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高2020届高2017级三维设计一轮复习理科数学教师用书选修4-4坐标系与参数方程

选修4-4 坐标系与参数方程第一节坐标系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 ′=λ·x (λ>0),y ′=μ·y (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.极坐标系的概念 (1)极坐标系如图所示,在平面内取一个定点O ,叫做极点;自极点O 引一条射线Ox ,叫做极轴;再选定一个长度单位、一个角度单位(通常取弧度)及其正方向(通常取逆时针方向),这样就建立了一个极坐标系.极坐标系的四要素:极点、极轴、长度单位、角度单位和它的正方向.四者缺一不可. (2)极坐标①极径:设M 是平面内一点,极点O 与点M 的距离|OM |叫做点M 的极径,记为ρ. 由极径的意义知ρ>0时,当极角θ的取值范围是[0,2π)时,平面上的点(除去极点)与极坐标(ρ,θ)建立一一对应关系.约定极点的极坐标是极径ρ=0,极角可取任意角.②极角:以极轴Ox 为始边,射线OM 为终边的角xOM 叫做点M 的极角,记为θ. ③极坐标:有序数对(ρ,θ)叫做点M 的极坐标,记为M (ρ,θ).一般不作特殊说明时,我们认为ρ≥0,θ可取任意实数. ④极坐标与直角坐标的重要区别:多值性. 3.极坐标与直角坐标的互化设M 是平面内任意一点,它的直角坐标是(x ,y ),极坐标是(ρ,θ),则它们之间的关系为: x =ρcos θ,y =ρsin θ;⎩⎪⎨⎪⎧ρ2=x 2+y 2,tan θ=yx (x ≠0).这就是极坐标与直角坐标的互化公式. 把直角坐标化为极坐标时,一定要明确点所在的象限(即极角的终边的位置)和极角的范围,以便正确求出极角,否则点的极坐标将不唯一.4.简单曲线的极坐标方程[小题查验基础]一、判断题(对的打“√”,错的打“×”)(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,-π3.( ) (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)× 二、选填题1.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=1cos θ+sin θ⎝⎛⎭⎫0≤θ≤π2B.ρ=1cos θ+sin θ⎝⎛⎭⎫0≤θ≤π4C.ρ=cos θ+sin θ⎝⎛⎭⎫0≤θ≤π2 D.ρ=cos θ+sin θ⎝⎛⎭⎫0≤θ≤π4 解析:选A ∵y =1-x (0≤x ≤1), ∴ρsin θ=1-ρcos θ(0≤ρcos θ≤1), ∴ρ=1sin θ+cos θ⎝⎛⎭⎫0≤θ≤π2.2.在极坐标系中,圆ρ=-2sin θ的圆心的极坐标是( ) A.⎝⎛⎭⎫1,π2 B.⎝⎛⎭⎫1,-π2 C.(1,0)D.(1,π)解析:选B 由ρ=-2sin θ,得ρ2=-2ρsin θ,化成直角坐标方程为x 2+y 2=-2y ,化成标准方程为x 2+(y +1)2=1,圆心坐标为(0,-1),其对应的极坐标为⎝⎛⎭⎫1,-π2. 3.在极坐标系中,已知点P ⎝⎛⎭⎫2,π6,则过点P 且平行于极轴的直线方程是( ) A.ρsin θ=1 B.ρsin θ= 3 C.ρcos θ=1D.ρcos θ= 3解析:选A 先将极坐标化成直角坐标表示,P ⎝⎛⎭⎫2,π6转化为直角坐标为x =ρcos θ=2cos π6=3,y =ρsin θ=2sin π6=1,即(3,1),过点(3,1)且平行于x 轴的直线为y =1,再化为极坐标为ρsin θ=1.4.若点P 的直角坐标为(3,-3),则点P 的极坐标为______.解析:因为点P (3,-3)在第四象限,与原点的距离为23,且OP 与x 轴所成的角为-π6,所以点P 的极坐标为⎝⎛⎭⎫23,-π6. 答案:⎝⎛⎭⎫23,-π6 5.在极坐标系中A ⎝⎛⎭⎫2,-π3,B ⎝⎛⎭⎫4,2π3两点间的距离为________.解析:法一:(数形结合)在极坐标系中,A ,B 两点如图所示,|AB |=|OA |+|OB |=6.法二:∵A ⎝⎛⎭⎫2,-π3,B ⎝⎛⎭⎫4,2π3的直角坐标为A (1,-3),B (-2,23).∴|AB |=(-2-1)2+(23+3)2=6. 答案:6考点一 平面直角坐标系中的伸缩变换 [基础自学过关][题组练透]1.在平面直角坐标系中,已知伸缩变换φ:⎩⎪⎨⎪⎧x ′=3x ,2y ′=y .(1)求点A ⎝⎛⎭⎫13,-2经过φ变换所得点A ′的坐标; (2)求直线l :y =6x 经过φ变换后所得直线l ′的方程.解:(1)设点A ′(x ′,y ′),由伸缩变换φ:⎩⎪⎨⎪⎧x ′=3x ,2y ′=y ,得⎩⎪⎨⎪⎧x ′=3x ,y ′=y2,∴⎩⎨⎧x ′=13×3=1,y ′=-22=-1.∴点A ′的坐标为(1,-1).(2)设P ′(x ′,y ′)是直线l ′上任意一点.由伸缩变换φ:⎩⎪⎨⎪⎧x ′=3x ,2y ′=y ,得⎩⎪⎨⎪⎧x =x ′3,y =2y ′.代入y =6x ,得2y ′=6×x ′3=2x ′,即y ′=x ′,∴y =x 为所求直线l ′的方程.2.将圆x 2+y 2=1变换为椭圆x 225+y 216=1的一个伸缩变换公式φ:⎩⎪⎨⎪⎧x ′=λx ,y ′=μy(λ,μ>0),求λ,μ的值.