• 219.50 KB
  • 2021-06-09 发布

【数学】2020届一轮复习北师大版坐标系学案

  • 9页
  • 当前文档由用户上传发布,收益归属用户
  1. 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
  4. 网站客服QQ:403074932
选修 4-4 坐标系与参数方程 第一节 坐标系 [考纲传真] 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. 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:x′=λx,λ>0, y′=μy,μ>0 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 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 x=ρcos θ, y=ρsin θ ρ2=x2+y2 tan θ=y x(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 -π 2 ≤θ≤π 2 圆心为 r,π 2 ,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 -π 2 <θ<π 2 . (3)直线过 M b,π 2 且平行于极轴,则直线 l 的极坐标方程为ρsin_θ=b(0<θ <π). [基础自测] 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,- 3),则点 P 的一个极坐标是 2,-π 3 .( ) (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)在极坐标系中,圆ρ=-2sin θ的圆心的极坐标是( ) A. 1,π 2 B. 1,-π 2 C.(1,0) D.(1,π) B [法一:由ρ=-2sin θ,得ρ2=-2ρsin θ,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 1,-π 2 . 法二:由ρ=-2sin θ=2cos θ+π 2 ,知圆心的极坐标为 1,-π 2 ,故选 B.] 3.(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= 1 cos θ+sin θ ,0≤θ≤π 2 B.ρ= 1 cos θ+sin θ ,0≤θ≤π 4 C.ρ=cos θ+sin θ,0≤θ≤π 2 D.ρ=cos θ+sin θ,0≤θ≤π 4 A [∵y=1-x(0≤x≤1), ∴ρsin θ=1-ρcos θ(0≤ρcos θ≤1), ∴ρ= 1 sin θ+cos θ 0≤θ≤π 2 .] 4.在极坐标系中,曲线 C1 和 C2 的方程分别为ρsin2 θ=cos θ和ρsin θ=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,则 曲线 C1 和 C2 的交点的直角坐标为________. (1,1) [由ρsin2θ=cos θ⇒ρ2sin2θ=ρcos θ⇒y2=x,又由ρsin θ=1⇒y=1,联 立 y2=x, y=1 ⇒ x=1, y=1. 故曲线 C1 和 C2 交点的直角坐标为(1,1).] 5.在极坐标系中,圆ρ=8sin θ上的点到直线θ=π 3(ρ∈R)距离的最大值是 ________. 6 [圆ρ=8sin θ即ρ2=8ρsin θ,化为直角坐标方程为 x2+(y-4)2=16,直线θ =π 3 ,则 tan θ= 3,化为直角坐标方程为 3x-y=0,圆心(0,4)到直线的距离为 |-4| 4 =2,所以圆上的点到直线距离的最大值为 2+4=6.] 平面直角坐标系中的伸缩变换(题组呈现) 1.求椭圆x2 4 +y2=1 经过伸缩变换 x′=1 2x, y′=y 后的曲线方程. [解] 由 x′=1 2x, y′=y, 得到 x=2x′, y=y′. ① 将①代入x2 4 +y2=1,得4x′2 4 +y′2=1,即 x′2+y′2=1. 因此椭圆x2 4 +y2=1 经伸缩变换后得到的曲线方程是 x2+y2=1. 2.将圆 x2 +y2 =1 变换为椭圆x2 9 +y2 4 =1 的一个伸缩变换公式为φ: X=axa>0, Y=byb>0, 求 a,b 的值. [解] 由 X=ax, Y=by 得 x=1 aX, y=1 bY, 代入 x2+y2=1 中得X2 a2 +Y2 b2 =1, 所以 a2=9,b2=4,即 a=3,b=2. [规律方法] 平面上的曲线 y=fx在变换φ: x′=λxλ>0, y′=μyμ>0 的作用下的 变换方程的求法是将 x=x′ λ , y=y′ μ 代入 y=fx,得y′ μ =f x′ λ ,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′. 极坐标系与直角坐标系的互化(例题对讲) 【例 1】 (2019·合肥质检)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 θ-π 3 =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 θ-π 3 =1 得 ρ 1 2cos θ+ 3 2 sin θ =1. 从而曲线 C 的直角坐标方程为 1 2x+ 3 2 y=1,即 x+ 3y-2=0. 当θ=0 时,ρ=2,所以 M(2,0). 