Как найти длину отрезка полярных координат - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

How to find the distance between two points in polar Co-ordinates?

Let OX be the initial line through the pole O of the polar system and (r₁, θ ₁) and (r₂, θ₂) the polar co-ordinates of the points P and Q respectively. Then, OP₁ = r₁, OQ = r₂, ∠XOP = θ₁ and ∠XOQ = θ₂, Therefore, ∠POQ = θ₂ – θ₁.

From triangle POQ we get,

PQ² = OP² + OQ² – 2 ∙ OP ∙ OQ ∙ cos∠POQ

= r₁² + r₂² – 2r₁ r₂ cos(θ₂ – θ₁)

Therefore, PQ = √[r₁² + r₂ ² – 2r₁ r₂ cos⁡(θ₂ – θ₁)].

Second Method: Let us choose origin and positive x-axis of the cartesian system as the pole and initial line respectively of the polar system. If (x₁, y₁) , (x₂, y₂) and (r₁, θ₁) (r₂, θ₂) be the respective Cartesian and polar co-ordinates of the points P and Q, then we shall have,

x₁ = y₁ cos θ₁, y₁ = r₁ sin θ₁

and

x₂ = r₂ cos θ₂, y₂ = r₂ sin θ₂.

Now, the distance between the points P and Q is

PQ = √[(x₂ – x₁)² + (y₂ – y₁)²]

= √[(r₂ cos θ₂ – r₁ cos θ₁)² + (r₂ sin θ₂ – r₂ sin θ₂)²]

= √[r₂² cos² θ₂ + r₁ ² cos² θ₁ – 2 r₁r₂ cos θ₁ cos θ₂ + r₂² sin² θ₂ + r₁²sin² θ₁ – 2 r₁r₁ sin θ₁ sin θ₂]

= √[r₂² + r₁² – 2r₁ r₂ Cos(θ₂ – θ₁)].

Example on distance between two points in polar Co-ordinates:

Find the length of the line-segment joining the points (4, 10°) and (2√3 ,40°).

Solution:

We know that the length of the line-segment joining the points (r₁, θ₁),and (r₂, θ₂), is

√[ r₂² + r₁² – 2r₁ r₂ Cos(θ₂ – θ₁)].

Therefore, the length of the line-segment joining the given points

= √{(4² + (2√3)² – 2 ∙ 4 ∙ 2√(3) Cos(40 ° – 10°)}

= √(16 + 12 – 16√3 ∙ √3/2)

= √(28 – 24)

= √4

= 2 units.

● Co-ordinate Geometry

What is Co-ordinate Geometry?
Rectangular Cartesian Co-ordinates
Polar Co-ordinates
Relation between Cartesian and Polar Co-Ordinates
Distance between Two given Points
Distance between Two Points in Polar Co-ordinates
Division of Line Segment: Internal & External
Area of the Triangle Formed by Three co-ordinate Points
Condition of Collinearity of Three Points
Medians of a Triangle are Concurrent
Apollonius’ Theorem
Quadrilateral form a Parallelogram
Problems on Distance Between Two Points
Area of a Triangle Given 3 Points
Worksheet on Quadrants
Worksheet on Rectangular – Polar Conversion
Worksheet on Line-Segment Joining the Points
Worksheet on Distance Between Two Points
Worksheet on Distance Between the Polar Co-ordinates
Worksheet on Finding Mid-Point
Worksheet on Division of Line-Segment
Worksheet on Centroid of a Triangle
Worksheet on Area of Co-ordinate Triangle
Worksheet on Collinear Triangle
Worksheet on Area of Polygon
Worksheet on Cartesian Triangle

Didn’t find what you were looking for? Or want to know more information
about Math Only Math.
Use this Google Search to find what you need.

Источник

Полярные координаты – определение и вычисление с примерами решения

Содержание:

Полярные координаты. параметрические уравнения линии

Полярные координаты

Основная идея метода координат состоит в том, что положение точки на плоскости однозначно определяется с помощью двух чисел. Конкретный геометрический смысл этих чисел дает ту или иную систему координат. Наиболее важной после прямоугольной системы, исключительно употреблявшейся нами до сих пор, является полярная система координат, к рассмотрению которой мы и переходим.

Возьмем на плоскости точку О, которую назовем полюсом. Проведем из полюса О направленную полупрямую Ох, называемую полярной осью (рис. 41).

Пусть М — произвольная точка плоскости. Соединим точку М с полюсом О отрезком ОМ. Длина отрезка ОМ = р называется полярным радиусом точки М, а угол

Точка М с полярными координатами риф записывается следующим образом: М (р, ф), причем на первом месте ставится полярный радиус р, а на втором — полярный угол ф.

Что касается значений, принимаемых полярными координатами, то достаточно, очевидно, рассматривать значения р от 0 до и значения ф от 0 до , при этом, как мы условились, угол ф отсчитывается от полярной оси против хода часовой стрелки. Однако в некоторых вопросах приходится рассматривать углы, большие , а также отрицательные углы, т. е. углы, отсчитываемые от полярной оси по направлению движения часовой стрелки.