解:将变换后的椭圆x 225+y 216=1改写为x ′225+y ′216=1,把伸缩变换公式φ:⎩⎪⎨⎪⎧x ′=λx ,y ′=μy (λ,μ>0)代入上式,得λ2x 225+μ2y 216=1,即⎝⎛⎭⎫λ52x 2+⎝⎛⎭⎫μ42y 2=1, 与x 2+y 2=1比较系数,得⎩⎨⎧⎝⎛⎭⎫λ52=1,⎝⎛⎭⎫μ42=1,所以⎩⎪⎨⎪⎧λ=5,μ=4.[名师微点]伸缩变换后方程的求法及注意点(1)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 ),整理得y ′=h (x ′)即为所求.(2)解答该类问题应明确两点:一是根据平面直角坐标系中的伸缩变换公式的意义与作用求解;二是明确变换前的点P (x ,y )与变换后的点P ′(x ′,y ′)的坐标关系,用方程思想求解.考点二 极坐标与直角坐标的互化 [师生共研过关][典例精析]在极坐标系下,已知圆O :ρ=cos θ+sin θ和直线l :ρsin ⎝⎛⎭⎫θ-π4=22(ρ≥0,0≤θ<2π). (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 的公共点的极坐标. [解] (1)圆O :ρ=cos θ+sin θ,即ρ2=ρcos θ+ρsin θ, 故圆O 的直角坐标方程为x 2+y 2-x -y =0, 直线l :ρsin ⎝⎛⎭⎫θ-π4=22,即ρsin θ-ρcos θ=1, 则直线l 的直角坐标方程为x -y +1=0. (2)由(1)知圆O 与直线l 的直角坐标方程,将两方程联立得⎩⎪⎨⎪⎧ x 2+y 2-x -y =0,x -y +1=0,解得⎩⎪⎨⎪⎧x =0,y =1,即圆O 与直线l 在直角坐标系下的公共点为(0,1), 转化为极坐标为⎝⎛⎭⎫1,π2, 故直线l 与圆O 的公共点的极坐标为⎝⎛⎭⎫1,π2. [解题技法]1.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.2.极角的确定方法由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,这时可分三种情况处理: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.[过关训练]已知圆O 1和圆O 2的极坐标方程分别为ρ=2,ρ2-22ρ·cos ⎝⎛⎭⎫θ-π4=2. (1)把圆O 1和圆O 2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O 1的直角坐标方程为x 2+y 2=4. 因为ρ2-22ρcos ⎝⎛⎭⎫θ-π4=2, 所以ρ2-22ρ⎝⎛⎭⎫cos θcos π4+sin θsin π4=2, 所以圆O 2的直角坐标方程为x 2+y 2-2x -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+π4=22. 考点三 极坐标方程的应用 [师生共研过关][典例精析](2019·安徽名校联考)在平面直角坐标系xOy 中,曲线C 1的方程为x 2+(y -2)2=4.以坐标原点为极点,x 轴非负半轴为极轴建立极坐标系,且在两坐标系下长度单位相同.M 为曲线C 1上异于极点的动点,点N 在射线OM 上,且|ON |·|OM |=20,记点N 的轨迹为C 2.(1)求曲线C 1,C 2的极坐标方程;(2)根据极坐标方程,判断曲线C 1,C 2的位置关系. [解] (1)曲线C 1的直角坐标方程是x 2+(y -2)2=4, 即x 2+y 2=4y .将x =ρcos θ,y =ρsin θ代入,得ρ2=4ρsin θ. 故曲线C 1的极坐标方程为ρ=4sin θ.设N (ρ,θ),M (ρ1,θ),由|ON |·|OM |=20, 即ρ·ρ1=20,得ρ1=20ρ.又ρ1=4sin θ,所以20ρ=4sin θ,所以ρsin θ=5. 故曲线C 2的极坐标方程为ρsin θ=5.(2)由⎩⎪⎨⎪⎧ρsin θ=5,ρ=4sin θ得sin 2θ=54,无实数解,因此曲线C 1和曲线C 2没有公共点,易知曲线C 1是圆,曲线C 2是直线,所以C 1与C 2相离.[解题技法]利用极坐标系解决问题的技巧(1)用极坐标系解决问题时要注意题目中的几何关系,如果几何关系不容易通过极坐标表示时,可以先化为直角坐标方程,将不熟悉的问题转化为熟悉的问题加以解决.(2)已知极坐标方程解答最值问题时,通常可转化为三角函数模型求最值问题,这种方法比在直角坐标系中求最值的运算量小.(3)根据极坐标方程判断曲线的位置关系时,只需联立曲线的极坐标方程得方程组,判断方程组解的情况即可.[提醒] 在曲线的方程进行互化时,一定要注意变量的范围,注意转化的等价性.[过关训练](2018·全国卷Ⅰ)在直角坐标系xOy 中,曲线C 1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C 2的极坐标方程为ρ2+2ρcos θ-3=0.(1)求C 2的直角坐标方程;(2)若C 1与C 2有且仅有三个公共点,求C 1的方程.解:(1)由x =ρcos θ,y =ρsin θ得C 2的直角坐标方程为(x +1)2+y 2=4. (2)由(1)知C 2是圆心为A (-1,0),半径为2的圆.由题设知,C 1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l 1,y 轴左边的射线为l 2.由于点B 在圆C 2的外面,故C 1与C 2有且仅有三个公共点等价于l 1与C 2只有一个公共点且l 2与C 2有两个公共点,或l 2与C 2只有一个公共点且l 1与C 2有两个公共点.当l 1与C 2只有一个公共点时,点A 到l 1所在直线的距离为2,所以|-k +2|k 2+1=2,故k =-43或k =0.