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- 2021-07-01 发布
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知识点
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坐标系
理解坐标系的作用.
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.
能在极坐标系中用极坐标表示点的位置,理解在极坐标系和平面直角坐标系中表示点的位置的区别,能进行极坐标和直角坐标的互化.
能在极坐标系中给出简单图形的方程,通过比较这些图形在极坐标系和平面直角坐标系中的方程,理解用方程表示平面图形时选择适当坐标系的意义.
了解柱坐标系、球坐标系中表示空间中点的位置的方法,并与空间直角坐标系中表示点的位置的方法相比较,了解它们的区别.
参数方程
了解参数方程,了解参数的意义.
能选择适当的参数写出直线、圆和圆锥曲线的参数方程.
了解平摆线、渐开线的生成过程,并能推导出它们的参数方程.
了解其他摆线的生成过程,了解摆线在实际中的应用,了解摆线在表示行星运动轨道中的作用.
第1讲 坐标系
1.坐标系
(1)伸缩变换
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(λx,μy),称φ为平面直角坐标系中的伸缩变换.
(2)极坐标系
在平面内取一个定点O,叫做极点;自极点O引一条射线Ox,叫做极轴;再选一个长度单位,一个角度单位(通常取弧度)及其正方向(通常取逆时针方向),这样就建立了一个极坐标系.
设M是平面内一点,极点O与点M的距离|OM|叫做点M的极径,记为ρ;以极轴Ox为始边,射线OM为终边的角xOM叫做点M的极角,记为θ,有序数对(ρ,θ)叫做点M的极坐标,记为M(ρ,θ).
2.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.设M是平面内任意一点,它的直角坐标、极坐标分别为(x,y)和(ρ,θ),则
3.直线的极坐标方程
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).
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:ρcos__θ=a;
(3)直线过M且平行于极轴:ρsin__θ=b.
4.圆的极坐标方程
若圆心为M(ρ0,θ0),半径为r,则该圆的方程为:
ρ2-2ρ0ρcos(θ-θ0)+ρ-r2=0.
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=2acos__θ;
(3)当圆心位于M,半径为a:ρ=2asin__θ.
求圆ρ=cos θ- sin θ的圆心极坐标.
解:ρ=cos θ-sin θ=2cos,
令ρ′=ρ,θ′=θ+, ①
则有ρ′=2cos θ′,
所以圆心的极坐标为ρ′=1,θ′=0,代入①,得极坐标为.
圆心C的极坐标为,且圆C经过极点.求圆C的极坐标方程.
解:圆心C的直角坐标为(,),则设圆C的直角坐标方程为(x-)2+(y-)2=r2,
依题意可知r2=(0-)2+(0-)2=4,
故圆C的直角坐标方程为(x-)2+(y-)2=4,化为极坐标方程为ρ2-2ρ(sin θ+cos θ)=0,
即ρ=2(sin θ+cos θ).
确定极坐标方程ρ2cos 2θ-2ρcos θ=1表示的曲线.
解:由方程ρ2cos 2θ-2ρcos θ=1,得
ρ2(cos2θ-sin2θ)-2ρcos θ=1.
由互化公式
得x2-y2-2x=1,即(x-1)2-y2=2.
故此方程表示以(1,0)为中心,F1(-1,0),F2(3,0)为焦点的等轴双曲线.
极坐标与直角坐标的互化
[典例引领]
(1)已知直线l的极坐标方程为2ρsin=,点A的极坐标为A,求点A到直线l的距离.
(2)把曲线C1:x2+y2-8x-10y+16=0化为极坐标方程.
【解】 (1)由2ρsin=,得2ρ=,所以y-x=1.
由点A的极坐标为得点A的直角坐标为(2,-2),
所以d==.
即点A到直线l的距离为.
(2)将代入x2+y2-8x-10y+16=0,
得ρ2-8ρcos θ-10ρsin θ+16=0,所以C1的极坐标方程为ρ2-8ρcos θ-10ρsin θ+16=0.
极坐标方程与直角坐标方程的互化
(1)直角坐标方程化为极坐标方程:将公式x=ρcos θ及y=ρsin θ直接代入直角坐标方程并化简即可.
(2)极坐标方程化为直角坐标方程:通过变形,构造出形如ρcos θ,ρsin θ,ρ2的形式,再应用公式进行代换.其中方程的两边同乘以(或同除以)ρ及方程两边平方是常用的变形技巧.
已知圆O1和圆O2的极坐标方程分别为ρ=2,ρ2-2ρcos=2.
(1)将圆O1和圆O2的极坐标方程化为直角坐标方程;
(2)求经过两圆交点的直线的极坐标方程.
解:(1)由ρ=2知ρ2=4,
所以x2+y2=4.
因为ρ2-2ρcos =2,
所以ρ2-2ρ=2.
所以x2+y2-2x-2y-2=0.