当θ=π 2 时,ρ=2 3 3 ,所以 N 2 3 3 ,π 2 . (2)M 点的直角坐标为(2,0),N 点的直角坐标为 0,2 3 3 . 所以 P 点的直角坐标为 1, 3 3 , 则 P 点的极坐标为 2 3 3 ,π 6 . 所以直线 OP 的极坐标方程为θ=π 6(ρ∈R). [规律方法] 极坐标方程与直角坐标方程的互化方法 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,ρ2-2 2ρcos θ-π 4 =2. (1)把圆 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, 所以圆 O1 的直角坐标方程为 x2+y2=4. 因为ρ2-2 2ρcos θ-π 4 =2, 所以ρ2-2 2ρ cos θcosπ 4 +sin θsinπ 4 =2, 即ρ2-2ρcos θ-2ρsin θ=2. 所以圆 O2 的直角坐标方程为 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 θ+π 4 = 2 2 . 极坐标方程的应用(例题对讲) 【例 2】 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=π 4(ρ∈R),设 C2 与 C3 的交点为 M,N,求 △C2MN 的面积. [解] (1)因为 x=ρcos θ,y=ρsin θ, 所以 C1 的极坐标方程为ρcos θ=-2, C2 的极坐标方程为ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0. (2)将θ=π 4 代入ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0,得 ρ2-3 2ρ+4=0,解得ρ1=2 2,ρ2= 2. 故ρ1-ρ2= 2,即|MN|= 2. 由于 C2 的半径为 1,所以△C2MN 的面积为1 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,有助于增加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. (2019·广州调研)在极坐标系中,求直线ρsin θ+π 4 =2 被圆ρ=4 截得的弦长. [解] 由ρsin θ+π 4 =2,得 2 2 (ρsin θ+ρcos θ)=2, 可化为 x+y-2 2=0.圆ρ=4 可化为 x2+y2=16, 圆心(0,0)到直线 x+y-2 2=0 的距离 d=|-2 2| 2 =2, 由圆中的弦长公式,得弦长 l=2 r2-d2=2 42-22=4 3. 故所求弦长为 4 3. 1.(2018·全国卷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 轴右边的射线 为 l1,y 轴左边的射线为 l2.由于 B 在圆 C2 的外面,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|-k+2| k2+1 =2,故 k=-4 3 或 k=0.经检验,当 k=0 时,l1 与 C2 没有公共点;当 k=-4 3 时, l1 与 C2 只有一个公共点,l2 与 C2 有两个公共点. 当 l2 与 C2 只有一个公共点时,A 到 l2 所在直线的距离为 2,所以 |k+2| k2+1 =2, 故 k=0 或 k=4 3.经检验,当 k=0 时,l1 与 C2 没有公共点;当 k=4 3 时,l2 与 C2 没 有公共点. 综上,所求 C1 的方程为 y=-4 3|x|+2. 2.(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 2,π 3 ,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= 4 cos θ. 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=1 2|OA|·ρB·sin∠AOB=4cos α·|sin α-π 3 | =2|sin 2α-π 3 - 3 2 |≤2+ 3. 当α=- π 12 时,S 取得最大值 2+ 3. 所以△OAB 面积的最大值为 2+ 3. 3 . (2016· 全 国 卷 Ⅰ) 在 直 角 坐 标 系 xOy 中 , 曲 线 C1 的 参 数 方 程 为 x=acos t, y=1+asin t, (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=4cos θ. (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 tan α0=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,则 C1 是以(0,1) 为圆心,a 为半径的圆. 将 x=ρcos θ,y=ρsin θ代入 C1 的普通方程中,得到 C1 的极坐标方程为ρ2- 2ρsin θ+1-a2=0. (2)曲线 C1,C2 的公共点的极坐标满足方程组 ρ2-2ρsin θ+1-a2=0, ρ=4cos θ. 若ρ≠0,由方程组得 16cos2θ-8sin θcos θ+1-a2=0, 由已知 tan θ=2,可得 16cos2θ-8sin θcos θ=0, 从而 1-a2=0,解得 a=-1(舍去)或 a=1. 当 a=1 时,极点也为 C1,C2 的公共点,且在 C3 上. 所以 a=1.