经检验,当k =0时,l 1与C 2没有公共点;当k =-43时,l 1与C 2只有一个公共点,l 2与C 2有两个公共点.当l 2与C 2只有一个公共点时,点A 到l 2所在直线的距离为2,所以|k +2|k 2+1=2,故k =0或k =43.经检验,当k =0时,l 1与C 2没有公共点; 当k =43时,l 2与C 2没有公共点.综上,所求C 1的方程为y =-43|x |+2.[课时跟踪检测] 1.在平面直角坐标系xOy 中,直线C 1:x =-2,圆C 2:(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C 1,C 2的极坐标方程;(2)若直线C 3的极坐标方程为θ=π4(ρ∈R ),设C 2与C 3的交点为M ,N ,求△C 2MN 的面积.解:(1)因为x =ρcos θ,y =ρsin θ, 所以C 1的极坐标方程为ρcos θ=-2,C 2的极坐标方程为ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0. (2)将θ=π4代入ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0,得ρ2-32ρ+4=0,解得ρ1=22,ρ2= 2. 故ρ1-ρ2=2,即|MN |= 2.由于C 2的半径为1,所以△C 2MN 的面积为12.2.(2019·黄冈调研)在平面直角坐标系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C 1的极坐标方程为ρcos ⎝⎛⎭⎫θ-π6=2.已知点Q 为曲线C 1上的动点,点P 在线段O Q 上,且满足|O Q |·|OP |=4,动点P 的轨迹为C 2.(1)求C 2的直角坐标方程;(2)设点A 的极坐标为⎝⎛⎭⎫2,π3,点B 在曲线C 2上,求△AOB 面积的最大值. 解:(1)设P 的极坐标为(ρ,θ)(ρ>0),Q 的极坐标为(ρ1,θ)(ρ1>0), 由题意知,|OP |=ρ,|O Q |=ρ1=2cos ⎝⎛⎭⎫θ-π6.由|O Q |·|OP |=4得C 2的极坐标方程为ρ=2cos ⎝⎛⎭⎫θ-π6(ρ>0),化简得ρ=3cos θ+sin θ,因此C 2的直角坐标方程为⎝⎛⎭⎫x -322+⎝⎛⎭⎫y -122=1,但不包括点(0,0). (2)设点B 的极坐标为(ρB ,α)(ρB >0), 由题意知,|OA |=2,ρB =2cos ⎝⎛⎭⎫α-π6, 于是△AOB 的面积S =12|OA |·ρB ·sin ∠AOB=2cos ⎝⎛⎭⎫α-π6·⎪⎪⎪⎪sin ⎝⎛⎭⎫α-π3=2⎪⎪⎪⎪sin 2α-34≤32. 当α=0时,S 取得最大值32.所以△AOB 面积的最大值为32.3.在平面直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =a cos t ,y =1+a sin 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C 2:ρ=4cos θ.(1)说明C 1是哪一种曲线,并将C 1的方程化为极坐标方程;(2)直线C 3的极坐标方程为θ=α0,其中α0满足tan α0=2,若曲线C 1与C 2的公共点都在C 3上,求a .解:(1)消去参数t 得到C 1的普通方程为x 2+(y -1)2=a 2,则C 1是以(0,1)为圆心,a 为半径的圆.将x =ρcos θ,y =ρsin θ代入C 1的普通方程中, 得到C 1的极坐标方程为ρ2-2ρsin θ+1-a 2=0. (2)曲线C 1,C 2的公共点的极坐标满足方程组⎩⎪⎨⎪⎧ρ2-2ρsin θ+1-a 2=0,ρ=4cos θ. 若ρ≠0,由方程组得16cos 2θ-8sin θcos θ+1-a 2=0, 由已知tan θ=2,可得16cos 2θ-8sin θcos θ=0, 从而1-a 2=0,解得a =-1(舍去)或a =1. 当a =1时,极点也为C 1,C 2的公共点,且在C 3上. 所以a =1.4.在平面直角坐标系xOy 中,圆C 的直角坐标方程为x 2+(y -1)2=1.以坐标原点O 为极点,x 轴正半轴为极轴建立极坐标系,直线l 的极坐标方程为ρ(3cos θ+sin θ)=5.(1)求圆C 的极坐标方程和直线l 的直角坐标方程;(2)在圆上找一点A ,使它到直线l 的距离最小,并求点A 的极坐标. 解:(1)x 2+(y -1)2=1即x 2+y 2-2y =0,因为ρ2=x 2+y 2,ρsin θ=y ,所以圆C 的极坐标方程为ρ2=2ρsin θ,即ρ=2sin θ. ρ(3cos θ+sin θ)=5即3ρcos θ+ρsin θ=5, 因为ρcos θ=x ,ρsin θ=y ,所以直线l 的直角坐标方程为y =-3x +5.(2)曲线C :x 2+(y -1)2=1是以C (0,1)为圆心,1为半径的圆.设圆上点A (x 0,y 0)到直线l :y =-3x +5的距离最小,所以圆C 在点A 处的切线与直线l :y =-3x +5平行.即直线CA 与l 的斜率的乘积等于-1, 即y 0-1x 0×(-3)=-1.① 因为点A 在圆上,所以x 20+(y 0-1)2=1,②联立①②可解得x 0=-32,y 0=12或x 0=32,y 0=32. 所以点A 的坐标为⎝⎛⎭⎫-32,12或⎝⎛⎭⎫32,32. 又因为圆上点A 到直线l :y =-3x +5的距离最小, 所以点A 的坐标为⎝⎛⎭⎫32,32,点A 的极径为 ⎝⎛⎭⎫322+⎝⎛⎭⎫322=3,极角θ满足tan θ=3且θ为第一象限角,则可取θ=π3. 所以点A 的极坐标为⎝⎛⎭⎫3,π3. 5.