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第25课 — 圆锥曲线:椭圆、抛物线、双曲线

四种圆锥曲线及其标准方程。焦点、准线、离心率。在行星轨道、抛物面天线和GPS中的应用。

Used in: 1.º ano EM (15–16 anos) · Equiv. Math II japonês §II.4 · Equiv. Klasse 11 alemã Analytische Geometrie

x2a2+y2b2=1,y2=4px,x2a2y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1, \qquad y^2 = 4px, \qquad \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

标准方程

椭圆

到2个焦点的距离之和为常数: x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1

其中 a>b>0a > b > 0。焦点位于 (±c,0)(\pm c, 0)c=a2b2c = \sqrt{a^2 - b^2}。长轴 =2a= 2a,短轴 =2b= 2b。离心率 e=c/a[0,1)e = c/a \in [0, 1)。当 a=ba = b 时,是圆。

抛物线

到焦点的距离 == 到准线的距离: y2=4pxy^2 = 4px

焦点在 (p,0)(p, 0),准线 x=px = -p

双曲线

到2个焦点的距离之差为常数: x2a2y2b2=1\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1

焦点位于 (±c,0)(\pm c, 0)c=a2+b2c = \sqrt{a^2 + b^2}。离心率 e=c/a>1e = c/a > 1。渐近线 y=±(b/a)xy = \pm (b/a) x

三种圆锥曲线表

曲线标准方程离心率焦点定义
x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2e=0e = 0圆心到圆心距离 =r= r
椭圆x2/a2+y2/b2=1x^2/a^2 + y^2/b^2 = 10<e<10 < e < 1(±c,0)(\pm c, 0)r1+r2=2ar_1 + r_2 = 2a
抛物线y2=4pxy^2 = 4pxe=1e = 1(p,0)(p, 0)r=r = 到准线距离
双曲线x2/a2y2/b2=1x^2/a^2 - y^2/b^2 = 1e>1e > 1(±c,0)(\pm c, 0)r1r2=2a\|r_1 - r_2\| = 2a

圆锥曲线一般式

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0

判别式 Δ=B24AC\Delta = B^2 - 4AC

  • Δ<0\Delta < 0:椭圆(若 A=C,B=0A=C, B=0 则为圆)。
  • Δ=0\Delta = 0:抛物线。
  • Δ>0\Delta > 0:双曲线。

Exercise list

35 exercises · 8 with worked solution (25%)

