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- 2021-06-25 发布
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专题八 系列4选讲
第一讲 (选修4-4)坐标系与参数方程
[必记公式]
直角坐标与极坐标的互化公式
把直角坐标系的原点作为极点,x轴正半轴作为极轴,并在两坐标系中取相同的长度单位.设M是平面内任意一点,它的直角坐标是(x,y),极坐标是(ρ,θ),则
[重要结论]
1.圆的极坐标方程
(1)若圆心为M(ρ0,θ0),半径为r,则圆的方程为:ρ2-2ρ0ρcos(θ-θ0)+ρ-r2=0.
(2)几个特殊位置的圆的极坐标方程
①当圆心位于极点,半径为r:ρ=r;
②当圆心位于M(a,0),半径为a:ρ=2acosθ;
③当圆心位于M,半径为a:ρ=2asinθ.
2.直线的极坐标方程
(1)若直线过点M(ρ0,θ0),且极轴到此直线的角为α,则它的方程为:ρsin(θ-α)=ρ0sin(θ0-α).
(2)几个特殊位置的直线的极坐标方程
①直线过极点:θ=θ0和θ=π-θ0;
②直线过点M(a,0)且垂直于极轴:ρcosθ=a;
③直线过M且平行于极轴:ρsinθ=b.
3.几种常见曲线的参数方程
(1)圆
①以O′(a,b)为圆心,r为半径的圆的参数方程是其中α是参数.
②当圆心在(0,0)时,方程为其中α是参数.
(2)椭圆
①椭圆+=1(a>b>0)的参数方程是其中φ是参数.
②椭圆+=1(a>b>0)的参数方程是其中φ是参数.
(3)直线
经过点P0(x0,y0),倾斜角为α的直线的参数方程是其中t是参数.
4.直线参数方程中参数t的几何意义
过定点M0(x0,y0),倾斜角为α的直线的参数方程为(t为参数)①.
通常称①为直线l的参数方程的“标准式”.其中参数t的几何意义是:|t|是直线上任一点M(x,y)到M0(x0,y0)的距离,即|M0M|=|t|.
当0<α<π时,sinα>0,所以,直线l的单位方向向量e的方向总是向上.此时,若t>0,则的方向向上;若t<0,则的方向向下;若t=0,则点M与点M0重合,即当点M在M0上方时,有t=||;当点M在M0下方时,有t=-||.
[失分警示]
1.极坐标与直角坐标互化的前提是把直角坐标系的原点作为极点,x轴正半轴作为极轴,且在两坐标系中取相同的长度单位.
2.在将曲线的参数方程化为普通方程时,不仅仅是要把其中的参数消去,还要注意其中的x、y的取值范围,即在消去参数的过程中一定要注意普通方程与参数方程的等价性.
考点 极坐标方程及其应用
典例示法
典例1 已知曲线C1的参数方程为(t为参数),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C2的极坐标方程为ρ=2sinθ.
(1)把C1的参数方程化为极坐标方程;
(2)求C1与C2交点的极坐标(ρ≥0,0≤θ<2π).
[解] (1)将消去参数t,
化为普通方程(x-4)2+(y-5)2=25,
即C1:x2+y2-8x-10y+16=0.
将
代入x2+y2-8x-10y+16=0得
ρ2-8ρcosθ-10ρsinθ+16=0.
所以C1的极坐标方程为ρ2-8ρcosθ-10ρsinθ+16=0.
(2)C2的普通方程为x2+y2-2y=0.
由
解得或
所以C1与C2交点的极坐标分别为,.
解决极坐标系问题的策略
(1)如果题目中曲线的极坐标方程比较容易化成直角坐标方程,则可以统一转化到直角坐标系中,利用直角坐标系的定理、公式解题.
(2)如果题目中曲线的极坐标方程比较复杂,不方便化成直角坐标方程或者极坐标系中的极角、极径关系比较明显,比如已知两个点的极坐标,求两个点间的距离,则可以直接利用已知的极角、极径结合余弦定理求距离.
针对训练
[2016·衡阳联考]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ρ2=2ρacosθ,
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.
由题可知直线l与圆C相切,即=a,解得a=1.
(2)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.
考点 参数方程及其应用
典例示法
典例2 [2014·全国卷Ⅰ]已知曲线C:+=1,直线l:(t为参数).
(1)写出曲线C的参数方程,直线l的普通方程;
(2)过曲线C上任意一点P作与l夹角为30°的直线,交l于点A,求|PA|的最大值与最小值.
[解] (1)曲线C的参数方程为(θ为参数).