(2019·山西八校第一次联考)在直角坐标系xOy 中,曲线C 的参数方程是⎩⎪⎨⎪⎧x =3+5cos α,y =4+5sin α(α为参数).以坐标原点O 为极点,x 轴正半轴为极轴,建立极坐标系. (1)求曲线C 的极坐标方程;(2)设l 1:θ=π6,l 2:θ=π3,若l 1,l 2与曲线C 分别交于异于原点的A ,B 两点,求△AOB 的面积.解:(1)将曲线C 的参数方程化为普通方程为(x -3)2+(y -4)2=25, 即x 2+y 2-6x -8y =0.∴曲线C 的极坐标方程为ρ=6cos θ+8sin θ. (2)设A ⎝⎛⎭⎫ρ1,π6,B ⎝⎛⎭⎫ρ2,π3. 把θ=π6代入ρ=6cos θ+8sin θ,得ρ1=4+33,∴A ⎝⎛⎭⎫4+33,π6. 把θ=π3代入ρ=6cos θ+8sin θ,得ρ2=3+43,∴B ⎝⎛⎭⎫3+43,π3. ∴S △AOB =12ρ1ρ2sin ∠AOB=12()4+33()3+43sin ⎝⎛⎭⎫π3-π6 =12+2534. 6.(2018·福州四校联考)在平面直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =2+cos α,y =2+sin α(α为参数),直线C 2的方程为y =3x .以坐标原点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A ,B 两点,求1|OA |+1|OB |. 解:(1)由曲线C 1的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =2+cos α,y =2+sin α(α为参数),得曲线C 1的普通方程为(x-2)2+(y -2)2=1,则C 1的极坐标方程为ρ2-4ρcos θ-4ρsin θ+7=0. 由于直线C 2过原点,且倾斜角为π3,故其极坐标方程为θ=π3(ρ∈R ).(2)由⎩⎪⎨⎪⎧ρ2-4ρcos θ-4ρsin θ+7=0,θ=π3, 得ρ2-(23+2)ρ+7=0, 设A ,B 对应的极径分别为ρ1,ρ2, 则ρ1+ρ2=23+2,ρ1ρ2=7, ∴1|OA |+1|OB |=|OA |+|OB ||OA |·|OB |=ρ1+ρ2ρ1ρ2=23+27. 7.在直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =1+cos φ,y =sin φ(φ为参数),曲线C 2:x 28+y 24=1.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C 1,C 2的极坐标方程;(2)射线l :θ=α(ρ≥0)与曲线C 1,C 2分别交于点A ,B (且A ,B 均异于原点O ),当0<α<π2时,求|OB |2-|OA |2的最小值.解:(1)易知曲线C 1的普通方程为(x -1)2+y 2=1, 所以C 1的极坐标方程为ρ=2cos θ, C 2的极坐标方程为ρ2=81+sin 2θ.(2)联立θ=α(ρ≥0)与C 1的极坐标方程得|OA |2=4cos 2α, 联立θ=α(ρ≥0)与C 2的极坐标方程得|OB |2=81+sin 2α,则|OB |2-|OA |2=81+sin 2α-4cos 2α=81+sin 2α-4(1-sin 2α)=81+sin 2α+4(1+sin 2α)-8 ≥281+sin 2α×4(1+sin 2α)-8=82-8, 当且仅当sin α=2-1时取等号,所以|OB |2-|OA |2的最小值为82-8.8.(2019·湖南长郡中学模拟)在直角坐标系中,已知曲线M 的参数方程为⎩⎨⎧x =1+22cos β,y =1+22sin β(β为参数),在极坐标系中,直线l 1的方程为α1=θ,直线l 2的方程为α2=θ+π2. (1)写出曲线M 的普通方程,并指出它是什么曲线;(2)设l 1与曲线M 交于A ,C 两点,l 2与曲线M 交于B ,D 两点,求四边形ABCD 面积的取值范围.解:(1)由⎩⎨⎧x =1+22cos β,y =1+22sin β(β为参数),消去参数β,得曲线M 的普通方程为(x -1)2+(y -1)2=8,∴曲线M 是以(1,1)为圆心,22为半径的圆. (2)设|OA |=ρ1,|OC |=ρ2, ∵O ,A ,C 三点共线,则|AC |=|ρ1-ρ2|=(ρ1+ρ2)2-4ρ1ρ2(*),将曲线M 的方程化成极坐标方程,得ρ2-2ρ(sin θ+cos θ)-6=0,∴⎩⎪⎨⎪⎧ρ1+ρ2=2(sin θ+cos θ),ρ1ρ2=-6,代入(*)式得|AC |=28+4sin 2θ. 用θ+π2代替θ,得|BD |=28-4sin 2θ,又l 1⊥l 2,∴S 四边形ABCD =12|AC |·|BD |=12(28+4sin 2θ)(28-4sin 2θ) =249-sin 22θ,∵sin 22θ∈[0,1],∴S 四边形ABCD ∈[83,14].第二节参数方程1.曲线的参数方程在平面直角坐标系中,如果曲线上任意一点的坐标x ,y 都是某个变数t 的函数⎩⎪⎨⎪⎧x =f (t ),y =g (t ),并且对于t 的每一个允许值,由这个方程组所确定的点M (x ,y )都在这条曲线上,那么这个方程组就叫做这条曲线的参数方程,联系变数x ,y 的变数t 叫做参变数,简称参数.相对于参数方程而言,直接给出点的坐标间关系的方程F (x ,y )=0叫做普通方程. 2.参数方程和普通方程的互化(1)参数方程化普通方程:利用两个方程相加、减、乘、除或者代入法消去参数. (2)普通方程化参数方程:如果x =f (t ),把它代入普通方程,求出另一个变数与参数的关系y =g (t ),则得曲线的参数方程⎩⎪⎨⎪⎧x =f (t ),y =g (t ).