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文档介绍
【数学】2019届一轮复习北师大版坐标系与参数方程学案文
第1课时 坐标系 最新考纲 考情考向分析 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. 会求伸缩变换,求点的极坐标和应用直线、圆的极坐标方程是重点,主要与参数方程相结合进行考查,以解答题的形式考查,难度中档. 1.平面直角坐标系 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,简称伸缩变换. 2.极坐标系 (1)极坐标与极坐标系的概念 在平面内取一个定点O,自点O引一条射线Ox,同时确定一个长度单位和计算角度的正方向(通常取逆时针方向),这样就建立了一个极坐标系.点O称为极点,射线Ox称为极轴.平面内任一点M的位置可以由线段OM的长度ρ和从射线Ox到射线OM的角度θ来刻画(如图所示).这两个数组成的有序数对(ρ,θ)称为点M的极坐标.ρ称为点M的极径,θ称为点M的极角.一般认为ρ≥0.当极角θ的取值范围是[0,2π)时,平面上的点(除去极点)就与极坐标(ρ,θ)(ρ≠0)建立一一对应的关系.我们设定,极点的极坐标中,极径ρ=0,极角θ可取任意角. (2)极坐标与直角坐标的互化 设M为平面内的一点,它的直角坐标为(x,y),极坐标为(ρ,θ).由图可知下面关系式成立: 或 这就是极坐标与直角坐标的互化公式. 3.常见曲线的极坐标方程 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) 过极点,倾斜角为α的直线 θ=α(ρ∈R) 或θ=π+α(ρ∈R) 过点(a,0),与极轴垂直的直线 ρcos θ=a 过点,与极轴平行的直线 ρsin θ=a(0<θ<π) 题组一 思考辨析 1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”) (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.( × ) 题组二 教材改编 2.若以直角坐标系的原点为极点,x轴的正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≤ 答案 A 解析 ∵y=1-x(0≤x≤1), ∴ρsin θ=1-ρcos θ(0≤ρcos θ≤1); ∴ρ=. 3.在极坐标系中,圆ρ=-2sin θ的圆心的极坐标是( ) A. B. C.(1,0) D.(1,π) 答案 B 解析 方法一 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. 方法二 由ρ=-2sin θ=2cos,知圆心的极坐标为,故选B. 题组三 易错自纠 4.在极坐标系中,已知点P,则过点P且平行于极轴的直线方程是( ) A.ρsin θ=1 B.ρsin θ= C.ρcos θ=1 D.ρcos θ= 答案 A 解析 先将极坐标化成直角坐标表示,P转化为直角坐标为x=ρcos θ=2cos =,y=ρsin θ=2sin =1,即(,1),过点(,1)且平行于x轴的直线为y=1,再化为极坐标为ρsin θ=1. 5.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.若曲线C的极坐标方程为ρ=2sin θ,则曲线C的直角坐标方程为 . 答案 x2+y2-2y=0 解析 由ρ=2sin θ,得ρ2=2ρsin θ,所以曲线C的直角坐标方程为x2+y2-2y=0. 6.在以O为极点的极坐标系中,圆ρ=4sin θ和直线ρsin θ=a相交于A,B两点.当△AOB是等边三角形时,求a的值. 解 由ρ=4sin θ可得圆的直角坐标方程为x2+y2=4y, 即x2+(y-2)2=4. 由ρsin θ=a可得直线的直角坐标方程为y=a(a>0). 设圆的圆心为O′,y=a与x2+(y-2)2=4的两交点A,B与O构成等边三角形,如图所示. 由对称性知∠O′OB=30°,OD=a. 在Rt△DOB中,易求DB=a, ∴B点的坐标为. 又∵B在x2+y2-4y=0上, ∴2+a2-4a=0, 即a2-4a=0,解得a=0(舍去)或a=3. 题型一 极坐标与直角坐标的互化 1.