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第十章:参数方程与极坐标

《斯图尔特微积分》第十章:参数方程与极坐标读书笔记。本章引入参数和极坐标两种描述曲线的语言,并把导数、面积、弧长和曲面面积公式迁移到新的坐标表示中。

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小节核心问题需要掌握的内容
10.1 由参数方程定义的曲线怎样用第三个变量描述运动轨迹?参数方程、消参、方向、旋轮线
10.2 参数曲线的微积分参数曲线怎样求导和积分?切线、二阶导数、面积、弧长、曲面面积
10.3 极坐标系怎样用距离和方向定位点?极坐标、坐标转换、极坐标图形
10.4 极坐标下的微积分极坐标曲线怎样计算几何量?面积、弧长、切线
10.5 圆锥曲线圆锥曲线有哪些统一性质?抛物线、椭圆、双曲线、平移
10.6 极坐标下的圆锥曲线怎样统一描述圆锥曲线轨道?焦点准线定义、离心率、开普勒定律

10.1 由参数方程定义的曲线

对于复杂曲线 CC 我们需要引入第三变量来进行描述。

参数方程

假设 xxyy 都是第三个变量 tt 的函数, x=f(t),y=g(t)x=f(t),\qquad y=g(t) 坐标 (x,y)=(f(t),g(t))(x,y)=(f(t),g(t)) 描绘的曲线称为参数曲线

例1:参数方程定义曲线: x=t22t,y=t+1x=t^2-2t,y=t+1 x=t22t=(y1)22(y1)=y24y+3x=t^2-2t=(y-1)^2-2(y-1)=y^2-4y+3 x=y24y+3x=y^2-4y+3 我们求出了 xxyy 的笛卡儿方程,消掉参数的过程称之为消参

一般参数方程: x=f(t),y=g(t),atbx=f(t),y=g(t),a\leqslant t\leqslant b 对应的曲线以 (f(a),g(a))(f(a),g(a)) 为起点,以 (f(b),g(b))(f(b),g(b)) 为终点。

圆心为 (h,k)(h,k) ,半径为 rr 的圆的参数方程。 x=h+rcost,y=k+rsint,0t2πx=h+r\cos t,\qquad y=k+r\sin t,\qquad 0\leqslant t\leqslant 2\pi

旋轮线

原讲义插图待补充

原始笔记引用了 10-1.1.png,但当前目录中没有找到对应图片。正文与公式已保留,后续补入图片后可替换此提示。

参数方程: x=r(θsinθ),y=r(1cosθ),θRx=r(\theta-\sin\theta),y=r(1-\cos\theta),\theta \in \mathbb{R} 这条曲线与最速降线问题产生联系。

参数曲线族

参数方程: x=a+cost,y=atant+sintx=a+\cos t,y=a\tan t+\sin t 这些曲线由古希腊学者尼克米迪斯命名为蚌线。

10.2 参数曲线的微积分

切线

链式法则: dydt=dydxdxdt\frac{dy}{dt}=\frac{dy}{dx}\cdot \frac{dx}{dt} 如果 dxdt0\dfrac{dx}{dt}\neq 0,则

dydx=dydtdxdt\frac{dy}{dx} =\frac{\dfrac{dy}{dt}}{\dfrac{dx}{dt}}

d2ydx2=ddx(dydx)=ddt(dydx)dxdt\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{d}{dx}\left( \frac{dy}{dx} \right)=\frac{\dfrac{d}{dt}\left( \dfrac{dy}{dx} \right)}{\dfrac{dx}{dt}} 例题 例1:曲线 CC 由参数方程 x=t2,y=t33tx=t^2,y=t^3-3t 定义。 (a) 证明 CC 在点 (3,0)(3,0) 处有两条切线,求它们的方程。 (b) 求 CC 在哪些点处的切线是水平的或垂直的。 (c) 确定曲线上凹还是下凹。 解:

