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- 2021-06-16 发布
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13.1 坐标系与参数方程
第1课时 坐标系
最新考纲
考情考向分析
1.了解坐标系的作用,了解在平面直角坐标系伸缩变换作用下平面图形的变化情况.
2.了解极坐标的基本概念,会在极坐标系中用极坐标刻画点的位置,能进行极坐标和直角坐标的互化.
3.能在极坐标系中给出简单图形表示的极坐标方程.
会求伸缩变换,求点的极坐标和应用直线、圆的极坐标方程是重点,主要与参数方程相结合进行考查,以解答题的形式考查,难度中档.
1.平面直角坐标系
设点P(x,y)是平面直角坐标系中的任意一点,在变换φ:的作用下,点P(x,y)对应到点P′(x′,y′),称φ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换,简称伸缩变换.
2.极坐标系
(1)极坐标与极坐标系的概念
在平面内取一个定点O,自点O引一条射线Ox,同时确定一个长度单位和计算角度的正方向(通常取逆时针方向),这样就建立了一个极坐标系.点O称为极点,射线Ox
称为极轴.平面内任一点M的位置可以由线段OM的长度ρ和从射线Ox到射线OM的角度θ来刻画(如图所示).这两个数组成的有序数对(ρ,θ)称为点M的极坐标.ρ称为点M的极径,θ称为点M的极角.一般认为ρ≥0.当极角θ的取值范围是[0,2π)时,平面上的点(除去极点)就与极坐标(ρ,θ)(ρ≠0)建立一一对应的关系.我们设定,极点的极坐标中,极径ρ=0,极角θ可取任意角.
(2)极坐标与直角坐标的互化
设M为平面内的一点,它的直角坐标为(x,y),极坐标为(ρ,θ).由图可知下面关系式成立:
或,这就是极坐标与直角坐标的互化公式.
3.常见曲线的极坐标方程
曲线
图形
极坐标方程
圆心在极点,半径为r的圆
ρ=r(0≤θ<2π)
圆心为(r,0),半径为r的圆
ρ=2rcosθ
圆心为,半径为r的圆
ρ=2rsinθ(0≤θ<π)
过极点,倾斜角为α的直线
θ=α(ρ∈R)或θ=π+α(ρ∈R)
过点(a,0),与极轴垂直的直线
ρcosθ=a
过点,与极轴平行的直线
ρsinθ=a(0<θ<π)
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)平面直角坐标系内的点与坐标能建立一一对应关系,在极坐标系中点与坐标也是一一对应关系.( × )
(2)若点P的直角坐标为(1,-),则点P的一个极坐标是.( √ )
(3)在极坐标系中,曲线的极坐标方程不是唯一的.( √ )
(4)极坐标方程θ=π(ρ≥0)表示的曲线是一条直线.( × )
题组二 教材改编
2.[P15T3]若以直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,则线段y=1-x(0≤x≤1)的极坐标方程为( )
A.ρ=,0≤θ≤
B.ρ=,0≤θ≤
C.ρ=cosθ+sinθ,0≤θ≤
D.ρ=cosθ+sinθ,0≤θ≤
答案 A
解析 ∵y=1-x(0≤x≤1),
∴ρsinθ=1-ρcosθ(0≤ρcosθ≤1);
∴ρ=.
3.[P15T4]在极坐标系中,圆ρ=-2sinθ的圆心的极坐标是( )
A. B.
C.(1,0) D.(1,π)
答案 B
解析 方法一 由ρ=-2sinθ,得ρ2=-2ρsinθ,化成直角坐标方程为x2+y2=-2y,化成标准方程为x2+(y+1)2=1,圆心坐标为(0,-1),其对应的极坐标为.
方法二 由ρ=-2sinθ=2cos,知圆心的极坐标为,故选B.
题组三 易错自纠
4.在极坐标系中,已知点P,则过点P且平行于极轴的直线方程是( )
A.ρsinθ=1 B.ρsinθ=
C.ρcosθ=1 D.ρcosθ=
答案 A
解析 先将极坐标化成直角坐标表示,P转化为直角坐标为x=ρcosθ=2cos=,y=ρ
sinθ=2sin=1,即(,1),过点(,1)且平行于x轴的直线为y=1,再化为极坐标为ρsinθ=1.
5.在直角坐标系xOy中,以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.若曲线C的极坐标方程为ρ=2sinθ,则曲线C的直角坐标方程为.