Связь между прямоугольными и полярными координатами

Рассмотрим переход от полярных координат к прямоугольным и обратно.

Предположим, что полюс полярной системы совпадает с началом прямоугольной системы координат Оху, а полярная ось является положительной полуосью Ох (рис. 42).

Тогда для произвольной точки М имеем

Считая угол ф острым, из прямоугольного треугольника АОМ находим

Полученные формулы справедливы для любого угла ф. Так выражаются прямоугольные координаты точки М через ее полярные координаты. Далее, из этого же прямоугольного треугольника АОМ получаем

Так выражаются полярные координаты точки через ее прямоугольные координаты.

Заметим, что при определении полярного угла ф по tg ф нужно учитывать знаки координат х и у.

Ранее мы видели, что линии могут быть заданы с помощью уравнений, связывающих их текущие прямоугольные координаты. Покажем теперь на простейшем примере, что линии могут определяться и уравнениями относительно полярных координат.

Пример:

Рассмотрим кривую , где а — некоторое положительное число. Эта кривая называется спиралью Архимеда. Для ее построения составляем таблицу соответственных значений ф и р:

По этой таблице наносим точки и соединяем их линией, уточняя, если в этом есть необходимость, положение промежуточных точек (рис. 43).

Параметрические уравнения линии

Иногда бывает удобнее вместо уравнения линии, связывающего прямоугольные координаты , рассматривать так называемые параметрические уравнения линии, дающие выражения текущих координат х и у в виде функций от некоторой переменной величины t (параметра). Параметрические уравнения играют важную роль, например, в механике, где координаты х и у движущейся точки М (х, у) рассматриваются как функции времени (уравнения движения).

Пример:

Выведем параметрические уравнения окружности.

Пусть М — произвольная точка окружности радиуса R с центром в начале координат (рис. 44). В определяемом ею прямоугольном треугольнике АОМ обозначим угол хОМ через t. Тогда, очевидно, будут иметь место равенства

Это и есть параметрические уравнения окружности.

Чтобы получить обычное уравнение окружности, нужно исключить параметр t. Для этого возводим уравнения (1) в квадрат и складываем их:

Пример:

Выведем параметрические уравнения эллипса.

Эллипс с полуосями а и b можно рассматривать как равномерно сжатую вдоль вертикального диаметра окружность радиуса а, где коэффициент сжатия k = b/a. Пусть М (х, у) — точка эллипса, N (X, У) — соответствующая точка окружности (рис. 45), где

За параметр t примем угол, образованный радиусом ON окружности с положительным направлением оси Ох: . Используя формулы (2), имеем

Таким образом, параметрические уравнения эллипса с полуосями а и b есть

Исключив из уравнений (3) параметр получим каноническое уравнение эллипса

Имея параметрические уравнения линии, можно по точкам построить ее.

Пример:

Решение:

Составляем таблицу значений:

Нанося точки с соответствующими координатами (х, у) на плоскость Оху и соединяя их линией, получим искомую кривую (рис. 46).

Эта кривая— парабола. В самом деле, исключив параметр t из уравнений (4), получим т. е. каноническое уравнение параболы.

Параметрические уравнения циклоиды

Определение: Циклоидой называется кривая, описываемая точкой окружности, катящейся без скольжения по прямой линии (рис. 47).

Выведем параметрические уравнения циклоиды, приняв прямую за ось Ох, предполагая, что радиус катящейся окружности равен айв начальном положении движущаяся точка М совпадает с началом координат. За параметр t примем угол поворота (в радианах) подвижного радиуса МС окружности относительно вертикального радиуса КС, где К — точка касания окружности с осью Ох (рис. 47). Так как качение окружности происходит без скольжения, то, очевидно, имеем

Отсюда на основании рис. 47 для координат текущей точки М циклоиды получаем следующие выражения:

Таким образом, параметрические уравнения циклоиды есть

Полярная система координат

Определение 1. Рассмотрим плоскость с прямоугольной декартовой системой координат Оху . Пусть М(х, у) – точка на плоскости, M ≠ 0. Полярными координатами точки М называются числа r − длина ее радиус-вектора (полярный
радиус) и ϕ − угол, образованный радиус-вектором с положительным направлением оси Ох (полярный угол), . Точка О при этом называется
полюсом, а полуось Ох – полярной осью.
Замечание. Зависимость между прямоугольными (х, у) и полярными ( , ) r ϕ
координатами точки М задается в виде: (1)

Рис.1. Полярные координаты точки.
Полярный полюс О и полярную ось можно выбрать на плоскости и не вводя
прямоугольную систему координат:

Пример 1.

Построим на плоскости линию, заданную уравнением:
− лемниската.
Решение.

Вычислим значения r при различных значениях ϕ :

Проводим лучи из начала координат под углами ϕ к оси Ох и на них откладываем
отрезки длины r , получим :

Рис.3. Лемниската

Пример 2.

а) Построим кривую − кардиоида. Рассуждая, как в примере 1 получим:

Замечание. Если в определении 1 отбросить требование 0 ≤ ϕ 0, то формулы (1) будут задавать непрерывное отображение точек плоскости (O, r, ϕ) на точки плоскости (x, O, y).