(2016·北京改编)在极坐标系中,已知曲线C1:ρcos θ-ρsin θ-1=0,C2:ρ=2cos θ. (1)求曲线C1,C2的直角坐标方程,并判断两曲线的形状; (2)若曲线C1,C2交于A,B两点,求两交点间的距离. 解 (1)∵C1:ρcos θ-ρsin θ-1=0, ∴x-y-1=0,表示一条直线. 由C2:ρ=2cos θ,得ρ2=2ρcos θ, ∴x2+y2=2x,即(x-1)2+y2=1. ∴C2是圆心为(1,0),半径为1的圆. (2)由(1)知,点(1,0)在直线x-y-1=0上, ∴直线C1过圆C2的圆心. 因此两交点A,B的连线是圆C2的直径. ∴两交点A,B间的距离|AB|=2r=2. 2.(1)以直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系,求线段y=1-x(0≤x≤1)的极坐标方程. (2)在极坐标系中,曲线C1和C2的方程分别为ρsin2θ=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,求曲线C1和C2交点的直角坐标. 解 (1)∵ ∴y=1-x化成极坐标方程为ρcos θ+ρsin θ=1, 即ρ=. ∵0≤x≤1,∴线段在第一象限内(含端点),∴0≤θ≤. (2)∵x=ρcos θ,y=ρsin θ,由ρsin2θ=cos θ, 得ρ2sin2θ=ρcos θ, ∴曲线C1的直角坐标方程为y2=x. 由ρsin θ=1,得曲线C2的直角坐标方程为y=1. 由得 故曲线C1与曲线C2交点的直角坐标为(1,1). 思维升华 (1)极坐标与直角坐标互化的前提条件:①极点与原点重合;②极轴与x轴的正半轴重合;③取相同的单位长度. (2)直角坐标方程化为极坐标方程比较容易,只要运用公式x=ρcos θ及y=ρsin θ直接代入并化简即可;而极坐标方程化为直角坐标方程则相对困难一些,解此类问题常通过变形,构造形如ρcos θ,ρsin θ,ρ2的形式,进行整体代换. 题型二 求曲线的极坐标方程 典例 将圆x2+y2=1上每一点的横坐标保持不变,纵坐标变为原来的2倍,得到曲线C. (1)求曲线C的标准方程; (2)设直线l:2x+y-2=0与C的交点为P1,P2,以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,求过线段P1P2的中点且与直线l垂直的直线的极坐标方程. 解 (1)设(x1,y1)为圆上的点,在已知变换下变为曲线C上的点(x,y),由题意,得 由x21+y=1,得x2+2=1, 即曲线C的标准方程为x2+=1. (2)由解得或 不妨设P1(1,0),P2(0,2),则线段P1P2的中点坐标为,所求直线的斜率为k=, 于是所求直线方程为y-1=, 化为极坐标方程,并整理得2ρcos θ-4ρsin θ=-3, 故所求直线的极坐标方程为ρ=. 思维升华 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. 跟踪训练 已知极坐标系的极点为直角坐标系xOy的原点,极轴为x轴的正半轴,两种坐标系中的长度单位相同,圆C的直角坐标方程为x2+y2+2x-2y=0,直线l的参数方程为(t为参数),射线OM的极坐标方程为θ=. (1)求圆C和直线l的极坐标方程; (2)已知射线OM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)∵ρ2=x2+y2,x=ρcos θ,y=ρsin θ, 圆C的直角坐标方程为x2+y2+2x-2y=0, ∴ρ2+2ρcos θ-2ρsin θ=0, ∴圆C的极坐标方程为ρ=2sin. 又直线l的参数方程为(t为参数), 消去t后得y=x+1, ∴直线l的极坐标方程为sin θ-cos θ=. (2)当θ=时,|OP|=2sin=2, ∴点P的极坐标为,|OQ|==, ∴点Q的极坐标为,故线段PQ的长为. 题型三 极坐标方程的应用 典例 (2017·全国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)设点P的极坐标为(ρ,θ)(ρ>0),点M的极坐标为(ρ1,θ)(ρ1>0).由题意知|OP|=ρ,|OM|=ρ1=. 由|OM|·|OP|=16,得C2的极坐标方程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+. 