1.平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)伸縮變換
設(shè)點P(x,y)是平面直角坐標(biāo)系中的任意一點,在變換φ:的作用下,點P(x,y)對應(yīng)到點P′(x′,y′),
稱φ為平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)伸縮變換,簡稱伸縮變換.
2.極坐標(biāo)系的概念
(1)極坐標(biāo)系

如圖所示,在平面內(nèi)取一個定點O,叫做極點;自極點O引一條射線Ox,叫做極軸;再選定一個長度單位、一個角度單位(通常取弧度)及其正方向(通常取逆時針方向),這樣就建立了一個極坐標(biāo)系.
極坐標(biāo)系的四要素:極點、極軸、長度單位、角度單位和它的正方向.四者缺一不可.
(2)極坐標(biāo)
①極徑:設(shè)M是平面內(nèi)一點,極點O與點M的距離|OM|叫做點M的極徑,記為ρ.
由極徑的意義知ρ>0時,當(dāng)極角θ的取值范圍是[0,2π)時,平面上的點(除去極點)與極坐標(biāo)(ρ,θ)建立一一對應(yīng)關(guān)系.約定極點的極坐標(biāo)是極徑ρ=0,極角可取任意角.
②極角:以極軸Ox為始邊,射線OM為終邊的角xOM叫做點M的極角,記為θ.
③極坐標(biāo):有序數(shù)對(ρ,θ)叫做點M的極坐標(biāo),記為M(ρ,θ).
一般不作特殊說明時,我們認為ρ≥0,θ可取任意實數(shù).
④極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的重要區(qū)別:多值性.
3.極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的互化
設(shè)M是平面內(nèi)任意一點,它的直角坐標(biāo)是(x,y),極坐標(biāo)是(ρ,θ),則它們之間的關(guān)系為:
這就是極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的互化公式.
把直角坐標(biāo)化為極坐標(biāo)時,一定要明確點所在的象限(即極角的終邊的位置)和極角的范圍,以便正確求出極角,否則點的極坐標(biāo)將不唯一.
4.簡單曲線的極坐標(biāo)方程
曲線
極坐標(biāo)方程
圓心為極點,半徑為r的圓
ρ=r(0≤θ<2π)
圓心為(r,0),半徑為r的圓
ρ=2rcos θ
圓心為,半徑為r的圓
ρ=2rsin θ(0≤θ<π)
過極點,傾斜角為α的直線
θ=α(ρ∈R)或θ=π+α(ρ∈R)
過點(a,0),與極軸垂直的直線
ρcos θ=a
過點,與極軸平行的直線
ρsin θ=a(0<θ<π)

[小題查驗基礎(chǔ)]
一、判斷題(對的打“√”,錯的打“×”)
(1)平面直角坐標(biāo)系內(nèi)的點與坐標(biāo)能建立一一對應(yīng)關(guān)系,在極坐標(biāo)系中點與坐標(biāo)也是一一對應(yīng)關(guān)系.(  )
(2)若點P的直角坐標(biāo)為(1,-),則點P的一個極坐標(biāo)是.(  )
(3)在極坐標(biāo)系中,曲線的極坐標(biāo)方程不是唯一的.(  )
(4)極坐標(biāo)方程θ=π(ρ≥0)表示的曲線是一條直線.(  )
答案:(1)× (2)√ (3)√ (4)×
二、選填題
1.若以直角坐標(biāo)系的原點為極點,x軸的正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系,則線段y=1-x(0≤x≤1)的極坐標(biāo)方程為(  )
A.ρ=
B.ρ=
C.ρ=cos θ+sin θ
D.ρ=cos θ+sin θ
解析:選A ∵y=1-x(0≤x≤1),
∴ρsin θ=1-ρcos θ(0≤ρcos θ≤1),
∴ρ=.
2.在極坐標(biāo)系中,圓ρ=-2sin θ的圓心的極坐標(biāo)是(  )
A.         B.
C.(1,0) D.(1,π)
解析:選B 由ρ=-2sin θ,得ρ2=-2ρsin θ,化成直角坐標(biāo)方程為x2+y2=-2y,化成標(biāo)準方程為x2+(y+1)2=1,圓心坐標(biāo)為(0,-1),其對應(yīng)的極坐標(biāo)為.
3.在極坐標(biāo)系中,已知點P,則過點P且平行于極軸的直線方程是(  )
A.ρsin θ=1 B.ρsin θ=
C.ρcos θ=1 D.ρcos θ=
解析:選A 先將極坐標(biāo)化成直角坐標(biāo)表示,P轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)為x=ρcos θ=2cos =,y=ρsin θ=2sin =1,即(,1),過點(,1)且平行于x軸的直線為y=1,再化為極坐標(biāo)為ρsin θ=1.

