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1第1讲坐标系一、知识梳理1.坐标系(1)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(λ0),y′=μ·y(μ0)的作用下,点P(x,y)对应到点P′(λx,μy),称φ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换.(2)极坐标系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.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;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,有序数对(ρ,θ)叫做点M的极坐标,记为M(ρ,θ).2.直角坐标与极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,且在两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、极坐标分别为(x,y)和(ρ,θ),则x=ρcosθ,y=ρsinθ,ρ2=x2+y2,tanθ=yx(x≠0).23.直线的极坐标方程若直线过点M(ρ0,θ0),且极轴到此直线的角为α,则它的方程为:ρsin(θ-α)=ρ0sin(θ0-α).几个特殊位置的直线的极坐标方程:(1)直线过极点:θ=θ0和θ=π+θ0.(2)直线过点M(a,0)且垂直于极轴:ρcosθ=a.(3)直线过点Mb,π2且平行于极轴:ρsinθ=b.4.圆的极坐标方程若圆心为M(ρ0,θ0),半径为r,则该圆的方程为:ρ2-2ρ0ρcos(θ-θ0)+ρ20-r2=0.几个特殊位置的圆的极坐标方程:(1)当圆心位于极点,半径为r:ρ=r.(2)当圆心位于M(a,0),半径为a:ρ=2acosθ.(3)当圆心位于Ma,π2,半径为a:ρ=2asinθ.常用结论1.明辨两个坐标伸缩变换关系式x′=λx(λ0),y′=μy(μ0),点(x,y)在原曲线上,点(x′,y′)在变换后的曲线上,因此点(x,y)的坐标满足原来的曲线方程,点(x′,y′)的坐标满足变换后的曲线方程.2.极坐标方程与直角坐标方程互化(1)公式代入:直角坐标方程化为极坐标方程公式x=ρcosθ及y=ρsinθ直接代入并化简.(2)整体代换:极坐标方程化为直角坐标方程,变形构造形如ρcosθ,ρsinθ,ρ2的形式,进行整体代换.二、习题改编31.(选修44P15T2改编)在极坐标系中,圆ρ=-2sinθ的圆心的极坐标是()A.1,π2B.1,-π2C.(1,0)D.(1,π)解析:选B.由ρ=-2sinθ,得ρ2=-2ρsinθ,化为直角坐标方程为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1,-π2.故选B.2.(选修44P15T2改编)圆心C的极坐标为2,π4,且圆C经过极点.求圆C的极坐标方程.解:圆心C的直角坐标为(2,2),则设圆C的直角坐标方程为(x-2)2+(y-2)2=r2,依题意可知r2=(0-2)2+(0-2)2=4,故圆C的直角坐标方程为(x-2)2+(y-2)2=4,化为极坐标方程为ρ2-22ρ(sinθ+cosθ)=0,即ρ=22(sinθ+cosθ).一、思考辨析判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(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)在极坐标系中,曲线的极坐标方程不是唯一的.()(3)极坐标方程θ=π(ρ≥0)表示的曲线是一条直线.()答案:(1)×(2)√(3)×二、易错纠偏常见误区(1)对极坐标几何意义不理解;(2)极坐标与直角坐标的互化致误.1.在极坐标系中,已知两点A3,π4,B2,π2,则|AB|=.解析:设极点为O.在△OAB中,A3,π4,B2,π2,由余弦定理,得AB=432+(2)2-2×3×2×cosπ2-π4=5.答案:52.确定极坐标方程ρ2cos2θ-2ρcosθ=1表示的曲线.解:由极坐标方程ρ2cos2θ-2ρcosθ=1,得ρ2(cos2θ-sin2θ)-2ρcosθ=1.由互化公式x=ρcosθ,y=ρsinθ,x2+y2=ρ2,得x2-y2-2x=1,即(x-1)2-y2=2.故此方程表示以(1,0)为中心,F1(-1,0),F2(3,0)为焦点的等轴双曲线.平面直角坐标系中的伸缩变换(师生共研)(1)曲线C:x2+y2=1经过伸缩变换x′=2x,y′=y得到曲线C′,则曲线C′的方程为.(2)曲线C经过伸缩变换x′=2x,y′=3y后所得曲线的方程为x′2+y′2=1,则曲线C的方程为.【解析】(1)因为x′=2x,y′=y,所以x=x′2,y=y′,代入曲线C的方程得C′:x′24+y′2=1.(2)根据题意,曲线C经过伸缩变换x′=2x,y′=3y后所得曲线的方程为x′2+y′2=1,则(2x)2+(3y)2=1,即4x2+9y2=1,所以曲线C的方程为4x2+9y2=1.【答案】(1)x′24+y′2=1(2)4x2+9y2=151.平面上的曲线y=f(x)在变换φ:x′=λx(λ0),y′=μy(μ0)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;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.1.