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- 2021-06-23 发布
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第1讲 坐标系与参数方程
[考情考向分析] 高考主要考查平面直角坐标系中的伸缩变换、直线和圆的极坐标方程、参数方程与普通方程的互化、常见曲线的参数方程及参数方程的简单应用.以极坐标、参数方程与普通方程的互化为主要考查形式,同时考查直线与曲线的位置关系等解析几何知识.
热点一 极坐标与直角坐标的互化
直角坐标与极坐标的互化
把直角坐标系的原点作为极点,x轴的正半轴作为极轴,且在两坐标系中取相同的长度单位.如图,
设M是平面内的任意一点,它的直角坐标、极坐标分别为(x,y)和(ρ,θ),
则
例1 (2018·佛山模拟)在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(t为参数,a>0).以坐标原点O为极点,以x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C1上一点A的极坐标为,曲线C2的极坐标方程为ρ=cos θ.
(1)求曲线C1的极坐标方程;
(2)设点M,N在C1上,点P在C2上(异于极点),若O,M,P,N四点依次在同一条直线l上,且|MP|,|OP|,|PN|成等比数列,求 l的极坐标方程.
解 (1)曲线C1的直角坐标方程为(x-a)2+y2=3,
化简得x2+y2-2ax+a2-3=0.
又x2+y2=ρ2,x=ρcos θ,
所以ρ2-2aρcos θ+a2-3=0.
代入点,得a2-a-2=0,
解得a=2或a=-1(舍去).
所以曲线C1的极坐标方程为ρ2-4ρcos θ+1=0.
(2)由题意知,设直线l的极坐标方程为θ=α(ρ∈R),
设点M,N,P,
则ρ1<ρ3<ρ2.
联立得ρ2-4ρcos α+1=0,
所以ρ1+ρ2=4cos α,ρ1ρ2=1.
联立得ρ3=cos α.
因为|MP|,|OP|,|PN|成等比数列,
所以ρ=(ρ3-ρ1)(ρ2-ρ3),即2ρ=(ρ1+ρ2)ρ3-ρ1ρ2.
所以2cos2α=4cos2α-1,解得cos α=(舍负).
经检验,满足O,M,P,N四点依次在同一条直线上,
所以l的极坐标方程为θ=±(ρ∈R).
思维升华 (1)在由点的直角坐标化为极坐标时,一定要注意点所在的象限和极角的范围,否则点的极坐标将不唯一.
(2)在与曲线的直角坐标方程进行互化时,一定要注意变量的范围,要注意转化的等价性.
跟踪演练1 (2018·乌鲁木齐模拟)已知直线l的参数方程为(t为参数),以坐标原点O为极点,以x轴正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线C的极坐标方程为sin θ-ρcos2θ=0.
(1)求曲线C的直角坐标方程;
(2)写出直线l与曲线C交点的一个极坐标.
解 (1)∵sin θ-ρcos2θ=0,
∴ρsin θ-ρ2cos2θ=0,
即y-x2=0.
即曲线C的直角坐标方程为y=x2.
(2)将代入y-x2=0,
得+t-2=0,即t=0,
从而交点坐标为(1,),
所以交点的一个极坐标为.
热点二 参数方程与普通方程的互化
1.直线的参数方程
过定点M(x0,y0),倾斜角为α的直线l的参数方程为(t为参数).
2.圆的参数方程
圆心为点M(x0,y0),半径为r的圆的参数方程为(θ为参数).
3.圆锥曲线的参数方程
(1)椭圆+=1(a>b>0)的参数方程为(θ为参数).
(2)抛物线y2=2px(p>0)的参数方程为(t为参数).
例2 (2018·全国Ⅲ)在平面直角坐标系xOy中,⊙O的参数方程为(θ为参数),过点(0,-)且倾斜角为α的直线l与⊙O交于A,B两点.
(1)求α的取值范围;
(2)求AB中点P的轨迹的参数方程.
解 (1)⊙O的直角坐标方程为x2+y2=1.
当α=时,l与⊙O交于两点.
当α≠时,记tan α=k,则l的方程为y=kx-.l与⊙O交于两点当且仅当<1,解得k<-
1或k>1,即α∈或α∈.
综上,α的取值范围是.
(2)l的参数方程为
.
设A,B,P对应的参数分别为tA,tB,tP,
则tP=,且tA,tB满足t2-2tsin α+1=0.
于是tA+tB=2sin α,tP=sin α.