Application 20Modeling 12Challenge 2Proof 1
  1. Ex. 25.1Application
    识别圆锥曲线:x2/9+y2/4=1x^2/9 + y^2/4 = 1。(答:椭圆。)
  2. Ex. 25.2Application
    椭圆 x2/25+y2/16=1x^2/25 + y^2/16 = 1 的顶点。(答:(±5,0)(\pm 5, 0)(0,±4)(0, \pm 4)。)
  3. Ex. 25.3ApplicationAnswer key
    椭圆 x2/25+y2/9=1x^2/25 + y^2/9 = 1 的离心率。(答:4/54/5。)
  4. Ex. 25.4Application
    抛物线 y2=8xy^2 = 8x 的焦点。(答:(2,0)(2, 0)。)
  5. Ex. 25.5Application
    y2=12xy^2 = 12x 的准线。
  6. Ex. 25.6Application
    x2/4y2/9=1x^2/4 - y^2/9 = 1 的渐近线。(答:y=±32xy = \pm \frac{3}{2}x。)
  7. Ex. 25.7Application
    识别:x2/16y2/9=1x^2/16 - y^2/9 = 1
  8. Ex. 25.8Application
    顶点为 (±5,0)(\pm 5, 0)、焦点为 (±3,0)(\pm 3, 0) 的椭圆方程。
  9. Ex. 25.9Application
    顶点在原点、焦点在 (2,0)(2, 0) 的抛物线方程。
  10. Ex. 25.10Application
    顶点为 (±4,0)(\pm 4, 0)、焦点为 (±5,0)(\pm 5, 0) 的双曲线方程。
  11. Ex. 25.11Application
    椭圆 4x2+9y2=364x^2 + 9y^2 = 36——顶点?(答:(±3,0),(0,±2)(\pm 3, 0), (0, \pm 2)。)
  12. Ex. 25.12Application
    y2=4xy^2 = 4x 并标出焦点和准线。
  13. Ex. 25.13ApplicationAnswer key
    x2/16+y2/16=1x^2/16 + y^2/16 = 1——什么圆锥曲线?(答:r=4r=4 的圆。)
  14. Ex. 25.14ApplicationAnswer key
    椭圆 x2/9+y2/16=1x^2/9 + y^2/16 = 1 的长轴在哪个方向?(答:垂直。)
  15. Ex. 25.15ApplicationAnswer key
    椭圆 4x2+25y2=1004x^2 + 25y^2 = 100 的长轴长度。(答:10。)
  16. Ex. 25.16Application
    验证 (3,0)(3, 0) 是否在椭圆 x2/9+y2/4=1x^2/9 + y^2/4 = 1 上。
  17. Ex. 25.17ApplicationAnswer key
    aa 取何值时:x2/a2+y2/16=1x^2/a^2 + y^2/16 = 1 的离心率为 0,60{,}6?(答:a=5a = 5。)
  18. Ex. 25.18Application
    抛物线 y2=4xy^2 = 4xx=4x = 4 的交点?(答:(4,±4)(4, \pm 4)。)
  19. Ex. 25.19ApplicationAnswer key
    双曲线 x2y2=1x^2 - y^2 = 1——顶点、焦点、渐近线。
  20. Ex. 25.20Application
    x2/4+y2=1x^2/4 + y^2 = 1
  21. Ex. 25.21Modeling
    地球轨道:半长轴 a1,496×108a \approx 1{,}496 \times 10^8 km,e0,0167e \approx 0{,}0167。日地最大距离(远日点)?
  22. Ex. 25.22ModelingAnswer key
    卫星电视抛物面天线:深度 30 cm,开口 60 cm。焦点在哪里?
  23. Ex. 25.23Modeling
    弹道轨迹:h(d)=0,05d2+5dh(d) = -0{,}05 d^2 + 5d。抛物线形——顶点(最大射程)?
  24. Ex. 25.24Modeling
    哈雷彗星的椭圆轨道离心率 e0,967e \approx 0{,}967。几乎是抛物线——解释。
  25. Ex. 25.25Modeling
    椭圆形滑板场:20m × 12m。椭圆方程。
  26. Ex. 25.26Modeling
    反射望远镜:焦点距抛物面镜 2 m。方程 y2=42xy^2 = 4 \cdot 2 \cdot x——直径1m的开口?
  27. Ex. 25.27Modeling
    厨房抛物形冷却器:将红外线聚焦。焦点-顶点距离15 cm。方程。
  28. Ex. 25.28Modeling
    LORAN(GPS 的前身)使用双曲线。概念上:为什么2个接收器定义1条双曲线?
  29. Ex. 25.29Modeling
    美国国会大厦有椭圆形屋顶——一个焦点处的耳语在另一个焦点处可听到。对于 20m×12m20m \times 12m 的房间,焦点之间的距离?
  30. Ex. 25.30Modeling
    旅行者1号探测器以双曲线轨迹经过木星。e>1e > 1 对引力弹弓的重要性?
  31. Ex. 25.31Modeling
    在优化中,f(x,y)=x2/4+y2/9f(x, y) = x^2/4 + y^2/9 的等高线是同心椭圆。梯度方向?
  32. Ex. 25.32Modeling
    2019年诺贝尔物理学奖(nobelprize.org):在其他恒星周围椭圆轨道上的系外行星。典型离心率?
  33. Ex. 25.33Challenge
    椭圆中的反射:从焦点1出发的光线到达焦点2。用此设计"耳语长廊"。
  34. Ex. 25.34Challenge
    在一般圆锥曲线 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0 中,判别式 B24ACB^2 - 4AC 分类:<0< 0 椭圆,=0= 0 抛物线,>0> 0 双曲线。验证标准情形。
  35. Ex. 25.35ProofAnswer key
    从定义 PF1+PF2=2a|PF_1| + |PF_2| = 2a 推导椭圆的标准方程。

参考来源

Updated on 2026-04-30 · Author(s): Clube da Matemática

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