4.若點P的直角坐標(biāo)為(3,-),則點P的極坐標(biāo)為______.
解析:因為點P(3,-)在第四象限,與原點的距離為2,且OP與x軸所成的角為-,所以點P的極坐標(biāo)為.
答案:
5.在極坐標(biāo)系中A,B兩點間的距離為________.
解析:法一:(數(shù)形結(jié)合)在極坐標(biāo)系中,A,B兩點如圖所示,|AB|=|OA|+|OB|=6.
法二:∵A,B的直角坐標(biāo)為A(1,-),B(-2,2).
∴|AB|==6.
答案:6

考點一 平面直角坐標(biāo)系中的伸縮變換 [基礎(chǔ)自學(xué)過關(guān)]

[題組練透]
1.在平面直角坐標(biāo)系中,已知伸縮變換φ:
(1)求點A經(jīng)過φ變換所得點A′的坐標(biāo);
(2)求直線l:y=6x經(jīng)過φ變換后所得直線l′的方程.
解:(1)設(shè)點A′(x′,y′),由伸縮變換φ:
得∴
∴點A′的坐標(biāo)為(1,-1).
(2)設(shè)P′(x′,y′)是直線l′上任意一點.
由伸縮變換φ:得
代入y=6x,得2y′=6×=2x′,即y′=x′,
∴y=x為所求直線l′的方程.
2.將圓x2+y2=1變換為橢圓+=1的一個伸縮變換公式φ:(λ,μ>0),求λ,μ的值.
解:將變換后的橢圓+=1改寫為+=1,把伸縮變換公式φ:(λ,μ>0)代入上式,
得+=1,即2x2+2y2=1,
與x2+y2=1
比較系數(shù),得所以
[名師微點]
伸縮變換后方程的求法及注意點
(1)平面上的曲線y=f(x)在變換φ:的作用下的變換方程的求法是將代入y=f(x),整理得y′=h(x′)即為所求.
(2)解答該類問題應(yīng)明確兩點:一是根據(jù)平面直角坐標(biāo)系中的伸縮變換公式的意義與作用求解;二是明確變換前的點P(x,y)與變換后的點P′(x′,y′)的坐標(biāo)關(guān)系,用方程思想求解.
考點二 極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的互化 [師生共研過關(guān)]
[典例精析]
在極坐標(biāo)系下,已知圓O:ρ=cos θ+sin θ和直線l:ρsin=(ρ≥0,0≤θ<2π).
(1)求圓O和直線l的直角坐標(biāo)方程;
(2)當(dāng)θ∈(0,π)時,求直線l與圓O的公共點的極坐標(biāo).
[解] (1)圓O:ρ=cos θ+sin θ,即ρ2=ρcos θ+ρsin θ,
故圓O的直角坐標(biāo)方程為x2+y2-x-y=0,
直線l:ρsin=,即ρsin θ-ρcos θ=1,
則直線l的直角坐標(biāo)方程為x-y+1=0.
(2)由(1)知圓O與直線l的直角坐標(biāo)方程,
將兩方程聯(lián)立得解得
即圓O與直線l在直角坐標(biāo)系下的公共點為(0,1),
轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)為,
故直線l與圓O的公共點的極坐標(biāo)為.
[解題技法]
1.極坐標(biāo)方程與直角坐標(biāo)方程的互化方法
(1)直角坐標(biāo)方程化為極坐標(biāo)方程:將公式x=ρcos θ及y=ρsin θ直接代入直角坐標(biāo)方程并化簡即可.
(2)極坐標(biāo)方程化為直角坐標(biāo)方程:通過變形,構(gòu)造出形如ρcos θ,ρsin θ,ρ2的形式,再應(yīng)用公式進行代換.其中方程的兩邊同乘以(或同除以)ρ及方程兩邊平方是常用的變形技巧.
2.極角的確定方法
由tan θ確定角θ時,應(yīng)根據(jù)點P所在象限取最小正角.在這里要注意:當(dāng)x≠0時,θ角才能由tan θ=按上述方法確定.當(dāng)x=0時,tan θ沒有意義,這時可分三種情況處理:當(dāng)x=0,y=0時,θ可取任何值;當(dāng)x=0,y>0時,可取θ=;當(dāng)x=0,y<0時,可取θ=.
[過關(guān)訓(xùn)練]
已知圓O1和圓O2的極坐標(biāo)方程分別為ρ=2,ρ2-2ρ·cos=2.
(1)把圓O1和圓O2的極坐標(biāo)方程化為直角坐標(biāo)方程;
(2)求經(jīng)過兩圓交點的直線的極坐標(biāo)方程.
