选修4-4 坐标系教案(绝对经典)

选修4-4 坐标系与参数方程

第1节 坐标系

【最新考纲】 1.了解坐标系的作用，了解在平面直角坐标系伸缩变换作用下平面图形的变化情况；2.了解极坐标的基本概念，会在极坐标系中用极坐标刻画点的位置，能进行极坐标和直角坐标的互化；3.能在极坐标系中给出简单图形表示的极坐标方程.

【高考会这样考】1.坐标系的变换；2.极坐标与直角坐标的互化

要 点 梳 理

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 ′＝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. 2.极坐标系与点的极坐标

(1)极坐标系：如图所示，在平面内取一个定点O (极点)；自极点O

引一条射线Ox (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.

(2)极坐标：平面上任一点M 的位置可以由线段OM 的长度ρ和从Ox 到OM 的角度θ来刻画，这两个数组成的有序数对(ρ，θ)称为点M 的极坐标.其中ρ称为点M 的极径，θ称为点M 的极角. 3.极坐标与直角坐标的互化

4.圆的极坐标方程

5.直线的极坐标方程

(1)直线l 过极点，且极轴到此直线的角为α，则直线l 的极坐标方程是θ＝α(ρ∈R ).

(2)直线l 过点M (a ，0)且垂直于极轴，则直线l 的极坐标方程为ρcos_θ＝a . (3)直线过M ? ?

?

??b ，π2且平行于极轴，则直线l 的极坐标方程为ρsin_θ＝b .

基 础 自 测

1.思考辨析(在括号内打“√”或“×”)

(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)×

2.若以直角坐标系的原点为极点，x 轴的非负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≤π

2

B.ρ＝1cos θ＋sin θ

，0≤θ≤π

4

C.ρ＝cos θ＋sin θ，0≤θ≤π

2

D.ρ＝cos θ＋sin θ，0≤θ≤π

4 解析 ∵y ＝1－x (0≤x ≤1)， ∴ρsin θ＝1－ρcos θ(0≤ρcos θ≤1)；

∴ρ＝

1sin θ＋cos θ?

?

???0≤θ≤π2.

答案 A

3.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.若曲线C 的极坐标方程为ρ＝2sin θ，则曲线C 的直角坐标方程为________. 解析 由ρ＝2sin θ，得ρ2＝2ρsin θ，所以曲线C 的直角坐标方程为x 2＋y 2－2y ＝0.

答案 x 2＋y 2－2y ＝0

4.在极坐标系中，点A 在圆ρ2－2ρcos θ－4ρsin θ＋4＝0上，点P 的坐标为(1，0)，则|AP |的最小值为________.

解析 由ρ2－2ρcos θ－4ρsin θ＋4＝0，得 x 2＋y 2－2x －4y ＋4＝0，即(x －1)2＋(y －2)2＝1， 圆心坐标为C (1，2)，半径长为1. ∵点P 的坐标为(1，0)，∴点P 在圆C 外. 又∵点A 在圆C 上，∴|AP |min ＝|PC |－1＝2－1＝1. 答案 1

5.已知直线l 的极坐标方程为2ρsin ? ????θ－π4＝2，点A 的极坐标为A ? ?

???22，7π4，则

点A 到直线l 的距离为________. 解析 由2ρsin ? ??

??

θ－π4＝2，

得2ρ? ????22sin θ－2

2cos θ＝2，

∴y －x ＝1.

由A ? ?

???22，7π4，得点A 的直角坐标为(2，－2). ∴点A 到直线l 的距离d ＝|2＋2＋1|2

＝52

2. 答案

522

题型分类 深度解析

考点一 平面直角坐标系中的伸缩变换

【例1】 求双曲线C ：x 2

－y 2

64＝1经过φ：???x ′＝3x ，2y ′＝y

变换后所得曲线C ′的焦点坐

标.

解 设曲线C ′上任意一点P ′(x ′，y ′)， 由???x ′＝3x ，2y ′＝y ，得??

???x ＝x ′3，y ＝2y ′，

代入曲线C ：x 2

－y 264＝1，得x ′29－y ′2

16＝1，

即曲线C ′的方程为x 29－y 2

16＝1，

因此曲线C ′的焦点F 1(－5，0)，F 2(5，0).

规律方法 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 ′)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.

【变式练习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 ′＝y 2，∴?????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. 考点二 极坐标与直角坐标的互化

【例2－1】 在极坐标系下，已知圆O ：ρ＝cos θ＋sin θ和直线l ：ρsin ? ????

θ－π4＝22.