直线l的普通方程为2x+y-6=0.
(2)曲线C上任意一点P(2cosθ,3sinθ)到l的距离为d=|4cosθ+3sinθ-6|.
则|PA|==|5sin(θ+α)-6|,
其中α为锐角,且tanα=.
当sin(θ+α)=-1时,|PA|取得最大值,最大值为.
当sin(θ+α)=1时,|PA|取得最小值,最小值为.
1.参数方程化为普通方程消去参数的方法
(1)代入消参法:将参数解出来代入另一个方程消去参数,直线的参数方程通常用代入消参法.
(2)三角恒等式法:利用sin2α+cos2α=1消去参数,圆的参数方程和椭圆的参数方程都是运用三角恒等式法.
(3)常见消参数的关系式:
①t·=1;
②2-2=4;
③2+2=1.
2.参数方程表示的曲线的综合问题的求解思路
(1)可以统一成普通方程处理.
(2)利用参数方程中参数解决问题,如利用直线参数方程中参数的几何意义解决与距离有关的问题,利用圆锥曲线参数方程中的参数角θ解决与最值相关的问题.
针对训练
[2016·唐山统考]将曲线C1:x2+y2=1上所有点的横坐标伸长到原来的倍(纵坐标不变)得到曲线C2,A为C1与x轴正半轴的交点,直线l经过点A且倾斜角为30°,记l与曲线C1的另一个交点为B,与曲线C2在第一、三象限的交点分别为C,D.
(1)写出曲线C2的普通方程及直线l的参数方程;
(2)求|AC|-|BD|.
解 (1)由题意可得C2:+y2=1,l:(t为参数).
(2)将代入+y2=1,
整理得5t2+4t-4=0.
设点C,D对应的参数分别为t1,t2,则t1+t2=-,
且|AC|=t1,|AD|=-t2.又|AB|=2|OA|cos30°=,
故|AC|-|BD|=|AC|-(|AD|-|AB|)=|AC|-|AD|+|AB|=t1+t2+=.
考点 极坐标方程与参数方程的综合应用
典例示法
典例3 [2015·全国卷Ⅱ]在直角坐标系xOy中,曲线C1:(t为参数,t≠0),其中0≤α<π.在以O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2:ρ=2sinθ,C3:ρ=2cosθ.
(1)求C2与C3交点的直角坐标;
(2)若C1与C2相交于点A,C1与C3相交于点B,求|AB|的最大值.
[解] (1)曲线C2的直角坐标方程为x2+y2-2y=0,曲线C3的直角坐标方程为x2+y2-2x=0.
联立解得或
所以C2与C3交点的直角坐标为(0,0)和.
(2)曲线C1的极坐标方程为θ=α(ρ∈R,ρ≠0),其中0≤α<π.
因此A的极坐标为(2sinα,α),B的极坐标为(2cosα,α).
所以|AB|=|2sinα-2cosα|=4.
当α=时,|AB|取得最大值,最大值为4.
解决极坐标方程、参数方程综合问题的方法
与极坐标方程、参数方程相关的问题往往涉及直线、圆、椭圆,处理的基本思路是把它们化为直角坐标方程或普通方程,利用直角坐标方程或普通方程解决实际问题,另外若涉及有关最值或参数范围问题时可利用参数方程,化为三角函数的最值问题处理.
针对训练
[2016·西安质检]在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(α为参数),以原点O为极点,以x轴正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线C2的极坐标方程为ρsin=4.
(1)求曲线C1的普通方程与曲线C2的直角坐标方程.
(2)设P为曲线C1上的动点,求点P到C2上点的距离的最小值,并求此时点P的坐标.
解 (1)对于曲线C1有
则2+y2=cos2α+sin2α=1,
即C1的普通方程为+y2=1.
对于曲线C2有ρsin=ρ(cosθ+sinθ)=4⇔ρcosθ+ρsinθ=8⇔x+y-8=0,所以C2的直角坐标方程为x+y-8=0.
(2)显然椭圆C1与直线C2无公共点,椭圆上点P(cosα,sinα)到直线x+y-8=0的距离为d==,
当sin=1时,d取最小值为3,此时点P的坐标为.
[全国卷高考真题调研]
1.[2016·全国卷Ⅱ]在直角坐标系xOy中,圆C的方程为(x+6)2+y2=25.
(1)以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,求C的极坐标方程;
(2)直线l的参数方程是(t为参数),l与C交于A,B两点,|AB|=,求l的斜率.
解 (1)由x=ρcosθ,y=ρsinθ可得圆C的极坐标方程为ρ2+12ρcosθ+11=0.