解:(1)由ρ=2知ρ2=4,
所以圓O1的直角坐標(biāo)方程為x2+y2=4.
因為ρ2-2ρcos=2,
所以ρ2-2ρ=2,
所以圓O2的直角坐標(biāo)方程為x2+y2-2x-2y-2=0.
(2)將兩圓的直角坐標(biāo)方程相減,
得經(jīng)過兩圓交點的直線方程為x+y=1.
化為極坐標(biāo)方程為ρcos θ+ρsin θ=1,
即ρsin=.
考點三 極坐標(biāo)方程的應(yīng)用 [師生共研過關(guān)]
[典例精析]
(2019·安徽名校聯(lián)考)在平面直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C1的方程為x2+(y-2)2=4.以坐標(biāo)原點為極點,x軸非負半軸為極軸建立極坐標(biāo)系,且在兩坐標(biāo)系下長度單位相同.M為曲線C1上異于極點的動點,點N在射線OM上,且|ON|·|OM|=20,記點N的軌跡為C2.
(1)求曲線C1,C2的極坐標(biāo)方程;
(2)根據(jù)極坐標(biāo)方程,判斷曲線C1,C2的位置關(guān)系.
[解] (1)曲線C1的直角坐標(biāo)方程是x2+(y-2)2=4,
即x2+y2=4y.
將x=ρcos θ,y=ρsin θ代入,得ρ2=4ρsin θ.
故曲線C1的極坐標(biāo)方程為ρ=4sin θ.
設(shè)N(ρ,θ),M(ρ1,θ),由|ON|·|OM|=20,
即ρ·ρ1=20,得ρ1=.
又ρ1=4sin θ,所以=4sin θ,所以ρsin θ=5.
故曲線C2的極坐標(biāo)方程為ρsin θ=5.
(2)由得sin2θ=,無實數(shù)解,因此曲線C1和曲線C2沒有公共點,易知曲線C1是圓,曲線C2是直線,
所以C1與C2相離.
[解題技法]
利用極坐標(biāo)系解決問題的技巧
(1)用極坐標(biāo)系解決問題時要注意題目中的幾何關(guān)系,如果幾何關(guān)系不容易通過極坐標(biāo)表示時,可以先化為直角坐標(biāo)方程,將不熟悉的問題轉(zhuǎn)化為熟悉的問題加以解決.
(2)已知極坐標(biāo)方程解答最值問題時,通??赊D(zhuǎn)化為三角函數(shù)模型求最值問題,這種方法比在直角坐標(biāo)系中求最值的運算量小.
(3)根據(jù)極坐標(biāo)方程判斷曲線的位置關(guān)系時,只需聯(lián)立曲線的極坐標(biāo)方程得方程組,判斷方程組解的情況即可.
[提醒] 在曲線的方程進行互化時,一定要注意變量的范圍,注意轉(zhuǎn)化的等價性.
[過關(guān)訓(xùn)練]
(2018·全國卷Ⅰ)在直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C1的方程為y=k|x|+2.以坐標(biāo)原點為極點,x軸正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系,曲線C2的極坐標(biāo)方程為ρ2+2ρcos θ-3=0.
(1)求C2的直角坐標(biāo)方程;
(2)若C1與C2有且僅有三個公共點,求C1的方程.
解:(1)由x=ρcos θ,y=ρsin θ得C2的直角坐標(biāo)方程為(x+1)2+y2=4.
(2)由(1)知C2是圓心為A(-1,0),半徑為2的圓.
由題設(shè)知,C1是過點B(0,2)且關(guān)于y軸對稱的兩條射線.記y軸右邊的射線為l1,y軸左邊的射線為l2.
由于點B在圓C2的外面,故C1與C2有且僅有三個公共點等價于l1與C2只有一個公共點且l2與C2有兩個公共點,或l2與C2只有一個公共點且l1與C2有兩個公共點.
當(dāng)l1與C2只有一個公共點時,點A到l1所在直線的距離為2,所以=2,故k=-或k=0.
經(jīng)檢驗,當(dāng)k=0時,l1與C2沒有公共點;
當(dāng)k=-時,l1與C2只有一個公共點,l2與C2有兩個公共點.
當(dāng)l2與C2只有一個公共點時,點A到l2所在直線的距離為2,所以=2,故k=0或k=.
經(jīng)檢驗,當(dāng)k=0時,l1與C2沒有公共點;
當(dāng)k=時,l2與C2沒有公共點.
綜上,所求C1的方程為y=-|x|+2.

