极坐标和参数方程课件.ppt
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1、1a*第十章 极坐标和参数方程 第一节 极坐标 第二节 参数方程*第三节 数学实验二 利用 Mathematic绘制一元函数图形 2a第一节 极 坐 标 我们知道可以利用直角坐标系来表示平面上点的位置和一些曲线的方程,但在有些具体问题中这并不方便.例如,雷达兵在报告雷达发现的飞机的位置时,只需指出飞机的方向和距离.像这种利用方向和距离来确定平面上点的位置的坐标系就是极坐标系.本节介绍极坐标系的概念和曲线的极坐标方程.3a一、极坐标的概念1.平面上点的极坐标10 1,如图所示 在平面上取一定点,从 引一条射线,再取定一个单位长度并规定角旋转的正方向(通常以逆时针方向为正),这样就构成了一个标.点
2、称为点,射线称为轴OOOxOOx极坐系极极.图10-1 极坐标系图形示意Ox,M 4a,.,.,:,.MOMOMOxOMMMMM 设 为平面上任意一点,连接,令 表示从 到 的角 称为点 的极径 称为点 的极角这一对有序实数 与 称为点 的极坐标记作0,0,0,0.当 时 不论 取什么值 都表示极点.当 时 不论 取什么正值 当 都在极轴上0,02,.MMM 当时 对于平面上任意一点 除极点外都可以找到惟一的一对实数与之对应;反过来,对于任意一对实数 也总可以在平面上找到惟一的一点 与之对应.也就是说,当 和 在上述范围内取值的 平面上的点 除极点外 与实数对之间具有一一对应的关系5a1234
3、0,02,3,3,4.例如,如图10-2所示,当时 点和的极坐标11分别为 3,和 1,而极坐标为和 2,所对应的点626分别是和MMMM1234102,MMMM图 的极坐标1M2M3M4Mx1166234O6a,.0,103();0,103()0,;0,.由于实际应用的需要 极径 和极角 也可以取负值当时 规定在角 的终边上取点使如图a 所示 当时 则在角 的终边的反向延长线上取点,使如图b 所示;当时 极轴按逆时针方向旋转 当时 极轴按顺时针方向旋转MOMMOM103图 极径 和极角 的不同取值Ox,M 0 0O,M 0 0 x7a234372,1,3,4,6246104.1例如,点在极坐
4、标系内的位置如图所示MMMM 1234104,MMMM 图 点在极坐 标系内的位置1M2M3M4Mx6234O76y图10-5 点M的极坐标OxM3448a,3733,3,3,444113,.,243,MMMk 由此可知,在这样的规定下,对于任意一对有序实数仍然可以在平面上确定惟一的点,但是反过来,平面上任意一点却对应着无限多对实数,它们都是这个点的极坐标.例如,图10-5中点 的极坐标可以是一般说来 点 的极坐标可以写为 3,-4或 421,kkZ 其中这种点与坐标之间的非一一对应关系是极坐标不同于直角坐标的地方.9a,.,00.由于-可用来表示因此 可将的情形转化为的情形来处理.除非必要,
5、一般不取负值 2.极坐标和直角坐标的互化 极坐标系和直角坐标系是两种不同的坐标系,同一个点可以用极坐标表示,也可以用直角坐标表示.为了研究问题方便,有时需要把它们进行互化.106,.如图所示 把直角坐标系的原点作为极点 轴的非负半轴作为极轴 并在两种坐标系中取相同单位长度x图10-6 直角坐标系与极坐标系的关系xOy,yx,M x y10a,.:设是平面上任意一点,它的直角坐标是 x,y极坐标是显然可知M cossinxy10 110 1,.(!)利用公式可以把点的极坐标化为直角坐标公式借助图形记忆.M,.M 设点 的极坐标为 5,-求它的直角坐标3例1,:由公式 10-1 可得 55cos,
6、32x5 35sin.32y 解11a55 3,.22,10 1:于是得点的直角坐标为我们也可以把点的直角坐标化为极坐标由公式变化可得MM222tan0 xyyxx1020,02.tan,.为了使点极点除外 的极坐标惟一确定,一般可取在由的值确定 时 应该根据点所在的象限决定恰当的MM12a,.设点的直角坐标为 1,-1 求它的极坐标M例2:由公式 10-2 可得22112,1tan1.1 71,1,472,.4 因为点在第IV象限,所以于是可得点的极坐标为MM解13a二、曲线的极坐标方程1.曲线的极坐标方程的概念,.,xyxy 在平面上的一条曲线 在直角坐标系中可以用含有 和 的方程来表示同