原讲义插图待补充

原始笔记引用了 10-2.1.png,但当前目录中没有找到对应图片。正文与公式已保留,后续补入图片后可替换此提示。

(a)在点 (3,0)(3,0) 处, x=t2=3x=t^2=3 y=t33t=0y=t^3-3t=0 求得: t=±3t=\pm \sqrt{ 3 } dydx=3t232t=±3\frac{dy}{dx}=\frac{3t^2-3}{2t}=\pm \sqrt{ 3 } 切线方程: y=3(x3),y=13(x3)y=\sqrt{ 3 }(x-3),y=1\sqrt{ 3 }(x-3) (b)当 dydx=0\dfrac{dy}{dx}=0 ,即 dydt=0\dfrac{dy}{dt}=0 ,且 dxdt0\dfrac{dx}{dt}\neq 0 ,存在水平切线。 dydt=3t23=0    t=±1\frac{dy}{dt}=3t^2-3=0\implies t=\pm 1 此时,对应点为 (1,2),(1,2)(1,-2),(1,2)。 当 dxdt=2t=0\dfrac{dx}{dt}=2t=0 ,存在垂直切线,对应点为 (0,0)(0,0)。 (c)求二阶导数 d2ydx2=6t2+64t22t2=3t2+34t3\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{\dfrac{6t^2+6}{4t^2}}{2t^2}=\frac{3t^2+3}{4t^3} 因此,当 t>0t>0 时曲线上凹,当 t<0t<0 时曲线下凹。

例题 例2: (a) 求旋轮线 x=r(θsinθ),y=r(1sinθ)x=r(\theta-\sin\theta),y=r(1-\sin\theta) 在点 θ=π3\theta=\dfrac{\pi}{3} 处的切线。 (b)哪些点处的切线时水平?哪些是垂直的? 解: (a)切线斜率: dydx=rsinθr(1cosθ)=sinθ1cosθ=3\frac{dy}{dx}=\frac{r\sin\theta}{r(1-\cos\theta)}=\frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}=\sqrt{ 3 }θ=π3\theta=\frac{\pi}{3} 时, x=r(π332),y=r(1cosπ3)=r2x=r\left( \frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{ 3 }}{2} \right),y=r\left( 1-\cos \frac{\pi}{3} \right)=\frac{r}{2} 切线方程为 yr2=3(xrπ3+r32)y-\frac{r}{2}=\sqrt{ 3 }\left( x-\frac{r\pi}{3}+\frac{r\sqrt{ 3 }}{2} \right)

原讲义插图待补充

原始笔记引用了 10-2.2.png,但当前目录中没有找到对应图片。正文与公式已保留,后续补入图片后可替换此提示。

(b) 当 dydx=0\dfrac{dy}{dx}=0 时,切线是水平的

sinθ=0,1cosθ0\sin\theta=0, \qquad 1-\cos\theta\neq 0

θ=(2n1)π\theta=(2n-1)\pi , nn 为整数,旋轮线上对应的点为 ((2n1)π,2r)((2n-1)\pi,2r) 。 当 θ=2nπ\theta=2n\pi 时,dxdθ\dfrac{dx}{d\theta}dydθ\dfrac{dy}{d\theta} 都为 0,此时存在垂直切线。 此时, x=2nπrx=2n\pi r