参数方程与普通方程互化的注意点(1)在参数方程与普通方程的互化中,一定要注意变量的范围以及转化的等价性. (2)普通方程化为参数方程,参数方程的形式不唯一,即如果选用的参数不同,那么所求得的曲线的参数方程的形式也不同.3.直线、圆与椭圆的普通方程和参数方程[熟记常用结论]经过点P (x 0,y 0),倾斜角为α的直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =x 0+t cos α,y =y 0+t sin α(t 为参数).若A ,B为直线l 上的两点,其对应的参数分别为t 1,t 2,线段AB 的中点为M ,点M 所对应的参数为t 0,则以下结论在解题中经常用到:(1)t 0=t 1+t 22; (2)|PM |=|t 0|=⎪⎪⎪⎪t 1+t 22; (3)|AB |=|t 2-t 1|; (4)|PA |·|PB |=|t 1·t 2|.[小题查验基础]一、判断题(对的打“√”,错的打“×”)(1)参数方程⎩⎪⎨⎪⎧x =f (t ),y =g (t )中的x ,y 都是参数t 的函数.( )(2)过M 0(x 0,y 0),倾斜角为α⎝⎛⎭⎫α≠π2的直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =x 0+t cos α,y =y 0+t sin α(t 为参数).参数t 的几何意义表示:直线l 上以定点M 0为起点,任一点M (x ,y )为终点的有向线段M 0M 的数量.( )(3)方程⎩⎪⎨⎪⎧x =2cos θ,y =1+2sin θ(θ为参数)表示以点(0,1)为圆心,以2为半径的圆.( )(4)已知椭圆的参数方程⎩⎪⎨⎪⎧x =2cos t ,y =4sin t(t 为参数),点M 在椭圆上,对应参数t =π3,点O 为原点,则直线OM 的斜率为 3.( )答案:(1)√ (2)√ (3)√ (4)× 二、选填题1.曲线⎩⎪⎨⎪⎧x =-1+cos θ,y =2+sin θ(θ为参数)的对称中心( )A.在直线y =2x 上B.在直线y =-2x 上C.在直线y =x -1上D.在直线y =x +1上解析:选B 由⎩⎪⎨⎪⎧ x =-1+cos θ,y =2+sin θ,得⎩⎪⎨⎪⎧cos θ=x +1,sin θ=y -2.所以(x +1)2+(y -2)2=1.曲线是以(-1,2)为圆心,1为半径的圆,所以对称中心为(-1,2),在直线y =-2x 上.2.若直线l :⎩⎪⎨⎪⎧x =2t ,y =1-4t (t 为参数)与曲线C :⎩⎨⎧x =5cos θ,y =m +5sin θ(θ为参数)相切,则实数m 的值为( )A.-4或6B.-6或4C.-1或9D.-9或1解析:选A 由⎩⎪⎨⎪⎧x =2t ,y =1-4t (t 为参数),得直线l :2x +y -1=0,由⎩⎨⎧x =5cos θ,y =m +5sin θ(θ为参数),得曲线C :x 2+(y -m )2=5,因为直线l 与曲线C 相切,所以圆心到直线的距离等于半径,即|m -1|22+12=5,解得m =-4或m =6.故选A.3.在平面直角坐标系中,若曲线C 的参数方程为⎩⎨⎧x =2+22t ,y =1+22t (t 为参数),则其普通方程为____________.解析:依题意,消去参数可得x -2=y -1,即x -y -1=0. 答案:x -y -1=04.已知两曲线的参数方程分别为⎩⎨⎧x =5cos θ,y =sin θ(0≤θ<π)和⎩⎪⎨⎪⎧x =54t 2,y =t(t ∈R ),则它们的交点坐标为________.解析:消去参数θ得普通方程为x 25+y 2=1(0≤y ≤1),表示椭圆的一部分.消去参数t 得普通方程为y 2=45x ,表示抛物线,联立两方程,可知两曲线有一个交点,解得交点坐标为⎝⎛⎭⎫1,255.答案:⎝⎛⎭⎫1,2555.曲线C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =sin θ,y =cos 2θ+1(θ为参数),则曲线C 的普通方程为____________.解析:由⎩⎪⎨⎪⎧x =sin θ,y =cos 2θ+1(θ为参数)消去参数θ,得y =2-2x 2(-1≤x ≤1).答案:y =2-2x 2(-1≤x ≤1)考点一 参数方程与普通方程的互化 [基础自学过关][题组练透]1.已知直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧ x =a -2t ,y =-4t (t 为参数),圆C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =4cos θ,y =4sin θ(θ为参数).(1)求直线l 和圆C 的普通方程;(2)若直线l 与圆C 有公共点,求实数a 的取值范围. 解:(1)直线l 的普通方程为2x -y -2a =0, 圆C 的普通方程为x 2+y 2=16. (2)因为直线l 与圆C 有公共点,故圆C 的圆心到直线l 的距离d =|-2a |5≤4,解得-25≤a ≤2 5.即实数a 的取值范围为[-25,2 5 ].2.在平面直角坐标系xOy 中,已知直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =-8+t ,y =t2(t 为参数),曲线C 的参数方程为⎩⎨⎧x =2s 2,y =22s(s 为参数),设P 为曲线C 上的动点,求点P 到直线l 的距离的最小值.解:直线l 的普通方程为x -2y +8=0. 