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- 2021-06-11 发布
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第1讲 坐标系与参数方程
高考主要考查平面直角坐标系中的伸缩变换、直线和圆的极坐标方程;参数方程与普通方程的互化,常见曲线的参数方程及参数方程的简单应用.以极坐标、参数方程与普通方程的互化为主要考查形式,同时考查直线与曲线位置关系等解析几何知识.
热点一 极坐标与直角坐标的互化
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轴正半轴作为极轴,且在两坐标系中取相同的长度单位.如图,设M是平面内的任意一点,它的直角坐标、极坐标分别为(x,y)和(ρ,θ),
则
例1 (2017届江苏省苏北三市(连云港、徐州、宿迁)三模)在极坐标系中,已知点A,点B在直线l:ρcos θ+ρsin θ=0(0≤θ<2π)上.当线段AB最短时,求点B的极坐标.
解 以极点为原点,极轴为x轴正半轴,建立平面直角坐标系,则点A的直角坐标为(0,2),直线l的直角坐标方程为x+y=0.
当线段AB最短时,点B为直线x-y+2=0与直线l的交点,
解 得
所以点B的直角坐标为(-1,1).
所以点B的极坐标为.
思维升华
(1)在由点的直角坐标化为极坐标时,一定要注意点所在的象限和极角的范围,否则点的极坐标将不唯一.
(2)在与曲线的方程进行互化时,一定要注意变量的范围,要注意转化的等价性.
跟踪演练1 (2017届河北省唐山市三模)点P是曲线C1:(x-2)2+y2=4上的动点,以坐标原点O为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,以极点O为中心,将点P逆时针旋转90°得到点Q,设点Q的轨迹方程为曲线C2.
(1)求曲线C1,C2的极坐标方程;
(2)射线θ=(ρ>0)与曲线C1,C2分别交于A,B两点,定点M(2,0),求△MAB的面积.
解 (1)曲线C1的极坐标方程为ρ=4cos θ.
设Q(ρ,θ),则P,
则ρ=4cos=4sin θ.
所以曲线C2的极坐标方程为ρ=4sin θ.
(2)M到射线θ=的距离为
d=2sin =,
|AB|=ρB-ρA=4=2(-1),
则S=|AB|×d=3-.
热点二 参数方程与普通方程的互化
1.直线的参数方程
过定点M(x0,y0),倾斜角为α的直线l的参数方程为(t为参数).
2.圆的参数方程
圆心在点M(x0,y0),半径为r的圆的参数方程为(θ为参数,0≤θ≤2π).
3.圆锥曲线的参数方程
(1)椭圆+=1的参数方程为(θ为参数).
(2)抛物线y2=2px(p>0)的参数方程为(t为参数).
例2 (2017·全国Ⅰ)在直角坐标系xOy中,曲线C的参数方程为 (θ为参数),直线l的参数方程为(t为参数).
(1)若a=-1,求C与l的交点坐标;
(2)若C上的点到l的距离的最大值为,求a.
解 (1)曲线C的普通方程为+y2=1.
当a=-1时,直线l的普通方程为x+4y-3=0.
由
解得或
从而C与l的交点坐标是(3,0),.
(2)直线l的普通方程是x+4y-4-a=0,故C上的点(3cos θ,sin θ)到l的距离为d==,其中tan φ=,
当a≥-4时,d的最大值为 .
由题设得=,所以a=8;
当a<-4时,d的最大值为.
由题设得=,所以a=-16.
综上,a=8或a=-16.
思维升华 (1)将参数方程化为普通方程,需要根据参数方程的结构特征,选取适当的消参方法.常见的消参方法有代入消参法,加减消参法,平方消参法等.
(2)将参数方程化为普通方程时,要注意两种方程的等价性,不要增解、漏解,若x,y有范围限制,要标出x,y的取值范围.
跟踪演练2 (2017届广西柳州市模拟)以直角坐标系的原点O为极点,x轴的正半轴为极轴,且两个坐标系取相等的单位长度.已知直线l的参数方程是 (t为参数),曲线C的极坐标方程是ρcos2θ=2sin θ.
(1)写出直线l的普通方程和曲线C的直角坐标方程;
(2)设直线l与曲线C相交于A,B两点,点M为AB的中点,点P的极坐标为,求|PM|的值.
解 (1)因为直线的参数方程是(t为参数),
消去参数t,得直线l的普通方程为x-y+3=0.
由曲线C的极坐标方程ρcos2θ=2sin θ,
得ρ2cos2θ=2ρsin θ,
所以曲线C的直角坐标方程为x2=2y.
