浅谈极坐标及极坐标方程的应用 毕业论文.doc

浅谈极坐标及极坐标方程的应用摘 要极坐标法是一种重要的解题方法，虽然高中数学教材已经删去极坐标的内容，但这一思想和方法对解决平面几何问题和高等数学问题都有很重要的作用，有必要加以深入研究。本文首先对极坐标的基础知识进行阐述，给出了极坐标的相关概念，以及求曲线方程的方法与步骤，并求出了三种圆锥曲线统一的极坐标方程，然后讨论了极坐标在平面解析几何中的应用，最后探讨了极坐标在解决高等数学问题的应用。通过对极坐标在数学各方面的应用的探讨，我们能够发现极坐标有很大的优越性。通过探讨研究，使我们对极坐标这一思想和方法有更深的了解，并使学生对高中平面解析几何内容有完整的把握，有更深层次的掌握。同时，这种对知识的深入掌握可以使教育者更好的完成对其的教学任务。关键词：极坐标；应用；优越性abstractthe method of using the polar coordinates is an usually used method. although the content of the method has been deleted in the process of editing the mathematical textbook for middle school students, this method is very important to solve the problem of plane geometry and advanced mathematics. it is necessary to study this method further.first this paper illustrates the basic knowledge of polar coordinates. the writer gives the relative concepts of polar coordinates and the method and steps of solving curve equation, and work out the polar coordinates equation of three taper curves. second it discusses the application of the method in plane analytic geometry. and then it probes into the application of the method in solving the advanced mathematical problem. by exploring the application of polar coordinates in many mathematical aspects, we may notice the advantages of polar coordinates and its certain applicable range. by studying, it makes us understand the concepts and the thinking further. it also makes the students grasp the content of plane analytic geometry wholly and deeper in middle school. also, the deep understanding of the knowledge makes the teacher finish the educational tasks better.keywords: polar coordinates; application; advantages前 言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。第一章 预备知识1.1 极坐标系的建立在平面内取一个定点，叫作极点，引一条射线，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，用表示线段的长度，表示从到的角度，叫点的极径，叫点的极角，有序数对就叫点的极坐标。这样建立的坐标系叫极坐标系，记作若点在极点，则其极坐标为=0，可以取任意值。 图1-1 图1-2 如图1-2，此时点的极坐标可以有两种表示方法：(1) 0， (2) 0， 同理，也是同一个点的坐标。又由于一个角加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， ，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，并设动点的坐标为；2写出适合条件的点的集合；3；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： 图1-3过点作准线的垂线，垂足为，以焦点为极点，的反向延长线为极轴，建立极坐标系。设是曲线上任意一点，连结，作，垂足分别为那么曲线就是集合.设焦点到准线的距离，得 即 这就是椭圆、双曲线、抛物线的统一的极坐标方程。其中当时，方程表示椭圆，定点是它的左焦点，定直线是它的左准线。时，方程表示开口向右的抛物线。时，方程只表示双曲线右支，定点是它的右焦点，定直线是它的右准线。若允许，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，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，设是平面内任意一点，其直角坐标，极坐标是，从点作，由三角函数定义，得.图1-4进一步有 注：在一般情况下，由确定角时，可根据点所在的象限取最小角。第二章 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 设等腰的顶角为，高为，在内有一动点，到三边 的距离分别为，并且满足关系，求点的轨迹。