双曲线 - 练习
进阶练习题
📝 第一部分:双曲线与直线
问题 1:
求双曲线 \(\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{4} = 1\) 的交点
与直线 \(y = x - 1\)
解答:
代入 \(y = x - 1\):
\(\frac{x^2}{9} - \frac{(x-1)^2}{4} = 1\)
乘以 36:
\(4x^2 - 9(x^2 - 2x + 1) = 36\)
\(4x^2 - 9x^2 + 18x - 9 = 36\)
\(-5x^2 + 18x - 45 = 0\)
\(5x^2 - 18x + 45 = 0\)
\(\Delta = 324 - 900 = -576 < 0\)
无交点 - 直线与双曲线相离
问题 2:
求 k 的值,使得直线 \(y = 2x + k\)
与双曲线 \(\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{16} = 1\) 相切
解答:
代入 \(y = 2x + k\):
\(\frac{x^2}{4} - \frac{(2x+k)^2}{16} = 1\)
乘以 16:
\(4x^2 - (4x^2 + 4kx + k^2) = 16\)
\(4x^2 - 4x^2 - 4kx - k^2 = 16\)
\(-4kx - k^2 - 16 = 0\)
这是一个线性方程!(x² 的系数消失了)
这是因为直线斜率 (m=2) 等于渐近线斜率(\(\frac{b}{a} = \frac{4}{2} = 2\))
直线平行于渐近线 - 对每个 k 都只交于一点(且不是切线!)
问题 3:
求 m 的值,使得直线 \(y = mx + 3\)
与双曲线 \(\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{4} = 1\) 相切
解答:
代入并要求 Δ = 0:
\(\frac{x^2}{9} - \frac{(mx+3)^2}{4} = 1\)
乘以 36:
\(4x^2 - 9(m^2x^2 + 6mx + 9) = 36\)
\((4 - 9m^2)x^2 - 54mx - 81 - 36 = 0\)
\((4 - 9m^2)x^2 - 54mx - 117 = 0\)
相切条件:\(\Delta = 0\)
\((-54m)^2 - 4(4-9m^2)(-117) = 0\)
\(2916m^2 + 468(4-9m^2) = 0\)
\(2916m^2 + 1872 - 4212m^2 = 0\)
\(-1296m^2 + 1872 = 0\)
\(m^2 = \frac{1872}{1296} = \frac{13}{9}\)
答:\(m = \pm \frac{\sqrt{13}}{3}\)
📐 第二部分:切线
问题 4:
求双曲线 \(\frac{x^2}{16} - \frac{y^2}{9} = 1\) 的切线方程
在点 \((5, \frac{9}{4})\)
解答:
切线公式:\(\frac{x \cdot x_0}{a^2} - \frac{y \cdot y_0}{b^2} = 1\)
代入:
\(\frac{x \cdot 5}{16} - \frac{y \cdot \frac{9}{4}}{9} = 1\)
\(\frac{5x}{16} - \frac{y}{4} = 1\)
乘以 16:
\(5x - 4y = 16\)
切线方程:\(5x - 4y = 16\)
问题 5:
求双曲线 \(\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{9} = 1\) 的切线斜率
在点 \((4, 3\sqrt{3})\)
解答:
切线斜率公式:\(m = \frac{b^2 x_0}{a^2 y_0}\)
代入:
\(m = \frac{9 \cdot 4}{4 \cdot 3\sqrt{3}} = \frac{36}{12\sqrt{3}} = \frac{3}{\sqrt{3}} = \sqrt{3}\)
答:\(m = \sqrt{3}\)
📍 第三部分:到焦点的距离
问题 6:
已知双曲线 \(\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{16} = 1\)
点 P 在双曲线上,距焦点 \(F_1\) 为 2。
求 P 到焦点 \(F_2\) 的距离。
解答:
由双曲线定义:\(|PF_1 - PF_2| = 2a = 6\)
已知:\(PF_1 = 2\)
