极坐标与极坐标方程

.............极坐标及极坐标方程的应用1.极坐标概述第一个用极坐标来确定平面上点的位置的是牛顿。他的《流数法与无穷级数》，大约于1671年写成，出版于1736年。此书包括解析几何的许多应用，例如按方程描出曲线，书中创见之一，是引进新的坐标系。瑞士数学家J.贝努力利于1691年在《教师学报》上发表了一篇基本上是关于极坐标的文章，所以通常认为J.贝努利是极坐标的发现者。J.贝努利的学生J.赫尔曼在1729年不仅正式宣布了极坐标的普遍可用，而且自由地应用极坐标去研究曲线。在平面内建立直角坐标系，是人们公认的最容易接受并且被经常采用的方法，但它并不是确定点的位置的唯一方法。有些复杂的曲线用直角坐标表示，形式极其复杂，但用极坐标表示，就变得十分简单且便于处理，在此基础上解决平面解析几何问题也变的极其简单。通过探究极坐标在平面解析几何中的广泛应用，使我们能够清楚的认识到，用极坐标来解决某些平面解析几何问题和某些高等数学问题比用直角坐标具有很大的优越性，故本文对其进行了初步探讨。国内外研究动态，不仅在数学理论方面，很多学者对极坐标以及极坐标方程做了深入探究，而且在如物理、电子、军事等领域，很多学者对极坐标也有较深的研究。由此看来，极坐标已应用到各个领域。1.1极坐标系的建立在平面内取一个定点O，叫作极点，引一条射线OX，叫做极轴，再选定一个长度单位和角度的正方向(通常取逆时针方向)。对于平面内任意一点M，用表示线段OM的长度，表示从OX到OM的角度，叫点M的极径，叫点M的极角，有序数对，就叫点M的极坐标。这样建立的坐标系叫极坐标系，记作M，．若点M在极点，则其极坐标为=0，可以取任意值。.............xOPMxPOM图1-1图1-2如图1-2，此时点M的极坐标可以有两种表示方法：(1)＞0，M，(2)＞0，M，同理，，与，也是同一个点的坐标。又由于一个角加2nnZ后都是和原角终边相同的角，所以一个点的极坐标不唯一。但若限定0，02或，那么除极点外，平面内的点和极坐标就可以一一对应了。1.2曲线的极坐标方程在极坐标系中，曲线可以用含有，这两个变数的方程0，来表示，这种方程叫曲线的极坐标方程。求曲线的极坐标方程的方法与步骤：1°建立适当的极坐标系，并设动点M的坐标为，；2°写出适合条件的点M的集合；3°0列方程，；4°化简所得方程；5°证明得到的方程就是所求曲线的方程。三种圆锥曲线统一的极坐标方程：.............yxPBFOKAM图1-3过点F作准线L的垂线，垂足为K，以焦点F为极点，FK的反向延长线FX为极轴，建立极坐标系。设M，是曲线上任意一点，连结MF，作MA⊥L，MB⊥FX，垂足分别为AB，．那么曲线就是集合MFpMeMA.设焦点F到准线L的距离FKPMF，由，MABKPCOS得cosep即1cosepe这就是椭圆、双曲线、抛物线的统一的极坐标方程。其中当01e时，方程表示椭圆，定点F是它的左焦点，定直线L是它的左准线。1e时，方程表示开口向右的抛物线。1e时，方程只表示双曲线右支，定点F是它的右焦点，定直线L是它的右准线。若允许0，方程就表示整个双曲线。1.3极坐标和直角坐标的互化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，其直角坐标x，y，极坐标是，，从点M作MN⊥OX，由三角函数定义，得cossinxy，..............yxyxNOM图1-4进一步有222,0yxytgxx注：在一般情况下，由tg确定角时，可根据点M所在的象限取最小角。2极坐标在平面解析几何中的应用2.1极坐标法求到定点的线段长度解析几何中涉及到某定点的线段长度时，可以考虑利用极坐标法求解。但是绝大多数解析几何问题中题设条件是以直角坐标方程形式给出的，在求解过程中运算繁琐复杂，将此类问题转化为用极坐标方程求解，十分简洁，收到良好的效果。巧设极点，建立极坐标系是解决问题的关键。2.1.1以定点为极点如果题设条件与结论中，涉及到过某定点M的线段长度问题，应该取该点为极点，先将直角坐标原点移动到M点，施行平移公式、直角坐标与极坐标互化公式，化普通方程为极坐标方程求解。.............例1设等腰OAB的顶角为2，高为h，在OAB内有一动点p，到三边OAOB、OC的距离分别为PDPFPE、、，并且满足关系2PDPFPE，求P点的轨迹。xFEDPBAO图2-1解:如图2-1所示,以O为极点,∠AOB的平分线为极轴,建立极坐标系，设P点极坐标为p，,则sin,sin,PDPFcosPEh由2PDPFPE得22sinsincosh化简得22222cos0coscoshh化成直角坐标方程为22222sincoscoshhxy这是以2cosh，0为圆心，以2sincosh为半径的圆，所求的轨迹是该圆在等腰OAB内部的部分。2.1.2以原点为极点如果题设条件或结论中涉及到直角坐标系原点的线段长度时，应选取原点为极点，应用互化公式，将直角坐标方程转化极坐标方程求解。.............