极坐标 一、内容回顾1.平面直角坐标系中的伸缩变换设点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,简称伸缩变换. 2.极坐标系(1)设M 是平面内一点,极点O 与点M 的距离|OM |叫作点M 的极径,记为ρ.以极轴Ox 为始边,射线OM 为终边的角xOM 叫作点M 的极角,记为θ.有序数对(ρ,θ)叫作点M 的极坐标,记作M (ρ,θ).(2)极坐标与直角坐标的关系:把直角坐标系的原点作为极点,x 轴的正半轴作为极轴,并在两种坐标系中取相同的长度单位,设M 是平面内任意一点,它的直角坐标是(x ,y ),极坐标为(ρ,θ),则它们之间的关系为x =ρcos θ,y =ρsin θ,由此得ρ2=x 2+y 2,tan θ=yx (x ≠0).3.常用简单曲线的极坐标方程二、典型例题题型一:平面直角坐标系中图象的变换1.在同一平面直角坐标系中, (1)求x 2+y 2=1在变换φ:⎩⎨⎧='='y y xx 32的作用下,得到的曲线方程【解析】 由题意可得:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'='=32y y x x ,代入x 2+y 2=1,即13222=⎪⎭⎫ ⎝⎛'+⎪⎭⎫ ⎝⎛'y x , 则所得新曲线方程为19422=+y x ;(2)曲线C 在变换φ:⎩⎨⎧='='yy x x 32的作用下得到椭圆x 29+y 24=1.求此曲线C 方程【解析】 由题意可知:将⎩⎨⎧='='yy x x 32,代入x 29+y 24=1,即1499422=+y x ,则所得新曲线方程为1499422=+yx ;(3)求一个伸缩变换,使得圆x 2+y 2=1变换为椭圆x 29+y 24=1.(3)【解析】 设伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x ′=λx ,λ>0,y ′=μy ,μ>0,由题意知,λ2x 29+μ2y 24=1,即2)3(λx 2+2)2(μy 2=1.与x 2+y 2=1比较系数,得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==1)2(1)3(22μλ故⎩⎪⎨⎪⎧ λ=3,μ=2,所以伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x ′=3x ,y ′=2y ,即先使圆x 2+y 2=1上的点的纵坐标不变,将圆上的点的横坐标伸长到原来的3倍,得到椭圆x 29+y 2=1,再将该椭圆的点的横坐标不变,纵坐标伸长到原来的2倍,得到椭圆x 29+y 24=1.题型二 直接用极坐标方程中的ρ解决问题(2019·广州五校联考)在极坐标系中,圆C 是以点C )6,2(π-为圆心,2为半径的圆。
(1)求圆C 的极坐标方程;(2)求圆C 被直线l :θ=-5π12(ρ∈R )所截得的弦长。
解 (1)设所求圆上任意一点,M (ρ,θ),如图,在Rt △OAM 中,∠OMA =π2,∠AOM =2π-θ-π6,|OA |=4。
因为cos ∠AOM =|OM ||OA |,所以|OM |=|OA |·cos ∠AOM ,即ρ=4cos )62(πθπ--=4cos )6(πθ+,验证可知,极点O 与A )6,4(π-的极坐标也满足方程,故ρ=4cos )6(πθ+为所求。
(2)设l :θ=-5π12(ρ∈R )交圆C 于点P ,在Rt △OAP 中,∠OP A =π2,易得∠AOP =π4,所以|OP |=|OA |cos ∠AOP =22。
题型三 极坐标化成直角坐标后解决问题在极坐标系中,直线C 1的极坐标方程为ρsin θ=2,M 是C 1上任意一点,点P 在射线OM 上,且满足|OP |·|OM |=4,记点P 的轨迹为C 2。
(1)求曲线C 2的极坐标方程; (2)求曲线C 2上的点到直线ρcos )4(πθ+=2距离的最大值。