面积

参数方程:x=f(t),y=g(t),αtβx=f(t),y=g(t),\alpha \leqslant t\leqslant \beta

新面积公式: A=αβg(t)f(t)dtA=\int_{\alpha}^{\beta} g(t)f'(t) \, dt

例题 例:求旋轮线 x=r(θsinθ),y=r(1cosθ)x=r(\theta-\sin\theta),y=r(1-\cos\theta) 的一个拱下方的面积。 解: 旋轮线一个拱在 (0,2π)(0,2\pi) 内,dx=r(1cosθ)dθdx=r(1-\cos\theta)d\theta A=02πrydx=02πr(1cosθ)r(1cosθ)dθA=\int_{0}^{2\pi r} y \, dx=\int_{0}^{2\pi} r(1-\cos\theta)r(1-\cos\theta) \, d\theta =r202π(1cosθ)2dθ=r202π[12cosθ+12(1+cos2θ)]dθ=r^2\int_{0}^{2\pi}(1-\cos\theta)^2 \, d\theta =r^2\int_{0}^{2\pi} \left[ 1-2\cos\theta+\frac{1}{2}(1+\cos2\theta) \right] \, d\theta =r2[32θ2sinθ+14sin2θ]02π=r2(322π)=3πr2=r^2\left[ \frac{3}{2}\theta-2\sin\theta+\frac{1}{4}\sin 2\theta \right]_{0}^{2\pi}=r^2\left( \frac{3}{2}2\pi \right)=3\pi r^2

弧长

初始弧长公式: L=ab1+(dydx)2dxL=\int_{a}^{b} \sqrt{ 1+\left( \frac{dy}{dx} \right)^2 } \, dx 参数方程弧长公式: L=αβ(dxdt)2+(dydt)2dtL=\int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{ \left( \frac{dx}{dt} \right)^2+\left( \frac{dy}{dt} \right)^2 } \, dt

s(t)=at(dxdu2)+(dydu)2dus(t)=\int_{a}^{t}\sqrt{ \left( \frac{dx}{du}^2 \right)+\left( \frac{dy}{du} \right)^2 } \, du v(t)=s(t)=(dxdt)2+(dydt)2v(t)=s'(t)=\sqrt{ \left( \frac{dx}{dt} \right)^2+\left( \frac{dy}{dt} \right)^2 } 例:粒子在 tt 时的位置由参数方程 x=2t+3,y=4t2,t0x=2t+3,y=4t^2,t\geqslant 0 求粒子在点 (5,4)(5,4) 处时的速率。 解:

v(t)=22+(8t)2=21+16t2v(t)=\sqrt{ 2^2+(8t)^2 }=2\sqrt{ 1+16t^2 }t=1t=1 时,粒子在点 (5,4)(5,4) 处,所以此时的速度为 v(1)=2178.25v(1)=2\sqrt{ 17 }\approx 8.25

曲面面积

曲面面积公式 假设将参数方程 x=f(t),y=g(t),αtβ(f,g连续且g(t)0)x=f(t),y=g(t),\alpha \leqslant t\leqslant \beta(f',g'连续且g(t)\geqslant 0) 所表示的曲线绕 xx 轴旋转,那么所得曲面的面积由下式给出: S=αβ2πy(dxdt)2+(dydt)2dtS=\int_{\alpha}^{\beta} 2\pi y\sqrt{ \left( \frac{dx}{dt} \right)^2+\left( \frac{dy}{dt} \right)^2 } \, dt

例:证明半径为 rr 的球面的面积为 4πr24\pi r^2 。 证明: 球面是由半圆 x=rcost,y=rsint,0tπx=r\cos t,y=r\sin t,0\leqslant t\leqslant \pixx 轴旋转得到的: S=0π2πrsint(rsint)2+(rcost)2dtS=\int_{0}^{\pi} 2\pi r\sin t\sqrt{ (-r\sin t)^2+(r\cos t)^2 } \, dt =2π0πrsintr2(sin2t+cos2t)dt=2π0πrsintrdt=2\pi \int_{0}^{\pi} r\sin t\sqrt{ r^2(\sin^2t+\cos^2t) } \, dt=2\pi \int_{0}^{\pi}r\sin t\cdot r \, dt =2πr20πsintdt=2πr2(cost)0π=4πr2=2\pi r^2\int_{0}^{\pi} \sin t \, dt=2\pi r^2(-\cos t)\bigg|_{0}^\pi=4\pi r^2