答案 x2+y2-2y=0
解析 由ρ=2sinθ,得ρ2=2ρsinθ,所以曲线C的直角坐标方程为x2+y2-2y=0.
6.在以O为极点的极坐标系中,圆ρ=4sinθ和直线ρsinθ=a相交于A,B两点.当△AOB是等边三角形时,求a的值.
解 由ρ=4sinθ可得圆的直角坐标方程为x2+y2=4y,
即x2+(y-2)2=4.
由ρsinθ=a可得直线的直角坐标方程为y=a(a>0).
设圆的圆心为O′,y=a与x2+(y-2)2=4的两交点A,B与O构成等边三角形,如图所示.
由对称性知∠O′OB=30°,OD=a.
在Rt△DOB中,易求DB=a,
∴B点的坐标为.
又∵B在x2+y2-4y=0上,∴2+a2-4a=0,
即a2-4a=0,解得a=0(舍去)或a=3.
题型一 极坐标与直角坐标的互化
1.(2016·北京改编)在极坐标系中,已知曲线C1:ρcosθ-ρsinθ-1=0,C2:ρ=2cosθ.
(1)求曲线C1,C2的直角坐标方程,并判断两曲线的形状;
(2)若曲线C1,C2交于A,B两点,求两交点间的距离.
解 (1)∵C1:ρcosθ-ρsinθ-1=0,
∴x-y-1=0,表示一条直线.
由C2:ρ=2cosθ,得ρ2=2ρcosθ,
∴x2+y2=2x,即(x-1)2+y2=1.
∴C2是圆心为(1,0),半径为1的圆.
(2)由(1)知,点(1,0)在直线x-y-1=0上,
∴直线C1过圆C2的圆心.
因此两交点A,B的连线是圆C2的直径.
∴两交点A,B间的距离|AB|=2r=2.
2.(1)以直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,求线段y=1-x(0≤x≤1)的极坐标方程.
(2)在极坐标系中,曲线C1和C2的方程分别为ρsin2θ=cosθ和ρsinθ=1.以极点为平面直角坐标系的原点,极轴为x轴的正半轴,建立平面直角坐标系,求曲线C1和C2交点的直角坐标.
解 (1)∵
∴y=1-x化成极坐标方程为ρcosθ+ρsinθ=1,
即ρ=.
∵0≤x≤1,∴线段在第一象限内(含端点),∴0≤θ≤.
(2)∵x=ρcosθ,y=ρsinθ,由ρsin2θ=cosθ,
得ρ2sin2θ=ρcosθ,
∴曲线C1的直角坐标方程为y2=x.
由ρsinθ=1,得曲线C2的直角坐标方程为y=1.
由得
故曲线C1与曲线C2交点的直角坐标为(1,1).
思维升华 (1)极坐标与直角坐标互化的前提条件:①极点与原点重合;②极轴与x轴的正半轴重合;③取相同的单位长度.
(2)直角坐标方程化为极坐标方程比较容易,只要运用公式x=ρcosθ及y=ρsinθ直接代入并化简即可;而极坐标方程化为直角坐标方程则相对困难一些,解此类问题常通过变形,构造形如ρcosθ,ρsinθ,ρ2的形式,进行整体代换.
题型二 求曲线的极坐标方程
典例将圆x2+y2=1上每一点的横坐标保持不变,纵坐标变为原来的2倍,得到曲线C.
(1)求曲线C的标准方程;
(2)设直线l:2x+y-2=0与C的交点为P1,P2,以坐标原点为极点,x
轴正半轴为极轴建立极坐标系,求过线段P1P2的中点且与直线l垂直的直线的极坐标方程.
解 (1)设(x1,y1)为圆上的点,在已知变换下变为曲线C上的点(x,y),依题意,得
由x+y=1,得x2+2=1,
即曲线C的标准方程为x2+=1.
(2)由解得或
不妨设P1(1,0),P2(0,2),则线段P1P2的中点坐标为,所求直线的斜率为k=,
于是所求直线方程为y-1=,
化为极坐标方程,并整理得2ρcosθ-4ρsinθ=-3,
故所求直线的极坐标方程为ρ=.
思维升华求曲线的极坐标方程的步骤
(1)建立适当的极坐标系,设P(ρ,θ)是曲线上任意一点.
(2)由曲线上的点所适合的条件,列出曲线上任意一点的极径ρ和极角θ之间的关系式.
(3)将列出的关系式进行整理、化简,得出曲线的极坐标方程.