例2已知椭圆2212416xy，直线L:1128xy，P是L上一点，射线OP交椭圆于R，又点Q在OP上，且满足2OQOPOR，当点P在L上移动时，求点Q的轨迹方程，并说明轨迹是什么曲线。解:如图2-2所示，以O为极点，OX为极轴，建立极坐标系。则由互化公式知椭圆的极坐标方程为2222cos3sin48(1)直线L的极坐标方程为2cos3sin24(2)12QRP设，、，、，，则由(1)式知2122482cos3sin由(2)式知2242cos3sin又221,有22244802cos3sin2cos3sin22222cos3sin4cos6sin所以2223440xyxy即22111,05523xyxy不同时为点Q的轨迹是以1，1为中心，长轴、短轴分别为25103，且长轴平行与X轴的椭圆，去掉坐标原点。.............OPRQLyx图2-22.1.3以焦点为极点凡涉及圆锥曲线的焦半径或焦点弦长度的问题，应选取焦点为极点(椭圆左焦点，双曲线右焦点)，应用圆锥曲线统一的极坐标方程求解。例3设O为抛物线的顶点，F为焦点，且PQ为过F的弦。已知OFaPQb，OPQ求的面积。xQOFP图2-3解:如图2-3所示，以F为极点，FO的反向延长线FX为极轴，建立极坐标系。则抛物线的极坐标方程为21cosa2222241cos1cossinaaabPQPFQF于是24sinab114sin22OPQaSPQOFabaabb2.2极坐标简解与角有关的解析几何题含有已知角或公共顶点的一类解析几何题，运用极坐标系（或化直角坐标系为极坐标系）进行解题，常可避繁就简，化难为易，达到事半功倍的效果。下面分类举例说明。.............2.2.1含有已知角，角顶点为极点例4已知PQ，在∠AOB的两边OAOB，上，∠AOB=3，POQ的面积为8，求PQ的中点M的轨迹方程。AxBMPQo图2-4解：以O为极点，OB为极轴，建立极坐标系，如图2-4所示，设123PQ，0，，，M，，则121sin823即12384(1)因为12POMQOMPOQSSS所以11sin42(2)11sin423（）(3)23得2121sinsin()1643(4)(1)代入(4)并化简，得2sinsin()233即为所求。2.2.2含有已知角，坐标轴平移，化角顶点为极点例5已知曲线G：21yx，顶点A（2，0），点B是G上的动点，ABC是以BC为斜边的等腰直角三角形，顶点ABC、、按顺时针排列，O为坐标原点，求OC的最大值及点C的坐标。.............y'yx(x')BCOA图2-5解:曲线G化为：2210xyy，以点A为新坐标系原点，则'2'{xxyy曲线G为22('2)'1'0xyy以点A为极点，'x轴的正方向为极轴，建立极坐标系。如图2-5所示，则曲线G为22(cos2)sin1(1)设0,0,(',')BC，则00''2{(2)(2)代入(1)得22'cos'2'sin'122即22'sin'2'cos'1所以点C的轨迹方程为22('2)'1yx即222212xyx(3).............故当OC过（3）的圆心2,2时，OC的最大值为122，此时点C的坐标为221122，.2.3极坐标法证明几何定理在平面几何证明中，极坐标法是一种重要的方法，应用十分广泛，下面以部分平面几何中著名定理为例，谈谈极坐标法在证明中的应用。2.3.1应用圆心是(,0)a，半径是a的圆的方程2cosa来证明例6求证：圆内接四边形两组对边乘积的和等于两条对角线的乘积（托列迷定理）。证明：如图2-6，以D为极点，DO的延长线为极轴建立极坐标系。设圆的半径为a，则O：2cosa.11(,)A、22(,)B、33(,)C三点都在O上，1122332cos,2cos,2cosADaBDaCDa另由正弦定理得1223132sin2sin2sinABaBCaACa，，21232314sincossincosABCDBCDAa21231232312312{sinsinsinsin}a21231232[sinsin]a21324sincosaACBD213xODCBA图2-6.............2.3.2应用极点在圆上，圆心为0,a的方程02cosa证明例7自圆上一点引三弦，并以它们各自为直径画圆。求证：所画三圆的其它三交点共线（沙尔孟salmon定理）。C3C2C1CxA1A2A3OP1P3P2图2-7证明：如图2-7,123OAOAOAOA、、、分别是123CCCC、、、的直径，123PPP、、分别是122331CCCCCC与、与、与的交点，以O为极点，OA的延长线为极轴建立极坐标系，为简便计，设1OA，极轴与123OAOAOA、、的交角分别为123、、，则1122coscoscosOAOAOA33、=、=所以111coscosC：（1）222coscosC：（2）333coscosC：（3）设111,p，则由（1）、（2）得1122coscoscoscos1111222211coscoscoscos22积化和12cos2cos222222k12k