思维升华 极坐标应用中的注意事项 (1)极坐标与直角坐标互化的前提条件:①极点与原点重合;②极轴与x轴正半轴重合;③取相同的长度单位. (2)若把直角坐标化为极坐标求极角θ时,应注意判断点P所在的象限(即角θ的终边的位置),以便正确地求出角θ.利用两种坐标的互化,可以把不熟悉的问题转化为熟悉的问题. (3)由极坐标的意义可知平面上点的极坐标不是唯一的,如果限定ρ取正值,θ∈[0,2π),平面上的点(除去极点)与极坐标(ρ,θ)(ρ≠0)建立一一对应关系. 跟踪训练 (2017·广州调研)在极坐标系中,求直线ρsin=2被圆ρ=4截得的弦长. 解 由ρsin=2,得(ρsin θ+ρcos θ)=2,可化为x+y-2=0.圆ρ=4可化为x2+y2=16, 圆心(0,0)到直线x+y-2=0的距离d==2, 由圆中的弦长公式,得弦长 l=2=2=4. 故所求弦长为4. 1.(2018·武汉模拟)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. 2.在极坐标系(ρ,θ)(0≤θ<2π)中,求曲线ρ(cos θ+sin θ)=1与ρ(sin θ-cos θ)=1的交点的极坐标. 解 曲线ρ(cos θ+sin θ)=1化为直角坐标方程为x+y=1,ρ(sin θ-cos θ)=1化为直角坐标方程为y-x=1. 联立方程组得 则交点为(0,1),对应的极坐标为. 3.在极坐标系中,求曲线ρ=2cos θ关于直线θ=对称的曲线的极坐标方程. 解 以极点为坐标原点,极轴为x轴正半轴建立直角坐标系,则曲线ρ=2cos θ的直角坐标方程为(x-1)2+y2=1,且圆心为(1,0). 直线θ=的直角坐标方程为y=x, 因为圆心(1,0)关于y=x的对称点为(0,1), 所以圆(x-1)2+y2=1关于y=x的对称曲线为x2+(y-1)2=1. 所以曲线ρ=2cos θ关于直线θ=对称的曲线的极坐标方程为ρ=2sin θ. 4.(2017·贵阳调研)在以直角坐标系中的原点O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,已知曲线的极坐标方程为ρ=. (1)将曲线的极坐标方程化为直角坐标方程; (2)过极点O作直线l交曲线于点P,Q,若|OP|=3|OQ|,求直线l的极坐标方程. 解 (1)∵ρ=,ρsin θ=y, ∴ρ=化为ρ-ρsin θ=2, ∴曲线的直角坐标方程为x2=4y+4. (2)设直线l的极坐标方程为θ=θ0(ρ∈R), 根据题意=3·, 解得θ0=或θ0=, ∴直线l的极坐标方程为θ=(ρ∈R)或θ=(ρ∈R). 5.已知圆C的极坐标方程为ρ2+2ρsin-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. 6.在极坐标系中,P是曲线C1:ρ=12sin θ上的动点,Q是曲线C2:ρ=12cos上的动点,求|PQ|的最大值. 解 对曲线C1的极坐标方程进行转化, ∵ρ=12sin θ,∴ρ2=12ρsin θ,∴x2+y2-12y=0, 即x2+(y-6)2=36. 对曲线C2的极坐标方程进行转化, ∵ρ=12cos, ∴ρ2=12ρ, ∴x2+y2-6x-6y=0,∴(x-3)2+(y-3)2=36, ∴|PQ|max=6+6+=18. 7.以原点O为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,直线l的方程为ρsin=-,⊙C的极坐标方程为ρ=4cos θ+2sin θ. (1)求直线l和⊙C的直角坐标方程; (2)若直线l与圆C交于A,B两点,求弦AB的长. 解 (1)直线l:ρsin=-, ∴ρ=-, ∴y·-x·=-,即y=-x+2. ⊙C:ρ=4cos θ+2sin θ,ρ2=4ρcos θ+2ρsin θ, ∴x2+y2=4x+2y,即x2+y2-4x-2y=0. (2)⊙C:x2+y2-4x-2y=0,即(x-2)2+(y-1)2=5. ∴圆心C(2,1),半径R=, ∴⊙C的圆心C到直线l的距离 d==, ∴|AB|=2=2 =. ∴弦AB的长为. 8.(2016·全国Ⅰ)在直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为(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,C1是以(0,1)为圆心,a为半径的圆. 