(2)由得x2-2x-6=0,
设A(x1,y1),B(x2,y2),
则AB的中点M.
因为x1+x2=2,所以M(1,4),
又点P的直角坐标为(1,1),
所以|PM|==3.
热点三 极坐标、参数方程的综合应用
解决与圆、圆锥曲线的参数方程有关的综合问题时,要注意普通方程与参数方程的互化公式,主要是通过互化解决与圆、圆锥曲线上动点有关的问题,如最值、范围等.
例3 (2017届福建省泉州市质检)在平面直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(α为参数);在以O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2的极坐标方程为ρcos2θ=sin θ.
(1)求C1的普通方程和C2的直角坐标方程;
(2)若射线l:y=kx(x≥0)分别交C1,C2于A,B两点(A,B异于原点),当k∈(1,]时,求|OA|·|OB|的取值范围.
解 (1)由(α为参数),
可得(x-1)2+y2=cos2α+sin2α,
即C1的普通方程为(x-1)2+y2=1.
方程ρcos2θ=sin θ可化为ρ2cos2θ=ρsin θ,(*)
将代入方程(*),可得x2=y,
所以C2的直角坐标方程为x2=y.
(2)联立方程组
解得A.
联立方程组可得B(k,k2),
故|OA|·|OB|=···k=2k,
又k∈(1,],所以|OA|·|OB|∈(2,2].
思维升华 (1)利用参数方程解决问题,要理解参数的几何意义.
(2)解决直线、圆和圆锥曲线的有关问题,将极坐标方程化为直角坐标方程或将参数方程化为普通方程,有助于认识方程所表示的曲线,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.
跟踪演练3 (2017届湖南省长沙市雅礼中学模拟)在平面直角坐标系xOy中,曲线C的参数方程为(θ为参数).在极坐标系(与平面直角坐标系xOy取相同的长度单位,且以原点O为极点,以x轴非负半轴为极轴)中,直线l的方程为ρsin=3.
(1)求曲线C的普通方程及直线l的直角坐标方程;
(2)设P是曲线C上的任意一点,求点P到直线l的距离的最大值.
解 (1)因为2+y2=cos2θ+sin2θ=1,
所以曲线C的普通方程为+y2=1.
由ρsin=3展开,得
ρsin θ-ρcos θ=3,即y-x=3,
因此直线l的直角坐标方程为x-y+3=0.
(2)设P(cos θ,sin θ),
则点P到直线l的距离为
d==≤.
当且仅当sin=-1时等号成立,
此时θ=2kπ+ (k∈Z),即P,
因此点P到直线l的距离的最大值为.
真题体验
1.(2017·北京)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________.
答案 1
解析 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.
2.(2017·全国Ⅱ)在直角坐标系xOy中,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)设点P的极坐标为(ρ,θ)(ρ>0),点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ρ=4cos θ(ρ>0).
所以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
=4cos α
=|sin 2α-cos 2α-|
=2≤2+.
当2α-=-,即α=-时,S取得最大值2+,
所以△OAB面积的最大值为2+.
押题预测
1.已知曲线C的极坐标方程是ρ=4cos θ.以极点为平面直角坐标系的原点,极轴为x轴的非负半轴,建立平面直角坐标系,直线l的参数方程是(t是参数).
(1)将曲线C的极坐标方程化为直角坐标方程;
(2)若直线l与曲线C相交于A,B两点,且|AB|=,求直线的倾斜角α的值.
押题依据 极坐标方程和参数方程的综合问题一直是高考命题的热点.本题考查了等价转换思想,代数式变形能力,逻辑推理能力,是一道颇具代表性的题.
解 (1)由ρ=4cos θ,得ρ2=4ρcos θ.
因为x2+y2=ρ2,x=ρcos θ,所以x2+y2=4x,
即曲线C的直角坐标方程为(x-2)2+y2=4.
(2)将 代入圆的方程(x-2)2+y2=4,
得(tcos α-1)2+(tsin α)2=4,
化简得t2-2tcos α-3=0.
设A,B两点对应的参数分别为t1,t2,
由根与系数的关系,得
所以|AB|=|t1-t2|=
==,
故4cos2α=1,解得cos α=±.
因为直线的倾斜角α∈[0,π),所以α=或.
2.在平面直角坐标系xOy中,曲线C1:(φ为参数),其中a>b>0.以O为极点,x轴的非负半轴为极轴的极坐标系中,曲线C2:ρ=2cos θ,射线l:θ=α(ρ≥0).若射线l与曲线C1交于点P,当α=0时,射线l与曲线C2交于点Q,|PQ|=1;当α=时,射线l与曲线C2交于点O,|OP|=.