解 (1)设P (ρ1,θ),M (ρ2,θ),由|OP |·|OM |=4,得ρ1ρ2=4,即ρ2=4ρ1。
因为M 是C 1上任意一点,所以ρ2sin θ=2, 即4ρ1sin θ=2,ρ1=2sin θ。
所以曲线C 2的极坐标方程为ρ=2sin θ。
(2)由ρ=2sin θ,得ρ2=2ρsin θ,即x 2+y 2-2y =0, 化为标准方程为x 2+(y -1)2=1, 则曲线C 2的圆心坐标为(0,1),半径为1, 由直线ρcos )4(πθ+=2,得:ρcos θcos π4-ρsin θsin π4=2,即x -y =2,圆心(0,1)到直线x -y =2的距离为 d =|0×1+1×(-1)-2|2=322,所以曲线C 2上的点到直线ρcos )4(πθ+=2距离的最大值为1+322。
题型四 用极坐标方程或转化成直角方程两种方法解决问题(2019·山东淄博二模)在平面直角坐标系xOy 中,直线l 的方程是x =4。
曲线C 的参数方程是⎩⎨⎧x =1+2cos φ,y =1+2sin φ(φ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。
(1)求直线l 和曲线C 的极坐标方程; (2)若射线θ=α)40,0(παρ<<≥与曲线C 交于点O ,A ,与直线l 交于点B ,求|OA ||OB |的取值范围。
解 (1)由ρcos θ=x ,得直线l 的极坐标方程为ρcos θ=4。
曲线C 的参数方程为⎩⎨⎧x =1+2cos φ,y =1+2sin φ(φ为参数),消去参数φ得曲线C 的普通方程为(x -1)2+(y -1)2=2,即x 2+y 2-2x -2y =0,将x 2+y 2=ρ2,x =ρcos θ,y =ρsin θ代入上式得ρ2=2ρcos θ+2ρsin θ, 所以曲线C 的极坐标方程为ρ=2cos θ+2sin θ。
(2)设A (ρ1,α),B (ρ2,α),则ρ1=2cos α+2sin α,ρ2=4cos α,所以|OA ||OB |=ρ1ρ2=(2cos α+2sin α)cos α4=sin αcos α+cos 2α2=14(sin2α+cos2α)+14=24sin )42(πα++14, 因为0<α<π4,所以π4<2α+π4<3π4,所以22<sin )42(πα+≤1,所以12<24sin )42(πα++14≤1+24。
故|OA ||OB |的取值范围是]421,21(+。
(2019·南昌摸底)在平面直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎨⎧x =3+2cos α,y =2+2sin α(α为参数),直线C 2的方程为y =33x ,以O 为极点,以x 轴的非负半轴为极轴建立极坐标系。
①求曲线C 1和直线C 2的极坐标方程;②若直线C 2与曲线C 1交于P ,Q 两点,求|OP |·|OQ |的值。
解 (1)因为曲线C 的极坐标方程为ρ=4cos θ, 所以曲线C 是圆心为(2,0),直径为4的圆。
因为直线l 的极坐标方程为ρsin )6(θπ-=2,则直线l 过A (4,0),倾斜角为π6,所以A 为直线l 与圆C 的一个交点。
设另一个交点为B ,则∠AOB =π6。
连接OB 。
因为OA 为直径,从而∠OBA =π2,所以AB =4cos π6=23。
因此,直线l 被曲线C 截得的弦长为23。
(2)①曲线C 1的普通方程为(x -3)2+(y -2)2=4,即x 2+y 2-23x -4y +3=0, 则曲线C 1的极坐标方程为ρ2-23ρcos θ-4ρsin θ+3=0。
因为直线C 2的方程为y =33x , 所以直线C 2的极坐标方程为θ=π6(ρ∈R )。
②设P (ρ1,θ1),Q (ρ2,θ2),将θ=π6(ρ∈R )代入ρ2-23ρcos θ-4ρsin θ+3=0得,ρ2-5ρ+3=0,所以ρ1ρ2=3,所以|OP |·|OQ |=ρ1ρ2=3。