10.3 极坐标系

笛卡儿坐标

坐标系用称作坐标的有序数对表示平面上的点。

极坐标系

平面中选择一点,称为极点,记作 OO ,然后从 OO 出发画一条射线,称为极轴,极轴通常是水平向右的,对应笛卡儿坐标系的 xx 轴正半轴。 10-3.1

说明

夹角从极轴的逆时针方向测量为正值。

如果 r>0r>0 ,那么点 (r,θ)(r,\theta) 位于与 θ\theta 相同的象限;如果 r<0r<0 那么点 (r,θ)(r,\theta) 位于相反方向的象限。

极坐标与笛卡儿坐标之间的关系

10-3.2 笛卡儿坐标: x=rcosθ,y=rsinθx=r\cos\theta,y=r\sin\theta r2=x2+y2,tanθ=yxr^2=x^2+y^2,\tan\theta=\frac{y}{x} 例题 例:将点 (2,π3)\left( 2, \dfrac{\pi}{3} \right) 从极坐标转化为笛卡儿坐标。 解: x=rcosθ=2cosπ3=2×12=1x=r\cos\theta=2\cos \frac{\pi}{3}=2\times \frac{1}{2}=1 y=rsinθ=2sinπ3=2×32=3y=r\sin\theta=2\sin \frac{\pi}{3}=2\times \frac{\sqrt{ 3 }}{2}=\sqrt{ 3 } 因此,该点的笛卡儿坐标为 (1,3)(1,\sqrt{ 3 })


10.4 极坐标下的微积分

面积

扇形面积公式: A=12r2θA=\frac{1}{2}r^2\theta 10-4.1 A=ab12r2dθ=ab12[f(θ)]2dθA=\int_{a}^{b} \frac{1}{2}r^2 \, d\theta =\int_{a}^{b} \frac{1}{2}[f(\theta)]^2 \, d\theta 例题 例:求四叶玫瑰线 x=cos2θx=\cos 2\theta 的其中一叶所围成的面积。 10-4.2 解: A=π4π412cos22θdθ=120π4(1+cos4θ)dθ=π8A=\int_{-\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{2}\cos^2 2\theta \, d\theta=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (1+\cos 4\theta) \, d\theta=\frac{\pi}{8}

例题 例:求圆 r=3sinθr=3\sin\theta 内部、心脏线 r=1+sinθr=1+\sin\theta 外部的区域面积。 10-4.3 解: A=12π65π6(3sinθ)2dθ12π65π6(1+sinθ)2dθA=\frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}}(3\sin\theta)^2 \, d\theta-\frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}}(1+\sin\theta)^2 \, d\theta A=2[12π6π29sin2θdθ12π6π2(1+2sinθ+sin2θ)dθ]A=2\left[ \frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}9\sin^2\theta \, d\theta-\frac{1}{2}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}(1+2\sin\theta+\sin^2\theta) \, d\theta \right] =π6π2(8sin2θ12sinθ)dθ=\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}(8\sin^2\theta-1-2\sin\theta) \, d\theta =π6π2(34cos2θ2sinθ)dθ=\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}(3-4\cos 2\theta-2\sin\theta) \, d\theta =[3θ2sin2θ+2cosθ]π6π2=π=[3\theta-2\sin 2\theta+2\cos\theta]\bigg|_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}=\pi

弧长

公式 极坐标曲线 r=f(θ),aθbr=f(\theta),a\leqslant \theta\leqslant b 的长度为: L=abr2+(drdθ)2dθL=\int_{a}^{b} \sqrt{ r^2+\left( \frac{dr}{d\theta} \right)^2 } \, d\theta

例:求心脏线 r=1+sinθr=1+\sin\theta 的长度。 解: L=02π(1+sinθ)2+cos2θdθ=8L=\int_{0}^{2\pi} \sqrt{ (1+\sin\theta)^2+\cos^2\theta } \, d\theta=8

切线

参数曲线的斜率: dydx=dydθdxdθ=drdθsinθ+rcosθdrdθcosθrsinθ\frac{dy}{dx}=\frac{\dfrac{dy}{d\theta}}{\dfrac{dx}{d\theta}}=\frac{\dfrac{dr}{d\theta}\sin\theta+r\cos\theta}{\dfrac{dr}{d\theta}\cos\theta-r\sin\theta}