(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 公共点的一个极坐标. 解 (1)圆O ：ρ＝cos θ＋sin θ，即ρ2＝ρcos θ＋ρsin θ， 圆O 的直角坐标方程为：x 2＋y 2＝x ＋y ， 即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：y －x ＝1，即x －y ＋1＝0.

(2)由???x 2＋y 2

－x －y ＝0，x －y ＋1＝0，得???x ＝0，y ＝1，

故直线l 与圆O 公共点的一个极坐标为? ?

?

??1，π2.

【例2－2】 在极坐标系中,已知极坐标方程C 1：ρcos θ-3ρsin θ－1＝0，C 2：ρ＝2cos θ.

(1)求曲线C 1，C 2的直角坐标方程，并判断两曲线的形状； (2)若曲线C 1，C 2交于A ，B 两点，求两交点间的距离. 解 (1)由C 1：ρcos θ－3ρsin θ－1＝0， ∴x －3y －1＝0，表示一条直线. 由C 2：ρ＝2cos θ，得ρ2＝2ρcos θ. ∴x 2＋y 2＝2x ，即(x －1)2＋y 2＝1. 所以C 2是圆心为(1，0)，半径r ＝1的圆.

(2)由(1)知，点(1，0)在直线x －3y －1＝0上， 所以直线C 1过圆C 2的圆心.

因此两交点A ，B 的连线段是圆C 2的直径. 所以两交点A ，B 间的距离|AB |＝2r ＝2.

规律方法 1.进行极坐标方程与直角坐标方程互化的关键是抓住互化公式；x ＝ρcos θ，y ＝ρsin θ，ρ2＝x 2＋y 2，tan θ＝y

x (x ≠0).

2.进行极坐标方程与直角坐标方程互化时，要注意ρ，θ的取值范围及其影响；要善于对方程进行合理变形，并重视公式的逆向与变形使用；要灵活运用代入法和平方法等技巧.

【变式练习2】 (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ρcos ? ????

θ－π4＝

a ，且点A 在直线上，求a 的值及直线的直角坐标方程. (2)把曲线C 1：x 2＋y 2－8x －10y ＋16＝0化为极坐标方程. 解 (1)∵点A ? ????2，π4在直线ρcos ? ????

θ－π4＝a 上，

∴a ＝2cos ? ????

π4－π4＝2，

所以直线的方程可化为ρcos θ＋ρsin θ＝2， 从而直线的直角坐标方程为x ＋y －2＝0. (2)将???x ＝ρcos θ，

y ＝ρsin θ代入x 2＋y 2－8x －10y ＋16＝0，

得ρ2－8ρcos θ－10ρsin θ＋16＝0，

所以C 1的极坐标方程为ρ2－8ρcos θ－10ρsin θ＋16＝0. 考点三 曲线极坐标方程的应用

【例3－1】 在直角坐标系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＝4.

(1)设点M 为曲线C 1上的动点，点P 在线段OM 上，且|OM |·|OP |＝16，求点P 的轨迹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△OAB 面积的最大值.

解 (1)设P 的极坐标为(ρ，θ)(ρ>0)，M 的极坐标为(ρ1，θ)(ρ1>0). 由题设知|OP |＝ρ，|OM |＝ρ1＝4

cos θ.

由|OM |·|OP |＝16得C 2的极坐标方程为ρ＝4cos θ(ρ>0). 因此C 2的直角坐标方程为(x －2)2＋y 2＝4(x ≠0). (2)设点B 的极坐标为(ρB ，α)(ρB >0).

由题设知|OA |＝2，ρB ＝4cos α，于是△OAB 的面积 S ＝12|OA |·ρB ·sin ∠AOB ＝4cos α·????

??sin ? ?

???α－π3 ＝2??????

sin ? ????2α－π3－32≤2＋ 3.

当α＝－π

12时，S 取得最大值2＋ 3. 所以△OAB 面积的最大值为2＋ 3.

【例3－2】在直角坐标系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t ，得C 1的普通方程x 2＋(y －1)2＝a 2， ∴曲线C 1表示以点(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)，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.

规律方法 1.(1)例3－1中利用极径、极角的几何意义，表示△AOB 的面积，借助

三角函数的性质求最值优化了解题过程.

(2)例3－2第(1)题将曲线C 1的参数方程先化成普通方程，再化为极坐标方程，考查学生的转化与化归能力.第(2)题中关键是理解极坐标方程的含义，消去ρ，建立与直线C 3：θ＝α0的联系，进而求a .

2.由极坐标方程求曲线交点、距离等几何问题时，如果不能直接用极坐标解决，可先转化为直角坐标方程，然后求解.