若 P 在靠近 \(F_1\) 的分支上:
\(PF_2 - PF_1 = 6\)
\(PF_2 - 2 = 6\)
\(PF_2 = 8\)
答:\(PF_2 = 8\)
问题 7:
已知双曲线 \(\frac{x^2}{16} - \frac{y^2}{9} = 1\)
求点 \(P(8, y_0)\) 到两焦点的距离。
解答:
\(a = 4, b = 3, c = 5, e = \frac{5}{4}\)
距离公式(右支,\(x_0 > 0\)):
\(PF_1 = ex_0 - a = \frac{5}{4} \cdot 8 - 4 = 10 - 4 = 6\)
\(PF_2 = ex_0 + a = \frac{5}{4} \cdot 8 + 4 = 10 + 4 = 14\)
验证:\(|PF_1 - PF_2| = |6 - 14| = 8 = 2a\) ✓
答:\(PF_1 = 6, PF_2 = 14\)
🔄 第四部分:共轭双曲线和点的位置
问题 8:
已知双曲线 \(\frac{x^2}{25} - \frac{y^2}{16} = 1\)
写出其共轭双曲线的方程,并求其焦点。
解答:
共轭双曲线:
\(\frac{y^2}{16} - \frac{x^2}{25} = 1\)
在共轭中:\(a' = 4, b' = 5\)
\(c' = \sqrt{16 + 25} = \sqrt{41}\)
共轭双曲线的焦点:\((0, \pm \sqrt{41})\)
问题 9:
判断点 \((4, 2)\) 的位置
相对于双曲线 \(\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{4} = 1\)
解答:
计算:\(S = \frac{x_0^2}{a^2} - \frac{y_0^2}{b^2}\)
\(S = \frac{16}{9} - \frac{4}{4} = \frac{16}{9} - 1 = \frac{7}{9} < 1\)
该点位于双曲线外部(分支区域)
🎯 第五部分:综合题(高考风格)
问题 10:
已知双曲线的焦点为 \(F_1(6, 0), F_2(-6, 0)\)
其渐近线为 \(y = \pm \frac{4}{3}x\)
- 求双曲线的方程。
- 求与直线 \(y = 2x\) 平行的双曲线切线方程。
解答:
(a)
\(c = 6\),水平轴
由渐近线:\(\frac{b}{a} = \frac{4}{3}\) → \(b = \frac{4a}{3}\)
\(c^2 = a^2 + b^2\)
\(36 = a^2 + \frac{16a^2}{9} = \frac{25a^2}{9}\)
\(a^2 = \frac{324}{25}\)
\(b^2 = 36 - \frac{324}{25} = \frac{576}{25}\)
\(\frac{25x^2}{324} - \frac{25y^2}{576} = 1\)
或:\(\frac{x^2}{12.96} - \frac{y^2}{23.04} = 1\)
(b)
平行于 \(y = 2x\) 的切线:\(y = 2x + k\)
代入并要求 \(\Delta = 0\):
\(\frac{x^2}{12.96} - \frac{(2x+k)^2}{23.04} = 1\)
展开并应用相切条件后:
\(k^2 = 4 \cdot 12.96 - 23.04 = 51.84 - 23.04 = 28.8\)
\(k = \pm \sqrt{28.8} = \pm 5.37\)
切线方程:\(y = 2x \pm \sqrt{28.8}\)
📚 自主练习题
- 求 \(\frac{x^2}{16} - \frac{y^2}{4} = 1\) 与 \(y = x + 2\) 的交点
- 求在点 \((6, 4)\) 的双曲线 \(\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{16} = 1\) 的切线方程
- P 在 \(\frac{x^2}{25} - \frac{y^2}{144} = 1\) 上,且 \(PF_1 = 4\)。求 \(PF_2\)。
- 求双曲线 \(\frac{x^2}{9} - \frac{y^2}{4} = 1\) 被 \(y = 1\) 截取的弦长
答案:
1. \((\frac{8}{3}, \frac{14}{3})\) 和 \((-4, -2)\)
2. \(6x - y = 32\)
3. \(PF_2 = 14\)
4. \(\frac{2\sqrt{117}}{3}\)