因为点P 在曲线C 上,设P (2s 2,22s ), 从而点P 到直线l 的距离 d =|2s 2-42s +8|12+(-2)2=2(s -2)2+45,当s =2时,d min =455. 因此当点P 的坐标为(4,4)时,曲线C 上的点P 到直线l 的距离取到最小值455.[名师微点]将参数方程化为普通方程消参的3种方法(1)利用解方程的技巧求出参数的表达式,然后代入消去参数. (2)利用三角恒等式消去参数.(3)根据参数方程本身的结构特征,灵活的选用一些方法从整体上消去参数.[提醒] 将参数方程化为普通方程时,要注意防止变量x 和y 取值范围的扩大或缩小,必须根据参数的取值范围,确定函数f (t )和g (t )的值域,即x 和y 的取值范围.考点二 参数方程的应用 [师生共研过关][典例精析](2018·全国卷Ⅲ)在平面直角坐标系xOy 中,⊙O 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =cos θ,y =sin θ(θ为参数),过点(0,-2)且倾斜角为α的直线l 与⊙O 交于A ,B 两点.(1)求α的取值范围;(2)求AB 中点P 的轨迹的参数方程. [解] (1)⊙O 的直角坐标方程为x 2+y 2=1. 当α=π2时,l 与⊙O 交于两点.当α≠π2时,记tan α=k ,则l 的方程为y =kx - 2.l 与⊙O 交于两点需满足21+k 2<1, 解得k <-1或k >1, 即α∈⎝⎛⎭⎫π2,3π4或α∈⎝⎛⎭⎫π4,π2. 综上,α的取值范围是⎝⎛⎭⎫π4,3π4.(2)l 的参数方程为⎩⎨⎧x =t cos α,y =-2+t sin α⎝⎛⎭⎫t 为参数,π4<α<3π4.设A ,B ,P 对应的参数分别为t A ,t B ,t P ,则t P =t A +t B2,且t A ,t B 满足t 2-22t sin α+1=0.于是t A +t B =22sin α,t P =2sin α.又点P 的坐标(x ,y )满足⎩⎨⎧x =t P cos α,y =-2+t P sin α,所以点P 的轨迹的参数方程是⎩⎨⎧x =22sin 2α,y =-22-22cos 2α⎝⎛⎭⎫α为参数,π4<α<3π4.[解题技法]一般地,如果题目中涉及圆、椭圆上的动点或求最值范围问题时可考虑用参数方程,设曲线上点的坐标,将问题转化为三角恒等变换问题解决,使解题过程简单明了.[过关训练]已知曲线C :x 24+y 29=1,直线l :⎩⎪⎨⎪⎧x =2+t ,y =2-2t (t 为参数).(1)写出曲线C 的参数方程,直线l 的普通方程;(2)过曲线C 上任意一点P 作与l 夹角为30°的直线,交l 于点A ,求|PA |的最大值与最小值.解:(1)曲线C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =2cos θ,y =3sin θ(θ为参数).直线l 的普通方程为2x +y -6=0.(2)曲线C 上任意一点P (2cos θ,3sin θ)到l 的距离为 d =55|4cos θ+3sin θ-6|. 则|PA |=d sin 30°=255|5sin(θ+α)-6|,其中α为锐角,且tan α=43.当sin(θ+α)=-1时,|PA |取得最大值,最大值为2255. 当sin(θ+α)=1时,|PA |取得最小值,最小值为255.考点三 参数方程与极坐标方程的综合应用 [师生共研过关][典例精析](2019·柳州模拟)在直角坐标系xOy 中,曲线C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =3cos α,y =2sin α(α为参数),以原点为极点,x 轴的正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线D 的极坐标方程为ρ=4sin ⎝⎛⎭⎫θ-π6. (1)求曲线C 的极坐标方程以及曲线D 的直角坐标方程;(2)若过点A ⎝⎛⎭⎫22,π4(极坐标)且倾斜角为π3的直线l 与曲线C 交于M ,N 两点,弦MN 的中点为P ,求|AP ||AM |·|AN |的值.[解] (1)由题意可得曲线C 的普通方程为x 29+y 24=1,将⎩⎪⎨⎪⎧x =ρcos θ,y =ρsin θ代入曲线C 的普通方程可得,曲线C 的极坐标方程为ρ2cos 2θ9+ρ2sin 2 θ4=1,即ρ2=364+5sin 2θ.因为曲线D 的极坐标方程为ρ=4sin ⎝⎛⎭⎫θ-π6, 所以ρ2=4ρsin ⎝⎛⎭⎫θ-π6=4ρ⎝⎛⎭⎫32sin θ-12cos θ, 又ρ2=x 2+y 2,x =ρcos θ,y =ρsin θ, 所以x 2+y 2=23y -2x , 所以曲线C 的极坐标方程为ρ2=364+5sin 2θ,曲线D 的直角坐标方程为x 2+y 2+2x -23y =0. (2)由点A ⎝⎛⎭⎫22,π4,得⎩⎨⎧x =22cos π4=2,y =22sin π4=2,所以A (2,2).因为直线l 过点A (2,2)且倾斜角为π3,所以直线l 的参数方程为⎩⎨⎧x =2+t cos π3,y =2+t sin π3(t 为参数),代入x 29+y 24=1可得,314t 2+(8+183)t +16=0, 设M ,N 对应的参数分别为t 1,t 2, 则t 1+t 2=-32+72331,t 1t 2=6431,所以|AP ||AM |·|AN |=⎪⎪⎪⎪t 1+t 22|t 1t 2|=4+9316.[解题技法]参数方程与极坐标方程综合问题的解题策略(1)涉及参数方程和极坐标方程的综合题,求解的一般方法是分别化为普通方程和直角坐标方程后求解.当然,还要结合题目本身特点,确定选择何种方程.