参数方程
双曲线的参数方程:
①x=a·sec θ (正割) y=b·tan θ ( a为实半轴长, b为虚半轴长,θ为参数。焦点在X轴上)
②x=a(t+1/t)/2, y=b(t-1/t)/2 (t为参数)(a为半实轴长,b为半短轴长,焦点在X轴上)
面积公式
若 ∠F1PF2=θ,
则 S△F1PF2=b2×cot(θ/2)或S△F1PF2=b2/tan(θ/2)
·例:已知F1、F2为双曲线C:x2-y2=1的左右焦点,点P在C上,∠F1PF2=60°,则P到x轴的距离为多
少?
解:由双曲线焦点三角形面积公式
得S△F1PF2=b2×cot(θ/2)=√3
设P到x轴的距离为h,则 S△F1PF2?=1/2×h×2√2; h =√6/2
基本定义
把平面内与两个定点F1,F2的距离的差的绝对值等于一个常数(常数为2a)的轨迹称为双曲线。(平面内到两定点的距离差的绝对值为定长的点的轨迹叫做双曲线)
即:│PF1-PF2│=2a
定义1:
双曲线平面内,到两个定点的距离之差的绝对值为常数(小于这两个定点间的距离)的点的轨迹称为双曲线。定点叫双曲线的焦点。
定义2:平面内,到给定一点及一直线的距离之比为常数e(e>1,即为双曲线的离心率)的点的轨迹称为双曲线。定点叫双曲线的焦点,定直线叫双曲线的准线。双曲线准线的方程为x=±a?/c(焦点在x轴上)或y=±a?/c(焦点在y轴上)。
定义3:一平面截一圆锥面,当截面与圆锥面的母线不平行,且与圆锥面的两个圆锥都相交时,交线称为双曲线。
定义4:在平面直角坐标系中,二元二次方程F(x,y)=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0满足以下条件时,其图像为双曲线。
1.a、b、c不都是零.
2.b2?- 4ac > 0.
注:第2条可以推出第1条。
在高中的解析几何中,学到的是双曲线的中心在原点,图像关于x,y轴对称的情形。这时双曲线的方程退化为:x2/a2?- y2/b2?= 1.
上述的四个定义是等价的,并且根据建好的前后位置判断图像关于x,y轴对称。
标准方程为:
1、焦点在X轴上时为:
x2/a2?- y2/b2?= 1?(a>0,b>0)
2、焦点在Y 轴上时为:
y2/a2?- x2/b2?= 1?(a>0,b>0)
特征介绍
以下从纯几何的角度给出一些双曲线的相关概念和性质。
分支
双曲线有两个分支。
焦点
在定义1中提到的两给定点称为该双曲线的焦点,定义2中提到的一给定点也是双曲线的焦点。双曲线有两个焦点。
准线
在定义2中提到的给定直线称为该双曲线的准线
离心率
在定义2中提到的到给定点与给定直线的距离之比,称为该双曲线的离心率。
双曲线离心率e=c/a
双曲线有两个焦点,两条准线。(注意:尽管定义2中只提到了一个焦点和一条准线。但是给定同侧的一个焦点,一条准线以及离心率可以根据定义2同时得到双曲线的两支,而两侧的焦点,准线和相同离心率得到的双曲线是相同的。)
顶点
双曲线与两焦点连线的交点,称为双曲线的顶点。
实轴
两顶点之间的距离称为双曲线的实轴。实轴长的一半称为实半轴。
渐近线
双曲线有两条渐近线。
渐近线的方程求法是:将右边的常数设为0,即可用解二元二次的方法求出渐近线的解,例如:X2/2-Y2/4=1,令1=0,则X2/2=Y2/4,则双曲线的渐近线为Y=±(√2)X
一般地我们把直线Y=±(bX/a)叫做双曲线的渐进线(asymptote to the hyperbola )(焦点在X轴上)
顶点连线斜率
双曲线x2/a2 - y2/b2 = 1上一点与两顶点连线的斜率之积为b/a。
实际应用
通风塔,冷却塔,埃菲尔铁塔,广州塔“小蛮腰”等
重点介绍
取值范围
│x│≥a(焦点在x轴上)或者│y│≥a(焦点在y轴上)。
对称性
关于坐标轴和原点对称。
顶点
A(-a,0) , A'(a,0)。同时 AA'叫做双曲线的实轴且│AA'│=2a.
B(0,-b)?, B'(0,b)。同时 BB'叫做双曲线的虚轴且│BB'│=2b.
F1(-c,0) , F2(c,0)。F1为双曲线的左焦点,F2为双曲线的右焦点且│F1F2│=2c
对实轴、虚轴、焦点有:a2+b2=c2
渐近线
焦点在x轴:y=±(b/a)x.