三、方法归纳1.极坐标系(1)极坐标系内两点间的距离公式设极坐标系内两点P 1(ρ1,θ1),P 2(ρ2,θ2),则|P 1P 2|=ρ21+ρ22-2ρ1ρ2cos (θ1-θ2).特例:当θ1=θ2时,|P 1P 2|=|ρ1-ρ2|. (2)极坐标方程与直角坐标方程的互化①直角坐标方程化为极坐标方程,只须将公式x =ρcos θ及y =ρsin θ直接代入直角坐标方程并化简即可;而极坐标方程化为直角坐标方程,则往往要通过变形,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.②通常情况下,由tan θ确定角θ时,应根据点P 所在象限取最小正角.在这里要注意:当x ≠0时,θ角才能由tan θ=yx 按上述方法确定.当x =0时,tan θ没有意义,这时又分三种情况:当x =0,y =0时,θ可取任何值;当x =0,y >0时,可取θ=π2;当x =0,y <0时,可取θ=3π2.2.求简单曲线的极坐标方程的方法(1)设点M (ρ,θ)为曲线上任意一点,由已知条件,构造出三角形,利用正弦定理求解|OM |与θ的关系; (2)先求出曲线的直角坐标方程,再利用极坐标与直角坐标的变换公式,把直角坐标方程化为极坐标方程.四、高考链接【2019全国Ⅱ卷】在极坐标系中,O 为极点,点0(M ρ,00)(0)θρ>在曲线:4sin C ρθ=上,直线l 过点(4,0)A 且与OM 垂直,垂足为P . (1)当03πθ=时,求0ρ及l 的极坐标方程;(2)当M 在C 上运动且P 在线段OM 上时,求P 点轨迹的极坐标方程.【思路分析】(1)把03πθ=直接代入4sin ρθ=即可求得0ρ,在直线l 上任取一点(,)ρθ,利用三角形中点边角关系即可求得l 的极坐标方程;(2)设(,)P ρθ,在Rt OAP ∆中,根据边与角的关系得答案. 【解析】:(1)当03πθ=时,04sin3πρ==在直线l 上任取一点(,)ρθ,则有cos()23πρθ-=,故l 的极坐标方程为有cos()23πρθ-=;(2)设(,)P ρθ,则在Rt OAP ∆中,有4cos ρθ=,P 在线段OM 上,[4πθ∴∈,]2π, 故P 点轨迹的极坐标方程为4cos ρθ=,[4πθ∈,]2π.⑶.【2019全国Ⅲ卷】如图,在极坐标系Ox 中,(2,0)A ,B )4π,C 3)4π,(2,)D π,弧AB ,BC ,CD 所在圆的圆心分别是(1,0),(1,)2π,(1,)π,曲线1M 是弧AB ,曲线2M 是弧BC ,曲线3M 是弧CD .(1)分别写出1M ,2M ,3M 的极坐标方程;(2)曲线M 由1M ,2M ,3M 构成,若点P 在M 上,且||OP =P 的极坐标.【思路分析】(1)根据弧AB ,BC ,CD 所在圆的圆心分别是(1,0),(1,)2π,(1,)π,结合极坐标方程进行求解即可;(2)讨论角的范围,由极坐标过程||3OP =P 的极坐标;【解析】:(1)由题设得,弧AB ,BC ,CD 所在圆的极坐标方程分别为2cos ρθ=,2sin ρθ=,2cos ρθ=-,则1M 的极坐标方程为2cos ρθ=,(0)4πθ,2M 的极坐标方程为2sin ρθ=,3()44ππθ, 3M 的极坐标方程为2cos ρθ=-,3()4πθπ,(2)设(,)P ρθ,由题设及(1)值,若04πθ,由2cos 3θ=3cos θ=,得6πθ=, 若344ππθ,由2sin 3θ3sin θ=,得3πθ=或23π, 若34πθπ,由2cos 3θ-=3cos θ=,得56πθ=, 综上P 的极坐标为(3)6π或(3)3π或(32)3π或(35)6π.2.(2018全国卷Ⅰ) [选修4–4:坐标系与参数方程]在直角坐标系xOy 中,曲线1C 的方程为||2y k x =+.