【变式练习3】 在直角坐标系xOy 中，曲线C 1的参数方程为???x ＝2cos φ，

y ＝sin φ(φ为

参数)，曲线C 2：x 2＋y 2－2y ＝0.以原点O 为极点，x 轴的正半轴为极轴建立极坐标系，射线l ：θ＝α(ρ≥0)与曲线C 1，C 2分别交于点A ，B (均异于原点O ). (1)求曲线C 1，C 2的极坐标方程；

(2)当0<α<π

2时，求|OA |2＋|OB |2的取值范围. 解 (1)C 1的普通方程为x 22＋y 2

＝1，

C 1的极坐标方程为ρ2cos 2 θ＋2ρ2sin 2 θ－2＝0， C 2的极坐标方程为ρ＝2sin θ.

(2)联立θ＝α(ρ≥0)与C 1的极坐标方程得|OA |2＝

2

1＋sin 2α

，

联立θ＝α(ρ≥0)与C 2的极坐标方程得|OB |2＝4sin 2α， 则|OA |2＋|OB |2＝21＋sin 2α＋4sin 2α＝21＋sin 2α

＋4(1＋sin 2

α)－4. 令t ＝1＋sin 2α，则|OA |2＋|OB |2＝2

t ＋4t －4，

当0<α<π

2时，t ∈(1，2).

设f (t )＝2

t ＋4t －4，易得f (t )在(1，2)上单调递增， ∴2<|OA |2＋|OB |2<5，

故|OA |2＋|OB |2的取值范围是(2，5).

错误!

课后练习

A 组 (时间：50分钟)

1.在极坐标系中，已知直线4ρcos ? ????

θ－π6＋1＝0与圆ρ＝2sin θ，试判定直线与圆的

位置关系.

解 由4ρcos ? ????

θ－π6＋1＝0得23ρcos θ＋2ρsin θ＋1＝0，故直线的直角坐标方程

为23x ＋2y ＋1＝0. 由ρ＝2sin θ得ρ2＝2ρsin θ，

故圆的直角坐标方程为x 2＋y 2＝2y ，则x 2＋(y －1)2＝1. 圆心为(0，1)，半径为r ＝1.

∵圆心到直线23x ＋2y ＋1＝0的距离d ＝|2×1＋1|（23）2＋2

2＝3

4

<1， ∴直线与圆相交，有两个公共点.

2.以直角坐标系中的原点O 为极点，x 轴正半轴为极轴的极坐标系中，已知曲线的极坐标方程为ρ＝

2

1－sin θ

.

(1)将曲线的极坐标方程化为直角坐标方程；

(2)过极点O 作直线l 交曲线于点P ，Q ，若|OP |＝3|OQ |，求直线l 的极坐标方程. 解 (1)∵ρ＝x 2＋y 2，ρsin θ＝y ， ∴ρ＝

2

1－sin θ

化为ρ－ρsin θ＝2，

∴曲线的直角坐标方程为x 2＝4y ＋4. (2)设直线l 的极坐标方程为θ＝θ0(ρ∈R )， 根据题意21－sin θ0＝3·2

1－sin （θ0＋π），

解得θ0＝π6或θ0＝5π

6，

直线l 的极坐标方程θ＝π6(ρ∈R )或θ＝5π

6

(ρ∈R ).

3.在极坐标系中，已知曲线C 1：ρ＝2与C 2：ρcos ? ????

θ－π4＝2交于两点A ，B .

(1)求两交点的极坐标；

(2)求线段AB 的垂直平分线l 的极坐标方程. 解 (1)C 1：ρ＝2的直角坐标方程为x 2＋y 2＝4， C 2：ρcos ? ??

??

θ－π4＝2的方程即ρcos θ＋ρsin θ＝2，

化为直角坐标方程得x ＋y －2＝0.

由???x 2＋y 2

＝4，x ＋y －2＝0，解得???x ＝2，y ＝0或?

??x ＝0，y ＝2， 所以两交点为(0，2)，(2，0)，化为极坐标为? ?

?

??2，π2，(2，0).

(2)易知直线l 经过点(0，0)及线段AB 的中点(1，1)，所以其方程为y ＝x ，化为极坐标方程得θ＝π

4(ρ∈R ).

4.在直角坐标系xOy 中，曲线C 1：???x ＝t cos α，

y ＝t sin α(t 为参数，t ≠0)，其中0≤α＜π.在

以O 为极点，x 轴正半轴为极轴的极坐标系中，曲线C 2：ρ＝ 2sin θ，C 3：ρ＝23cos θ. (1)求C 2与C 3交点的直角坐标；

(2)若C 1与C 2相交于点A ，C 1与C 3相交于点B ，求|AB |的最大值.