又点P的坐标(x,y)满足
所以点P的轨迹的参数方程是.
思维升华 (1)将参数方程化为普通方程,需要根据参数方程的结构特征,选取适当的消参方法.常见的消参方法有代入消参法、加减消参法、平方消参法等.
(2)将参数方程化为普通方程时,要注意两种方程的等价性,不要增解、漏解,若x,y有范围限制,要标出x,y的取值范围.
跟踪演练2 (2018·北京朝阳区模拟)在平面直角坐标系xOy中,直线l的参数方程为(t为参数),以原点O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,点M的极坐标是.
(1)求直线l的普通方程;
(2)求直线l上的点到点M距离最小时的点的直角坐标.
解 (1)直线l的普通方程为3x-y-6=0.
(2)点M的直角坐标是(-1,-),
过点M作直线l的垂线,垂足为M′,则点M′即为所求的直线l上到点M距离最小的点.
直线MM′的方程是y+=-(x+1),
即y=-x--.
由解得
所以直线l上到点M距离最小的点的直角坐标是.
热点三 极坐标、参数方程的综合应用
解决与圆、圆锥曲线的参数方程有关的综合问题时,要注意普通方程与参数方程的互化公式,主要是通过互化解决与圆、圆锥曲线上动点有关的问题,如最值、范围等.
例3 (2018·泉州质检)在直角坐标系xOy中,曲线C的参数方程为(α为参数),直线l的参数方程为(t为参数),在以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,射线m:θ=β(ρ>0).
(1)求C和l的极坐标方程;
(2)设点A是m与C的一个交点(异于原点),点B是m与l的交点,求的最大值.
解 (1)曲线C的普通方程为(x-1)2+y2=1,
由得2+ρ2sin2θ=1,
化简得C的极坐标方程为ρ=2cos θ.
因为l的普通方程为x+y-4=0,
所以极坐标方程为ρcos θ+ρsin θ-4=0,
所以l的极坐标方程为ρsin=2.
(2)设A(ρ1,β),B(ρ2,β),
则==2cos β·
=(sin βcos β+cos2β)=sin+,
由射线m与C,直线l相交,则不妨设β∈,
则2β+∈,
所以当2β+=,即β=时,取得最大值,
即max=.
思维升华 (1)利用参数方程解决问题,要理解参数的几何意义.
(2)在解决直线、圆和圆锥曲线的有关问题时,常常将极坐标方程化为直角坐标方程或将参数方程化为普通方程,有助于认识方程所表示的曲线,从而达到化陌生为熟悉的目的,这是转化与化归思想的应用.
跟踪演练3 (2018·黑龙江省哈尔滨师范大学附属中学模拟)在平面直角坐标系中,以原点为极点,以x轴的正半轴为极轴且取相同的单位长度建立极坐标系,曲线C1的极坐标方程为ρ=2cos θ.
(1)若曲线C2的参数方程为(α为参数),求曲线C1的直角坐标方程和曲线C2的普通方程;
(2)若曲线C2的参数方程为(t为参数),A(0,1),且曲线C1与曲线C2的交点分别为P,Q,求+的取值范围.
解 (1)∵ρ=2cos θ,∴ρ2=2ρcos θ,
又∵ρ2=x2+y2,ρcos θ=x,
∴曲线C1的直角坐标方程为x2+y2-2x=0,
曲线C2的普通方程为x2+(y-1)2=t2.
(2)将C2的参数方程(t为参数)代入C1的方程x2+y2-2x=0,得t2+(2sin α-2cos α)t+1=0.
∵Δ=(2sin α-2cos α)2-4=8sin2-4>0,
∴∈,
∴sin∈∪.
t1+t2=-(2sin α-2cos α)=-2sin,
t1t2=1>0,
∵t1t2=1>0,∴t1,t2同号,∴|t1|+|t2|=|t1+t2|.
由点A在曲线C2上,根据t的几何意义,可得
+=+=
==
=2∈(2,2].
∴+∈(2,2].
真题体验
1.(2018·全国Ⅰ)在直角坐标系xOy中,曲线C1的方程为y=k|x|+2.以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C2的极坐标方程为ρ2+2ρcos θ-3=0.
(1)求C2的直角坐标方程;
(2)若C1与C2有且仅有三个公共点,求C1的方程.
解 (1)由x=ρcos θ,y=ρsin θ,得C2的直角坐标方程为(x+1)2+y2=4.
