椭圆
几何图形
椭圆(Ellipse)是平面内到定点F1、F2的距离之和等于常数(大于|F1F2|)的动点P的轨迹,F1、F2称为椭圆的两个焦点。其数学表达式为:|PF1|+|PF2|=2a(2a>|F1F2|)。
椭圆简介
在数学中,椭圆是围绕两个焦点的平面中的曲线,使得对于曲线上的每个点,到两个焦点的距离之和是恒定的。因此,它是圆的概括,其是具有两个焦点在相同位置处的特殊类型的椭圆。椭圆的形状(如何“伸长”)由其偏心度表示,对于椭圆可以是从0(圆的极限情况)到任意接近但小于1的任何数字。
椭圆是封闭式圆锥截面:由锥体与平面相交的平面曲线。椭圆与其他两种形式的圆锥截面有很多相似之处:抛物线和双曲线,两者都是开放的和无界的。圆柱体的横截面为椭圆形,除非该截面垂直于圆柱体轴线。
椭圆也可以被定义为一组点,使得曲线上的每个点的距离与给定点(称为焦点)的距离与曲线上的相同点的距离的比值给定行(称为directrix)是一个常数。该比率称为椭圆的偏心率
也可以这样定义椭圆,椭圆是点的集合,点其到两个焦点的距离的和是固定数。
椭圆在物理,天文和工程方面很常见。
定义
第一定义
平面内与两定点 、 的距离的和等于常数 ( )的动点P的轨迹叫做椭圆。
即:
其中两定点 、 叫做椭圆的焦点,两焦点的距离 叫做椭圆的焦距。 为椭圆的动点。
椭圆截与两焦点连线重合的直线所得的长轴,长为 。
椭圆截垂直平分两焦点连线的直线所得弦为短轴,长为 。
可变为 。
第二定义
平面内到定点 (c,0)的距离和到定直线 : ( 不在 上)的距离之比为常数 (即离心率 ,0轨迹是椭圆。
其中定点 为椭圆的焦点,定直线 称为椭圆的准线〈该定直线的方程是 (焦点在x轴上),或 (焦点在y轴上)〉。
其他定义
根据椭圆的一条重要性质:椭圆上的点与椭圆长轴(事实上只要是直径都可以)两端点连线的斜率之积是定值,定值为 〈前提是长轴平行于x轴。若长轴平行于y轴,比如焦点在y轴上的椭圆,可以得到斜率之积为 -a2/b2=1/(e2-1)〉,可以得出:
坐标轴内,动点( )到两定点( )( )的斜率乘积等于常数m(-1
注意:考虑到斜率不存在时不满足乘积为常数,所以 无法取到,即该定义仅为去掉四个点的椭圆。
椭圆也可看做圆按一定方向作压缩或拉伸一定比例所得图形。
方程
标准方程
在平面直角坐标系中,用方程描述了椭圆,椭圆的标准方程中的“标准”指的是中心在原点,对称轴为坐标轴。
椭圆的标准方程有两种,取决于焦点所在的坐标轴:
1.焦点在X轴时,标准方程为:
2.焦点在Y轴时,标准方程为:
椭圆上任意一点到F1,F2距离的和为2a,F1,F2之间的距离为2c。而公式中的b2=a2-c2。b是为了书写方便设定的参数。
又及:如果中心在原点,但焦点的位置不明确在X轴或Y轴时,方程可设为mx2+ny2=1(m>0,n>0,m≠n)。即标准方程的统一形式。
椭圆的面积是πab。椭圆可以看作圆在某方向上的拉伸,它的参数方程是:x=acosθ , y=bsinθ
标准形式的椭圆在(x0,y0)点的切线就是 :xx0/a2+yy0/b2=1。椭圆切线的斜率是:-b2x0/a2y0,这个可以通过复杂的代数计算得到。
参数方程
x=acosθ , y=bsinθ。
求解椭圆上点到定点或到定直线距离的最值时,用参数坐标可将问题转化为三角函数问题求解
x=a×cosβ, y=b×sinβ a为长轴长的一半 b为短轴长的一半
极坐标
(一个焦点在极坐标系原点,另一个在θ=0的正方向上)
(e为椭圆的离心率=c/a)。
几何性质
基本性质
1、范围:焦点在 轴上 , ;焦点在 轴上 , 。
2、对称性:关于X轴对称,Y轴对称,关于原点中心对称。
3、顶点:(a,0)(-a,0)(0,b)(0,-b)。
4、离心率: 或 e=√(1-b^2/a2)。
5、离心率范围:0
6、离心率越小越接近于圆,越大则椭圆就越扁。
7、焦点(当中心为原点时):(-c,0),(c,0)或(0,c),(0,-c)。
8、 与 (m为实数)为离心率相同的椭圆。
9、P为椭圆上的一点,a-c≤PF1(或PF2)≤a+c。
10、椭圆的周长等于特定的正弦曲线在一个周期内的长度。
切线法线
定理1:设F1、F2为椭圆C的两个焦点,P为C上任意一点。若直线AB切椭圆C于点P,且A和B在直线上位于P的两侧,则∠APF1=∠BPF2。(也就是说,椭圆在点P处的切线即为∠F1PF2的外角平分线所在的直线)。