解 (1)曲线C 2的直角坐标方程为x 2＋y 2－2y ＝0，曲线C 3的直角坐标方程为x 2＋y 2－23x ＝0.

联立?

??x 2

＋y 2

－2y ＝0，x 2＋y 2－23x ＝0，解得???x ＝0，y ＝0或?????x ＝32，

y ＝32.

所以C 2与C 3交点的直角坐标为(0，0)和? ????

32，32.

(2)曲线C 1的极坐标方程为θ＝α(ρ∈R ，ρ≠0)， 其中0≤α＜π.

因此A 的极坐标为(2sin α，α)，B 的极坐标为(23cos α，α). 所以|AB |＝|2sin α－23cos α|＝4????

??sin ? ?

???α－π3.

当α＝5π

6时，|AB |取得最大值，最大值为4.

5.在极坐标系中，已知直线l 的极坐标方程为ρsin ? ??

??

θ＋π4 ＝1，圆C 的圆心的极坐

标是C ? ?

???1，π4，圆的半径为1.

(1)求圆C 的极坐标方程；

(2)求直线l 被圆C 所截得的弦长.

解 (1)设O 为极点，OD 为圆C 的直径，A (ρ，θ)为圆C 上的一个动点， 则∠AOD ＝π4－θ或∠AOD ＝θ－π

4，

|OA |＝|OD |cos ? ????π4－θ或|OA |＝|OD |cos ? ??

??θ－π4. 所以圆C 的极坐标方程为ρ＝2cos ? ??

??

θ－π4.

(2)由ρsin ? ????

θ＋π4＝1，得22ρ(sin θ＋cos θ)＝1，

∴直线l 的直角坐标方程为x ＋y －2＝0，

又圆心C 的直角坐标为? ????

22，22满足直线l 的方程，

∴直线l 过圆C 的圆心，

故直线被圆所截得的弦长为直径2.

B 组 (时间：30分钟)

6.在直角坐标系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＝π

4(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＝π

4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，则易得△C 2MN 为直角三角形， 所以△C 2MN 的面积为S ＝12×12＝1

2.

7.(2018·合肥二模)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，圆C 的极坐标方程为ρ＝4cos θ. (1)求出圆C 的直角坐标方程；

(2)已知圆C 与x 轴相交于A ，B 两点，直线l ：y ＝2x 关于点M (0，m )(m ≠0)对称的直线为l ′.若直线l ′上存在点P 使得∠APB ＝90°，求实数m 的最大值. 解 (1)由ρ＝4cos θ得ρ2＝4ρcos θ，故x 2＋y 2－4x ＝0， 即圆C 的直角坐标方程为(x －2)2＋y 2＝4.

(2)l ：y ＝2x 关于点M (0，m )的对称直线l ′的方程为y ＝2x ＋2m .依题设，易知AB 为圆C 的直径，故直线l ′上存在点P 使得∠APB ＝90°的充要条件是直线l ′与圆C 有公共点.

因此|4＋2m |5

≤2，于是，实数m 的最大值为5－2.

8.已知曲线C 1：x ＋3y ＝3和C 2：???x ＝6cos φ，

y ＝2sin φ(φ为参数).以原点O 为极点，x

轴的正半轴为极轴，建立极坐标系，且两种坐标系中取相同的长度单位. (1)把曲线C 1和C 2的方程化为极坐标方程；

(2)设C 1与x ，y 轴交于M ，N 两点，且线段MN 的中点为P .若射线OP 与C 1，C 2交于P ，Q 两点，求P ，Q 两点间的距离. 解 (1)曲线C 1化为ρcos θ＋3ρsin θ＝ 3. ∴ρsin ? ??

??

θ＋π6＝32.

曲线C 2化为x 26＋y 2

2＝1(*) 将x ＝ρcos θ，y ＝ρsin θ代入(*)式

得ρ26cos 2θ＋ρ22sin 2

θ＝1，即ρ2(cos 2θ＋3sin 2θ)＝6.

∴曲线C 2的极坐标方程为ρ2＝6

1＋2sin 2θ.

(2)∵M (3，0)，N (0，1)，∴P ? ????

32，12，

∴OP 的极坐标方程为θ＝π

6，

把θ＝π6代入ρsin ? ????θ＋π6＝32，得ρ1＝1，P ? ?

?

??1，π6.

把θ＝π6代入ρ2＝61＋2sin 2θ，得ρ2＝2，Q ? ????2，π6. ∴|PQ |＝|ρ2－ρ1|＝1，即P ，Q 两点间的距离为1.