图2-1解: 如图2-1所示,以为极点,的平分线为极轴,建立极坐标系，设点极坐标为,则由得 化简得 化成直角坐标方程为 这是以为圆心，以为半径的圆，所求的轨迹是该圆在等腰内部的部分。 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，直线:，是上一点，射线交椭圆于，又点在上，且满足，当点在上移动时，求点的轨迹方程，并说明轨迹是什么曲线。解: 如图2-2所示，以为极点，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 (1)直线的极坐标方程为 (2) ，则由(1)式知 由(2)式知又,有所以 即 点的轨迹是以为中心，长轴、短轴分别为且长轴平行与轴的椭圆，去掉坐标原点。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 设为抛物线的顶点，为焦点，且为过的弦。已知。图2-3解: 如图2-3所示，以为极点，的反向延长线为极轴，建立极坐标系。则抛物线的极坐标方程为 于是 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 已知在的两边上，=，的面积为8，求的中点的轨迹方程。图2-4解：以为极点，为极轴，建立极坐标系，如图2-4所示，设，则 即 (1) 因为 所以 (2) (3)得 (4)(1)代入(4)并化简，得即为所求。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：，顶点（2，0），点是上的动点，是以为斜边的等腰直角三角形，顶点按顺时针排列，为坐标原点，求的最大值及点的坐标。图2-5解: 曲线化为：，以点为新坐标系原点，则曲线为 以点为极点，轴的正方向为极轴，建立极坐标系。如图2-5所示，则曲线为 (1)设，则 (2)(2)代入(1)得 即 所以点的轨迹方程为 即 (3)故当过（3）的圆心时，的最大值为，此时点的坐标为.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，半径是的圆的方程来证明例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，以为极点，的延长线为极轴建立极坐标系。设圆的半径为， 则：. 、三点都在上， 另由正弦定理得 图2-62.3.2应用极点在圆上，圆心为的方程证明例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（沙尔孟定理）。图2-7证明：如图2-7 ,分别是的直径，分别是的交点，以为极点，的延长线为极轴建立极坐标系，为简便计，设，极轴与的交角分别为，则所以 （1） （2） （3）设，则由（1）、（2）得 取，得，代入（1）中，得.点坐标为.同理应用轮换得点坐标为，点坐标为.显然三点坐标满足法线式方程故三点共线，命题获证。2.3.3应用圆的极坐标方程、两点或直线方程和法线式方程证明例8 求证：三角形外接圆上任一点在三边上的射影共线（西摩松定理）。图2-8证明：如图2-8，以为极点，的延长线为极轴建立坐标系。设的外接圆直径为，则的方程为，设顶点为的两点式方程为. 这是的法线式方程，故知垂足的坐标为.轮换三个顶点的坐标，得，显然三点的坐标满足法线式方程三点共线 ，定理得证。第三章 极坐标在高等数学中的应用3.1 用极坐标变换确定二重极限若二元函数在以原点为中心，以为半径的去心圆域内有定义，当时，所谓函数极限的未定式是指，且时的二重极限.判定未定式二重极限不存在，常用的方法有以函数所属的类型，选取路径，使不存在；或者选取两种不同路径，使都存在，但二者不相等。但对于判定未定式二重极限存在，并求其极限值，往往很困难，没有有效的方法。本文用极坐标变换就代换的几种类型进行了研究。在极坐标变换，讨论，即相应于时，二元函数的极限。特地将函数化成形式，以确定函数的二重极限。3.1.1函数=极限存在的情形 1. 当，即时，可直接用洛必达法则计算.例1 求解：令 =例2 求解：令 2. 若存在，对充分小的和任何，有，则 例3 求.解：令 此时，所以 3.1.2函数=极限不存在的情形1. 若不是常值函数，与方向角有关时，则不存在。例4 计算.解：令，对任意所以不存在。2. 若不存在时，则不存在。例5 计算 解：令 虽然 但是 因此不存在。3. 若不存在，且时，则不存在。例6 计算 解：令 由于不存在，因此不存在。总之，对函数作极坐标变换后，依次不同类型化成的不同形式，能够方便、快捷地判断当时，函数二重极限存在性。 32 在极坐标下定积分的应用3.2.1平面区域面积的极坐标计算公式定理1 设平面曲线的极坐标方程为，连续，则由曲线轴及二直线所围成区域面积为 (3-1)其中.证明：把曲线的极坐标方程化为关于极角的参数方程1. 若函数严格减少，有则由曲线轴和二直线围成区域面积为图3-12. 若函数严格增加，有 则由曲线轴和二直线围成区域面积为图3-2归纳（1）、（2）有若函数在连续，且则由曲线轴和二直线围成区域面积为同理可证得定理2 设平面曲线的极坐标方程为连续，则由曲线轴及二直线所围成区域面积为 (3-2)其中 图3-33.2.2旋转体体积极坐标公式定理3 设平面曲线的极坐标方程为连续，则1. 由曲线轴及二直线围成平面区域绕轴旋转一周所得旋转体的体积为 (3-3)图3-42. 由曲线轴及二直线围成平面区域绕轴旋转一周所得旋转体的体积为 (3-4)事实上，将参数方程代入 即可得到公式（3-3）和公式（3-4）.图3-53.2.3旋转体侧面积极坐标公式定理4 设平面曲线的极坐标方程为连续，则：1. 由曲线轴及二直线围成平面区域绕轴旋转一周所得旋转体的侧面积为 （3-5）2. 由曲线轴及二直线围成平面区域绕轴旋转一周所得旋转体的侧面积为 （3-6）事实上，方程代入 或即可得到公式（3-5）和（3-6），其中. 例7 求心形线围成区域的面积，绕极轴旋转所得旋转体的体积和侧面积。解：（1） 根据图形的对称性由公式（3-1）有：心形线围成区域的面积为（2）心行线绕极轴旋转所得旋转体体积由公式（3-3）有（3）心行线绕极轴旋转所得旋转曲面面积由公式（3-5）