При этом, если r > 0, то векторы сонаправлены, если r

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Полярная система координат (полярные координаты)

Полярная система координат на плоскости — это совокупность точки , называемой полюсом , и полупрямой , называемой полярной осью . Кроме того, задается масштабный отрезок для измерения расстояний от точек плоскости до полюса. Как правило, на полярной оси выбирается вектор , приложенный к точке , длина которого принимается за величину масштабного отрезка, а направление вектора задает положительное направление на полярной оси (рис.2.28,а).

Положение точки в полярной системе координат определяется расстоянием ( полярным радиусом ) от точки до полюса (т.е. ) и углом ( полярным углом ) между полярной осью и вектором . Полярный радиус и полярный угол составляют полярные координаты точки , что записывается в виде . Полярный угол измеряется в радианах и отсчитывается от полярной оси:

– в положительном направлении (против направления движения часовой стрелки), если значение угла положительное;

– в отрицательном направлении (по направлению движения часовой стрелки), если значение угла отрицательное.

Полярный радиус определен для любой точки плоскости и принимает неотрицательные значения . Полярный угол определен для любой точки плоскости, за исключением полюса , и принимает значения , называемыми главными значениями полярного угла . В некоторых случаях целесообразно считать, что полярный угол определен с точностью до слагаемых , где . В этом случае значениям полярного угла для всех соответствует одно и то же направление радиус-вектора.

С полярной системой координат можно связать прямоугольную систему координат , начало которой совпадает с полюсом, а ось абсцисс (точнее положительная полуось абсцисс) — с полярной осью. Ось ординат достраивается перпендикулярно оси абсцисс так, чтобы получилась правая прямоугольная система координат (рис.2.28,б). Длины базисных векторов определяются масштабным отрезком на полярной оси.

Наоборот, если на плоскости задана правая прямоугольная система координат, то, приняв положительную полуось абсцисс за полярную ось, получим полярную систему координат <связанную с данной прямоугольной).

Выведем формулы, связывающие между собой прямоугольные координаты точки , отличной от точки , и ее полярные координаты . По рис.2.28,б получаем

Эти формулы позволяют найти прямоугольные координаты по известным полярным координатам. Обратный переход выполняется по формулам:

Последние два равенства определяют полярный угол с точностью до слагаемых , где . При из них следует, что . Главное значение полярного угла находится по формулам (рис.2.29):

Пример 2.9. В полярной системе координат :

а) изобразить координатные линии ;

б) изобразить точки с полярными координатами . Найти главные значения полярных углов этих точек;

в) найти прямоугольные координаты точек .

Решение. а) Координатные линии представляют собой окружности соответствующих радиусов, а линии и — полупрямые (рис.2.30,а).

б) Построим точки и (рис.2.30,б,в). Их координаты отличаются полярным углом, однако, имеют одно и то же главное значение . Следовательно, это одна и та же точка, которая совпадает с точкой , изображенной на рис.2.30,а.

в) Учитывая пункт “б”, найдем прямоугольные координаты точки . По формулам (2.17) получаем:

1. Главное значение полярного угла можно выбрать иначе, например, .

2. Расстояние между двумя точками и (длина отрезка ) вычисляется по формуле

что следует из теоремы косинусов (рис.2.31).

3. Ориентированная площадь параллелограмма (рис.2.31), построенного на радиус-векторах и , находится по формуле

Она положительна, если (при этом ориентация пары радиус- векторов и правая), и отрицательна, если varphi_2″ png;base64,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” style=”vertical-align: middle;” /> (ориентация пары радиус-векторов и левая).

Пример 2.10. Даны полярные координаты и точек и (рис.2.32). Требуется найти:

а) скалярное произведение ;

б) длину отрезка ;

в) внешнее произведение ;

г) площадь треугольника ;

д) координаты середины отрезка в прямоугольной системе координат, связанной с данной полярной.

Решение. а) По определению скалярного произведения находим

б) Находим длину отрезка (см. пункт 2 замечаний 2.8):

в) Внешнее произведение находим как ориентированную площадь параллелограмма, построенного на векторах и :

Площадь положительная, так как векторы и образуют правую пару .

г) Площадь треугольника находим как половину площади параллелограмма, построенного на радиус-векторах и .

д) По формулам (2.17) находим прямоугольные координаты точек и :

а затем координаты середины отрезка (см. пункт 3 замечаний 2.1):

Пример 2.11. На координатной плоскости отмечена точка . Найти:

а) полярные координаты точки , образа точки при повороте радиус-вектора на угол вокруг начала координат (рис.2.33);

б) полярные координаты точки , образа точки при инверсии плоскости относительно окружности единичного радиуса с центром в начале координат (см. пример б преобразований плоскости в разд. 2.2.4).

Решение. а) Найдем полярные координаты точки . По формулам (2.17), учитывая рис.2.29, получаем:

так как точка лежит в четверти.

