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- 2021-07-01 发布
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选修4-4 坐标系与参数方程
第一节 坐标系
[考纲传真] (教师用书独具)1.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.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.
(对应学生用书第198页)
[基础知识填充]
1.平面直角坐标系中的坐标伸缩变换
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P′(x′,y′),称φ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换.
2.极坐标与极坐标系的概念
图1
在平面内取一个定点O,叫作极点,从O点引一条射线Ox,叫作极轴,选定一个单位长度和角的正方向(通常取逆时针方向).这样就确定了一个平面极坐标系,简称为极坐标系.对于平面内任意一点M,用ρ表示线段OM的长,θ表示以Ox为始边、OM为终边的角度,ρ叫作点M的极径,θ叫作点M的极角,有序实数对(ρ,θ)叫作点M的极坐标,记作M(ρ,θ).
当点M在极点时,它的极径ρ=0,极角θ可以取任意值.
3.极坐标与直角坐标的互化
点M
直角坐标(x,y)
极坐标(ρ,θ)
互化公式
ρ2=x2+y2
tan θ=(x≠0)
4.圆的极坐标方程
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=2rcos θ
圆心为,半径为r的圆
ρ=2rsin θ(0≤θ<π)
5.直线的极坐标方程
(1)直线l过极点,且极轴到此直线的角为α,则直线l的极坐标方程是θ=α(ρ∈R).
(2)直线l过点M(a,0)且垂直于极轴,则直线l的极坐标方程为ρcos θ=a.
(3)直线过M且平行于极轴,则直线l的极坐标方程为ρsin θ=b(0<θ<π).
[基本能力自测]
1.(思考辨析)判断下列结论的正误.(正确的打“√”,错误的打“×”)
(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.( )
[答案] (1)× (2)√ (3)√ (4)×
2.(教材改编)若以直角坐标系的原点为极点,x轴的非负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=cos θ+sin θ,0≤θ≤
D.ρ=cos θ+sin θ,0≤θ≤
A [∵y=1-x(0≤x≤1),
∴ρsin θ=1-ρcos θ(0≤ρcos θ≤1),
∴ρ=.]
3.(2017·北京高考)在极坐标系中,点A在圆ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0上,点P的坐标为(1,0),则|AP|的最小值为________.
1 [由ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0,得
x2+y2-2x-4y+4=0,
即(x-1)2+(y-2)2=1,
圆心坐标为C(1,2),半径长为1.
∵点P的坐标为(1,0),∴点P在圆C外.
又∵点A在圆C上,∴|AP|min=|PC|-1=2-1=1.]
4.已知直线l的极坐标方程为2ρsin=,点A的极坐标为A,则点A到直线l的距离为______.
[由2ρsin=,得
2ρ=,
∴y-x=1.
由A,得点A的直角坐标为(2,-2).
∴点A到直线l的距离d==.]
5.已知圆C的极坐标方程为ρ2+2ρ·sin-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的极坐标方程可化为
ρ2+2ρ-4=0,
化简,得ρ2+2ρsin θ-2ρcos θ-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.
(对应学生用书第199页)
平面直角坐标系中的伸缩变换
在平面直角坐标系中,已知伸缩变换φ:
(1)求点A经过φ变换所得点A′的坐标;
(2)求直线l:y=6x经过φ变换后所得直线l′的方程.
[解] (1)设点A′(x′,y′),由伸缩变换
φ:得
∴x′=×3=1,y′==-1.
∴点A′的坐标为(1,-1).
(2)设P′(x′,y′)是直线l′上任意一点.
由伸缩变换φ:
得
代入y=6x,得2y′=6·=2x′,
∴y=x即为所求直线l′的方程.
[规律方法] 伸缩变换后方程的求法,平面上的曲线y=f(x)在变换φ:的作用下的变换方程的求法是将代入y=f(x),得=f,整理之后得到y′=h(x′),即为所求变换之后的方程.
易错警示:应用伸缩变换时,要分清变换前的点的坐标(x,y)与变换后的点的坐标(x′,y′).
[跟踪训练] 求椭圆+y2=1,经过伸缩变换后的曲线方程.
【导学号:79140385】
[解] 由得①
将①代入+y2=1,得+y′2=1,
即x′2+y′2=1.
因此椭圆+y2=1经过伸缩变换后得到的曲线方程是x2+y2=1.
极坐标与直角坐标的互化
(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=ρcos θ,y=ρsin θ可得圆C的极坐标方程为ρ2+12ρcos θ+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+12ρcos α+11=0,
于是ρ1+ρ2=-12cos α,ρ1ρ2=11.
|AB|=|ρ1-ρ2|=
=.
由|AB|=得cos2α=,tan α=±.
所以l的斜率为或-.
[规律方法] 1.极坐标与直角坐标互化公式的三个前提条件
(1)取直角坐标系的原点为极点.
(2)以x轴的非负半轴为极轴.
(3)两种坐标系规定相同的长度单位.
2.极坐标与直角坐标互化的策略
(1)直角坐标方程化为极坐标方程,只要运用公式x=ρcos θ及y=ρsin θ直接代入并化简即可;
(2)极坐标方程化为直角坐标方程时常通过变形,构造形如ρcos θ,ρsin θ,ρ2的形式,进行整体代换.
[跟踪训练] (2018·合肥二检)在直角坐标系xOy中,以坐标原点为极点,x轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,圆C的极坐标方程为ρ=4cos θ.
(1)求出圆C的直角坐标方程;
(2)已知圆C与x轴相交于A,B两点,直线l:y=2x关于点M(0,m)(m≠0)对称的直线为l′.若直线l′上存在点P使得∠APB=90°,求实数m的最大值.
[解] (1)由ρ=4cos θ得ρ2=4ρcos θ,即x2+y2-4x=0,
即圆C的标准方程为(x-2)2+y2=4.
(2)直线l:y=2x关于点M(0,m)的对称直线l′的方程为y=2x+2m,而AB为圆C的直径,故直线l′上存在点P使得∠APB=90°的充要条件是直线l′与圆C有公共点,
故≤2,解得-2-≤m≤-2,
所以实数m的最大值为-2.
极坐标方程的应用
(2017·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,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).
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=4cos α,于是△OAB的面积
S=|OA|·ρB·sin∠AOB=4cos α·
=2≤2+.
当α=-时,S取得最大值2+.
所以△OAB面积的最大值为2+.
[规律方法] 在用方程解决直线、圆和圆锥曲线的有关问题时,将极坐标方程化为直角坐标方程,有助于对方程所表示的曲线的认识,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.
[跟踪训练] (2017·太原市质检)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.
【导学号:79140386】
[解] (1)曲线C1化为ρcos θ+ρsin θ=.
∴ρsin=.
曲线C2化为+=1.(*)
将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入(*)式
得cos2θ+sin2θ=1,即ρ2(cos2θ+3sin2θ)=6.
∴曲线C2的极坐标方程为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.