焦点在y轴:y=±(a/b)x. 圆锥曲线ρ=ε/1-ecosθ当e>1时,表示双曲线。其中p为焦点到准线距离,θ为弦与x轴夹角。
令1-ecosθ=0可以求出θ,这个就是渐近线的倾角,即θ=arccos(1/e)
令θ=0,得出ρ=ε/(1-e),x=ρcosθ=ε/(1-e)
令θ=π,得出ρ=ε/(1+e),x=ρcosθ=-ε/(1+e)
双曲线这两个x是双曲线定点的横坐标。
求出它们的中点的横坐标(双曲线中心横坐标)
x=[(ε/1-e)+(-ε/1+e)]/2
(注意化简一下)
直线ρcosθ=[(ε/1-e)+(-ε/1+e)]/2
是双曲线一条对称轴,注意是不与曲线相交的对称轴。
将这条直线顺时针旋转π/2-arccos(1/e)角度后就得到渐近线方程,设旋转后的角度是θ’
则θ’=θ-[π/2-arccos(1/e)]
则θ=θ’+[π/2-arccos(1/e)]
代入上式:
ρcos{θ’+[π/2-arccos(1/e)]}=[(ε/1-e)+(-ε/1+e)]/2
即:ρsin[arccos(1/e)-θ’]=[(ε/1-e)+(-ε/1+e)]/2
现在可以用θ取代式中的θ’了
得到方程:ρsin[arccos(1/e)-θ]=[(ε/1-e)+(-ε/1+e)]/2
现证明双曲线x2/a2-y2/b2=1 上的点在渐近线中
设M(x,y)是双曲线在第一象限的点,则
y=(b/a)√(x2-a2)?(x>a)
因为x2-a2<x2,所以y=(b/a)√(x2-a2)2=bx/a
即 y<bx/a
所以,双曲线在第一象限内的点都在直线y=bx/a下方
根据对称性第二、三、四象限亦如此
离心率
第一定义:e=c/a 且e∈(1,+∞).
第二定义:双曲线上的一点P到定点F的距离│PF│ 与 点P到定直线(相应准线)的距离d 的比等于双曲线的离心率e.
d点│PF│/d线(点P到定直线(相应准线)的距离)=e
焦半径
(圆锥曲线上任意一点P(x,y)到焦点距离)
左焦半径:r=│ex+a│
右焦半径:r=│ex-a│
等轴双曲线
一双曲线的实轴与虚轴长相等 即:2a=2b 且 e=√2
这时渐近线方程为:y=±x(无论焦点在x轴还是y轴)
共轭双曲线
双曲线S'的实轴是双曲线S的虚轴 且 双曲线S'的虚轴是双曲线S的实轴时,称双曲线S'与双曲线S为共轭双曲线。
几何表达:S:(x2/a2)-(y2/b2)=1 S':(y2/b2)-(x2/a2)=1
特点:(1)共渐近线;与渐近线平行得线和双曲线有且只有一个交点
(2)焦距相等
(3)两双曲线的离心率平方后的倒数相加等于1
准线
焦点在x轴上:x=±a2/c
焦点在y轴上:y=±a2/c
1、通径长
(圆锥曲线中,过焦点并垂直于轴的弦)
d=2b2/a
2、过焦点的弦长公式:
d=2pe/(1-e2cos2θ)
3、弦长公式
d = √(1+k2)|x1-x2|
= √[(1+k2)(x1-x2)2]
= √(1+1/k2)|y1-y2|
= √[(1+1/k2)(y1-y2)2?]
推导如下:
由 直线的斜率公式:k = (y1?- y2)?/ (x1?- x2)
得 y1?- y2?= k(x1?- x2)?或 x1?- x2?= (y1?- y2)/k
分别代入两点间的距离公式:|AB| = √[(x1?- x2)2; +?(y1?- y2)2; ]
稍加整理即得:
|AB| = |x1?- x2|√(1 + k2;) 或 |AB| = |y1?- y2|√(1 + 1/k2;)
·4、双曲线的标准公式与反比例函数
X2/a2?- Y2/b2?= 1(a>0,b>0)
而反比例函数的标准型是 xy = c (c ≠ 0)
但是反比例函数图象确实是双曲线轨迹经过旋转得到的
因为 xy = c的对称轴是 y=x, y=-x 而X2/a2?- Y2/b2?= 1的对称轴是x轴,y轴
所以应该旋转45°
设旋转的角度为 a(a≠0,顺时针)
(a为双曲线渐进线的倾斜角)
则有
X = xcosa + ysina
Y = - xsina + ycosa
取 a = π/4
则
X2?- Y2?= (xcos(π/4)?+ ysin(π/4))2?-(xsin(π/4)?- ycos(π/4))2
=?(√2/2 x + √2/2 y)2?-(√2/2 x - √2/2 y)2
= 4?(√2/2 x)?(√2/2 y)
= 2xy.
而xy=c
所以
X2/(2c) - Y2/(2c) = 1 (c>0)
Y2/(-2c) - X2/(-2c) = 1 (c<0)
由此证得,反比例函数其实就是双曲线的一种形式,.只不过是双曲线在平面直角坐标系内的另一种摆放形式。
双曲线内、上、外:
在双曲线的两侧的区域称为双曲线内,则有x2/a2-y2/b2>1;
在双曲线的线上称为双曲线上,则有x2/a2-y2/b2=1;
在双曲线所夹的区域称为双曲线外,则有x2/a2-y2/b2<1。
光学性质
从双曲线一个焦点发出的光,经过双曲线反射后,反射光线的反向延长线都汇聚到双曲线的另一个焦点上。
双曲线这种反向虚聚焦性质,在天文望远镜的设计等方面,也能找到实际应用。