跟踪训练已知极坐标系的极点为直角坐标系xOy的原点,极轴为x轴的正半轴,两种坐标系中的长度单位相同,圆C的直角坐标方程为x2+y2+2x-2y=0,直线l的参数方程为(t为参数),射线OM的极坐标方程为θ=.
(1)求圆C和直线l的极坐标方程;
(2)已知射线OM与圆C的交点为O,P,与直线l的交点为Q,求线段PQ的长.
解 (1)∵ρ2=x2+y2,x=ρcosθ,y=ρsinθ,
圆C的直角坐标方程为x2+y2+2x-2y=0,
∴ρ2+2ρcosθ-2ρsinθ=0,
∴圆C的极坐标方程为ρ=2sin.
又直线l的参数方程为(t为参数),
消去t后得y=x+1,
∴直线l的极坐标方程为sinθ-cosθ=.
(2)当θ=时,|OP|=2sin=2,
∴点P的极坐标为,|OQ|==,
∴点Q的极坐标为,故线段PQ的长为.
题型三 极坐标方程的应用
典例 (2017·全国Ⅱ)在直角坐标系xOy中,以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C1的极坐标方程为ρcosθ=4.
(1)M为曲线C1上的动点,点P在线段OM上,且满足|OM|·|OP|=16,求点P的轨迹C2的直角坐标方程;
(2)设点A的极坐标为,点B在曲线C2上,求△OAB面积的最大值.
解 (1)设点P的极坐标为(ρ,θ)(ρ>0),点M的极坐标为(ρ1,θ)(ρ1>0).由题意知|OP|=ρ,|OM|=ρ1=.
由|OM|·|OP|=16,得C2的极坐标方程ρ=4cosθ(ρ>0).
因此C2的直角坐标方程为(x-2)2+y2=4(x≠0).
(2)设点B的极坐标为(ρB,α)(ρB>0).
由题设知|OA|=2,ρB=4cosα,
于是△OAB的面积S=|OA|·ρB·sin∠AOB
=4cosα·
=2≤2+.
当α=-时,S取得最大值2+.
所以△OAB面积的最大值为2+.
思维升华极坐标应用中的注意事项
(1)极坐标与直角坐标互化的前提条件:①极点与原点重合;②极轴与x轴正半轴重合;③取相同的长度单位.
(2)若把直角坐标化为极坐标求极角θ时,应注意判断点P所在的象限(即角θ的终边的位置),以便正确地求出角θ.利用两种坐标的互化,可以把不熟悉的问题转化为熟悉的问题.
(3)由极坐标的意义可知平面上点的极坐标不是唯一的,如果限定ρ取正值,θ∈[0,2π),平面上的点(除去极点)与极坐标(ρ,θ)(ρ≠0)建立一一对应关系.
跟踪训练(2017·广州调研)在极坐标系中,求直线ρsin=2被圆ρ=4截得的弦长.
解 由ρsin=2,得(ρsinθ+ρcosθ)=2,
可化为x+y-2=0.圆ρ=4可化为x2+y2=16,
圆心(0,0)到直线x+y-2=0的距离d==2,
由圆中的弦长公式,得弦长
l=2=2=4.
故所求弦长为4.
1.(2018·武汉模拟)在极坐标系下,已知圆O:ρ=cosθ+sinθ和直线l:ρsin=.
(1)求圆O和直线l的直角坐标方程;
(2)当θ∈(0,π)时,求直线l与圆O公共点的一个极坐标.
解 (1)圆O:ρ=cosθ+sinθ,即ρ2=ρcosθ+ρsinθ,
圆O的直角坐标方程为x2+y2=x+y,
即x2+y2-x-y=0,
直线l:ρsin=,
即ρsinθ-ρcosθ=1,
则直线l的直角坐标方程为y-x=1,
即x-y+1=0.
(2)由得
故直线l与圆O公共点的一个极坐标为.
2.在极坐标系(ρ,θ)(0≤θ<2π)中,求曲线ρ(cosθ+sinθ)=1与ρ(sinθ-cosθ)=1的交点的极坐标.
解 曲线ρ(cosθ+sinθ)=1化为直角坐标方程为x+y=1,ρ(sinθ-cosθ)=1化为直角坐标方程为y-x=1.
联立方程组得
则交点为(0,1),对应的极坐标为.
3.在极坐标系中,求曲线ρ=2cosθ关于直线θ=对称的曲线的极坐标方程.