以坐标原点为极点,x 轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线2C 的极坐标方程为22cos 30ρρθ+-=. (1)求2C 的直角坐标方程;(2)若1C 与2C 有且仅有三个公共点,求1C 的方程.【解析】(1)由cos x ρθ=,sin y ρθ=得2C 的直角坐标方程为22(1)4x y ++=.(2)由(1)知2C 是圆心为(1,0)A -,半径为2的圆.由题设知,1C 是过点(0,2)B 且关于y 轴对称的两条射线.记y 轴右边的射线为1l ,y 轴左边的射线为2l .由于B 在圆2C 的外面,故1C 与2C 有且仅有三个公共点等价于1l 与2C 只有一个公共点且2l 与2C 有两个公共点,或2l 与2C 只有一个公共点且1l 与2C 有两个公共点. 当1l 与2C 只有一个公共点时,A 到1l 所在直线的距离为2221k =+,故43k =-或0k =.经检验,当0k =时,1l 与2C 没有公共点;当43k =-时,1l 与2C 只有一个公共点,2l 与2C 有两个公共点.当2l 与2C 只有一个公共点时,A 到2l 所在直线的距离为22=,故0k =或43k =.经检验,当0k =时,1l 与2C 没有公共点;当43k =时,2l 与2C 没有公共点. 综上,所求1C 的方程为4||23y x =-+. 3.(2018江苏)C .[选修4—4:坐标系与参数方程](本小题满分10分)在极坐标系中,直线l 的方程为πsin()26ρθ-=,曲线C 的方程为4cos ρθ=,求直线l 被曲线C 截得的弦长.【解析】因为曲线C 的极坐标方程为=4cos ρθ,所以曲线C 的圆心为(2,0),直径为4的圆.因为直线l 的极坐标方程为πsin()26ρθ-=,则直线l 过(4,0)A ,倾斜角为π6,所以A 为直线l 与圆C 的一个交点. 设另一个交点为B ,则∠OAB =π6.连结OB ,因为OA 为直径,从而∠OBA =π2,Ol所以π4cos6AB ==.因此,直线l 被曲线C 截得的弦长为. 4. (2017新课标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1C 的极坐标方程为cos 4ρθ=.(1)M 为曲线1C 上的动点,点P 在线段OM 上,且满足||||16OM OP ⋅=,求点P 的轨迹2C 的直角坐标方程;(2)设点A 的极坐标为(2,)3π,点B 在曲线2C 上,求OAB ∆面积的最大值.【解析】(1)设P 的极坐标为(,)ρθ(0)ρ>,M 的极坐标为1(,)ρθ1(0)ρ>. 由椭圆知||OP ρ=,14||cos OM ρθ==.由||||16OM OP ⋅=得2C 的极坐标方程4cos ρθ=(0)ρ>. 因此2C 的直角坐标方程为22(2)4(0)x y x -+=≠.(2)设点B 的极坐标为(,)B ρα(0)B ρ>.由题设知||2OA =,4cos B ρα=,于是OAB ∆面积1||sin 2B S OA AOB ρ=⋅⋅∠4cos |sin()|3παα=-2|sin(2)|32πα=--2≤当12πα=-时,S 取得最大值2+.5.(2016年全国I )在直角坐标系xOy 中,曲线1C 的参数方程为cos 1sin x a ty a 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2C :4cos ρθ=. (I )说明1C 是哪种曲线,并将1C 的方程化为极坐标方程;(II )直线3C 的极坐标方程为0=a θ,其中0a 满足0tan =2a ,若曲线1C 与2C 的公共点都在3C 上,求a . 【解析】(1)cos 1sin x a t y a t=⎧⎨=+⎩(t 均为参数)∴()2221x y a +-= ①∴1C 为以()01,为圆心,a 为半径的圆.