При повороте радиус-вектора вокруг полюса на угол полярный радиус не изменяется, а полярный угол увеличивается. Следовательно, полярные координаты точки : , , причем — главное значение полярного угла .

б) При инверсии относительно окружности радиуса полярные координаты образа выражаются через полярные координаты прообраза следующими формулами:

Поэтому, учитывая пункт “а”, находим (для ):

4.4. Уравнение линии в полярных координатах

По существу, уравнение линии в полярной системе координат представляет собой функцию полярного радиуса от полярного угла (аргумента). При этом полярный угол учитывается в радианах (!) и непрерывно принимает значения от до (иногда следует рассмотреть до бесконечности, или же в ряде задач для удобства от до ). Каждому значению угла «фи», которое входит в область определения функции , соответствует единственное значение полярного радиуса.

Полярную функцию можно сравнить со своеобразным радаром – когда луч света, исходящий из полюса, вращается против часовой стрелки и «прорисовывает» линию.

«Дежурным» примером полярной кривой является Архимедова спираль . На следующем рисунке изображен её первый виток – когда полярный радиус вслед за полярным углом принимает значения от 0 до :
Далее, пересекая полярную ось в точке , спираль продолжит раскручиваться, бесконечно далеко удаляясь от полюса. Но подобные случаи на практике встречаются довольно редко; более типичная ситуация, когда на всех последующих оборотах мы «пройдёмся по той же самой линии», которая получена в диапазоне .
В первом же примере мы сталкиваемся и с понятием области определения полярной функции: поскольку полярный радиус неотрицателен , то отрицательные углы у функции рассматривать нельзя.

! Примечание: в ряде случаев принято использовать обобщённые полярные координаты, где радиус может быть отрицательным, и такой подход мы вкратце изучим чуть позже

Кроме спирали Архимеда, есть множество других известных кривых, но искусством, как говорится, сыт не будешь, поэтому я подобрал примеры, которые очень часто встречаются в реальных практических заданиях.

Сначала простейшие уравнения и простейшие линии:

Уравнение вида задаёт луч, исходящий из полюса. Действительно, вдумайтесь, если значение угла всегда (каким бы ни было «эр») постоянно, то какая это линия?

Примечание: в обобщённой полярной системе координат данное уравнение задаёт прямую, проходящую через полюс.

Уравнение вида определяет… догадайтесь с первого раза – если для любого угла «фи» радиус остаётся постоянным? Фактически это определение окружности с центром в полюсе радиуса .

Например, . Для наглядности найдём уравнение этой линии в прямоугольной системе координат. Используя полученную ранее формулу , проведём замену:

Возведём обе части в квадрат:
– уравнение окружности с центром в начале координат радиуса 2, что и требовалось проверить.

А теперь оценИте удобство – с окружностью значительно выгоднее работать именно в полярных координатах по причине предельной простоты уравнения .

Рассмотрим более содержательные задачи на построение:

Задача 116

Построить линию

Решение: в первую очередь найдём область определения. Так как полярный радиус неотрицателен, то должно выполняться неравенство . Можно вспомнить школьные правила решения тригонометрических неравенств, но в простых случаях как этот,
я советую более быстрый графический метод решения:

– Посмотрим на график функции (см. Приложение Тригонометрия). Что означает неравенство ? Оно означает, что нас устраивает тот кусок графика, который не ниже оси абсцисс , а именно, его часть на отрезке . И, соответственно, интервал не подходит. Таким образом, область определения нашей функции: , то есть график расположен справа от полюса (по терминологии декартовой системы – в правой полуплоскости).

В полярных координатах часто бывает смутное представление о том, какую линию определяет то или уравнение, поэтому чтобы её построить, необходимо найти принадлежащие ей точки – и чем больше, тем лучше. Обычно ограничиваются десятком-другим (а то и меньшим количеством). Проще всего, конечно же, взять табличные значения угла.

Для бОльшей ясности к отрицательным значениям угла я буду «прикручивать» один оборот (левая колонка), и в силу чётности косинуса соответствующие положительные значения можно заново не считать (справа):

Изобразим полярную систему координат и отложим найденные точки, при этом одинаковые значения «эр» удобно откладывать за один раз, делая парные засечки циркулем по рассмотренной ранее технологии:

В принципе, линия отчётливо прорисовывается, но чтобы стопроцентно подтвердить догадку, давайте найдём её уравнение в декартовой системе координат. Можно применить недавно выведенные формулы , но я расскажу вам о более хитром приёме.

Обе части уравнения искусственно домножаем на «эр»: и используем более компактные формулы перехода:

Выделяя полный квадрат, приводим уравнение к понятному виду:

– уравнение окружности с центром в точке , радиуса 2.

Коль скоро по условию требовалось просто выполнить построение и всё, плавно соединяем найденные точки линией. Ничего страшного, если получится немного неровно, вы же не обязаны были знать, что это окружность 😉

Почему мы не рассмотрели значения угла вне промежутка ?

Ответ прост: нет смысла. Ввиду периодичности функции нас ждёт бесконечный «бег» по построенной окружности.

