设椭圆+=1(a>b>0)的长轴两端点分别为A1、A2,若椭圆上存在一点M,使∠A1MA2=120°,试求椭圆离心率e的取值范围.
解:如图所示,因为∠A1MA2≤∠A1B2A2,又∠A1MA2=120°,所以∠A1B2A2≥120°,∠A1B2O≥60°.
所以=tan∠A1B2O≥tan60°=,
即≤=,
解得e2≥,又0 故椭圆离心率e的取值范围是[,1).
途径6:利用参数方程构造不等关系
利用椭圆与双曲线的参数方程来设点的坐标,可以有效减少变量的个数,同时又可以利用三角函数的有界性来构造不等关系,充分发挥三角知识在解题中的作用.
例6 设椭圆b2x2+a2y2=a2b2(a>b>0)上存在一点M,使∠AMB=120°(A,B为长轴的左、右端点).试求离心率e的取值范围.
解:如图所示,设点M(acos,bsin)(0<<)为椭圆上半部分上一点,根据斜率公式有
kMA=,kMB=,
则tan∠AMB===-,
所以sin=,又sin≤1,
所以2ab≤c2,即4a2(a2-c2)≤3c4,
解得e2≥,又0 责任编辑罗峰
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
途径1:从题设条件中获取不等关系
直接根据题设得到不等式是最容易想到的途径,关键是要认真审题.
例1 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A(1,0)到直线l的距离与点B(-1,0)到直线l的距离之和s≥c,求双曲线的离心率e的取值范围.
解:直线l的方程为+=1,即bx+ay-ab=0.
由点到直线的距离公式及a>1,得点A(1,0)和B(-1,0)到直线l的距离之和s=+=+=.
又s≥c,有≥c,
所以5a≥2c2,
即5≥2e2.
化为4e4-25e2+25≤0,
解得≤e2≤5.
注意到e>1,从而≤e≤.
故双曲线的离心率e的取值范围是,.
途径2:根据圆锥曲线的范围建立不等关系
圆锥曲线自身的范围都隐含着不等关系.比如对于椭圆+=1(a>b>0),有x≤a,y≤b;对于双曲线-=1(a>0,b>0),有x≥a,等等.通过对曲线范围的把握,根据点的坐标适合的不等式,可以建立关于a,b,c或e的不等关系.
例2 已知F1,F2是椭圆的两个焦点,P为椭圆上一点,∠F1PF2=60°,求椭圆离心率的取值范围.
分析:设法用a,b,c表示椭圆中的x(或y),再用x(或y)的范围构造不等式.
解:设椭圆方程为+=1(a>b>0),P的坐标为(x0,y0).
则PF1=a+ex0,PF2=a-ex0 .
△F1PF2中,cos∠F1PF2==,
由此解得:x20=.
因为-a≤x0≤a,即0≤x20≤a2,
解得≤e≤1,注意到0
途径3:利用数形结合寻找不等关系
根据题设条件画出图形,由图形发现或寻找出不等关系,往往能收到事半功倍的效果.
例3 过双曲线-=1(a>0,b>0)的一个焦点F2,作垂直于渐近线的直线与双曲线的两支都相交,求双曲线的离心率的取值范围.
解:如图所示,渐近线l2的方程为y=x,过F2与l2垂直的直线斜率为-,要使得此直线与双曲线的两支都相交,只需->-,解得e>.
故双曲线的离心率的取值范围是e>.
评注:求解这类问题的关键是比较渐近线斜率与已知直线斜率的大小关系.
途径4:利用平面几何性质挖掘不等关系
很多离心率范围的问题都是以平面图形为载体出现的,我们知道,平面图形的背后包含着丰富的数量关系,比如三角形中两边之和大于第三边,三角形或梯形中位线的相关性质等.仔细分析平面图形的特征,挖掘出所需的不等关系,有时会使问题柳暗花明,峰回路转.
例4已知双曲线-=1(a>0,b>0)左、右焦点分别为F1、F2,左准线为l,P为双曲线左支上一点,且PF1是P到l的距离d与PF2的比例中项,求双曲线离心率e的取值范围.
解:由题意,可知PF1=
d•PF2,由双曲线的第二定义,可知PF1=ed.
∴PF2= ePF1 .又PF2-PF1=2a,得PF1=,PF2=.
因为在三角形中,两边之和大于第三边,
所以有PF1+PF2>F1F2,即+>2c,
整理得e2-2e-1<0,注意到e>1,
解得1
途径5:利用圆锥曲线中的最值产生不等关系
在解题中,细心的学生会注意到,围绕着椭圆与双曲线有大量的最值结论,比如对于椭圆+=1(a>b>0)的任一点P,左右两焦点为F1、F2,长轴两顶点为A1、A2,短轴两顶点为B1、B2则有如下一些结论:
1. PF1max=a+c,PF1min=a-c;
2.(∠F1PF2)max=∠F1B2F2,
(∠A1PA2)max=∠A1B2A2;
3. (S△F1PF2)max=bc.
利用这些结论,我们可以快速得到关于离心率e的不等式,使问题获得解决.
例5 设椭圆+=1(a>b>0)的长轴两端点分别为A1、A2,若椭圆上存在一点M,使∠A1MA2=120°,试求椭圆离心率e的取值范围.
解:如图所示,因为∠A1MA2≤∠A1B2A2,又∠A1MA2=120°,所以∠A1B2A2≥120°,∠A1B2O≥60°.
所以=tan∠A1B2O≥tan60°=,
即≤=,
解得e2≥,又0
途径6:利用参数方程构造不等关系
利用椭圆与双曲线的参数方程来设点的坐标,可以有效减少变量的个数,同时又可以利用三角函数的有界性来构造不等关系,充分发挥三角知识在解题中的作用.
例6 设椭圆b2x2+a2y2=a2b2(a>b>0)上存在一点M,使∠AMB=120°(A,B为长轴的左、右端点).试求离心率e的取值范围.
解:如图所示,设点M(acos,bsin)(0<<)为椭圆上半部分上一点,根据斜率公式有
kMA=,kMB=,
则tan∠AMB===-,
所以sin=,又sin≤1,
所以2ab≤c2,即4a2(a2-c2)≤3c4,
解得e2≥,又0
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文