1.在平面直角坐標(biāo)系xOy中,直線C1:x=-2,圓C2:(x-1)2+(y-2)2=1,以坐標(biāo)原點為極點,x軸的正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系.
(1)求C1,C2的極坐標(biāo)方程;
(2)若直線C3的極坐標(biāo)方程為θ=(ρ∈R),設(shè)C2與C3的交點為M,N,求△C2MN的面積.
解:(1)因為x=ρcos θ,y=ρsin θ,
所以C1的極坐標(biāo)方程為ρcos θ=-2,
C2的極坐標(biāo)方程為ρ2-2ρcos θ-4ρsin θ+4=0.
(2)將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的半徑為1,所以△C2MN的面積為.
2.(2019·黃岡調(diào)研)在平面直角坐標(biāo)系xOy中,以坐標(biāo)原點為極點,x軸正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系,曲線C1的極坐標(biāo)方程為ρcos=2.已知點Q為曲線C1上的動點,點P在線段OQ上,且滿足|OQ|·|OP|=4,動點P的軌跡為C2.
(1)求C2的直角坐標(biāo)方程;
(2)設(shè)點A的極坐標(biāo)為,點B在曲線C2上,求△AOB面積的最大值.
解:(1)設(shè)P的極坐標(biāo)為(ρ,θ)(ρ>0),Q的極坐標(biāo)為(ρ1,θ)(ρ1>0),
由題意知,|OP|=ρ,|OQ|=ρ1=.
由|OQ|·|OP|=4得C2的極坐標(biāo)方程為ρ=2cos(ρ>0),化簡得ρ=cos θ+sin θ,因此C2的直角坐標(biāo)方程為2+2=1,但不包括點(0,0).
(2)設(shè)點B的極坐標(biāo)為(ρB,α)(ρB>0),
由題意知,|OA|=2,ρB=2cos,
于是△AOB的面積S=|OA|·ρB·sin∠AOB
=2cos·=2≤.
當(dāng)α=0時,S取得最大值.所以△AOB面積的最大值為.
3.在平面直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C1的參數(shù)方程為(t為參數(shù),a>0).在以坐標(biāo)原點為極點,x軸正半軸為極軸的極坐標(biāo)系中,曲線C2:ρ=4cos θ.
(1)說明C1是哪一種曲線,并將C1的方程化為極坐標(biāo)方程;
(2)直線C3的極坐標(biāo)方程為θ=α0,其中α0滿足tan α0=2,若曲線C1與C2的公共點都在C3上,求a.
解:(1)消去參數(shù)t得到C1的普通方程為x2+(y-1)2=a2,則C1是以(0,1)為圓心,a為半徑的圓.
將x=ρcos θ,y=ρsin θ代入C1的普通方程中,
得到C1的極坐標(biāo)方程為ρ2-2ρsin θ+1-a2=0.
(2)曲線C1,C2的公共點的極坐標(biāo)滿足方程組