解 以极点为坐标原点,极轴为x轴正半轴建立直角坐标系,则曲线ρ=2cosθ的直角坐标方程为(x-1)2+y2=1,且圆心为(1,0).
直线θ=的直角坐标方程为y=x,
因为圆心(1,0)关于y=x的对称点为(0,1),
所以圆(x-1)2+y2=1关于y=x的对称曲线为x2+(y-1)2=1.
所以曲线ρ=2cosθ关于直线θ=对称的曲线的极坐标方程为ρ=2sinθ.
4.(2017·贵阳调研)在以直角坐标系中的原点O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,已知曲线的极坐标方程为ρ=.
(1)将曲线的极坐标方程化为直角坐标方程;
(2)过极点O作直线l交曲线于点P,Q,若|OP|=3|OQ|,求直线l的极坐标方程.
解 (1)∵ρ=,ρsinθ=y,
∴ρ=化为ρ-ρsinθ=2,
∴曲线的直角坐标方程为x2=4y+4.
(2)设直线l的极坐标方程为θ=θ0(ρ∈R),
根据题意=3·,
解得θ0=或θ0=,
∴直线l的极坐标方程为θ=(ρ∈R)或θ=(ρ∈R).
5.已知圆C的极坐标方程为ρ2+2ρsin-4=0,求圆C的半径.
解 以极坐标系的极点为平面直角坐标系的原点O,以极轴为x轴的正半轴,建立直角坐标系xOy.
圆C的极坐标方程为ρ2+2ρ-4=0,
化简,得ρ2+2ρsinθ-2ρcosθ-4=0.
则圆C的直角坐标方程为x2+y2-2x+2y-4=0,
即(x-1)2+(y+1)2=6,所以圆C的半径为.
6.在极坐标系中,P是曲线C1:ρ=12sinθ上的动点,Q是曲线C2:ρ=12cos上的动点,求|PQ|的最大值.
解 对曲线C1的极坐标方程进行转化,
∵ρ=12sinθ,∴ρ2=12ρsinθ,∴x2+y2-12y=0,
即x2+(y-6)2=36.
对曲线C2的极坐标方程进行转化,
∵ρ=12cos,
∴ρ2=12ρ,
∴x2+y2-6x-6y=0,∴(x-3)2+(y-3)2=36,
∴|PQ|max=6+6+=18.
7.以原点O为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,直线l的方程为ρsin=-,⊙C的极坐标方程为ρ=4cosθ+2sinθ.
(1)求直线l和⊙C的直角坐标方程;
(2)若直线l与圆C交于A,B两点,求弦AB的长.
解 (1)直线l:ρsin=-,
∴ρ=-,
∴y·-x·=-,即y=-x+2.
⊙C:ρ=4cosθ+2sinθ,ρ2=4ρcosθ+2ρsinθ,
∴x2+y2=4x+2y,即x2+y2-4x-2y=0.
(2)⊙C:x2+y2-4x-2y=0,即(x-2)2+(y-1)2=5.
∴圆心C(2,1),半径R=,
∴⊙C的圆心C到直线l的距离
d==,
∴|AB|=2=2=.
∴弦AB的长为.
8.(2016·全国Ⅰ)在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(t为参数,a>0).在以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2:ρ=4cosθ.
(1)说明C1是哪一种曲线,并将C1的方程化为极坐标方程;
(2)直线C3的极坐标方程为θ=α0,其中α0满足tanα0=2,若曲线C1与C2的公共点都在C3上,求a.
解 (1)消去参数t得到C1的普通方程为x2+(y-1)2=a2,C1是以(0,1)为圆心,a为半径的圆.
将x=ρcosθ,y=ρsinθ代入C1的直角坐标方程中,得到C1的极坐标方程为ρ2-2ρsinθ+1-a2=0.
(2)曲线C1,C2的公共点的极坐标满足方程组
若ρ≠0,由方程组得16cos2θ-8sinθcosθ+1-a2=0,
由已知tanθ=2,可得16cos2θ-8sinθcosθ=0,从而1-a2=0,解得a=-1(舍去),a=1.
当a=1时,极点也为C1,C2的公共点,在C3上.
所以a=1.
9.在极坐标系中,已知圆C的圆心C,半径r=3.
(1)求圆C的极坐标方程;
(2)若点Q在圆C上运动,点P在OQ的延长线上,且=2,求动点P的轨迹方程.
解 (1)设M(ρ,θ)是圆C上除极点外的任意一点.