定理2:设F1、F2为椭圆C的两个焦点,P为C上任意一点。若直线AB为C在P点的法线,则AB平分∠F1PF2。
上述两定理的证明可以查看参考资料。
解析几何法求证椭圆切线定理:
解:设C:((x^2)/(a^2))+((y^2)/(b^2))=1-----式1;
(a^2)-(b^2)=(c^2);
F1(-c,0);F2(c,0);P(xp,yp)
AB:(y-yp)=k(x-xp)=>y=kx+(yp-kxp);令m=yp-kxp=>AB:y=kx+m-----式2;
联立式1和式2消去y得:((k^2)+((b^2)/(a^2)))(x^2)+2kmx+((m^2)-(b^2))=0;
因为直线AB切椭圆C于点P,所以上式只有唯一解,则:
4((km)^2)-4((k^2)+((b^2)/(a^2)))((m^2)-(b^2))=0=>m^2=((ak)^2)+(b^2);
m^2=(yp-kxp)^2=((yp)^2)+((kxp)^2)-2kxpyp=((ak)^2)+(b^2);
=>((a^2)-(xp^2))(k^2)+2xpypk+((b^2)-(yp^2));
由根的判别式得:4((xpyp)^2)-4((a^2)-(xp^2))((b^2)-(yp^2))=0;
所以k值有唯一解:k=(-2xpyp)/(2((a^2)-(xp^2)))=-xpyp/((a^2)-(xp^2));
由式1得:(a^2)-(xp^2)=(ayp/b)^2=>k=-(xp(b^2))/(yp(a^2));
m=yp-kxp=(((ypa)^2)+((xpb)^2))/(yp(a^2))=((ab)^2)/(yp(a^2))=(b^2)/yp;
设A0F1、B0F2分别过F1、F2垂直AB于A0、B0;
A0F1:(y-0)=(-1/k)(x+c)=>x+ky+c=0-----式3;
联立式2和式3消去y得:x=-(km+c)/((k^2)+1);
联立式2和式3消去x得:y= (m-kc)/((k^2)+1);
则:A0:(-(km+c)/((k^2)+1),(m-kc)/((k^2)+1));
|A0F1|^2=((m-kc)^2)/((k^2)+1));
同理:B0F2:(y-0)=(-1/k)(x-c);
=>B0:((c-km)/((k^2)+1),(m+kc)/((k^2)+1));
|B0F2|^2=((m+kc)^2)/((k^2)+1));
|PF1|^2=((xp+c)^2)+(yp^2);
|PF2|^2=((xp-c)^2)+(yp^2);
证明:若∠APF1=∠BPF2,则直角三角形A0PF1与直角三角形B0PF2相似;
=>|A0F1|/|PF1|=|B0F2|/|PF2|
=>(|A0F1|^2)/(|PF1|^2)=(|B0F2|^2)/(|PF2|^2)
=>(|PF2|^2)/(|PF1|^2)=(|B0F2|^2)/(|A0F1|^2)
((m+kc)^2)/((m-kc)^2)=(((xp-c)^2)+(yp^2))/(((xp+c)^2)+(yp^2));-----式4
m+kc=(b^2)/yp-(xpc(b^2))/(yp(a^2))=((a^2)-xpc)(b^2)/(yp(a^2));-----式5
m-kc=(b^2)/yp+(xpc(b^2))/(yp(a^2))=((a^2)+xpc)(b^2)/(yp(a^2));----式6
把式5和式6代入式4得:
(((a^2)-xpc)^2)/(((a^2)+xpc)^2)=(((xp-c)^2)+(yp^2))/(((xp+c)^2)+(yp^2));
=>(((a^2)-xpc)^2)(((xp+c)^2)+(yp^2))=(((a^2)+xpc)^2)(((xp-c)^2)+(yp^2))
=>(((a^2)-xpc)^2)((xp+c)^2)+(((a^2)-xpc)^2)(yp^2)=(((a^2)+xpc)^2)((xp-c)^2)+(((a^2)+xpc)^2)(yp^2)
=>[(((a^2)-xpc)^2)((xp+c)^2)-(((a^2)+xpc)^2)((xp-c)^2)]=[(((a^2)+xpc)^2)-(((a^2)-xpc)^2)](yp^2)
=>[((a^2)-xpc)(xp+c)+((a^2)+xpc)(xp-c)][((a^2)-xpc)(xp+c)-((a^2)+xpc)(xp-c)]=4xpc(ayp)^2