(2)由(1)知C2是圆心为A(-1,0),半径为2的圆.
由题设知,C1是过点B(0,2)且关于y轴对称的两条射线.记y轴右侧的射线为l1,y轴左侧的射线为l2.
由于点B在圆C2的外部,故C1与C2有且仅有三个公共点等价于l1与C2只有一个公共点且l2与C2有两个公共点,或l2与C2只有一个公共点且l1与C2有两个公共点.
当l1与C2只有一个公共点时,点A到l1所在直线的距离为2,所以=2,故k=-或k=0.
经检验,当k=0时,l1与C2没有公共点;
当k=-时,l1与C2只有一个公共点,l2与C2有两个公共点,满足题意.
当l2与C2只有一个公共点时,点A到l2所在直线的距离为2,所以=2,故k=0或k=.
经检验,当k=0时,l1与C2没有公共点;
当k=时,l2与C2没有公共点.
综上,所求C1的方程为y=-|x|+2.
2.(2017·全国Ⅱ)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,曲线C1的极坐标方程为ρcos θ=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),由题设知,
|OP|=ρ,|OM|=ρ1=.
由|OM|·|OP|=16,得C2的极坐标方程ρ=4cos θ(ρ>0).
所以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=4cos α.
于是△OAB的面积
S=|OA|·ρB·sin∠AOB
=4cos α
=4cos α
=|sin 2α-cos 2α-|
=2≤2+.
当2α-=-,即α=-时,S取得最大值2+,
所以△OAB面积的最大值为2+.
押题预测
1.已知曲线C的极坐标方程是ρ=4cos θ.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,直线l的参数方程是(t是参数).
(1)将曲线C的极坐标方程化为直角坐标方程;
(2)若直线l与曲线C相交于A,B两点,且|AB|=,求直线的倾斜角α的值.
押题依据 极坐标方程和参数方程的综合问题一直是高考命题的热点.本题考查了等价转换思想,代数式变形能力,逻辑推理能力,是一道颇具代表性的题.
解 (1)由ρ=4cos θ,得ρ2=4ρcos θ.
因为x2+y2=ρ2,x=ρcos θ,所以x2+y2=4x,
即曲线C的直角坐标方程为(x-2)2+y2=4.
(2)将代入圆的方程(x-2)2+y2=4,
得(tcos α-1)2+(tsin α)2=4,
化简得t2-2tcos α-3=0.
设A,B两点对应的参数分别为t1,t2,
由根与系数的关系,得
所以|AB|=|t1-t2|=
==,
故4cos2α=1,解得cos α=±.
因为直线的倾斜角α∈[0,π),所以α=或.
2.在平面直角坐标系xOy中,曲线C1:(φ为参数),其中a>b>0.以O为极点,x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2:ρ=2cos θ,射线l:θ=α(ρ≥0).若射线l与曲线C1交于点P,当α=0时,射线l与曲线C2交于点Q,|PQ|=1;当α=时,射线l与曲线C2交于点O,|OP|=.
(1)求曲线C1的普通方程;
(2)设直线l′:(t为参数,t≠0)与曲线C2交于点R,若α=,求△OPR的面积.
押题依据 将椭圆和直线的参数方程、圆和射线的极坐标方程相交汇,考查相应知识的理解和运用,解题中,需要将已知条件合理转化,灵活变形,符合高考命题趋势.
解 (1)因为曲线C1的参数方程为(φ为参数),且a>b>0,所以曲线C1的普通方程为+=1,而其极坐标方程为+=1.
将θ=0(ρ≥0)代入+=1,
得ρ=a,即点P的极坐标为;
将θ=0(ρ≥0)代入ρ=2cos θ,得ρ=2,
即点Q的极坐标为(2,0).
因为|PQ|=1,所以|PQ|=|a-2|=1,
所以a=1或a=3.
将θ=(ρ≥0)代入+=1,
得ρ=b,即点P的极坐标为,
因为|OP|=,所以b=.又因为a>b>0,所以a=3,
所以曲线C1的普通方程为+=1.
(2)因为直线l′的参数方程为(t为参数,t≠0),
所以直线l′的普通方程为y=-x(x≠0),
而其极坐标方程为θ=-(ρ∈R,ρ≠0),
所以将直线l′的方程θ=-代入曲线C2的方程ρ=2cos θ,得ρ=1,即|OR|=1.
