当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第一章 实数与函数 > 第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线 > 极坐标系与点的极坐标,极坐标方程表示的几种曲线
好接下来我们在这一章的最后一节
给出我们微积分中常用的几种特殊曲线
这就是我们第一章第六节的内容
就是极坐标方程与参数方程
表示的几种曲线
实际上在中学里面
坐标系我们是比较熟悉的
当然我们更熟悉的是所谓的直角坐标系
无论是平面直角坐标系
还是空间直角坐标系
我们都知道它建立了
平面或者是空间中的点
与所谓有序数组之间的关系
实际上坐标系只要能够给出
屏幕上的点与有序数组之间的一一对应
那它就是一个平面坐标系
空间中也是这样子的
所以在平面中
除了我们常用的直角坐标系之外
我们还有所谓的极坐标系
我们先简单介绍一下
什么叫极坐标系
比如说在平面中
我取定一个点
我把它称为坐标原点
我再从这个点出发
给出一个有方向的线段
我称为极轴
我再给一个度量单位
这样有了度量单位的有方向的
这个有向线段
实际本身就构成了一个极坐标系
为什么说它是一个极坐标系
因为对于空间中的任何一个点
我们可以做OP这个连线
这个距离我们记成r
然后从这个正极轴方向我们逆时针旋转
就是出来的这个角度咱们记成θ
所以说这样对任意的P我们会找到
一个有序的数组(r,θ)与它对应
反过来说如果我给了一个(r,θ)
我就首先
从这个正极轴方向逆时针旋转θ这个角度
然后再从原点出发
沿着这条线我走一个r这个距离
这个点也是找到的
说这样我就建立了平面中的点
与有序数组的一一对应关系
它当然就是个坐标系
这就是所谓的极坐标系
r和θ也就是这个点的极坐标
r一般咱们称为极径
也就是极径
径表示距离
然后θ我们表示或者我们称为极角
这是关于平面上的极坐标系
一般来说
我们如果把极坐标系的正极轴
放到x的正半轴上来
这样对平面中的任何一个点
我们既有极坐标
也有所谓的直角坐标
那根据前面我们介绍的三角函数
也就是直角三角形中
锐角的三角函数与边的关系
我们马上就知道
这个点的直角坐标
x等于r乘上cosθ
y等于r乘上sinθ
这就是当坐标原点重合
正x轴是极轴时
同一个点的直角坐标(x,y)
和它的极坐标(r,θ)之间的关系
我们不加说明的时候一般说
直角坐标和极坐标之间的关系
指的就是这个关系式
你比如说
我们在这里写一个
x方加y方等于a方
这个大家知道
这是圆心在原点
半径为a的圆的直角坐标方程
如果我们说
用这个圆周上点的极坐标
来表示这个等式的时候
那这个x方加y方是r方 这个是a方
因为我们的极径和a一般都是大于0的
所以说这个r等于a表示的就是
圆心在原点半径是a的这个圆的
极坐标方程
因为它给出的就是
这个圆周上的点的极坐标满足的关系式
尽管这个圆的方程对我们来说也很熟悉
但是你也不得不承认
用极坐标表示圆心在原点的圆的方程
应该比直角坐标更简单
我们所谓用极坐标方程
来表示一些特殊曲线
主要就是说当一些曲线
如果们用直角坐标表示时它可能过于复杂
我们很难从方程出发去讨论它的有关性质
这时候如果我们能够引进所谓的变量替换的思想
也就是说我们从直角坐标转换成极坐标
就有可能得到一个比较简单的关系式
这时候从它的简单方程出发
就有可能得到一些很有意思的结果
或者说能够得到我们想要的东西
下面我们就介绍我们微积分课程中
常用的两种用极坐标方程表示的特殊曲线
极坐标方程表示的曲线
第一种我们给它叫心形线
也叫心脏线
那么我们先看一下心形线是怎么形成的
我在这画两个大小一样的圆
它在这个位置是外切的
现在我们保持这两个圆这个外切关系
同时把这个切点固定在左边这个圆上
让左边这个圆绕着右边这个圆做旋转
这个点的轨迹大概出来应该是这个样子
这样现在我们就来看一下
怎么样来刻画这条轨迹
也就来刻画这条曲线
实际上我们要刻画这条曲线
也就是要写它的方程
也就是要把曲线上的点坐标满足的关系式写出来
你要把曲线上的点的坐标写出来
自然首先要建立坐标系
所以我们的坐标系是这样建立的
这个地方就取成坐标原点
这个方向我们取成正极轴
这个点一开始在原点
滚动了一段时间后
假设这个圆滚动到这个位置
那这个点就跑到这个地方来了
所以这个点我们叫O点
这个圆的圆心我们记成是A
滚到这个位置之后
圆心记成是B
而这个点我们记成是P
现在我们把这几条线连起来
A B我们连一下
然后B P连一下
还有O P我们连一下
这样连起来之后
如果我画的准确的是
这个应该是一个等腰梯形
我为了要把这个OP也就是这个P点的
这应该是它的极径r求出来
我从A出发做OP的垂线
从B出发我也做OP的垂线
然后我把这个点我记成J
这个交点或者叫垂足我记成K
那根据对称性
我们知道这应该
和这个是两个全等的直角三角形
而这个锐角这应该就是
P这个点的极角
我用θ来表示
那我看一下r等于OP它当然等于OJ再加上JK再加上KP
所以这个长度直接就等于这三条线段之和
在直角三角形OAJ中
OJ是直角边
OA是斜边
这个锐角应该是点P的极角θ
如果我们说这个圆的直径是a
OA就是2分之a
所以说OJ应该是等于2分之a乘上cosθ
而JK应该是AB之间的距离
应该正好是两个半径之和
也就是圆的直径
所以应该是等于a
这个KP
KP跟OJ应该是相等的
所以应该是等于2分之a乘上cosθ
这样我们整理一下
也就是a倍的(1+cosθ)
实际上如果我们这样建立极坐标系
那么这个心形线上点的极坐标
满足的方程应该就是r等于a倍的(1+cosθ)
其中a是这个圆的直径
这是我们说的心形线的极坐标方程
这个方程应该说还是比较简单的
比如说从这个方程里面
我们很容易看出
这个心形线关于极轴是对称的
因为在这个地方cosθ是一个偶函数
说无论θ是大于0小于0
这个极径是不变的
这说明它是关于极轴对称的
这样这是我们常用的心形线方程
当然如果说我们建立直角坐标系