(1)求曲线C1的普通方程;
(2)设直线l′:(t为参数,t≠0)与曲线C2交于点R,若α=,求△OPR的面积.
押题依据 将椭圆和直线的参数方程、圆和射线的极坐标方程相交汇,考查相应知识的理解和运用,解题中,需要将已知条件合理转化,灵活变形,符合高考命题趋势.
解 (1)因为曲线C1的参数方程为(φ为参数),且a>b>0,所以曲线C1的普通方程为+=1,而其极坐标方程为+=1.
将θ=0(ρ≥0)代入+=1,
得ρ=a,即点P的极坐标为;
将θ=0(ρ≥0)代入ρ=2cos θ,得ρ=2,
即点Q的极坐标为(2,0).
因为|PQ|=1,所以|PQ|=|a-2|=1,
所以a=1或a=3.
将θ=(ρ≥0)代入+=1,
得ρ=b,即点P的极坐标为,
因为|OP|=,所以b=.又因为a>b>0,所以a=3,
所以曲线C1的普通方程为+=1.
(2)因为直线l′的参数方程为(t为参数,t≠0),
所以直线l′的普通方程为y=-x(x≠0),
而其极坐标方程为θ=-(ρ∈R,ρ≠0),
所以将直线l′的方程θ=-代入曲线C2的方程ρ=2cos θ,得ρ=1,即|OR|=1.
因为将射线l的方程θ=(ρ≥0)代入曲线C1的方程+=1,
得ρ=,即|OP|=,
所以S△OPR=|OP||OR|sin∠POR
=××1×sin =.
A组 专题通关
1.(2017届哈尔滨市第三中学二模)圆锥曲线C的极坐标方程为ρ2(1+sin2θ)=2.
(1)以极点为原点,x轴非负半轴为极轴建立平面直角坐标系,求曲线C的直角坐标方程,并求曲线C在直角坐标系下的焦点坐标以及在极坐标系下的焦点坐标;
(2)直线l的极坐标方程为θ=(ρ∈R),若曲线C上的点M到直线l的距离最大,求点M的坐标(直角坐标和极坐标均可).
解 (1)曲线C的直角坐标方程为+y2=1,
焦点的直角坐标为F1(-1,0),F2(1,0).
焦点的极坐标为F1(1,π),F2(1,0).
(2)直线l的直角坐标方程为y=x,
曲线C:+y2=1,
设直线m:y=x+t,
即当直线m与曲线C相切时,切点M到直线l的距离最大.
由
化简得7x2+4tx+2t2-2=0,
Δ=48t2-56(t2-1)=0,解得t=±,
x=±,y=∓,
所以M或M.
2.已知曲线C的参数方程为(φ为参数),以原点为极点,x轴的非负半轴为极轴建立极坐标系.
(1)求曲线C的极坐标方程;
(2)已知倾斜角为135°且过点P(1,2)的直线l与曲线C交于M,N两点,求+的值.
解 (1)依题意知,曲线C的普通方程为
x2+(y-3)2=9,即x2+y2-6y=0,
故x2+y2=6y,故ρ2=6ρsin θ,
故所求极坐标方程为ρ=6sin θ.
(2)设直线l为(t为参数),
将此参数方程代入x2+y2-6y=0中,
化简可得t2-2t-7=0,显然Δ>0.
设M,N所对应的参数分别为t1,t2,
故
+====.
3.(2017届四川省成都市九校模拟)在平面直角坐标系xOy中,已知曲线C为(α为参数),在以原点O为极点,x轴的非负半轴为极轴建立的极坐标系中,直线l的极坐标方程为ρcos=-1.
(1)求曲线C的普通方程和直线l的直角坐标方程;
(2)过点M(-1,0)且与直线l平行的直线l1交C于A,B两点,求点M到A,B两点的距离之积.
解 (1)曲线C化为普通方程为+y2=1,
由ρcos=-1,
得ρcos θ-ρsin θ=-2,
所以直线l的直角坐标方程为x-y+2=0.
(2)直线l1的参数方程为(t为参数),
代入+y2=1化简,得2t2-t-2=0.
设A,B两点所对应的参数分别为t1,t2,
则t1t2=-1,
所以|MA||MB|=|t1t2|=1.
4.(2017·全国Ⅲ)在直角坐标系xOy中,直线l1的参数方程为(t为参数),直线l2的参数方程为(m为参数).设l1与l2的交点为P,当k变化时,P的轨迹为曲线C.