=>(2(a^2)xp-2(c^2)xp)(2c(a^2)-2c(xp^2))=4xpc(ayp)^2
=>4xpc(b^2)((a^2)-(xp^2))=4xpc(ayp)^2
=>(b^2)((a^2)-(xp^2))=(ayp)^2
=>(ab)^2=((ayp)^2)+((bxp)^2)
=>((xp^2)/(a^2))+((yp^2)/(b^2))=1等式成立,∠APF1=∠BPF2得证。
光学性质
椭圆的面镜(以椭圆的长轴为轴,把椭圆转动180度形成的立体图形,其内表面全部做成反射面,中空)可以将某个焦点发出的光线全部反射到另一个焦点处;椭圆的透镜(某些截面为椭圆)有汇聚光线的作用(也叫凸透镜),老花眼镜、放大镜和远视眼镜都是这种镜片(这些光学性质可以通过反证法证明)。
相关公式
面积公式
(其中 分别是椭圆的长半轴、短半轴的长),或 (其中 分别是椭圆的长轴,短轴的长)。
证: 的面积,由于图形的对称性可知,只要求出第一象限的面积乘以4即可。
在第一象限 , 令
周长
椭圆周长计算公式:L=T(r+R)
T为椭圆系数,可以由r/R的值,查表找出系数T值;r为椭圆短半径;R为椭圆长半径。
椭圆周长定理:椭圆的周长等于该椭圆短半径与长半径之和与该椭圆系数的积(包括正圆)。
附椭圆系数简表:
椭圆与三角函数的关系
关于椭圆的周长等于特定的正弦曲线在一个周期内的长度的证明:
半径为r的圆柱上与一斜平面相交得到一椭圆,该斜平面与水平面的夹角为α,截取一个过椭圆短径的圆。以该圆和椭圆的某一交点为起始转过一个θ角。则椭圆上的点与圆上垂直对应的点的高度可以得到f(c)=r tanα sin(c/r)。
r:圆柱半径;
α:椭圆所在面与水平面的角度;
c:对应的弧长(从某一个交点起往某一个方向移动);
以上为证明简要过程,则椭圆(x*cosα)^2+y^2=r^2的周长与f(c)=r tanα sin(c/r)的正弦曲线在一个周期内的长度是相等的,而一个周期T=2πr,正好为一个圆的周长。
离心率
椭圆离心率的定义为椭圆上焦距与长轴的比值,(范围:0
e=c/a(02c。离心率越大,椭圆越扁平;离心率越小,椭圆越接近于圆形。
椭圆的焦准距:椭圆的焦点与其相应准线(如焦点(c,0)与准线x=±a^2/c) 的距离为a^2/c-c=b^2/c
离心率与 的关系: 。
焦半径
焦点在x轴上:|PF1|=a+ex |PF2|=a-ex(F1,F2分别为左右焦点)。
椭圆过右焦点的半径r=a-ex。
过左焦点的半径r=a+ex。
焦点在y轴上:|PF1|=a+ey |PF2|=a-ey(F2,F1分别为上下焦点)。
椭圆的通径:过焦点的垂直于x轴(或y轴)的直线与椭圆的两交点A,B之间的距离,即|AB|=2*b^2/a。
几何关系
点与椭圆
点M(x0,y0)椭圆 x^2/a^2+y^2/b^2=1;
点在圆内:x02/a2+y02/b2<1;
点在圆上:x02/a2+y02/b2=1;
点在圆外:x02/a2+y02/b2>1;
与直线的位置关系一样的:相交相离、相切。
直线与椭圆
y=kx+m ①
x2/a2+y2/b2=1 ②
由①②可推出x2/a2+(kx+m)2/b2=1
相切△=0
相离△<0无交点
相交△>0 可利用弦长公式:设A(x1,y1) B(x2,y2)
求中点坐标
根据韦达定理 x1+x2=-b/a,x1x2=c/a
代入直线方程可求出 (y1+y2)/2=可求出中点坐标。
|AB|=d = √(1+k2)[(x1+x2)2-4x1*x2] = √(1+1/k2)[(y1+y2)2-4y1y2]
应用
例如:有一个圆柱,被截得到一个截面,下面证明它是一个椭圆(用上面的第一定义):
将两个半径与圆柱半径相等的半球从圆柱两端向中间挤压,它们碰到截面的时候停止,那么会得到两个公共点,显然他们是截面与球的切点。
设两点为F1、F2
对于截面上任意一点P,过P做圆柱的母线Q1、Q2,与球、圆柱相切的大圆分别交于Q1、Q2
则PF1=PQ1、PF2=PQ2,所以PF1+PF2=Q1Q2
由定义1知:截面是一个椭圆,且以F1、F2为焦点
用同样的方法,也可以证明圆锥的斜截面(不通过底面)为一个椭圆
例:已知椭圆C:x^2/a^2+y^2/b^2=1(a>b>0)的离心率为√6/3,短轴一个端点到右焦点的距离为√3.