因为将射线l的方程θ=(ρ≥0)代入曲线C1的方程+=1,
得ρ=,即|OP|=,
所以S△OPR=|OP||OR|sin∠POR
=××1×sin =.
A组 专题通关
1.(2018·百校联盟TOP20联考)已知平面直角坐标系中,曲线C的参数方程为(α为参数),直线l1:x=0,直线l2:x-y=0,以原点为极点,x轴正半轴为极轴,建立极坐标系.
(1)写出曲线C和直线l1,l2的极坐标方程;
(2)若直线l1与曲线C交于O,A两点,直线l2与曲线C交于O,B两点,求|AB|.
解 (1)依题意知,曲线C:(x-1)2+2=5,即x2-2x+y2-4y=0,
将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入上式,得ρ=2cos θ+4sin θ.
因为直线l1:x=0,直线l2:x-y=0,
故直线l1,l2的极坐标方程为l1:θ=(ρ∈R),
l2:θ=(ρ∈R).
(2)设A,B两点对应的极径分别为ρ1,ρ2,
在ρ=2cos θ+4sin θ中,
令θ=,得ρ1=2cos+4sin=4,
令θ=,得ρ2=2cos+4sin=3,
因为-=,
所以|AB|==.
2.(2018·衡水金卷模拟)以平面直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴,取相同的长度单位建立极坐标系,已知直线l的极坐标方程是ρsin=1,圆C的参数方程为(φ为参数,r>0).
(1)若直线l与圆C有公共点,求实数r的取值范围;
(2)当r=2时,过点D(2,0)且与直线l平行的直线l′交圆C于A,B两点,求的值.
解 (1)由ρsin=1,
得ρ=1,
即y-x=1,
故直线l的直角坐标方程为x-y+2=0.
由得
所以圆C的普通方程为(x-1)2+y2=r2.
若直线l与圆C有公共点,则圆心(1,0)到直线l的距离d=≤r,即r≥,
故实数r的取值范围为.
(2)因为直线l′的倾斜角为,且过点D(2,0),
所以直线l′的参数方程为(t为参数),①
圆C的直角坐标方程为(x-1)2+y2=4,②
联立①②,得t2+t-3=0,
设A,B两点对应的参数分别为t1,t2,
则t1+t2=-1,t1t2=-3<0,
故===.
3.(2018·安徽省“皖南八校”联考)在直角坐标系xOy中,圆C的参数方程为(α为参数),以O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,直线的极坐标方程为ρ(sin θ+cos θ)=.
(1)求C的极坐标方程;
(2)射线OM:θ=θ1与圆C的交点为O,P,与直线l的交点为Q,求|OP|·|OQ|的取值范围.
解 (1)圆C的普通方程是(x-2)2+y2=4,
又x=ρcos θ,y=ρsin θ,
所以圆C的极坐标方程为ρ=4cos θ.
(2)设P(ρ1,θ1),则有ρ1=4cos θ1,
设Q(ρ2,θ1),且直线l的极坐标方程是
ρ(sin θ+cos θ)=,
则有ρ2=,
所以|OP||OQ|=ρ1ρ2=
=,
所以2≤|OP||OQ|≤3.
即|OP||OQ|的取值范围是[2,3].
4.(2018·潍坊模拟)在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(θ为参数),点M为曲线C1上的动点,动点P满足=a(a>0且a≠1),点P的轨迹为曲线C2.
(1)求曲线C2的方程,并说明C2是什么曲线;
(2)在以坐标原点为极点,以x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,A点的极坐标为,射线θ=α与C2的异于极点的交点为B,已知△AOB面积的最大值为4+2,求a的值.
解 (1)设P(x,y),M,
由=a,得∴
∵点M在C1上,
∴即(θ为参数),
消去参数θ,得2+y2=4a2(a>0且a≠1).
∴曲线C2是以为圆心,以2a为半径的圆.
(2)方法一 A点的直角坐标为(1,),
∴直线OA的普通方程为y=x,即x-y=0.
设B点坐标为(2a+2acos α,2asin α),则B点到直线x-y=0的距离d=
=a.
∴当α=-时,dmax=(+2)a.
∴S△AOB的最大值为×2×(+2)a=4+2,∴a=2.
方法二 将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入2+y2=4a2,并整理得ρ=4acos θ,令θ=α,得ρ=4acos α.
∴B.