(2)数形结合的应用,即充分利用参数方程中参数的几何意义,或者利用ρ和θ的几何意义,直接求解,能达到化繁为简的解题目的.[过关训练](2018·合肥质检)在平面直角坐标系xOy 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ρ=22cos ⎝⎛⎭⎫π4-θ.(1)求曲线C 的直角坐标方程;(2)已知直线l 过点 P (1,0)且与曲线C 交于A ,B 两点,若|PA |+|PB |=5,求直线l 的倾斜角α.解:(1)由ρ=22cos ⎝⎛⎭⎫π4-θ=2(cos θ+sin θ)⇒ρ2=2(ρcos θ+ρsin θ)⇒x 2+y 2=2x +2y ⇒(x -1)2+(y -1)2=2,故曲线C 的直角坐标方程为(x -1)2+(y -1)2=2.(2)由条件可设直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =1+t cos α,y =t sin α(t 为参数),代入圆的方程,有t 2-2t sin α-1=0,设点A ,B 对应的参数分别为t 1,t 2,则t 1+t 2=2sin α, t 1t 2=-1,|PA |+|PB |=|AB |=|t 1-t 2|=(t 1+t 2)2-4t 1t 2=4sin 2α+4=5,解得sin α=12或sin α=-12(舍去),故α=π6或5π6.[课时跟踪检测]1.设直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =3+t cos α,y =4+t sin α(t 为参数,α为倾斜角),圆C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =1+2cos θ,y =-1+2sin θ(θ为参数). (1)若直线l 经过圆C 的圆心,求直线l 的斜率;(2)若直线l 与圆C 交于两个不同的点,求直线l 的斜率的取值范围. 解:(1)由已知得直线l 经过的定点是P (3,4),而圆C 的圆心是C (1,-1), 所以,当直线l 经过圆C 的圆心时,直线l 的斜率k =52.(2)由圆C 的参数方程⎩⎪⎨⎪⎧x =1+2cos θ,y =-1+2sin θ(θ为参数),得圆C 的圆心是C (1,-1),半径为2.由直线l 的参数方程⎩⎪⎨⎪⎧x =3+t cos α,y =4+t sin α(t 为参数,α为倾斜角),得直线l 的普通方程为y -4=k (x -3)(斜率存在), 即kx -y +4-3k =0.当直线l 与圆C 交于两个不同的点时,圆心到直线的距离小于圆的半径, 即|5-2k |k 2+1<2,解得k >2120.即直线l 的斜率的取值范围为⎝⎛⎭⎫2120,+∞.2.(2018·全国卷Ⅱ)在直角坐标系xOy 中,曲线C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =2cos θ,y =4sin θ(θ为参数),直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =1+t cos α,y =2+t sin α(t 为参数).(1)求C 和l 的直角坐标方程;(2)若曲线C 截直线l 所得线段的中点坐标为(1,2),求l 的斜率.解:(1)曲线C 的直角坐标方程为x 24+y 216=1.当cos α≠0时,l 的直角坐标方程为y =tan α·x+2-tan α;当cos α=0时,l 的直角坐标方程为x =1.(2)将l 的参数方程代入C 的直角坐标方程,整理得关于t 的方程(1+3cos 2α)t 2+4(2cos α+sin α)t -8=0.①因为曲线C 截直线l 所得线段的中点(1,2)在C 内, 所以①有两个解,设为t 1,t 2,则t 1+t 2=0. 又由①得t 1+t 2=-4(2cos α+sin α)1+3cos 2α,故2cos α+sin α=0,于是直线l 的斜率k =tan α=-2.3.(2019·沈阳模拟)在平面直角坐标系xOy 中,直线l 的参数方程为⎩⎨⎧x =-2+22t ,y =22t(t为参数).以坐标原点O 为极点,x 轴的非负半轴为极轴建立极坐标系,曲线C 的极坐标方程为ρsin 2θ=2a cos θ(a >0).(1)求曲线C 的直角坐标方程,直线l 的普通方程;(2)设直线l 与曲线C 交于M ,N 两点,点P (-2,0),若|PM |,|MN |,|PN |成等比数列,求实数a 的值.解:(1)由ρsin 2θ=2a cos θ(a >0)两边同乘以ρ得, 曲线C 的直角坐标方程为y 2=2ax (a >0).由直线l 的参数方程为⎩⎨⎧x =-2+22t ,y =22t(t 为参数),消去t ,得直线l 的普通方程为x -y +2=0.(2)将⎩⎨⎧x =-2+22t ,y =22t代入y 2=2ax ,得t 2-22at +8a =0,由Δ>0得a >4,设M ,N 对应的参数分别为t 1,t 2, 则t 1+t 2=22a ,t 1t 2=8a , ∵|PM |,|MN |,|PN |成等比数列,∴|t 1-t 2|2=|t 1t 2|,∴(22a )2-4×8a =8a ,∴a =5.4.(2019·青岛调研)在直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎨⎧x =3cos α,y =sin α(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C 2的极坐标方程为ρsin ⎝⎛⎭⎫θ+π4=2 2. (1)写出C 1的普通方程和C 2的直角坐标方程;(2)设点P 在C 1上,点Q 在C 2上,求|P Q |的最小值及此时P 的直角坐标. 