Несложно провести нехитрый анализ и прийти к выводу, что уравнение вида задаёт окружность диаметра с центром в точке .

Образно говоря, все такие окружности «сидят» на полярной оси и обязательно проходят через полюс. Если же , то весёлая компания перекочует налево – на продолжение полярной оси (подумайте, почему).

Похожая задача для самостоятельного решения:

Задача 117

Построить линию и найти её уравнение в декартовой системе координат.

Систематизируем порядок решения задачи:

Находим область определения функции, для этого удобно посмотреть на синусоиду (Приложение Тригонометрия), чтобы сразу же понять, где синус неотрицателен.

На втором шаге рассчитываем полярные координаты точек, используя табличные значения углов; проанализируйте, нельзя ли сократить количество вычислений?

На третьем шаге откладываем точки в полярной системе координат и аккуратно соединяем их линией.

И, наконец, находим уравнение линии в декартовой системе координат.

Примерный образец решения в конце книги.

Общий алгоритм и технику построения в полярных координатах мы детализируем и существенно ускорим совсем скоро, но перед этим познакомимся ещё с одной распространённой линией:

[spoiler title=”источники:”]

http://mathhelpplanet.com/static.php?p=polyarnye-koordinaty

http://mathter.pro/angem/4_4_uravnenie_linii_v_polyarnyh_koordinatah.html

[/spoiler]

Источник

Полярная система координат (полярные координаты)

Полярная система координат на плоскости — это совокупность точки , называемой полюсом, и полупрямой , называемой полярной осью. Кроме того, задается масштабный отрезок для измерения расстояний от точек плоскости до полюса. Как правило, на полярной оси выбирается вектор vec{i} , приложенный к точке , длина которого принимается за величину масштабного отрезка, а направление вектора задает положительное направление на полярной оси (рис.2.28,а).

Положение точки в полярной системе координат, полярные радиус и угол

Положение точки в полярной системе координат определяется расстоянием (полярным радиусом) от точки до полюса (т.е. r=vertoverrightarrow{OM}vert ) и углом varphi (полярным углом) между полярной осью и вектором . Полярный радиус и полярный угол составляют полярные координаты точки , что записывается в виде M(r,varphi) . Полярный угол измеряется в радианах и отсчитывается от полярной оси:

– в отрицательном направлении (по направлению движения часовой стрелки), если значение угла отрицательное.

Полярный радиус определен для любой точки плоскости и принимает неотрицательные значения rgeqslant0 . Полярный угол varphi определен для любой точки плоскости, за исключением полюса , и принимает значения -pi<varphileqslantpi , называемыми главными значениями полярного угла. В некоторых случаях целесообразно считать, что полярный угол определен с точностью до слагаемых 2pi n , где ninmathbb{Z} . В этом случае значениям varphi+2pi n полярного угла для всех соответствует одно и то же направление радиус-вектора.

С полярной системой координат Orvarphi можно связать прямоугольную систему координат Ovec{i}vec{j} , начало которой совпадает с полюсом, а ось абсцисс (точнее положительная полуось абсцисс) — с полярной осью. Ось ординат достраивается перпендикулярно оси абсцисс так, чтобы получилась правая прямоугольная система координат (рис.2.28,б). Длины базисных векторов определяются масштабным отрезком на полярной оси.

Наоборот, если на плоскости задана правая прямоугольная система координат, то, приняв положительную полуось абсцисс за полярную ось, получим полярную систему координат {связанную с данной прямоугольной).

Выведем формулы, связывающие между собой прямоугольные координаты x,y точки , отличной от точки , и ее полярные координаты r,varphi . По рис.2.28,б получаем

$begin{cases}x=rcdotcosvarphi,\[2pt]y=rcdotsinvarphi.end{cases}$

(2.17)

$left{begin{aligned}r&= sqrt{x^2+y^2},\ cosvarphi&= frac{x}{r}=frac{x}{sqrt{x^2+y^2}},\ sinvarphi&= frac{y}{r}=frac{y}{sqrt{x^2+y^2}}.end{aligned}right.$

(2.18)

Последние два равенства определяют полярный угол с точностью до слагаемых 2pi n , где ninmathbb{Z} . При xne0 из них следует, что $operatorname{tg}frac{y}{x}$ . Главное значение полярного угла varphi~(-pi<varphileqslantpi) находится по формулам (рис.2.29):

Главное значение полярного угла

$varphi=left{begin{aligned}operatorname{arctg}frac{y}{x},quad&x>0,\pi+operatorname{arctg}frac{y}{x},quad&x<0,,ygeqslant0,\-pi+operatorname{arctg}frac{y}{x},quad&x<0,,y<0,\frac{pi}{2},quad&x=0,,y>0,\-frac{pi}{2},quad&x=0,,y<0.end{aligned}right.$

Пример 2.9. В полярной системе координат Orvarphi :

а) изобразить координатные линии $r=1,~r=2,~r=3,~varphi=frac{pi}{4},~varphi=frac{pi}{2}$ ;

б) изобразить точки M_1,~M_2 с полярными координатами $r_1=3,~varphi_1=frac{9pi}{4},~r_2=3,~varphi=-frac{7pi}{4}$ . Найти главные значения полярных углов этих точек;

в) найти прямоугольные координаты точек M_1,~M_2 .