(1)写出C的普通方程;
(2)以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,设l3:ρ(cos θ+sin θ)-=0,M为l3与C的交点,求M的极径.
解 (1)消去参数t,得l1的普通方程l1:y=k(x-2);
消去参数m,得l2的普通方程l2:y=(x+2).
设P(x,y),由题设得
消去k,得x2-y2=4(y≠0),
所以C的普通方程为x2-y2=4(y≠0).
(2)C的极坐标方程为ρ2(cos2θ-sin2θ)=4(0<θ<2π,θ≠π),
联立得
cos θ-sin θ=2(cos θ+sin θ).
故tan θ=-,从而cos2θ=,sin2θ=.
代入ρ2(cos2θ-sin2θ)=4,得ρ2=5,
所以l3与C的交点M的极径为.
5.(2017届江西省重点中学协作体联考)已知直线l的参数方程为(t为参数),曲线C的参数方程为(θ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,点P的极坐标为.
(1)求直线l以及曲线C的极坐标方程;
(2)设直线l与曲线C交于A,B两点,求△PAB的面积.
解 (1)由
消去t得y=x,
则ρsin θ=ρcos θ,∴θ=,
∴直线l的极坐标方程为θ=(ρ∈R).
曲线C:(x-1)2+(y-2)2=4,
则(ρcos θ-1)2+(ρsin θ-2)2=4,
∴曲线C的极坐标方程为
ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+9=0.
(2)由
得到ρ2-7ρ+9=0,设其两根为ρ1,ρ2,
则ρ1+ρ2=7,ρ1ρ2=9,
∴|AB|=|ρ2-ρ1|==.
∵点P的极坐标为,
∴|OP|=2,∠POB=,
∴S△PAB=|S△POB-S△POA|
=××2×|AB|=.
B组 能力提高
6.(2017届广东省深圳市一模)在直角坐标系xOy中,已知曲线E经过点P,其参数方程为 (α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.
(1)求曲线E的极坐标方程;
(2)若直线l交E于点A,B,且OA⊥OB,求证:+为定值,并求出这个定值.
(1)解 将点P代入曲线E的方程得
解得a2=3,
所以曲线E的普通方程为+=1,
极坐标方程为ρ2=1.
(2)证明 不妨设点A,B的极坐标分别为A(ρ1,θ),B,ρ1>0,ρ2>0,
则
即
所以+=,即+=,
所以+为定值.
7.(2017届广西玉林、贵港质检)已知在平面直角坐标系xOy中,以O为极点,x轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,P点的极坐标为,曲线C的参数方程为ρ=2cos(θ为参数).
(1)写出点P的直角坐标及曲线C的直角坐标方程;
(2)若Q为曲线C上的动点,求PQ的中点M到直线l:2ρcos θ+4ρsin θ=的距离的最小值.
解 (1)点P的直角坐标为,
由ρ=2cos,
得ρ2=ρcos θ+ρsin θ, ①
将ρ2=x2+y2,ρcos θ=x,ρsin θ=y代入①,
可得曲线C的直角坐标方程为
2+2=1.
(2)直线2ρcos θ+4ρsin θ=的直角坐标方程为2x+4y-=0,
设点Q的直角坐标为,
则M,
∴M到直线l的距离
d=
=
=,其中tan φ=.
∴d≥=(当且仅当sin(θ+φ)=-1时取等号),
∴M到直线l:2ρcos θ+4ρsin θ=的距离的最小值为.
8.(2017届四川省大教育联盟三诊)已知α∈[0,π),在直角坐标系xOy中,直线l1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,直线l2的极坐标方程为ρcos(θ-α)=2sin.
(1)求证:l1⊥l2;
(2)设点A的极坐标为,P为直线l1,l2的交点,求|OP||AP|的最大值.
(1)证明 易知直线l1的普通方程为xsin α-ycos α=0.
又ρcos(θ-α)=2sin可变形为
ρcos θcos α+ρsin θsin α=2sin,
即直线l2的直角坐标方程为
xcos α+ysin α-2sin=0.
因为sin αcos α+(-cos α)sin α=0,
根据两直线垂直的条件可知,l1⊥l2.
(2)解 当ρ=2,θ=时,
ρcos(θ-α)=2cos=2sin,
所以点A在直线ρcos(θ-α)=2sin上.
设点P到直线OA的距离为d,由l1⊥l2可知,d的最大值为=1.
于是|OP||AP|=d·|OA|=2d≤2,
所以|OP||AP|的最大值为2.