在△OCM中,∠COM=,由余弦定理,得
|CM|2=|OM|2+|OC|2-2|OM|·|OC|cos,
化简得ρ=6cos.
∵极点也适合上式,
∴圆C的极坐标方程为ρ=6cos.
(2)设点Q(ρ1,θ1),P(ρ,θ),
由=2,得=,
∴ρ1=ρ,θ1=θ,
代入圆C的方程,得
ρ=6cos,即ρ=9cos.
10.在直角坐标系xOy中,直线C1:x=-2,圆C2:(x-1)2+(y-2)2=1,以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.
(1)求C1,C2的极坐标方程;
(2)若直线C3的极坐标方程为θ=(ρ∈R),设C2与C3的交点为M,N,求△C2MN的面积.
解 (1)因为x=ρcosθ,y=ρsinθ,
所以C1的极坐标方程为ρcosθ=-2,
C2的极坐标方程为ρ2-2ρcosθ-4ρsinθ+4=0.
(2)将θ=代入ρ2-2ρcosθ-4ρsinθ+4=0,
得ρ2-3ρ+4=0,解得ρ1=2,ρ2=.
故ρ1-ρ2=,即|MN|=.
由于C2的半径为1,所以△C2MN为等腰直角三角形,
所以△C2MN的面积为.
11.在直角坐标系xOy中,以坐标原点O为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C1:ρ2-4ρcosθ+3=0,θ∈[0,2π],曲线C2:ρ=,θ∈[0,2π].
(1)求曲线C1的一个参数方程;
(2)若曲线C1和曲线C2相交于A,B两点,求|AB|的值.
解 (1)由ρ2-4ρcosθ+3=0,
可得x2+y2-4x+3=0.
∴(x-2)2+y2=1.
令x-2=cosα,y=sinα,
∴C1的一个参数方程为(α为参数,α∈R).
(2)C2:4ρ=3,
∴4=3,即2x-2y-3=0.
∵直线2x-2y-3=0与圆(x-2)2+y2=1相交于A,B两点,且圆心到直线的距离d=,
∴|AB|=2×=2×=.
12.已知曲线C的参数方程为(α为参数),以直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.
(1)求曲线C的极坐标方程;
(2)若直线l的极坐标方程为ρ(sinθ+cosθ)=1,求直线l被曲线C截得的弦长.
解 (1)曲线C的参数方程为
(α为参数),
∴曲线C的普通方程为(x-2)2+(y-1)2=5.
将代入并化简得ρ=4cosθ+2sinθ,
即曲线C的极坐标方程为ρ=4cosθ+2sinθ.
(2)∵l的直角坐标方程为x+y-1=0,
∴圆心C(2,1)到直线l的距离d==,
∴弦长为2=2.
13.在极坐标系中,曲线C:ρ=2acosθ(a>0),l:ρcos=,C与l有且仅有一个公共点.
(1)求a;
(2)O为极点,A,B为曲线C上的两点,且∠AOB=,求|OA|+|OB|的最大值.
解 (1)曲线C:ρ=2acosθ(a>0),变形为ρ2=2aρcosθ,
化为x2+y2=2ax,即(x-a)2+y2=a2,
∴曲线C是以(a,0)为圆心,以a为半径的圆.
由l:ρcos=,
展开为ρcosθ+ρsinθ=,
∴l的直角坐标方程为x+y-3=0.
由题意可知直线l与圆C相切,
即=a,解得a=1.
(2)由(1)知,曲线C:ρ=2cosθ.
不妨设A的极角为θ,B的极角为θ+,
则|OA|+|OB|=2cosθ+2cos=3cosθ-sinθ=2cos,当θ=时,|OA|+|OB|取得最大值2.
14.在直角坐标系xOy中,以O为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系.曲线C的极坐标方程为ρcos=1,M,N分别为C与x轴,y轴的交点.
(1)写出C的直角坐标方程,并求M,N的极坐标;
(2)设MN的中点为P,求直线OP的极坐标方程.
解 (1)由ρcos=1,
得ρ=1.
从而C的直角坐标方程为x+y=1,
即x+y-2=0.
当θ=0时,ρ=2,所以M(2,0).
当θ=时,ρ=,
所以N.
(2)M点的直角坐标为(2,0),
N点的直角坐标为,
所以P点的直角坐标为,
则P点的极坐标为,
所以直线OP的极坐标方程为θ=(ρ∈R).