将x=ρcos θ,y=ρsin θ代入C1的直角坐标方程中,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 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),a=1. 当a=1时,极点也为C1,C2的公共点,在C3上. 所以a=1. 9.在极坐标系中,已知圆C的圆心C,半径r=3. (1)求圆C的极坐标方程; (2)若点Q在圆C上运动,点P在OQ的延长线上,且=2,求动点P的轨迹方程. 解 (1)设M(ρ,θ)是圆C上除极点外的任意一点. 在△OCM中,∠COM=,由余弦定理,得 |CM|2=|OM|2+|OC|2-2|OM|·|OC|cos, 化简得ρ=6cos. ∵极点也适合上式, ∴圆C的极坐标方程为ρ=6cos. (2)设点Q(ρ1,θ1),P(ρ,θ), 由=2,得=, ∴ρ1=ρ,θ1=θ, 代入圆C的方程,得 ρ=6cos,即ρ=9cos. 10.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=(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=代入ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0, 得ρ2-3ρ+4=0,解得ρ1=2,ρ2=. 故ρ1-ρ2=,即|MN|=. 由于C2的半径为1,所以△C2MN为等腰直角三角形, 所以△C2MN的面积为. 11.在直角坐标系xOy中,以坐标原点O为极点,x轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C1:ρ2-4ρcos θ+3=0,θ∈[0,2π],曲线C2:ρ=,θ∈[0,2π]. (1)求曲线C1的一个参数方程; (2)若曲线C1和曲线C2相交于A,B两点,求|AB|的值. 解 (1)由ρ2-4ρcos θ+3=0, 可得x2+y2-4x+3=0. ∴(x-2)2+y2=1. 令x-2=cos α,y=sin α, ∴C1的一个参数方程为(α为参数,α∈R). (2)C2:4ρ=3, ∴4=3,即2x-2y-3=0. ∵直线2x-2y-3=0与圆(x-2)2+y2=1相交于A,B两点,且圆心到直线的距离d=, ∴|AB|=2× =2×=. 12.已知曲线C的参数方程为(α为参数),以直角坐标系的原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系. (1)求曲线C的极坐标方程; (2)若直线l的极坐标方程为ρ(sin θ+cos θ)=1,求直线l被曲线C截得的弦长. 解 (1)曲线C的参数方程为 (α为参数), ∴曲线C的普通方程为(x-2)2+(y-1)2=5. 将代入并化简得ρ=4cos θ+2sin θ, 即曲线C的极坐标方程为ρ=4cos θ+2sin θ. (2)∵l的直角坐标方程为x+y-1=0, ∴圆心C(2,1)到直线l的距离d==, ∴弦长为2=2. 13.在极坐标系中,曲线C:ρ=2acos θ(a>0),l:ρcos=,C与l有且仅有一个公共点. (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)曲线C:ρ=2acos θ(a>0),变形为ρ2=2aρcos θ, 化为x2+y2=2ax,即(x-a)2+y2=a2, ∴曲线C是以(a,0)为圆心,以a为半径的圆. 由l:ρcos=, 展开为ρcos θ+ρsin θ=, ∴l的直角坐标方程为x+y-3=0. 由题意可知直线l与圆C相切, 即=a,解得a=1. (2)由(1)知,曲线C:ρ=2cos θ. 不妨设A的极角为θ,B的极角为θ+, 则|OA|+|OB|=2cos θ+2cos=3cos θ-sin θ=2cos,当θ=时,|OA|+|OB|取得最大值2. 14.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,M,N分别为C与x轴,y轴的交点. (1)写出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).查看更多