方程为222210x y y a +-+-= ∵222sin x y y ρρθ+==,,∴222sin 10a ρρθ-+-= 即为1C 的极坐标方程 (2)24cos C ρθ=:,两边同乘ρ得22224cos cos x y x ρρθρρθ==+=,224x y x ∴+=即()2224x y -+=②3C :化为普通方程为2y x =,由题意:1C 和2C 的公共方程所在直线即为3C①—②得:24210x y a -+-=,即为3C ∴210a -=,∴1a =6.(2016年全国II )在直角坐标系xOy 中,圆C 的方程为()22625x y ++=.(I )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;(II )直线l 的参数方程是cos sin x t y t αα=⎧⎨=⎩(t 为参数),l 与C 交于A 、B 两点,AB =l 的斜率.【解析】(Ⅰ)整理圆的方程得2212110x y +++=,由222cossinx yxyρρθρθ⎧=+⎪=⎨⎪=⎩可知圆C的极坐标方程为212cos110ρρθ++=.(Ⅱ)记直线的斜率为k,则直线的方程为0kx y-=,=即22369014kk=+,整理得253k=,则k=.7.(2016年全国III)在直角坐标系xOy中,曲线1C的参数方程为sinxyαα⎧=⎪⎨=⎪⎩(α为参数),以坐标原点为极点,以x轴的正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线2C的极坐标方程为sin()4ρθπ+=(Ⅰ)写出1C的普通方程和2C的直角坐标方程;(Ⅱ)设点P在1C上,点Q在2C上,求||PQ的最小值及此时P的直角坐标.所以OAB∆面积的最大值为2+.【解析】(Ⅰ)1C的普通方程为2213xy+=,2C的直角坐标方程为40x y+-=.(Ⅱ)由题意,可设点P的直角坐标为,sin)αα,因为2C是直线,所以||PQ的最小值,即为P到2C的距离()dα的最小值,()sin()2|3dπαα==+-.当且仅当2()6k k Zπαπ=+∈时,()dα,此时P的直角坐标为31(,)22.8.(2015新课标Ⅰ)在直角坐标系xOy中,直线1C:2x=-,圆2C:22(1)(2)1x y-+-=,以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.(Ⅰ)求1C,2C的极坐标方程;(Ⅱ)若直线3C的极坐标方程为()4Rπθρ=∈,设2C与3C的交点为M,N,求2C MN∆的面积.【解析】(Ⅰ)因为cos,sinx yρθρθ==,∴1C的极坐标方程为cos2ρθ=-,2C的极坐标方程为22cos4sin40ρρθρθ--+=.(Ⅱ)将=4πθ代入22cos4sin40ρρθρθ--+=,得240ρ-+=,解得1ρ=2ρ,|MN|=1ρ-2ρ,因为2C 的半径为1,则2C MN的面积o 11sin 452⨯=12. 9.(2015新课标Ⅱ)在直角坐标系xOy 中,曲线1C :cos ,sin ,x t y t αα=⎧⎨=⎩(t 为参数,t ≠0)其中0απ<≤,在以O 为极点,x 轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线2C :2sin ρθ=,3C:ρθ=. (Ⅰ)求2C 与3C 交点的直角坐标;(Ⅱ)若1C 与2C 相交于点A ,1C 与3C 相交于点B ,求||AB 的最大值.【解析】(Ⅰ)曲线2C 的直角坐标方程为2220x y y +-=,曲线3C 的直角坐标方程为220x y +-=.联立222220,0,x y y x y ⎧+-=⎪⎨+-=⎪⎩解得0,0,x y =⎧⎨=⎩或3,2x y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩所以2C 与1C 交点的直角坐标为(0,0)和3)22. (Ⅱ)曲线1C 的极坐标方程为(,0)R θαρρ=∈≠,其中0απ≤<. 因此A 得到极坐标为(2sin ,)αα,B的极坐标为,)αα.