1.求椭圆C的方程.
2.直线l:y=x+1与椭圆交于A,B两点,P为椭圆上一点,求△PAB面积的最大值.
3.在⑵的基础上求△AOB的面积.
一 分析短轴的端点到左右焦点的距离和为2a,端点到左右焦点的距离相等(椭圆的定义),可知a=√3,又c/a=√6/3,代入得c=√2,b=√(a^2-c^2)=1,方程是x^2/3+y^2/1=1,
二 要求面积,显然以ab作为三角形的底边,联立x^2/3+y^2/1=1,y=x+1解得x1=0,y1=1,x2=-1.5,y2=-0.5.利用弦长公式有√(1+k^2))[x2-x1](中括号表示绝对值)弦长=3√2/2,对于p点面积最大,它到弦的距离应最大,假设已经找到p到弦的距离最大,过p做弦的平行线,可以 发现这个平行线是椭圆的切线是才会最大,这个切线和弦平行故斜率和弦的斜率=,设y=x+m,利用判别式等于0,求得m=2,-2.结合图形得m=-2.x=1.5,y=-0.5,p(1.5,-0.5),
三 直线方程x-y+1=0,利用点到直线的距离公式求得√2/2,面积1/2*√2/2*3√2/2=3/4,
手工画法
手绘法一
(1):画长轴AB,短轴CD,AB和CD互垂平分于O点。
(2):连接AC。
(3):以O为圆心,OA为半径作圆弧交OC延长线于E点。
(4):以C为圆心,CE为半径作圆弧与AC交于F点。
(5):作AF的垂直平分线交CD延长线于G点,交AB于H点。
(6):截取H,G对于O点的对称点H’,G’ ⑺:H,H’为长轴圆心,分别以HA、H‘B为半径作圆;G,G’为短轴圆心,分别以GC、G‘D为半径作圆。
用一根线或者细铜丝,铅笔,2个图钉或大头针画椭圆的方法:先画好长短轴的十字线,在长轴上以圆点为中心先找2个大于短轴半径的点,一个点先用图钉或者大头针栓好线固定住,另一个点的线先不要固定,用笔带住线去找长短轴的4个顶点,此步骤需要多次定位,直到都正好能于顶点吻合后固定住这2个点,用笔带住线,直接画出椭圆:)使用细铜丝最好,因为线的弹性较大画出来不一定准确。
手绘法二
椭圆的焦距│FF'│(Z)定义,为已知椭圆所构成的长轴X(ab)与短轴Y(cd)则以长轴一端A为圆心短轴Y为半径画弧,从长轴另一段点B引出与弧相切的线段则为该椭圆焦距,求证公式为2√{(Z/2)^2+(Y/2)^2}+Z=X+Z(平面内与两定点F、F'的距离的和等于常数2a(2a>|FF'|)的动点P的轨迹叫做椭圆),可演变为z=√x^2-y^2(x>y>0)。Z两端点F、F'为定点。取有韧性且伸缩系数越小越好的线,环绕线段AF'或者FB线段任意一组为长度,以该长度为固定三角形周长,以F、F' 为定点、取构成该三角形上的第三点为动点画弧则构成该椭圆。
手绘法三
环线长 。根据椭圆的图形特征,采用环线表示动点与焦点间的距离关系,形成统一的圆形环线作图法。具体方法简介:
(1)作图工具为笔、大头针、直尺和环形线。(环形线制作:取一段长度(30—50cm)和粗细适中弹性小的软线、一段8mm长细电线空塑料管,软线从塑料管中相向窜过,塑料管将软线夹紧,但用力可以抽动,形成能收缩和放长的环形线)。
(2)在作图平面上作出各种圆形的定点和动点。
(3)将大头针分别直立、固定在定点上;
(4)将符合长度的环形线套在大头针外,画笔由内向外拉直环线,通过调整环线的长度使笔尖刚好落在动点上;
(5)将画笔移动一周,即可作出各种圆的图形。
环线作图方法的最大特点,就是把圆形的动点与焦点间的距离关系以环线的方式联系起来,而不受焦点数目的影响,环线内可以容纳任意焦点数目,为探讨3个及其3个以上焦点数目的多焦点圆提供有效方法。环线作图方法,属于连续移动作图法,适合不同大小的圆、椭圆和卵圆等作图。
若用该方法画规定半长轴a和半短轴b的椭圆,则 ,环线长
参考资料
最新修订时间:2024-12-08 14:13
目录
概述
椭圆简介
参考资料