《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 C 我们需要引入第三变量来进行描述。
参数方程
假设 x 和 y 都是第三个变量 t 的函数,
x=f(t),y=g(t)
坐标 (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=t2−2t,y=t+1
x=t2−2t=(y−1)2−2(y−1)=y2−4y+3
x=y2−4y+3
我们求出了 x 和 y 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),a⩽t⩽b
对应的曲线以 (f(a),g(a)) 为起点,以 (f(b),g(b)) 为终点。
圆心为 (h,k) ,半径为 r 的圆的参数方程。
x=h+rcost,y=k+rsint,0⩽t⩽2π
旋轮线
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(θ−sinθ),y=r(1−cosθ),θ∈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+sint
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
链式法则:
dtdy=dxdy⋅dtdx
如果 dtdx=0,则
dxdy=dtdxdtdy
dx2d2y=dxd(dxdy)=dtdxdtd(dxdy)
例题
例1:曲线 C 由参数方程 x=t2,y=t3−3t 定义。
(a) 证明 C 在点 (3,0) 处有两条切线,求它们的方程。
(b) 求 C 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) 处,
x=t2=3
y=t3−3t=0
求得:
t=±3
dxdy=2t3t2−3=±3
切线方程:
y=3(x−3),y=13(x−3)
(b)当 dxdy=0 ,即 dtdy=0 ,且 dtdx=0 ,存在水平切线。
dtdy=3t2−3=0⟹t=±1
此时,对应点为 (1,−2),(1,2)。
当 dtdx=2t=0 ,存在垂直切线,对应点为 (0,0)。
(c)求二阶导数
dx2d2y=2t24t26t2+6=4t33t2+3
因此,当 t>0 时曲线上凹,当 t<0 时曲线下凹。
例题
例2:
(a) 求旋轮线 x=r(θ−sinθ),y=r(1−sinθ) 在点 θ=3π 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:
dxdy=r(1−cosθ)rsinθ=1−cosθsinθ=3
当 θ=3π 时,
x=r(3π−23),y=r(1−cos3π)=2r
切线方程为
y−2r=3(x−3rπ+2r3)
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 dxdy=0 时,切线是水平的
sinθ=0,1−cosθ=0
即 θ=(2n−1)π , n 为整数,旋轮线上对应的点为 ((2n−1)π,2r) 。
当 θ=2nπ 时,dθdx 和 dθdy 都为 0,此时存在垂直切线。
此时, x=2nπr
参数方程:x=f(t),y=g(t),α⩽t⩽β
新面积公式:
A=∫αβg(t)f′(t)dt
例题
例:求旋轮线 x=r(θ−sinθ),y=r(1−cosθ) 的一个拱下方的面积。
解:
旋轮线一个拱在 (0,2π) 内,dx=r(1−cosθ)dθ
A=∫02πrydx=∫02πr(1−cosθ)r(1−cosθ)dθ
=r2∫02π(1−cosθ)2dθ=r2∫02π[1−2cosθ+21(1+cos2θ)]dθ
=r2[23θ−2sinθ+41sin2θ]02π=r2(232π)=3πr2
初始弧长公式:
L=∫ab1+(dxdy)2dx
参数方程弧长公式:
L=∫αβ(dtdx)2+(dtdy)2dt
s(t)=∫at(dudx2)+(dudy)2du
v(t)=s′(t)=(dtdx)2+(dtdy)2
例:粒子在 t 时的位置由参数方程
x=2t+3,y=4t2,t⩾0
求粒子在点 (5,4) 处时的速率。
解:
v(t)=22+(8t)2=21+16t2
当 t=1 时,粒子在点 (5,4) 处,所以此时的速度为 v(1)=217≈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),α⩽t⩽β(f′,g′连续且g(t)⩾0) 所表示的曲线绕 x 轴旋转,那么所得曲面的面积由下式给出:
S=∫αβ2πy(dtdx)2+(dtdy)2dt
例:证明半径为 r 的球面的面积为 4πr2 。
证明:
球面是由半圆
x=rcost,y=rsint,0⩽t⩽π
绕 x 轴旋转得到的:
S=∫0π2πrsint(−rsint)2+(rcost)2dt
=2π∫0πrsintr2(sin2t+cos2t)dt=2π∫0πrsint⋅rdt
=2πr2∫0πsintdt=2πr2(−cost)0π=4πr2
10.3 极坐标系
极坐标系
平面中选择一点,称为极点,记作 O ,然后从 O 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 x 轴正半轴。

如果 r>0 ,那么点 (r,θ) 位于与 θ 相同的象限;如果 r<0 那么点 (r,θ) 位于相反方向的象限。
极坐标与笛卡儿坐标之间的关系
笛卡儿坐标:
x=rcosθ,y=rsinθ
r2=x2+y2,tanθ=xy
例题
例:将点 (2,3π) 从极坐标转化为笛卡儿坐标。
解:
x=rcosθ=2cos3π=2×21=1
y=rsinθ=2sin3π=2×23=3
因此,该点的笛卡儿坐标为 (1,3)
10.4 极坐标下的微积分
扇形面积公式:
A=21r2θ
A=∫ab21r2dθ=∫ab21[f(θ)]2dθ
例题
例:求四叶玫瑰线 x=cos2θ 的其中一叶所围成的面积。
解:
A=∫−4π4π21cos22θdθ=21∫04π(1+cos4θ)dθ=8π
例题
例:求圆 r=3sinθ 内部、心脏线 r=1+sinθ 外部的区域面积。
解:
A=21∫6π65π(3sinθ)2dθ−21∫6π65π(1+sinθ)2dθ
A=2[21∫6π2π9sin2θdθ−21∫6π2π(1+2sinθ+sin2θ)dθ]
=∫6π2π(8sin2θ−1−2sinθ)dθ
=∫6π2π(3−4cos2θ−2sinθ)dθ
=[3θ−2sin2θ+2cosθ]6π2π=π
公式
极坐标曲线 r=f(θ),a⩽θ⩽b 的长度为:
L=∫abr2+(dθdr)2dθ
例:求心脏线 r=1+sinθ 的长度。
解:
L=∫02π(1+sinθ)2+cos2θdθ=8
参数曲线的斜率:
dxdy=dθdxdθdy=dθdrcosθ−rsinθdθdrsinθ+rcosθ
10.5 圆锥曲线
抛物线
焦点为 (0,p) 、准线为 y=−p 的抛物线的方程为:
x2=4py
焦点为 (p,0) 、准线为 x=−p 的抛物线的方程为:
y2=4px
a2x2+b2y2=1,a⩾b>0
焦点为 (±c,0) ,其中 c2=a2−b2 ,顶点为 (±a,0)
b2x2+a2y2=1,a⩾b>0
焦点为 (0,±c) ,其中 c2=a2−b2 ,顶点为 (0,±a)
双曲线
a2x2−b2y2=1
焦点为 (±c,0) ,其中 c2=a2+b2 ,顶点为 (±a,0) ,渐近线为 y=±abx
a2y2−b2x2=1
焦点为 (0,±c) ,其中 c2=a2+b2 ,顶点为 (0,±a) ,渐近线为 y=±bax
移位的圆锥曲线
例:求焦点为 (2,−2),(4,−2) ,顶点为 (1,−2),(5,−2) 的椭圆方程。
解:
顶点距离为4,所以 a=2
焦点距离为2,所以 c=1
那么,b=3
椭圆中心为 (3,−2)
4(x−3)2+3(y+2)2=1
10.6 极坐标下的圆锥曲线
圆锥曲线的统一描述
令 F 为平面中的定点(称为焦点),l 为平面中的定直线(称为准线),令 e 为固定的正数(离心率)。平面中满足
∣Pl∣∣PF∣=e
的所有点的集合是一条圆锥曲线:
(a)如果 e<1 ,它是椭圆
(b)如果 e=1 ,它是抛物线
(c)如果 e>1 ,它是双曲线
圆锥曲线的极坐标方程
小结
表示离心率为 e 的圆锥曲线:
r=1±ecosθed或r=1±esinθed
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 a 、离心率为 e 、准线为 x=d 的椭圆的极坐标方程可以写成如下形式:
r=1+ecosθa(1−e2)
行星到太阳的近日点距离为 a(1−e) ,远日点距离为 a(1+e) 。
本章总结
- 参数方程把 x 和 y 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/dt 与 dx/dt 的比值给出。
- 极坐标用到原点的距离 r 和方向角 θ 描述点。
- 极坐标面积来自扇形面积的累积,弧长同时包含 r 与 dr/dθ。
- 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。