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圆锥曲线的定义与标准方程

基础更新于 2026-09-29

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椭圆、双曲线和抛物线都可由距离关系定义。先核对参数约定,再使用公式。

椭圆与双曲线的距离定义

设两个不同定点为 F1=(−c,0),F2=(c,0)F_1=(-c,0),F_2=(c,0),c>0c>0。

  • 椭圆是满足 PF1+PF2=2aPF_1+PF_2=2a 的点 PP 的轨迹,其中 a>ca>c。两个定点叫焦点,2c2c 叫焦距。
  • 双曲线是满足 ∣PF1−PF2∣=2a|PF_1-PF_2|=2a 的点 PP 的轨迹,其中 0<a<c0<a<c。绝对值包括两支;固定有向距离差为 2a2a 或 −2a-2a 分别只给出其中一支。

条件保证曲线非退化;参数达到边界时的轨迹在“先判断轨迹存在”中列出。标准方程及各基本量将在下文汇总,这里先说明方程如何由距离定义得到。

椭圆标准方程的推导与反向检查

记 r1=PF1,r2=PF2r_1=PF_1,r_2=PF_2。有 r1+r2=2ar_1+r_2=2a,而距离平方之差为

r12−r22=(x+c)2+y2−[(x−c)2+y2]=4cx.r_1^2-r_2^2=(x+c)^2+y^2-[(x-c)^2+y^2]=4cx.

故 r1−r2=2cx/ar_1-r_2=2cx/a,于是 r1=a+cx/a,r2=a−cx/ar_1=a+cx/a,r_2=a-cx/a。将 r12=(x+c)2+y2r_1^2=(x+c)^2+y^2 代入,整理得

x2a2+y2a2−c2=1.\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2-c^2}=1.

令 b2=a2−c2>0b^2=a^2-c^2>0,即为标准方程。反向,方程保证 ∣x∣≤a|x|\le a,故 a±cx/a≥a−c>0a\pm cx/a\ge a-c>0;距离平方等式开平方后仍给 r1=a+cx/a,r2=a−cx/ar_1=a+cx/a,r_2=a-cx/a,相加为 2a2a,没有增点。

双曲线标准方程的推导与反向检查

先取右支 r1−r2=2ar_1-r_2=2a。用同一个平方差得到 r1+r2=2cx/ar_1+r_2=2cx/a,所以 r1=cx/a+a,r2=cx/a−ar_1=cx/a+a,r_2=cx/a-a。代入距离平方得到

x2a2−y2c2−a2=1.\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{c^2-a^2}=1.

令 b2=c2−a2>0b^2=c^2-a^2>0。左支关于 yy 轴对称,得到相同方程。反向,方程保证 ∣x∣≥a|x|\ge a。当 x≥ax\ge a 时 cx/a−a≥c−a>0cx/a-a\ge c-a>0,因此开方恢复右支距离差;x≤−ax\le-a 时得到左支距离差。两支合起来恰满足距离差绝对值为 2a2a。

先判断轨迹存在,再选择标准方程

设两定点间距为 2c>02c>0。距离和等于 LL 时:L>2cL>2c 是椭圆,L=2cL=2c 是连接两定点的整条线段,L<2cL<2c 无点。距离差的绝对值等于 DD 时:0<D<2c0<D<2c 是双曲线,D=0D=0 是中垂线,D=2cD=2c 是两条向外延伸且含焦点的射线,D>2cD>2c 无点。这些边界来自三角不等式及其取等条件。

椭圆标准式中,较大的分母决定长轴方向;双曲线标准式中,正项决定实轴方向,不能凭分母大小决定。比如 y2/4−x2/9=1y^2/4-x^2/9=1 的焦点在 yy 轴上,a=2,b=3,c=13a=2,b=3,c=\sqrt{13}。

标准方程的几何性质与焦点三角形

设两不同定点 F1,F2F_1,F_2 的距离为 2c>02c>0。

椭圆

标准式

x2a2+y2b2=1,a>b>0,c2=a2−b2\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad a>b>0,\quad c^2=a^2-b^2

的中心为原点,焦点 (±c,0)(\pm c,0),长轴端点 (±a,0)(\pm a,0),短轴端点 (0,±b)(0,\pm b)。长短轴长为 2a,2b2a,2b,范围 ∣x∣≤a,∣y∣≤b|x|\le a,|y|\le b,关于两轴及原点对称。参数式 x=acos⁡t,y=bsin⁡tx=a\cos t,y=b\sin t,0≤t<2π0\le t<2\pi;tt 一般不是位置向量的极角。离心率 e=c/a∈(0,1)e=c/a\in(0,1);固定 aa 而令 e→0e\to0 时趋近半径 aa 的圆。焦点在 yy 轴上的形式为 y2/a2+x2/b2=1y^2/a^2+x^2/b^2=1,全部坐标角色相换。

双曲线

标准式

x2a2−y2b2=1,a,b>0,c2=a2+b2\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1,\qquad a,b>0,\quad c^2=a^2+b^2