(2)在(1)中建立的极坐标系中,直线l的极坐标方程为θ=α(ρ∈R).
设A,B所对应的极径分别为ρ1,ρ2,将l的极坐标方程代入C的极坐标方程得ρ2+12ρcosα+11=0.
于是ρ1+ρ2=-12cosα,ρ1ρ2=11.
|AB|=|ρ1-ρ2|==.
由|AB|=得cos2α=,tanα=±.
所以l的斜率为或-.
2.[2015·全国卷Ⅰ]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的面积为.
3.[2014·全国卷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,半圆C的极坐标方程为ρ=2cosθ,θ∈.
(1)求C的参数方程;
(2)设点D在C上,C在D处的切线与直线l:y=x+2垂直,根据(1)中你得到的参数方程,确定D的坐标.
解 (1)C的普通方程为(x-1)2+y2=1(0≤y≤1).
可得C的参数方程为
(t为参数,0≤t≤π).
(2)设D(1+cost,sint).
由(1)知C是以G(1,0)为圆心,1为半径的上半圆.
因为C在点D处的切线与l垂直,所以直线GD与l的斜率相同,tant=,t=.
故D的直角坐标为,即.
[其它省市高考题借鉴]
4.[2016·北京高考]在极坐标系中,直线ρcosθ-ρsinθ-1=0与圆ρ=2cosθ交于A,B两点,则|AB|=________.
答案 2
解析 将ρcosθ-ρsinθ-1=0化为直角坐标方程为x-y-1=0,将ρ=2cosθ化为直角坐标方程为(x-1)2+y2=1,圆心坐标为(1,0),半径r=1,又(1,0)在直线x-y-1=0上,所以|AB|=2r=2.
5.[2015·湖北高考]在直角坐标系xOy中,以O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.已知直线l的极坐标方程为ρ(sinθ-3cosθ)=0,曲线C的参数方程为(t为参数),l与C相交于A,B两点,则|AB|=________.
答案 2
解析 因为ρ(sinθ-3cosθ)=0,所以ρsinθ=3ρcosθ,所以y-3x=0,即y=3x.由消去t得y2-x2=4.
由解得
或不妨令A,
B,由两点间的距离公式得
|AB|==2.
6.[2015·湖南高考]已知直线l:(t为参数),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C的极坐标方程为ρ=2cosθ.
(1)将曲线C的极坐标方程化为直角坐标方程;
(2)设点M的直角坐标为(5,),直线l与曲线C的交点为A,B,求|MA|·|MB|的值.
解 (1)ρ=2cosθ等价于ρ2=2ρcosθ.①
将ρ2=x2+y2,ρcosθ=x代入①,即得曲线C的直角坐标方程为x2+y2-2x=0.②
(2)将代入②,得t2+5t+18=0.
设这个方程的两个实根分别为t1,t2,则由参数t的几何意义即知,|MA|·|MB|=|t1t2|=18.
1.[2016·合肥质检]在直角坐标系xOy中,曲线C:(α为参数),在以O为极点,x轴的非负半轴为极轴的极坐标系中,直线l:ρsinθ+ρcosθ=m.
(1)若m=0时,判断直线l与曲线C的位置关系;
(2)若曲线C上存在点P到直线l的距离为,求实数m的取值范围.
解 (1)曲线C的普通方程为:(x-1)2+(y-1)2=2,是一个圆;当m=0时,直线l的直角坐标方程为:x+y=0,
圆心C到直线l的距离为d===r,r为圆C的半径,所以直线l
与圆C相切.
(2)由已知可得,圆心C到直线l的距离为d=≤,解得-1≤m≤5.
2.[2016·湖南四校联考]已知直线l的参数方程为(t为参数),以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,圆C的极坐标方程为ρ=4sin.
(1)求圆C的直角坐标方程;
(2)若P(x,y)是直线l与圆面ρ≤4sin的公共点,求x+y的取值范围.
解 (1)因为圆C的极坐标方程为ρ=4sin,
所以ρ2=4ρsin=4ρ
又ρ2=x2+y2,x=ρcosθ,y=ρsinθ,
所以x2+y2=2y-2x,
所以圆C的普通方程为x2+y2+2x-2y=0.
(2)设z=x+y,
由圆C的方程x2+y2+2x-2y=0⇒(x+1)2+(y-)2=4,
所以圆C的圆心是(-1,),半径是2,
将代入z=x+y得z=-t.
又直线l过C(-1,),圆C的半径是2,所以-2≤t≤2,
所以-2≤-t≤2,
即x+y的取值范围是[-2,2].