所以2sin AB αα=-4in()3s πα=-,当56πα=时,AB 取得最大值,最大值为4.五、巩固提高1、(2019届辽宁省大连市高三下学期第一次(3月)双基测试数学试题)在平面直角坐标系中,曲线的参数方程为(为参数且)曲线的参数方程为(为参数,且),以为极点,轴的正半轴为极轴建立极坐标系,曲线的极坐标方程为:,曲线的极坐标方程为.(1)求与的交点到极点的距离;(2)设与交于点,与交于点,当在上变化时,求的最大值.解:(1)联立曲线的极坐标方程得:,解得,即交点到极点的距离为.(2)曲线的极坐标方程为,曲线的极坐标方程为联立得即曲线与曲线的极坐标方程联立得,即,所以,其中的终边经过点,当,即时,取得最大值为.2、点是曲线:上的动点,以坐标原点为极点,轴的正半轴为极轴建立极坐标系,以极点为中心,将点逆时针旋转得到点,设点的轨迹为曲线.(1)求曲线,的极坐标方程;(2)射线,()与曲线,分别交于两点,设定点,求的面积.【试题来源】2019届陕西省宝鸡中学高三第二次模拟考试数学(理)试题试题解析:(Ⅰ)曲线的极坐标方程为.设,则,则有.所以,曲线的极坐标方程为.(Ⅱ)到射线的距离为,,则.3、以坐标原点为极点,轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线的极坐标方程是.(1)求曲线的直角坐标方程;(2)设过点且倾斜角为的直线和曲线交于两点,,求的值.【试题来源】2019届陕西省咸阳市高三高考模拟检测(二)数学(理)试题(1)由得,将代入得,即为曲线的直角坐标方程.(2)依题意得直线(为参数),与椭圆联立得.即,可得,,.,4、在极坐标系中,已知圆经过点,圆心为直线与极轴的交点,求圆的极坐标方程.【试题来源】2018届江苏省苏锡常镇高三3月教学情况调研(一)数学试题试题解析:在中,令,得,所以圆的圆心的极坐标为.因为圆的半径,于是圆过极点,所以圆的极坐标方程为.5、在平面直角坐标系中,以坐标原点为极点,x轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,已知曲线C的极坐标方程为,它在点处的切线为直线l.(1)求直线l的直角坐标方程;(2)设直线l与的交点为P1,P2,求过线段P1P2的中点且与l垂直的直线的极坐标方程.【试题来源】2018-2019学年江西省南昌市第二中学高二上学期期中考试数学(文)试题(1)∵曲线的极坐标方程为,∴,∴曲线的直角坐标方程为,又的直角坐标为(2,2),∵,∴.∴曲线在点(2,2)处的切线方程为,即直线的直角坐标方程为.(2)妨设P1(1,0),P2(0,-2),则线段P1P2的中点坐标所求直线斜率为k于是所求直线方程为y+1化为极坐标方程,并整理得2ρcosθ+4ρsinθ=-3,即ρ6、在平面直角坐标系中,直线,以坐标原点为极点,轴非负半轴为极轴的极坐标系中,曲线的极坐标方程为,直线与曲线相交于两点.(1)求曲线的直角坐标方程,以及的取值范围;(2)若过原点的直线交曲线于两点,求的最大值.【试题来源】2019届重庆市第一中学校高三3月月考数学(理)试题(1)将代入,曲线的直角坐标方程:,由于直线过圆内定点,注意直线的斜率一定存在,所以.(2)设过原点的直线的极角为,则,,所以的最大值为.7、在极坐标系中,极点为,已知曲线:与曲线:交于不同的两点,.(1)求的值;(2)求过点且与直线平行的直线的极坐标方程.【试题来源】2018-2019学年江西省南昌市第二中学高二上学期期中考试数学(理)试题试题解析:(1)∵,∴,又∵,可得,∴,圆心(0,0)到直线的距离为∴.(2)∵曲线的斜率为1,∴过点且与曲线平行的直线的直角坐标方程为,∴直线的极坐标为,即.8、平面直角坐标系中,是过定点且倾斜角为的直线,在极坐标系(以坐标原点为极点,以轴非负半轴为极轴,取相同单位长度)中,曲线的极坐标方程为.(1)写出直线的参数方程,并将曲线的方程为化直角坐标方程;(2)若曲线与直线相交于不同的两点,求的取值范围。