椭圆的参数方程

椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 的参数方程为 x=acos⁡θx=a\cos\theta,y=bsin⁡θy=b\sin\theta;把椭圆上的动点化为单参数,线性目标最值可由辅助角公式直接求出。

适用前提与边界条件

  1. 椭圆为标准位置:中心在原点、长轴在 xx 轴上,a>b>0a>b>0
  2. 参数 θ\theta 是离心角(外接圆对应半径的转角),不是点与原点连线的倾角
  3. 平移或旋转后的椭圆要先化标准形再使用本公式

定义

中心在原点、长轴在 轴上的椭圆

其参数方程为

称为离心角。长轴在 轴上时交换为 ;中心在 时加平移:。

推导

代入即验:

故参数坐标上的每一点都在椭圆上。反过来,对椭圆上任意一点 ,在以长轴为直径的外接圆上取点 ,由 知 在圆上,设其半径转角为 ,则 ,,即 。故椭圆上每一点都能这样参数化。

典例精析

例 1:在椭圆弧 (第一象限部分)上求 的最大值。

参数化 ,,,则

其中 。等号当 时取得,对应点在第一象限弧上,最大值 。

例 2:求椭圆 上的点到直线 的最小距离。

取点 ,距离

分子恒正,最小值在 时取得:。

对比

曲线标准方程参数方程
圆
椭圆(长轴横向)
椭圆(长轴纵向)

正例与反例

✅ 正例

  • 椭圆 x29+y24=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{4}=1 上一点可写成 (3cos⁡θ,2sin⁡θ)(3\cos\theta,2\sin\theta),如 θ=π3\theta=\frac\pi3 时为 (32,3)(\frac32,\sqrt3)
  • 椭圆 n27+m24=1\frac{n^2}{7}+\frac{m^2}{4}=1 上求 n+m2n+\frac m2 最大值,参数化后得 7cos⁡θ+sin⁡θ≤22\sqrt7\cos\theta+\sin\theta\le2\sqrt2

❌ 反例

  • 点 (3cos⁡θ,2sin⁡θ)(3\cos\theta,2\sin\theta) 的极角不是 θ\theta:如 θ=π3\theta=\frac\pi3 时连线倾角满足 tan⁡α=233≠3\tan\alpha=\frac{2\sqrt3}{3}\ne\sqrt3

高频误解与考试易错

  • 把 θ\theta 当成椭圆上点的极角,用 tan⁡θ=yx\tan\theta=\frac yx 反算导致坐标错误
  • 长轴在 yy 轴时仍写 x=acos⁡θx=a\cos\theta,不交换 a,ba,b
  • 中心不在原点时忘记加平移量
  • 参数范围不加限制,求第一象限弧时应限定 0<θ<π20<\theta<\frac\pi2

常见问题

参数 θ\theta 为什么叫离心角而不是椭圆上的角?
它是辅助圆(以长轴为直径的外接圆)上对应半径转过的角:点 (acos⁡θ,bsin⁡θ)(a\cos\theta,b\sin\theta) 是外接圆上的点 (acos⁡θ,asin⁡θ)(a\cos\theta,a\sin\theta) 纵向按 ba\frac ba 压缩得到的,所以不是该点自身的极角。
参数方程在解题中有什么优势?
一个参数同时表达横纵坐标,自动满足椭圆方程,把二元约束最值化为单变量三角函数,配合辅助角公式直接读出振幅。
长轴在 yy 轴上怎么办?
交换 a,ba,b:椭圆 x2b2+y2a2=1\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{a^2}=1 参数化为 (bcos⁡θ,asin⁡θ)(b\cos\theta,a\sin\theta)。

依据与出处

  • 人教 A 版(2019 审定)选择性必修第一册 第三章《圆锥曲线的方程》§3.1 椭圆