Решение. а) Координатные линии r=1,~r=2,~r=3 представляют собой окружности соответствующих радиусов, а линии $varphi=frac{pi}{4},$ $varphi=frac{pi}{2}$ и $varphi=frac{3pi}{4}$ — полупрямые (рис.2.30,а).

б) Построим точки $M_1!left(3,frac{9pi}{4}right)$ и $M_2!left(3,-frac{7pi}{4}right)$ (рис.2.30,б,в). Их координаты отличаются полярным углом, однако, имеют одно и то же главное значение $varphi=frac{pi}{4}$ . Следовательно, это одна и та же точка, которая совпадает с точкой $M!left(3,frac{pi}{4}right)$ , изображенной на рис.2.30,а.

в) Учитывая пункт “б”, найдем прямоугольные координаты точки . По формулам (2.17) получаем:

$x=rcdotcosvarphi=3cdotcosfrac{pi}{4}=frac{3sqrt{2}}{2};~y=rcdotsinfrac{pi}{4}=frac{3sqrt{2}}{2},$ то есть $M!left(frac{3sqrt{2}}{2},frac{3sqrt{2}}{2}right).$

Построение линии в полярной системе координат

Замечания 2.8

1. Главное значение полярного угла можно выбрать иначе, например, 0leqslantvarphi<2pi .

2. Расстояние между двумя точками M_1(r_1,varphi_1) и M_2(r_2,varphi_2) (длина отрезка M_1M_2 ) вычисляется по формуле

Ориентированная площадь параллелограмма, построенного на радиус-векторах

$M_1M_2=sqrt{r_1^2+r_2^2-2cdot r_1cdot r_2cdotcos(varphi_2-varphi_1)},$

что следует из теоремы косинусов (рис.2.31).

3. Ориентированная площадь $S_{ast}^{land}$ параллелограмма (рис.2.31), построенного на радиус-векторах $overrightarrow{OM_1}$ и $overrightarrow{OM_2}$ , находится по формуле

$S_{astoverrightarrow{OM_1},overrightarrow{OM_2}}^{land}=overrightarrow{OM_1}landoverrightarrow{OM_2}=r_1cdot r_2cdotsin(varphi_2-varphi_1).$

Она положительна, если varphi_1<varphi_2 (при этом ориентация пары радиус- векторов $overrightarrow{OM_1}$ и $overrightarrow{OM_2}$ правая), и отрицательна, если varphi_1>varphi_2 (ориентация пары радиус-векторов $overrightarrow{OM_1}$ и $overrightarrow{OM_2}$ левая).

Пример 2.10. Даны полярные координаты $varphi_A=frac{pi}{3},~r_A=4$ и $varphi_B=frac{2pi}{3},~r_B=2$ точек и (рис.2.32). Требуется найти:

Чертёж точек в полярных координатах

а) скалярное произведение bigllangleoverrightarrow{OA},overrightarrow{OB}biglrangle ;

б) длину отрезка ;

в) внешнее произведение overrightarrow{OA}landoverrightarrow{OB} ;

г) площадь $S_{OAB}$ треугольника OAB ;

д) координаты середины отрезка в прямоугольной системе координат, связанной с данной полярной.

Решение. а) По определению скалярного произведения находим

$leftlangleoverrightarrow{OA},overrightarrow{OB}rightrangle=left|overrightarrow{OA}right|{cdot}left|overrightarrow{OB}right|!cdotcospsi=r_Acdot r_Bcdotcos(varphi_B-varphi_A)=4cdot2cdotcosfrac{pi}{3}=4.$

б) Находим длину отрезка (см. пункт 2 замечаний 2.8):

$AB=sqrt{r_A^2+r_B^2-2cdot r_Acdot r_Bcdotcos(varphi_B-varphi_A)}=sqrt{4^2+2^2-2cdot4cdot2cdotfrac{1}{2}}=2sqrt{3}.$

в) Внешнее произведение находим как ориентированную площадь параллелограмма, построенного на векторах overrightarrow{OA} и overrightarrow{OB} :

$overrightarrow{OA}landoverrightarrow{OB}=r_Acdot r_Bcdotsin(varphi_B-varphi_A)=2cdot4cdotsinfrac{pi}{3}=4sqrt{3}.$

Площадь положительная, так как векторы overrightarrow{OA} и overrightarrow{OB} образуют правую пару (varphi_A<varphi_B) .

г) Площадь треугольника OAB находим как половину площади параллелограмма, построенного на радиус-векторах overrightarrow{OA} и overrightarrow{OB} .

Так как $S_{astoverrightarrow{OA},overrightarrow{OB}}=left|overrightarrow{OA}landoverrightarrow{OB}right|=4sqrt{3}$ (см. пункт “в”), то $S_{OAB}=frac{1}{2}cdot4sqrt{3}=2sqrt{3}$ .