(2)将两圆的直角坐标方程相减,得经过两圆交点的直线方程为x+y=1.
化为极坐标方程为ρcos θ+ρsin θ=1,
即ρsin=.
求曲线的极坐标方程
[典例引领]
(2017·高考全国卷Ⅱ改编)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ρcos θ=4.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的极坐标方程.
【解】 设P的极坐标为(ρ,θ)(ρ>0),M的极坐标为(ρ1,θ)(ρ1>0).由题设知|OP|=ρ,|OM|=ρ1=.
由|OM|·|OP|=16得C2的极坐标方程为ρ=4cos θ(ρ>0).
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.
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(0≤θ<2π),M,N分别为曲线C与x轴,y轴的交点.
(1)写出曲线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.
从而曲线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).
曲线极坐标方程的应用
[典例引领]
(2018·太原市模拟试题)在平面直角坐标系xOy中,曲线C1:(φ为参数),曲线C2:x2+y2-2y=0,以原点O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,射线l:θ=α(ρ≥0)与曲线C1,C2分别交于点A,B(均异于原点O).
(1)求曲线C1,C2的极坐标方程;
(2)当0<α<时,求|OA|2+|OB|2的取值范围.
【解】 (1)因为(φ为参数),所以曲线C1的普通方程为+y2=1.
由得曲线C1的极坐标方程为ρ2=.
因为x2+y2-2y=0,
所以曲线C2的极坐标方程为ρ=2sin θ.
(2)由(1)得|OA|2=ρ2=,|OB|2=ρ2=4sin2α,
所以|OA|2+|OB|2=+4sin2α=+4(1+sin2α)-4,
因为0<α<,所以1<1+sin2α<2,
所以6<+4(1+sin2α)<9,
所以|OA|2+|OB|2的取值范围为(2,5).
在已知极坐标方程求曲线交点、距离、线段长、面积等几何问题时,如果不能直接用极坐标解决,或用极坐标解决较麻烦,可将极坐标方程利用直角坐标方程的有关公式求解.
(2018·福建省普通高中质量检查)在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(t为参数).在以坐标原点O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2:ρ=2sin θ,曲线C3:θ=(ρ>0),A(2,0).
(1)把C1的参数方程化为极坐标方程;
(2)设C3分别交C1,C2于点P,Q,求△APQ的面积.
解:(1)C1的普通方程为(x-2)2+y2=4,
即x2+y2-4x=0,
所以C1的极坐标方程为ρ2-4ρcos θ=0,
即ρ=4cos θ.
(2)法一:依题意,设点P,Q的极坐标分别,.
将θ=代入ρ=4cos θ,得ρ1=2,
将θ=代入ρ=2sin θ,得ρ2=1,
所以|PQ|=|ρ1-ρ2|=2-1,
依题意,点A(2,0)到曲线θ=(ρ>0)的距离
d=|OA|sin =1.
所以S△APQ=|PQ|·d=×(2-1)×1=-.
法二:依题意,设点P,Q的极坐标分别为,.
将θ=代入ρ=4cos θ,得ρ1=2,
即|OP|=2,
将θ=代入ρ=2sin θ,得ρ2=1,即|OQ|=1,
因为A(2,0),所以∠POA=,
所以S△APQ=S△OPA-S△OQA
=|OA||OP|sin -|OA||OQ|sin
=×2×2×-×2×1×
=-.
曲线的极坐标方程化成直角坐标方程
对于简单的我们可以直接代入公式ρcos θ=x,ρsin θ=y,ρ2=x2+y2,但有时需要作适当的变化,如将式子的两边同时平方,两边同时乘以ρ等.
直角坐标(x,y)化为极坐标(ρ,θ)的步骤
(1)运用ρ=,tan θ=(x≠0).
(2)在[0,2π)内由tan θ=(x≠0)求θ时,由直角坐标的符号特征判断点所在的象限(即θ的终边位置).
进行极坐标方程与直角坐标方程互化时,应注意两点
(1)注意ρ,θ的取值范围及其影响.
(2)重视方程的变形及公式的正用、逆用、变形使用.
1.在同一平面直角坐标系中,经过伸缩变换后,曲线C:x2+y2=36变为何种曲线,并求曲线的焦点坐标.
解:设圆x2+y2=36上任一点为P(x,y),伸缩变换后对应的点的坐标为P′(x′,y′),
则所以4x′2+9y′2=36,即+=1.
所以曲线C在伸缩变换后得椭圆+=1,
其焦点坐标为(±,0).
2.在极坐标系下,已知圆O:ρ=cos θ+sin θ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=cos θ+sin θ,
即ρ2=ρcos θ+ρsin θ,
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ρsin θ-ρcos θ=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.
3.从极点O作直线与另一直线l:ρcos θ=4相交于点M,在OM上取一点P,使|OM|·|OP|=12.
