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  • 2021-06-16 发布

【数学】2019届一轮复习人教A版(文)13-1-1系列4选讲学案

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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).‎

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