д) По формулам (2.17) находим прямоугольные координаты точек и :

$begin{gathered}x_A=r_Acdotcosvarphi_A=4cdotfrac{1}{2}=2,quad y_A=r_Acdotsinvarphi_A=4cdotfrac{sqrt{3}}{2}=2sqrt{3};\[3pt] x_B=r_Bcdotcosvarphi_B=2cdotfrac{-1}{2}=-1,quad y_B=r_Bcdotsinvarphi_B=2cdotfrac{sqrt{3}}{2}=sqrt{3}.end{gathered}$

а затем координаты середины отрезка (см. пункт 3 замечаний 2.1):

$x_C=frac{x_A+x_b}{2}=frac{2+(-1)}{2}=frac{1}{2};quad y_C=frac{y_A+y_B}{2}=frac{2sqrt{3}+sqrt{3}}{2}=frac{3sqrt{3}}{2}.$

Пример 2.11. На координатной плоскости Oxy отмечена точка A(4,-3) . Найти:

Полярные координаты точки и её образа, поворот радиус-вектора на угол вокруг начала координат

а) полярные координаты точки , образа точки при повороте радиус-вектора overrightarrow{OA} на угол $frac{pi}{3}$ вокруг начала координат (рис.2.33);

б) полярные координаты точки A_1 , образа точки при инверсии плоскости относительно окружности единичного радиуса с центром в начале координат (см. пример б преобразований плоскости в разд. 2.2.4).

Решение. а) Найдем полярные координаты точки . По формулам (2.17), учитывая рис.2.29, получаем:

$r_A=sqrt{x_A^2+y_A^2}=sqrt{4^2+(-3)^2}=5;quadvarphi_A=operatorname{arctg}frac{y_A}{x_A}=operatorname{arctg}frac{-3}{4}=-operatorname{arctg}frac{3}{4},$

так как точка лежит в text{IV} четверти.

При повороте радиус-вектора overrightarrow{OA} вокруг полюса на угол $frac{pi}{3}$ полярный радиус не изменяется, а полярный угол увеличивается. Следовательно, полярные координаты точки : $r_{A'}=r_{A}=5$ , $varphi_{A'}=varphi_{A}+frac{pi}{3}=frac{pi}{3}-operatorname{arctg}frac{3}{4}$ , причем $varphi_{A'}$ — главное значение полярного угла $(-pi<varphi_{A'}leqslantpi)$ .

б) При инверсии относительно окружности радиуса полярные координаты r',varphi' образа выражаются через полярные координаты r,varphi прообраза следующими формулами:

$r'=frac{R^2}{r},quadvarphi'=varphi.$

Поэтому, учитывая пункт “а”, находим (для R=1 ):

$r_{A_1}=frac{1}{r_A}=frac{1}{5},quadvarphi_{A_1}=varphi_{A}=-operatorname{arctg}frac{3}{4}.$

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Кнопка "Поделиться"

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Источник

Простейшие задачи аналитической геометрии на плоскости

1. Расстояние между двумя точками.

Теорема
1.
Для любых двух точек
иплоскости расстояниемежду ними выражается формулой:

.
(1.1)

Например,
если
даны точки
и,
то расстояние между ними:

2. Площадь треугольника.

Теорема
2.
Для любых точек

,
не лежащих на одной прямой, площадь
треугольника
выражается формулой:

.
(1.2)

Например,
найдем площадь треугольника, образованного
точками
,и.

Замечание.
Если площадь треугольника равна нулю,
это означает, что точки лежат на одной
прямой.

3. Деление отрезка в заданном отношении.

Пусть
на плоскости дан произвольный отрезок
и
пусть

–любая
точка этого отрезка, отличная от точек
концов. Число
,
определенное равенством,
называетсяотношением,
в
котором точка
делит отрезок.

Задача
о делении отрезка в данном отношении
состоит в том, чтобы по данному отношению
и данным координатам точек

и
найти координаты точки.

Теорема
3.
Если
точка
делит отрезок
в
отношении

,
то
координаты этой точки определяются
формулами:
(1.3), где– координаты точки,– координаты точки.

Следствие:
Если
– середина отрезка

,
где
и,
то(1.4) (т.к.).

Например.
Даны точки
и.
Найти координаты точки,
которая в два раза ближе к,
чем к

Решение:
Искомая точка
делит
отрезок

в
отношении
так как,
тогда,,
получили

Полярные координаты

Наиболее
важной после прямоугольной системы
координат является полярная система
координат. Она состоит из некоторой
точки
,
называемойполюсом,
и исходящего из нее луча
–полярной
оси.
Кроме того, задается единица масштаба
для измерения длин отрезков.

Пусть
задана полярная система координат и
пусть
– произвольная точка плоскости. Пусть–
расстояние от точки

до
точки
;– угол, на который нужно повернуть
полярную ось для совмещения с лучом.

Полярными
координатами точки
называются числаи.
При этом числосчитается первой координатой и называетсяполярным
радиусом,
число
– второй координатой и называетсяполярным
углом.

Обозначается
.
Полярный радиус может иметь любое
неотрицательное значение:.
Обычно считают, что полярный угол
изменяется в следующих пределах:.
Однако в ряде случаев приходится
определять углы, отсчитываемые от
полярной оси по часовой стрелке.