∴S△AOB=|OA|·|OB|·sin∠AOB
=4acos α=a|2sin αcos α-2cos2α|
=a|sin 2α-cos 2α-|=a,
∴当α=-时,S△AOB取得最大值(2+)a,
依题意知(2+)a=4+2,∴a=2.
5.(2018·河南省南阳市第一中学考试)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.已知曲线M的参数方程为(φ为参数),l1,l2为过点O的两条直线,l1交M于A,B两点,l2交M于C,D两点,且l1的倾斜角为α,∠AOC=.
(1)求l1和M的极坐标方程;
(2)当α=时,求点O到A,B,C,D四点的距离之和的最大值.
解 (1)依题意知,直线l1的极坐标方程为θ=α(ρ∈R),
由消去φ,
得(x-1)2+(y-1)2=1,
将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入上式,
得ρ2-2ρcos θ-2ρsin θ+1=0,
故M的极坐标方程为ρ2-2ρcos θ-2ρsin θ+1=0.
(2)依题意可设A(ρ1,α),B(ρ2,α),C,
D,且ρ1,ρ2,ρ3,ρ4均为正数,
将θ=α代入ρ2-2ρcos θ-2ρsin θ+1=0,
得ρ2-2(cos α+sin α)ρ+1=0,
所以ρ1+ρ2=2(cos α+sin α),
同理可得,ρ3+ρ4=2,
所以点O到A,B,C,D四点的距离之和为ρ1+ρ2+ρ3+ρ4=2(cos α+sin α)+2
=(1+)sin α+(3+)cos α=2(1+)sin,
因为α∈,所以α+∈,
所以当sin=sin=1,即α=时,
ρ1+ρ2+ρ3+ρ4取得最大值2+2,
所以点O到A,B,C,D四点距离之和的最大值为2+2.
B组 能力提高
6.在直角坐标系xOy中,已知曲线E经过点P,其参数方程为(α为参数),以原点O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.
(1)求曲线E的极坐标方程;
(2)若直线l交E于点A,B,且OA⊥OB,求证:+为定值,并求出这个定值.
解 (1)将点P代入曲线E的方程,
得
解得a2=3,
所以曲线E的普通方程为+=1,
极坐标方程为ρ2=1.
(2)不妨设点A,B的极坐标分别为
A(ρ1,θ),B,ρ1>0,ρ2>0,
则
即
所以+=,即+=,
所以+为定值.
7.已知在平面直角坐标系xOy中,以O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,P点的极坐标为,曲线C的极坐标方程为ρ=2cos(θ为参数).
(1)写出点P的直角坐标及曲线C的直角坐标方程;
(2)若Q为曲线C上的动点,求PQ的中点M到直线l:2ρcos θ+4ρsin θ=的距离的最小值.
解 (1)点P的直角坐标为,
由ρ=2cos,
得ρ2=ρcos θ+ρsin θ,①
将ρ2=x2+y2,ρcos θ=x,ρsin θ=y代入①,
可得曲线C的直角坐标方程为
2+2=1.
(2)直线2ρcos θ+4ρsin θ=的直角坐标方程为2x+4y-=0,
设点Q的直角坐标为,
则M,
∴点M到直线l的距离
d=
=
=,其中tan φ=.
∴d≥=(当且仅当sin(θ+φ)=-1时取等号),
∴点M到直线l:2ρcos θ+4ρsin θ=的距离的最小值为.
8.已知α∈[0,π),在直角坐标系xOy中,直线l1的参数方程为(t为参数);在以坐标原点O为极点,x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,直线l2的极坐标方程为ρcos(θ-α)=2sin(θ为参数).
(1)求证:l1⊥l2;
(2)设点A的极坐标为,P为直线l1,l2的交点,求|OP||AP|的最大值.
(1)证明 易知直线l1的普通方程为xsin α-ycos α=0.
又ρcos(θ-α)=2sin可变形为
ρcos θcos α+ρsin θsin α=2sin,
即直线l2的直角坐标方程为
xcos α+ysin α-2sin=0.
因为sin αcos α+(-cos α)sin α=0,
根据两直线垂直的条件可知,l1⊥l2.
(2)解 当ρ=2,θ=时,
ρcos(θ-α)=2cos=2sin,
所以点A在直线ρcos(θ-α)=2sin上.
设点P到直线OA的距离为d,由l1⊥l2可知,d的最大值为=1.
于是|OP||AP|=d·|OA|=2d≤2,
所以|OP||AP|的最大值为2.