若ρ≠0,由方程組得16cos2θ-8sin θcos θ+1-a2=0,
由已知tan θ=2,可得16cos2θ-8sin θcos θ=0,
從而1-a2=0,解得a=-1(舍去)或a=1.
當(dāng)a=1時,極點也為C1,C2的公共點,且在C3上.
所以a=1.
4.在平面直角坐標(biāo)系xOy中,圓C的直角坐標(biāo)方程為x2+(y-1)2=1.以坐標(biāo)原點O為極點,x軸正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系,直線l的極坐標(biāo)方程為ρ(cos θ+sin θ)=5.
(1)求圓C的極坐標(biāo)方程和直線l的直角坐標(biāo)方程;
(2)在圓上找一點A,使它到直線l的距離最小,并求點A的極坐標(biāo).
解:(1)x2+(y-1)2=1即x2+y2-2y=0,
因為ρ2=x2+y2,ρsin θ=y(tǒng),
所以圓C的極坐標(biāo)方程為ρ2=2ρsin θ,即ρ=2sin θ.
ρ(cos θ+sin θ)=5即ρcos θ+ρsin θ=5,
因為ρcos θ=x,ρsin θ=y(tǒng),
所以直線l的直角坐標(biāo)方程為y=-x+5.
(2)曲線C:x2+(y-1)2=1是以C(0,1)為圓心,1為半徑的圓.設(shè)圓上點A(x0,y0)到直線l:y=-x+5的距離最小,所以圓C在點A處的切線與直線l:y=-x+5平行.
即直線CA與l的斜率的乘積等于-1,
即×(-)=-1.①
因為點A在圓上,所以x+(y0-1)2=1,②
聯(lián)立①②可解得x0=-,y0=或x0=,y0=.
所以點A的坐標(biāo)為或.
又因為圓上點A到直線l:y=-x+5的距離最小,
所以點A的坐標(biāo)為,
點A的極徑為 =,極角θ滿足tan θ=且θ為第一象限角,則可取θ=.
所以點A的極坐標(biāo)為.
5.(2019·山西八校第一次聯(lián)考)在直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C的參數(shù)方程是(α為參數(shù)).以坐標(biāo)原點O為極點,x軸正半軸為極軸,建立極坐標(biāo)系.
(1)求曲線C的極坐標(biāo)方程;
(2)設(shè)l1:θ=,l2:θ=,若l1,l2與曲線C分別交于異于原點的A,B兩點,求△AOB的面積.
解:(1)將曲線C的參數(shù)方程化為普通方程為(x-3)2+(y-4)2=25,
即x2+y2-6x-8y=0.
∴曲線C的極坐標(biāo)方程為ρ=6cos θ+8sin θ.
(2)設(shè)A,B.
把θ=代入ρ=6cos θ+8sin θ,得ρ1=4+3,
∴A.
把θ=代入ρ=6cos θ+8sin θ,得ρ2=3+4,
∴B.
∴S△AOB=ρ1ρ2sin∠AOB
=sin
=12+.
6.(2018·福州四校聯(lián)考)在平面直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C1的參數(shù)方程為(α為參數(shù)),直線C2的方程為y=x.以坐標(biāo)原點O為極點,x軸的正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系.
(1)求曲線C1和直線C2的極坐標(biāo)方程;
(2)若直線C2與曲線C1交于A,B兩點,求+.
解:(1)由曲線C1的參數(shù)方程為(α為參數(shù)),得曲線C1的普通方程為(x-2)2+(y-2)2=1,
則C1的極坐標(biāo)方程為ρ2-4ρcos θ-4ρsin θ+7=0.
由于直線C2過原點,且傾斜角為,
故其極坐標(biāo)方程為θ=(ρ∈R).
(2)由
得ρ2-(2+2)ρ+7=0,
設(shè)A,B對應(yīng)的極徑分別為ρ1,ρ2,
則ρ1+ρ2=2+2,ρ1ρ2=7,
∴+===.
7.在直角坐標(biāo)系xOy中,曲線C1的參數(shù)方程為(φ為參數(shù)),曲線C2:+=1.以原點O為極點,x軸的正半軸為極軸建立極坐標(biāo)系.
(1)求曲線C1,C2的極坐標(biāo)方程;
(2)射線l:θ=α(ρ≥0)與曲線C1,C2分別交于點A,B(且A,B均異于原點O),當(dāng)0<α<時,求|OB|2-|OA|2的最小值.
解:(1)易知曲線C1的普通方程為(x-1)2+y2=1,
所以C1的極坐標(biāo)方程為ρ=2cos θ,
C2的極坐標(biāo)方程為ρ2=.
(2)聯(lián)立θ=α(ρ≥0)與C1的極坐標(biāo)方程得|OA|2=4cos2α,
聯(lián)立θ=α(ρ≥0)與C2的極坐標(biāo)方程得|OB|2=,
則|OB|2-|OA|2=-4cos2α=-4(1-sin2α)=+4(1+sin2α)-8
≥2-8=8-8,
當(dāng)且僅當(dāng)sin α=時取等號,
所以|OB|2-|OA|2的最小值為8-8.
8.(2019·湖南長郡中學(xué)模擬)在直角坐標(biāo)系中,已知曲線M的參數(shù)方程為(β為參數(shù)),在極坐標(biāo)系中,直線l1的方程為α1=θ,直線l2的方程為α2=θ+.
(1)寫出曲線M的普通方程,并指出它是什么曲線;
(2)設(shè)l1與曲線M交于A,C兩點,l2與曲線M交于B,D兩點,求四邊形ABCD面積的取值范圍.
解:(1)由(β為參數(shù)),消去參數(shù)β,得曲線M的普通方程為(x-1)2+(y-1)2=8,
∴曲線M是以(1,1)為圓心,2為半徑的圓.
(2)設(shè)|OA|=ρ1,|OC|=ρ2,
∵O,A,C三點共線,
則|AC|=|ρ1-ρ2|=(*),
將曲線M的方程化成極坐標(biāo)方程,得ρ2-2ρ(sin θ+cos θ)-6=0,

代入(*)式得|AC|=.
用θ+代替θ,得|BD|=,
又l1⊥l2,
∴S四邊形ABCD=|AC|·|BD|

=2,
∵sin22θ∈[0,1],∴S四邊形ABCD∈[8,14].


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