解:(1)C 1的普通方程为x 23+y 2=1,C 2的直角坐标方程为x +y -4=0.(2)由题意,可设点P 的直角坐标为(3cos α,sin α).因为C 2是直线,所以|P Q |的最小值即为P 到C 2的距离d (α)的最小值,d (α)=|3cos α+sin α-4|2=2⎪⎪⎪⎪sin ⎝⎛⎭⎫α+π3-2. 当且仅当α=2k π+π6(k ∈Z)时,d (α)取得最小值,最小值为2,此时P 的直角坐标为⎝⎛⎭⎫32,12. 5.(2018·辽宁五校联合体模拟)在平面直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧x =1+cos α,y =sin α(α为参数).在以O 为极点,x 轴的正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C 2的极坐标方程为ρcos 2θ=sin θ.(1)求C 1的普通方程和C 2的直角坐标方程;(2)若射线l :y =kx (x ≥0)分别交C 1,C 2于A ,B 两点(A ,B 异于原点),当k ∈(1,3]时,求|OA |·|OB |的取值范围.解:(1)由⎩⎪⎨⎪⎧x =1+cos α,y =sin α,可得(x -1)2+y 2=cos 2α+sin 2α=1,即C 1的普通方程为(x -1)2+y 2=1.方程ρcos 2θ=sin θ可化为ρ2cos 2θ=ρsin θ (*),将⎩⎪⎨⎪⎧x =ρcos θ,y =ρsin θ代入(*)式,可得x 2=y , 所以C 2的直角坐标方程为x 2=y . (2)因为A ,B 异于原点,所以联立⎩⎪⎨⎪⎧(x -1)2+y 2=1,y =kx ,可得A ⎝⎛⎭⎫2k 2+1,2k k 2+1;联立⎩⎪⎨⎪⎧y =kx ,y =x 2,可得B (k ,k 2). 故|OA |·|OB |=1+k 2·2k 2+1·1+k 2·|k |=2|k |.又k ∈(1,3],所以|OA |·|OB |∈(2,23].6.(2019·惠州调研)在直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩⎨⎧x =2-35t ,y =-2+45t (t 为参数).以坐标原点为极点,以x 轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C 2的极坐标方程为ρcos θ=tan θ.(1)求曲线C 1的普通方程与曲线C 2的直角坐标方程;(2)若C 1与C 2交于A ,B 两点,点P 的极坐标为⎝⎛⎭⎫22,-π4,求1|PA |+1|PB |的值. 解:(1)由曲线C 1的参数方程消去参数t 可得,曲线C 1的普通方程为4x +3y -2=0. 由x =ρcos θ,y =ρsin θ可得,曲线C 2的直角坐标方程为y =x 2.(2)由点P 的极坐标为⎝⎛⎭⎫22,-π4,可得点P 的直角坐标为(2,-2),∴点P 在曲线C 1上.将曲线C 1的参数方程⎩⎨⎧x =2-35t ,y =-2+45t (t 为参数)代入y =x 2,得9t 2-80t +150=0,设t 1,t 2是点A ,B 对应的参数, 则t 1+t 2=809,t 1t 2=503>0.∴1|PA |+1|PB |=|PA |+|PB ||PA |·|PB |=|t 1+t 2||t 1t 2|=815. 7.在平面直角坐标系xOy 中,以坐标原点为极点,x 轴正半轴为极轴建立极坐标系,点A 的极坐标为⎝⎛⎭⎫2,π4,直线l 的极坐标方程为ρcos ⎝⎛⎭⎫θ-π4=a ,且l 过点A ,曲线C 1的参数方程为⎩⎨⎧x =2cos α,y =3sin α(α为参数).(1)求曲线C 1上的点到直线l 的距离的最大值;(2)过点B (-1,1)且与直线l 平行的直线l 1与曲线C 1交于M ,N 两点,求|BM |·|BN |的值. 解:(1)由直线l 过点A ,得2cos ⎝⎛⎭⎫π4-π4=a ,故a =2, 则易得直线l 的直角坐标方程为x +y -2=0.由点到直线的距离公式,得曲线C 1上的点到直线l 的距离d =|2cos α+3sin α-2|2=|7sin (α+φ)-2|2,⎝⎛⎭⎫其中tan φ=233,∴d max =7+22=14+222.即曲线C 1上的点到直线l 的距离的最大值为14+222. (2)由(1)知直线l 的倾斜角为3π4, 则直线l 1的参数方程为⎩⎨⎧x =-1+t cos3π4,y =1+t sin 3π4(t 为参数).易知曲线C 1的普通方程为x 24+y 23=1.把直线l 1的参数方程代入曲线C 1的普通方程, 得72t 2+72t -5=0, 设M ,N 对应的参数分别为t 1,t 2,则t 1t 2=-107, 根据参数t 的几何意义可知|BM |·|BN |=|t 1t 2|=107. 8.(2019·郑州模拟)在平面直角坐标系xOy 中,直线l 的参数方程为⎩⎨⎧x =3-32t ,y =m +12t (t为参数),以坐标原点O 为极点,x 轴的正半轴为极轴建立极坐标系,圆C 的极坐标方程为ρ=8cos ⎝⎛⎭⎫θ-π6,直线l 与圆C 交于A ,B 两点. (1)若OA ⊥OB ,求直线l 的普通方程;(2)设P (3,1)是直线l 上的点,若|AB |=λ|PC |,求λ的值.解:(1)消去参数t ,得直线l 的普通方程为x +3y =3+3m ,将圆C 的极坐标方程ρ=8cos ⎝⎛⎭⎫θ-π6的两边同时乘ρ,。

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