7、样,在极坐标系中,曲线也可以用含有 和 的方程来表示而且有些曲线在直角坐标系中不容易用 和 的方程表示,但在极坐标系中却可简单地用 和 的方程来表示这就要求我们在解决具体的曲线方程问题时 选择建立恰当的坐标系来得出方程.为了区别这两类曲线方程,我们将曲线在直角坐标系中得出的方程称为标而在极坐标系中得出的方程称为标.直角坐方程,极坐方程利用点的直角坐标与极坐标间的互化公式,可将曲线的直角坐标方程与极坐标方程进行互化.14a2220.将等轴双曲线化为极坐标方程xyaa例3,cos,sin,xy 由公式 10-1 将代入方程 得:22222cossin,a2222cossin.所以 a22cos2,
8、所以a22.cos2即a.这就是所给的等轴双曲线的极坐标方程解15a22200.将圆化为极坐标方程xyaxa例4,:由公式 10-1 可得 2222cossin2cos0a所以22cos0,a所以02 cos0.或a0,2 cos0.因为表示点圆 与已知矛盾 应舍去 所以所求圆的极坐标方程为a0aa解16a2 sin0,.将化为直角坐标方程 并作出它的图像aa例52 sin,:a将方程 的两端乘以 得22sin.a又因为222,sin,xyy所以222.xyay即 2220 xyaaa,0,107.caa 显然 这是一个圆心是半径是 的圆 如图所示图10-7 例5题图形xOyc 解17a 2.
9、极坐标方程的作图 极坐标方程的作图与直角坐标方程、函数的作图一样,都可用描点法.(1)0;(2).2a a 作出下列极坐标方程的图像.例6(1)0,;a aaOa 对于方程可以看出当 取任何值时的取值都是 因此方程的图像是以极点 为圆心,为半径的圆图10-8 1080a a图 例6题(1)的图像xOaa,0a解18a(2),2,2.对于方程可以看出当 取任何值时的取值都是因此方程的图像是通过极点且垂直于极轴的直线图10-9OBA1092图 例6题(2)图形xO22AB19a,.在极坐标系中 有时方程的形式简单 但所表示的曲线却比较复杂如果只用描点法,则需要求出曲线上相当多的点,才能画出整个曲线
10、.为了作图的方便,我们先来了解曲线对称性.31411,10 10,;,2.12 设是极坐标系中任意一点 图是关于极点的对称点是关于极轴的对称点;是关于直线的对称点MMMMMMM 图10-10 极坐标系中的对称关系xO21,M 2,M3,M 4,M20a,由以上点的对称关系 可得到曲线的对称关系见表10-1.f=f线对称关表10-1 曲的系以代替,方程不变以代替,方程不变曲线关于极点对称曲线关于极轴对称 以-代替,同时以-代替,方程不变曲线关于=对称221a1 cos0.作出方程的图像aa例7 coscos,.因为-所以用-代替方程不变 因此这方程表示的曲线是关于极轴对称的 0.将与 的对应值列
11、表如下 表10-20对应表10-2 与 的值0060.13a40.29a30.5a2a231.5a341.71a561.87a2a解22a 依照上表作出各点并连成光滑的曲线,再根据对称性就可作出所给方程的全部图像(图10-11),这曲线称为心形线.图10-11 心形线xO23462334562a23a3.极坐标方程的建立,.我们知道曲线可以看成是适合某种条件的点的轨迹.如果在极坐标系内用流动坐标将满足的条件表示成一个关系式则这个关系式就是曲线的极坐标方程f 0,.A aa 求经过点,0 且而和极轴垂直的直线的极坐标方程例8 10-12,.,2MOMOMAOMaOAM 如图所示,设是直线上任意一
12、点.连接,则=又因为所以有cos 即 cos a.这就是所求直线的极坐标方程图10-12 例8图形xO,0A a,M 解24a 设有一圆经过极点,圆心 在极轴上,半径为,求它的极坐标方程.OCa例9,10 13,2,2cos,2MOMMAOMAOMOMAOAaa 设 是圆上任意一点 图连接 及 则 因为 所以 即 2 cosa,这就是所求圆的极坐标方程 它与例4所化成的极坐标方程一致.图10-13 例9图形xO,M AC解25a *4.等速螺线及其方程 当一个动点沿着一条射线做等速运动,而射线又绕着它的端点做等角速旋转时,这个动点的轨迹叫做等速螺线(阿基米德螺线).下面我们来建立等速螺线的极坐
