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- 2021-06-09 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] 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=axa>0,
Y=byb>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=fx在变换φ: x′=λxλ>0,
y′=μyμ>0
的作用下的
变换方程的求法是将
x=x′
λ
,
y=y′
μ
代入 y=fx,得y′
μ
=f
x′
λ ,整理之后得到
y′=hx′,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.