Связь между полярными координатами точки и ее прямоугольными координатами.

Будем
считать, что начало прямоугольной
системы координат находится в полюсе,
а положительная полуось абсцисс совпадает
с полярной осью.

Пусть
– в прямоугольной системе координат и– в полярной системе координат. Определен– прямоугольный треугольник с.
Тогда(1.5).
Эти формулы выражают прямоугольные
координаты через полярные.

С
другой стороны, по теореме Пифагора
и

(1.6)
– эти формулы, выражают полярные
координаты через прямоугольные.

Заметим,
что формула
определяет два значения полярного угла,
так как.
Из этих двух значений углавыбирают тот, при котором удовлетворяются
равенства.

Например,
найдем полярные координаты точки
..или,
т.к.I
четверти.

Пример
1:
Найти точку, симметричную точке

относительно
биссектрисы первого координатного
угла.

Решение:

Проведем
через точку А
прямую l₁,
перпендикулярную биссектрисе l
первого координатного угла. Пусть
.
На прямой
l₁
отложим отрезок
СА₁,
равный
отрезку
АС.
Прямоугольные треугольники
АСО
и
А₁СО
равны
между собой (по двум катетам). Отсюда
следует, что |ОА|
= |OA₁|.
Треугольники
ADO
и
ОЕА₁
также равны между собой (по гипотенузе
и острому углу). Заключаем, что
|AD|
= |ОЕ|
= 4,
|OD| = |EA₁|
=
2, т.е. точка имеет координаты х
= 4, у = -2,
т.е. А₁(4;-2).

Отметим,
что имеет место общее утверждение: точка
A₁,
симметричная точке

относительно биссектрисы первого и
третьего координатных углов, имеет
координаты
,
то есть.

Пример
2:
Найти точку, в которой прямая, проходящая
через точки
и
,
пересечет ось
Ох.

Решение:

Координаты
искомой точки
С
есть (x;
0). А так как точки
А,
В и
С
лежат на одной прямой, то должно
выполняться условие (x₂-x₁)(y₃-y₁)-(x₃-x₁)(y₂-y₁)=0
(формула (1.2), площадь треугольника ABC
равна
нулю!), где

–
координаты точки А,
– точкиВ,
– точкиС.
Получаем
,
т.е.,
,
.
Следовательно, точка
С
имеет координаты
,,
т.е..

Пример
3: В
полярной системе координат заданы точки
,.
Найти:
а)
расстояние между точками

и
;
б)
площадь треугольника
ОМ₁М₂
(О
– полюс).

Решение:

а)
Воспользуемся формулами (1.1) и (1.5):

то
есть,
.

б)
пользуясь формулой для площади
треугольника со сторонами
а
и
b
и углом
между ними (),
находим площадь треугольника
ОМ₁М₂.
.

Источник

Наиболее важной после прямоугольной системы является полярная система координат.

Возьмем на плоскости точку , которая называется полюсом. Проведем из полюса направленную полупрямую , называемую полярной осью (рис.18). Пусть – произвольная точка плоскости. Соединим точку С полюсом Отрезком . Длина отрезка , т. е. расстояние точки от полюса, называется

Полярным радиусом

точки , а угол , отсчитываемый от полярной оси к отрезку Против движения часовой стрелки,

Полярным углом

Полярный радиус и полярный угол и Составляют Полярные координаты точки , и записывается следующим образом .

Рассмотрим переход от полярных координат к прямоугольным и обратно.

Пусть полюс полярной системы совпадает в началом прямоугольной системы координат , а полярная ось является положительной полуосью (рис.19). Тогда для произвольной точки имеем:

Считая угол острым, из прямоугольного находим

Или

Полученные формулы справедливы для любого угла и выражают прямоугольные координаты точки через ее полярные координаты.

Выразим полярные координаты точки через прямоугольные координаты из того же прямоугольника

Или

Пример 1. Найти полярное уравнение прямой

Решение. Так как , то или . Это и есть уравнение данной прямой в полярных координатах.

Пример 2. Написать уравнение линии в полярных координатах.

Решение. Так как , а Подставим эти выражения в данное уравнение линии

или

Это уравнение данной линии в полярных координатах.

Иногда бывает удобнее вместо уравнения линии в прямоугольных координатах, рассматривать параметрические уравнения линии, дающие выражения текущих координат и в виде функций от некоторой переменной величины (параметра).

Пример 1. Выведем параметрическое уравнение окружности.

Решение. Пусть – произвольная точка окружности радиуса с центром в начале координат (рис.20). В прямоугольном треугольнике обозначим угол через . Будем иметь равенства

Или

(1)

Это и есть параметрическое уравнение окружности.

Пример 2. Параметрическое уравнение эллиса.

Решение. Эллипс с полуосями и можно рассматривать как равномерно сжатую вдоль вертикального диаметра окружность радиуса , где коэффициент сжатия . Пусть – точка эллипса и – соответствующая точка окружности (рис.21), где