的焦点为 (±c,0)(\pm c,0),顶点 (±a,0)(\pm a,0),实轴长 2a2a、虚轴长 2b2b,渐近线 y=±(b/a)xy=\pm(b/a)x,范围 ∣x∣≥a|x|\ge a。离心率 e=c/a>1e=c/a>1;不能不固定尺度就说 e→1e\to1 曲线有某个唯一极限。固定 aa、令 b→0b\to0 时趋向实轴外侧两射线。参数式 x=asec⁡t,y=btan⁡tx=a\sec t,y=b\tan t,cos⁡t≠0\cos t\ne0;两种余弦符号分别给两支。纵轴形式 y2/a2−x2/b2=1y^2/a^2-x^2/b^2=1,渐近线为 y=±(a/b)xy=\pm(a/b)x。

等轴双曲线 a=ba=b 的渐近线互相垂直;x2/a2−y2/b2=λx^2/a^2-y^2/b^2=\lambda(λ≠0\lambda\ne0)共渐近线。右端分别为 1,−11,-1 的两双曲线互为共轭,实、虚轴方向交换。

焦点三角形

PP 不在焦轴上,令 u=PF1,v=PF2,θ=∠F1PF2∈(0,π)u=PF_1,v=PF_2,\theta=\angle F_1PF_2\in(0,\pi)。余弦定理为 4c2=u2+v2−2uvcos⁡θ4c^2=u^2+v^2-2uv\cos\theta,面积 S=uvsin⁡θ/2S=uv\sin\theta/2。

  • 椭圆用 u+v=2au+v=2a,得 uv=2b2/(1+cos⁡θ)uv=2b^2/(1+\cos\theta),故 S=b2tan⁡(θ/2)S=b^2\tan(\theta/2)。
  • 双曲线用 (u−v)2=4a2(u-v)^2=4a^2,得 uv=2b2/(1−cos⁡θ)uv=2b^2/(1-\cos\theta),故 S=b2cot⁡(θ/2)S=b^2\cot(\theta/2)。具体 u−vu-v 的正负取决于所在支,不能两支都写成同一个正号。

上述推导也说明角与非共线条件不可省略。

抛物线的定义与四种方向

设定点 FF 不在定直线 ll 上。平面内到 FF 与 ll 距离相等的点的轨迹叫抛物线,FF 为焦点,ll 为准线。设焦点到准线的距离为 p>0p>0,取焦点在坐标轴上、顶点在原点,可得到:

方程 焦点 准线 开口方向
y2=2pxy^2=2px (p/2,0)(p/2,0) x=−p/2x=-p/2 右
y2=−2pxy^2=-2px (−p/2,0)(-p/2,0) x=p/2x=p/2 左
x2=2pyx^2=2py (0,p/2)(0,p/2) y=−p/2y=-p/2 上
x2=−2pyx^2=-2py (0,−p/2)(0,-p/2) y=p/2y=p/2 下

它只有一条对称轴,顶点到焦点的距离为 p/2p/2,离心率为1。右开口方程的推导见下节;其余三式由关于坐标轴反射或交换坐标得到。使用 y2=4axy^2=4ax 的教材取 p=2ap=2a,参数名称不能直接混用。

抛物线标准方程从距离相等推出

取焦点 F=(p/2,0)F=(p/2,0),准线 x=−p/2x=-p/2,其中 p>0p>0。动点 P=(x,y)P=(x,y) 满足

(x−p/2)2+y2=∣x+p/2∣.\sqrt{(x-p/2)^2+y^2}=|x+p/2|.

两边均非负,平方等价地得到 y2=2pxy^2=2px。此式自动保证 x≥0x\ge0,所以焦半径 PF=x+p/2PF=x+p/2。

例如 y2=8xy^2=8x 中 p=4p=4,焦点为 (2,0)(2,0),准线为 x=−2x=-2;点 (2,4)(2,4) 的焦半径为 44。pp 是焦点到准线的距离,顶点到焦点的距离为 p/2p/2,不能直接从 88 读出焦点横坐标。

渐近线为什么不能决定双曲线的大小

对双曲线 x2/a2−y2/b2=1x^2/a^2-y^2/b^2=1,两条渐近线为 y=±(b/a)xy=\pm(b/a)x。它们只决定比例 b/ab/a;把 a,ba,b 同时乘以任意正数,渐近线不变而双曲线大小改变。

例如 x2/4−y2=1x^2/4-y^2=1 与 x2/16−y2/4=1x^2/16-y^2/4=1 都以 y=±x/2y=\pm x/2 为渐近线,焦点却不同。若再给双曲线上的一点,才能进一步确定尺度。

由点到直线距离公式,焦点 (c,0)(c,0) 到 bx−ay=0bx-ay=0 的距离为 bc/a2+b2=bbc/\sqrt{a^2+b^2}=b,其中 c2=a2+b2c^2=a^2+b^2。这一距离结论来自标准方程的参数关系,无需另背图形口诀。

例

椭圆 x2/25+y2/9=1x^2/25+y^2/9=1 中 a=5,b=3,c=4a=5,b=3,c=4,焦点为 (±4,0)(\pm4,0),离心率为 4/54/5。点到两焦点距离和恒为 1010。

易错点

椭圆必须用较大分母确定长轴;双曲线的实轴由正项确定,不能只比较分母大小。距离条件在退化参数下可能只给线段、射线或空集,标准式的严格条件不可省。

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