13、标方程.0010 14,.,0,.lOOxMMllO 如图所示 以射线 的端点为极点 射线的初始位置为极轴 设曲线上动点M的坐标为 动点在初始位置 的坐标为 在 上运动的速度为 绕 转动的角速度为,t,M 可以得出 经过时刻 点的极径为:0t图10-14 等速螺线的极坐标系xO00,0M,M l26a:极角为t由于t所以0,:令得a00,0.为常数 且aaa.这就是等速螺线的极坐标方程00,.,.如果即动点由极点 开始运动,那么这时 极径 与极角 成正比MOa0.下面我们来作等速螺线的图像aa,.2 在方程中,以-代替同时以代替方程不变 所以曲线关于直线对称27a0103.将与 的对应值列表如
14、下 表 0 对应表10-3 与 的值,0,0,.10310 15,.a由上表取值可以看出当 时 所以曲线由极点开点 又当 增大时 也随之增大,每转一圈增加 2,也相应增加 2 依照表可作出曲线如图所示 图中虚线表示 为负值 时的曲线 004a42a234a34a54a5432a3274a742 a2图10-15 等速螺线OxABCD28a如图10-16所示,一凸轮的轮廓线由和两段曲线组成.为启动时从动杆与凸轮的接触点,凸轮轴心 与 点的距离为100mm.当凸轮按箭头方向做等角速转动时,要求:段推动从动杆向右做等速直线运动,其最大推程为10mm;当从动杆接触到轮廓线上点 时,由于弹簧的作用从动杆
15、就向左移动到,开始与凸轮的段相接触,从动杆接触段时不动,试求凸轮的轮廓线段和段的极坐标CDEABCCOCCDEEAABCABCABCCDE例10 方程.图10-16 例10图形10010OABCED29aOOC 取凸轮轴心 为极点,以 为极轴,建立极坐标系.因为CDE段的作用是将凸轮的等角速转动化为从动杆的等速直线运动,故曲线为等速螺线,设CDE段的极坐标方程为0a100,0110,.,由于点和在曲线上 因此这两点的坐标都满足上述方程把它们分别代入方程 得下列方程组:CE00,100=110=a:解此方程组得010100,.a解30a:所以段的极坐标方程为CDE10100,0,100,:又因为
16、从动杆接触段时不动 故段应为半径等于圆心在极点的圆弧 它的极坐标方程为ABCABC100,231a习 题思考题:课堂练习题:1.极坐标系是如何建立的?什么叫极坐标方程?2.平面上的点极坐标如何表示?极角取值范围?21.2,4,6,.63在极坐标系中作出点:ABC 2.3,3,1;6 2 sin0.把点化成直角坐标;把化成极坐标把极坐标方程化成直角坐标方程MNaa3.,0,.把圆心是半径是的圆化成极坐标方程c aa答 案答 案答 案答 案答 案32a第二节 参 数 方 程,.,0.,前面我们介绍了如何在直角坐标系或极坐标系内用流动坐标或来表示平面内一些曲线的方程但在实际问题中,有些曲线用以上的方
17、法来表示比较困难,也就是说很难找到曲线所满足的0或的式子为此 我们将引入一个新变量来表示曲线方程,即:参数方程.x,yf x,yg 一、参数方程的概念先来看下面的一个例子.,.0 以初速度 并与水平面成 角发射炮弹 若不计空气的阻力求炮弹运动的轨迹方程33a10 17,0.,.,0 如图所示 建立直角坐标系 设点为炮弹在运动中的任意一位置,可以看出,要用 和 之间的直接关系来表示炮弹运动的轨迹方程是比较困难的但是我们知道 炮弹运动的轨迹是由炮弹在各个时刻的位置所决定的.下面就来分析炮弹在任意位置的坐标 和 分别与时刻 之间的关系.如果不考虑地心引力,则经过时刻,炮弹运动到,于是=但事实上炮弹受
18、地心引力的影响 不在点 而在点M x yxyf x,yxyttTOTtTM2.1cos,sin,:200由于点的横坐标为纵坐标为因此我们就以方程组Mttgt12cos01sin2xtttytgt 00,34a2111,.0,.0,.gtttM x yttM x y来表示炮弹运动的轨迹方程 其中 是重力加速度 g=9.8m/s是炮弹落地的时刻对应于 的每一个值 就确定了炮弹相应的每一个位置因此 在上连续变化时就描出了炮弹运动的轨迹图10-17 炮弹运动规律的轨迹OxyTQ0cosv t0sinv t0v t,M x y35a,:从这个例子可以看出曲线上动点的轨迹可以用流动坐标 和 分别与另一个变
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