10.5 圆锥曲线

抛物线

焦点为 (0,p)(0,p) 、准线为 y=py=-p 的抛物线的方程为: x2=4pyx^2=4py 焦点为 (p,0)(p,0) 、准线为 x=px=-p 的抛物线的方程为: y2=4pxy^2=4px

椭圆

x2a2+y2b2=1,ab>0\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,a\geqslant b>0 焦点为 (±c,0)(\pm c,0) ,其中 c2=a2b2c^2=a^2-b^2 ,顶点为 (±a,0)(\pm a,0)

x2b2+y2a2=1,ab>0\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{a^2}=1,a\geqslant b>0 焦点为 (0,±c)(0,\pm c) ,其中 c2=a2b2c^2=a^2-b^2 ,顶点为 (0,±a)(0,\pm a)

双曲线

x2a2y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1 焦点为 (±c,0)(\pm c,0) ,其中 c2=a2+b2c^2=a^2+b^2 ,顶点为 (±a,0)(\pm a,0) ,渐近线为 y=±baxy=\pm \frac{b}{a}x

y2a2x2b2=1\frac{y^2}{a^2}-\frac{x^2}{b^2}=1 焦点为 (0,±c)(0,\pm c) ,其中 c2=a2+b2c^2=a^2+b^2 ,顶点为 (0,±a)(0,\pm a) ,渐近线为 y=±abxy=\pm \frac{a}{b}x

移位的圆锥曲线

例:求焦点为 (2,2),(4,2)(2,-2),(4,-2) ,顶点为 (1,2),(5,2)(1,-2),(5,-2) 的椭圆方程。 解: 顶点距离为4,所以 a=2a=2 焦点距离为2,所以 c=1c=1 那么,b=3b=\sqrt{ 3 } 椭圆中心为 (3,2)(3,-2) (x3)24+(y+2)23=1\frac{(x-3)^2}{4}+\frac{(y+2)^2}{3}=1


10.6 极坐标下的圆锥曲线

圆锥曲线的统一描述

FF 为平面中的定点(称为焦点),ll 为平面中的定直线(称为准线),令 ee 为固定的正数(离心率)。平面中满足 PFPl=e\frac{|PF|}{|Pl|}=e 的所有点的集合是一条圆锥曲线: (a)如果 e<1e<1 ,它是椭圆 (b)如果 e=1e=1 ,它是抛物线 (c)如果 e>1e>1 ,它是双曲线

圆锥曲线的极坐标方程

小结 表示离心率为 ee 的圆锥曲线:

r=ed1±ecosθr=ed1±esinθr=\frac{ed}{1\pm e\cos\theta} \qquad\text{或}\qquad r=\frac{ed}{1\pm e\sin\theta}

开普勒定律

重点 1、行星绕太阳运动的人轨道是一个椭圆,太阳位于这个椭圆的一个焦点。 2、连接太阳和行星的直线在相同的时间内扫过的面积相等。 3、行星的旋转周期的平方与其轨道的长轴长的立方成正比。

小结 焦点为原点、半长轴长为 aa 、离心率为 ee 、准线为 x=dx=d 的椭圆的极坐标方程可以写成如下形式: r=a(1e2)1+ecosθr=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos\theta}

行星到太阳的近日点距离为 a(1e)a(1-e) ,远日点距离为 a(1+e)a(1+e)


本章总结

  • 参数方程把 xxyy 同时表示为参数的函数,能够记录运动方向。
  • 参数曲线的斜率由 dy/dtdy/dtdx/dtdx/dt 的比值给出。
  • 极坐标用到原点的距离 rr 和方向角 θ\theta 描述点。
  • 极坐标面积来自扇形面积的累积,弧长同时包含 rrdr/dθdr/d\theta
  • 离心率统一刻画抛物线、椭圆和双曲线,并连接到行星轨道模型。