也就说这仍然是坐标原点
这是x轴的正向
这当然就是y轴的正向
如果这样子的时候
我们看看这个心形线上的点的
直角坐标方程应该是什么
那我们就从极坐标与
直角坐标之间的关系出发
来给它转换一下
两边我乘一个r
这就是r方应该是等于ar再加上arcosθ
而r乘cosθ应该是x
r方应该是x方加y方
所以说
这个地方应该就是
x方加上y方减掉ax等于a倍的根下x方加y方
那我们一般在运算时是不喜欢带有根号的
所以说我们两边做平方
就可以把根号去掉
即使两边不做平方
请大家看一下
直角坐标方程与极坐标方程相比
当然是极坐标方程应该是简单得多
所以说关于心形线
即使我们能写出它的直角坐标方程来
我们一般也是以极坐标方程形式来讨论
心形线的有关性质
我想这是我们介绍的第一个
用极坐标方程来表示的特殊曲线
接下来我们介绍第二种
用极坐标方程表示的特殊曲线
也就是我们说的双纽线
那我们先看一下双纽线是怎么来的
双纽线是这样
如果我有两个点
这两个点的距离我们记成2倍的a
那么到这两个点的距离乘积是a方的点的轨迹
我们把它定义成双纽线
所以这是双纽线的来历
或者是双纽线的定义
然后接下来我们看一下
怎么样来刻画这样的轨迹
也就是说
我如果建立什么样的坐标系能够把
这条轨迹上点的坐标
满足的关系式给推出来
我们先看一下
假设这两个点
我取它的中点是坐标原点O
这个方向是x轴
那这个方向自然就是y轴
然后双纽线它的大概形状是这个样子的
这是在这边是这样子
一个完全对称的形状
是这个样子的
所以双纽线的就是这个大概轮廓
是这样子的
我们假设这一点它的坐标是(x,y)
那么这个点
也就是原来的一个定点
它的坐标应该是(a,0)
而另外一个定点的坐标应该是(-a,0)
那根据直角坐标系中
两点间的距离公式
我们知道
x减掉a的平方加上y的平方
就是这两点间的距离
开方是它的距离
再乘上根下x加上a的平方再加上y的平方
是这两点间的距离这个应该是等于a方
这是我们刚才的定义
这样我们两边做一个平方
做平方完之后
应该就是x减掉a的平方加上y的平方
然后再乘上
x加上a的平方再加上加y的平方
等于a的四次方
在这里面我们做一个展开
做展开之后
它应该剩下的是
写成应该是x方加上y方
然后这个地方应该是加上a方
减掉2倍的ax
这边应该是
x方加上y方再加上a方
加上2倍的ax这是a的4次方
这儿有个括号
然后我们把它作为一项
这个作为一项
利用一个简单的代数公式
我们就会得到
x平方加上y的平方再加a的平方
它的平方减掉4倍的a方x方等于a的4次方
剩下的就我们做一个平方
这个做平方时把它作为一项
实际上出来a的四次方就消掉了
同时这里也出来一个x方y方a方
跟这也做一个合并
最后我们会得到一个这样的关系式
也就是x方加上y方的平方
应该等于2倍的a方乘上(x方-y方)
那我们利用直角坐标与极坐标之间的关系
这应该就是r的四次方
这个地方应该出来的是2倍的a方r方
cos方减sin方应该是cos2θ
到了这个地方
说我们最后常用的双纽线的方程是
r方等于2倍的a方cos2θ
这是我们常用的双纽线的极坐标方程
在这个极坐标方程里面
因为这是非负数
这个系数非负
说cos2θ一定是非负
这样就限定了在这个范围里面
应该它的取值这两个角应该是-π/4到π/4
所以也就是说我们可以通过这个方程
大概的把这个双纽线所在的范围
给分析出来
另外因为它是个偶函数
自然应该知道
它是关于极轴对称的
最后因为在极坐标系里面
我们有时候说极径小于0
小于0实际上就是在原来大于0的方向上
做一个反向的关于原点对称的点
所以说
这面有的这个轮廓线做反向应该到
左半平面还是有一个与它完全对称的
通过这个
我们大概也能够体会到
双纽线用极坐标方程表示
应该比直角坐标方程要简单
至少我们可以通过极坐标方程
大概分析下它所在的位置
它的对称性
而用直角坐标方程
你很难分析它所在的位置
这是我们微积分里面常用的两种特殊曲线
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
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--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
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--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
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--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
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--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
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--定积分的性质
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--第七章 定积分--第七节思考与练习
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--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
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--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习