在同一平面直角坐标系中,已知伸缩变换φ:x′=3x,2y′=y,则点A13,-2经过变换后所得的点A′的坐标为.解析:设A′(x′,y′),由伸缩变换φ:x′=3x,2y′=y,得到x′=3x,y′=12y.由于点A的坐标为13,-2,于是x′=3×13=1,y′=12×(-2)=-1,所以A′的坐标为(1,-1).答案:(1,-1)2.将圆x2+y2=1变换为椭圆x29+y24=1的一个伸缩变换公式为φ:X=ax(a0),Y=by(b0),求a,b的值.解:由X=ax,Y=by得x=1aX,y=1bY,代入x2+y2=1中得X2a2+Y2b2=1,所以a2=9,b2=4,因为a0,b0,所以a=3,b=2.极坐标与直角坐标的互化(师生共研)(1)已知直线l的极坐标方程为2ρsinθ-π4=2,点A的极坐标为A22,7π4,求点A到直线l的距离.6(2)把曲线C1:x2+y2-8x-10y+16=0化为极坐标方程.【解】(1)由2ρsinθ-π4=2,得2ρ22sinθ-22cosθ=2,所以y-x=1.由点A的极坐标为22,7π4得点A的直角坐标为(2,-2),所以d=|2+2+1|2=522.即点A到直线l的距离为522.(2)将x=ρcosθ,y=ρsinθ代入x2+y2-8x-10y+16=0,得ρ2-8ρcosθ-10ρsinθ+16=0,所以C1的极坐标方程为ρ2-8ρcosθ-10ρsinθ+16=0.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:将公式x=ρcosθ及y=ρsinθ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ρcosθ,ρsinθ,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.1.在平面直角坐标系中,以坐标原点为极点,x轴的正半轴为极轴建立极坐标系.已知点A的极坐标为2,π4,直线的极坐标方程为ρcosθ-π4=a,且点A在直线上,求a的值及直线的直角坐标方程.解:因为点A(2,π4)在直线ρcosθ-π4=a上,所以a=2cosπ4-π4=2,所以直线的方程可化为ρcosθ+ρsinθ=2,从而直线的直角坐标方程为x+y-2=0.2.在极坐标系下,已知圆O:ρ=cosθ+sinθ和直线l:ρsinθ-π4=22(ρ≥0,0≤θ2π).(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.7解:(1)圆O:ρ=cosθ+sinθ,即ρ2=ρcosθ+ρsinθ,故圆O的直角坐标方程为x2+y2-x-y=0,直线l:ρsinθ-π4=22,即ρsinθ-ρcosθ=1,故直线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x2+y2-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),将(0,1)转化为极坐标为1,π2即为所求.求曲线的极坐标方程(师生共研)(2019·高考全国卷Ⅱ)在极坐标系中,O为极点,点M(ρ0,θ0)(ρ00)在曲线C:ρ=4sinθ上,直线l过点A(4,0)且与OM垂直,垂足为P.(1)当θ0=π3时,求ρ0及l的极坐标方程;(2)当点M在C上运动且点P在线段OM上时,求P点轨迹的极坐标方程.【解】(1)因为M(ρ0,θ0)在C上,当θ0=π3时,ρ0=4sinπ3=23.由已知得|OP|=|OA|cosπ3=2.设Q(ρ,θ)为l上除点P外的任意一点.连接OQ,在Rt△OPQ中,ρcosθ-π3=|OP|=2.经检验,点P2,π3在曲线ρcosθ-π3=2上.所以,l的极坐标方程为ρcosθ-π3=2.(2)设P(ρ,θ),在Rt△OAP中,|OP|=|OA|cosθ=4cosθ,即ρ=4cosθ.因为P在线段OM上,且AP⊥OM,故θ的取值范围是π4,π2.所以,P点轨迹的极坐标方程为ρ=4cosθ,θ∈π4,π2.8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.1.在以坐标原点为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,过极点O作圆C:ρ=8cosθ的弦ON,交圆C于点N.求ON的中点M的轨迹的极坐标方程.解:设M(ρ,θ),N(ρ1,θ1).因为N点在圆ρ=8cosθ上,所以ρ1=8cosθ1.①因为M是ON的中点,所以ρ1=2ρ,θ1=θ,代入①式得2ρ=8cosθ,故点M的轨迹的极坐标方程是ρ=4cosθ.2.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ρcosθ-π3=1(0≤θ<2π),M,N分别为曲线C与x轴,y轴的交点.(1)写出曲线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ρcosθ-π3=1得ρ12cosθ+32sinθ=1.从而曲线C的直角坐标方程为12x+32y=1,即x+3y-2=0.当θ=0时,ρ=2,所以M(2,0).当θ=π2时,ρ=233,所以N233,π2.9(2)由(1)知,M点的直角坐标为(2,0),N点的直角坐标为0,233.所以P点的直角坐标为1,33,则P点的极坐标为233,π6.所以直线OP的极坐标方程为θ=π6(ρ∈R).曲线极坐标方程的应用(师生共研)(2020·福州四校联考)在平面直角坐标系xOy中,曲线C1的参数方程为x=2+cosα,y=
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