(1)求点P的轨迹方程;
(2)设R为l上的任意一点,求|RP|的最小值.
解:(1)设动点P的极坐标为(ρ,θ),M的极坐标为(ρ0,θ)则ρ·ρ0=12.
因为ρ0cos θ=4,
所以ρ=3cos θ,即为所求的轨迹方程.
(2)将ρ=3cos θ化为直角坐标方程,
得x2+y2=3x,
即+y2=.
知点P的轨迹是以为圆心,半径为的圆.
直线l的直角坐标方程是x=4.
结合图形易得|RP|的最小值为1.
4.(2018·沈阳市教学质量检测(一))在直角坐标系xOy中,直线l:y=x,圆C:(φ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.
(1)求直线l与圆C的极坐标方程;
(2)设直线l与圆C的交点为M,N,求△CMN的面积.
解:(1)将C的参数方程化为普通方程,得(x+1)2+(y+2)2=1,
因为x=ρcos θ,y=ρsin θ,所以直线l的极坐标方程为θ=(ρ∈R).
圆C的极坐标方程为ρ2+2ρcos θ+4ρsin θ+4=0.
(2)将θ=代入ρ2+2ρcos θ+4ρsin θ+4=0,得ρ2+3ρ+4=0,解得ρ1=-2,ρ2=-,|MN|=|ρ1-ρ2|=,
因为圆C的半径为1,所以△CMN的面积为××1×sin =.
5.(2018·河南洛阳模拟)在直角坐标系xOy中,圆C的参数方程为(φ为参数),以O为极点,x轴的非负半轴为极轴建立极坐标系.
(1)求圆C的普通方程;
(2)直线l的极坐标方程是2ρsin =5,射线OM:θ=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)因为圆C的参数方程为(φ为参数),所以圆心C的坐标为(0,2),半径为2,圆C的普通方程为x2+(y-2)2=4.
(2)将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入x2+(y-2)2=4,
得圆C的极坐标方程为ρ=4sin θ.
设P(ρ1,θ1),则由
解得ρ1=2,θ1=.
设Q(ρ2,θ2),则由
解得ρ2=5,θ2=.
所以|PQ|=3.
1.(2018·河南天一大联考)在极坐标系中,曲线C:ρ=4acos θ(a>0),l:ρcos=4,C与l有且只有一个公共点.
(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)由题意,得曲线C是以(2a,0)为圆心,以2a为半径的圆.
l的直角坐标方程为x+y-8=0,
由直线l与圆C相切可得=2a,
解得a=(舍负).
(2)不妨设A的极角为θ,B的极角为θ+,则
|OA|+|OB|=cos θ+cos
=8cos θ-sin θ
=cos,
所以当θ=-时,|OA|+|OB|取得最大值.
2.(2018·成都市第二次诊断性检测)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O为极点,x轴的正半轴为极轴的极坐标系中,过极点O的射线与曲线C相交于不同于极点的点A,且点A的极坐标为(2,θ),其中θ∈(,π).
(1)求θ的值;
(2)若射线OA与直线l相交于点B,求|AB|的值.
解:(1)由题意知,曲线C的普通方程为x2+(y-2)2=4,
因为x=ρcos θ,y=ρsin θ,所以曲线C的极坐标方程为(ρcos θ)2+(ρsin θ-2)2=4,即ρ=4sin θ.
由ρ=2,得sin θ=,
因为θ∈(,π),所以θ=.
(2)由题,易知直线l的普通方程为x+y-4=0,所以直线l的极坐标方程为ρcos θ+ρsin θ-4=0.
又射线OA的极坐标方程为θ=(ρ≥0),
联立,得,解得ρ=4.
所以点B的极坐标为,
所以|AB|=|ρB-ρA|=4-2=2.
3.在平面直角坐标系中,以原点O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ρ2(1+3sin2θ)=4.曲线C2是圆心在极轴上且经过极点的圆,射线θ=与曲线C2交于点D.
(1)求曲线C1、C2的直角坐标方程;
(2)已知极坐标系中两点A(ρ1,θ0),B,若A、B都在曲线C1上,求+的值.
解:(1)因为C1的极坐标方程为ρ2(1+3sin2θ)=4,
所以ρ2(cos2θ+4sin2θ)=4,即(ρcos θ)2+4(ρsin θ)2=4,即x2+4y2=4,所以该曲线C1的直角坐标方程为+y2=1.
由题意知曲线C2的极坐标方程为ρ=2a·cos θ(a为半径),将D代入,得2=2a×,所以a=2,
所以圆C2的圆心的直角坐标为(2,0),半径为2,
所以C2的直角坐标方程为(x-2)2+y2=4.
(2)曲线C1的极坐标方程为+ρ2sin2θ=1,
即ρ2=.
所以ρ=,
ρ==.
所以+=+=.