3.[2016·山西质检]已知曲线C1:x+y=和C2:(φ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,且两种坐标系中取相同的长度单位.
(1)把曲线C1和C2的方程化为极坐标方程;
(2)设C1与x,y轴交于M,N两点,且线段MN的中点为P.若射线OP与C1,C2交于P,Q两点,求P,Q两点间的距离.
解 (1)C1:ρsin=,C2:ρ2=.
(2)∵M(,0),N(0,1),∴P,
∴OP的极坐标方程为θ=,
把θ=代入ρsin=得ρ1=1,P.
把θ=代入ρ2=得ρ2=2,Q.
∴|PQ|=|ρ2-ρ1|=1,即P,Q两点间的距离为1.
4.[2016·长春质量监测]在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(t是参数),以原点O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ρ=8cos.
(1)求曲线C2的直角坐标方程,并指出其表示何种曲线;
(2)若曲线C1和曲线C2交于A,B两点,求|AB|的最大值和最小值.
解 (1)对于曲线C2有ρ=8cos,即ρ2=4ρcosθ+4ρsinθ,因此曲线C2的直角坐标方程为x2+y2-4x-4y=0,其表示一个圆.
(2)联立曲线C1与曲线C2的方程可得:t2-2sinα·t-13=0,|AB|=|t1-t2|===,因此|AB|的最小值为2,最大值为8.
5.[2016·河南六市一联]在平面直角坐标系中,直线l的参数方程为(t为参数),在以直角坐标系的原点O为极点,x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C的极坐标方程为ρ=.
(1)求曲线C的直角坐标方程和直线l的普通方程;
(2)若直线l与曲线C相交于A,B两点,求△AOB的面积.
解 (1)由曲线C的极坐标方程ρ=,得ρ2sin2θ=2ρcosθ,所以曲线C的直角坐标方程是y2=2x.
由直线l的参数方程得t=3+y,代入x=1+t中,消去t得x-y-4=0,
所以直线l的普通方程为x-y-4=0.
(2)将直线l的参数方程代入曲线C的直角坐标方程y2=2x,得t2-8t+7=0,
设A,B两点对应的参数分别为t1,t2,
则t1+t2=8,t1t2=7,
所以|AB|=|t1-t2|=×=×=6,
因为原点到直线x-y-4=0的距离d==2,
所以△AOB的面积是|AB|·d=×6×2=12.
6.[2016·贵阳监测]极坐标系与直角坐标系xOy有相同的长度单位,以原点为极点,以x轴正半轴为极轴,曲线C1的极坐标方程为ρ=4cosθ(ρ≥0),曲线C2的参数方程为(t为参数,0≤α<π),射线θ=φ,θ=φ+,θ=φ-与曲线C1分别交于(不包括极点O)点A、B、C.
(1)求证:|OB|+|OC|=|OA|;
(2)当φ=时,B、C两点在曲线C2上,求m与α的值.
解 (1)证明:依题意|OA|=4cosφ,
|OB|=4cos,|OC|=4cos,
则|OB|+|OC|=4cos+4cos
=2(cosφ-sinφ)+2(cosφ+sinφ)
=4cosφ=|OA|.
(2)当φ=时,B、C两点的极坐标分别为、,化为直角坐标为B(1,)、C(3,-),所以经过点B、C的直线方程为y-=-(x-1),而C2是经过点(m,0)且倾斜角为α的直线,故m=2,α=.
7.[2016·重庆测试]在直角坐标系xOy中,曲线C的参数方程为(α为参数),在以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,直线l的极坐标方程为ρsin=2.
(1)求曲线C和直线l在该直角坐标系下的普通方程;
(2)动点A在曲线C上,动点B在直线l上,定点P的坐标为(-2,2),求|PB|+|AB|的最小值.
解 (1)由曲线C的参数方程可得,
(x-1)2+y2=cos2α+sin2α=1,
所以曲线C的普通方程为(x-1)2+y2=1.
由直线l的极坐标方程:ρsin=2,可得ρ(sinθ+cosθ)=4,即x+y
=4.
(2)设点P关于直线l的对称点为Q(a,b),则解得
由(1)知,曲线C为圆,圆心坐标为C(1,0),
故|PB|+|AB|=|QB|+|AB|≥|QC|-1=-1.
当Q,B,A,C四点共线,且A在B,C之间时,等号成立,所以|PB|+|AB|的最小值为-1.
8.[2016·全国卷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的普通方程中,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)或a=1.
a=1时,极点也为C1,C2的公共点,在C3上.
所以a=1.