圓和橢圓的參數方程


前言

參數方程由來

  • 圓的參數方程[特殊情形,圓心\((0,0)\),半徑\(R\)]

\[\begin{cases} x=Rcos\alpha \\ y=Rsin\alpha\end{cases}(\alpha為參數,0\leq \alpha<2\pi) \]

其參數\(\alpha\)的幾何意義是圓上動點和圓心連線的旋轉角,如下圖所示;

  • 圓的參數方程[一般情形,圓心\((m,n)\),半徑\(R\)]

\[\begin{cases} x=m+Rcos\alpha \\ y=n+Rsin\alpha\end{cases}(\alpha為參數,0\leq \alpha<2\pi) \]

注意:本來以為,其參數\(\alpha\)的幾何意義仿上例很容易理解;但是在實際教學中,學生極容易將其弄錯,容易和極坐標的坐標\((\rho,\theta)\)中的\(\theta\)混淆,故作上圖的課件,幫助大家理解和掌握;

如上圖所示,參數\(\alpha=\angle ACP\);范圍\(\alpha\in [0,2\pi]\)

  • 橢圓的參數方程

\[\begin{cases} x=a\cos\phi \\ y=b\sin\phi \end{cases} (\phi為參數,0\leq \phi<2\pi) \]

其參數\(\phi\)的幾何意義是對應的大圓或小圓半徑的旋轉角\(\angle AOM\),也就是橢圓的離心角.不是橢圓上動點和中心連線的旋轉角\(\angle AOP\);切記!

雖然\(\angle AOM\)\(\angle AOP\)二者不相等,但是很顯然這二者也是一一對應的,並且它們的范圍都是\([0,2\pi)\).

引例 已知橢圓的參數方程為\(\left\{\begin{array}{l}{x=2cost}\\{y=4sint}\end{array}\right.\quad\) (\(t\)為參數),點\(M\)在橢圓上,對應參數\(t=\cfrac{\pi}{3}\),點\(O\)為原點,則直線\(OM\)的斜率為\(\sqrt{3}\)

分析:這個說法是錯誤的,怎么糾正呢?

\(t=\cfrac{\pi}{3}\)時,代入得到\(x=2cos\cfrac{\pi}{3}=1\)\(y=2sin\cfrac{\pi}{3}=2\sqrt{3}\),故\(M(1,2\sqrt{3})\)

\(k_{\tiny{OM}}=\cfrac{y-0}{x-0}=2\sqrt{3}\)

化為參數方程

介紹一個容易記憶的方法:

類比:\(cos^2\theta+sin^2\theta=1\)

  • 當圓為\(x^2+y^2=4\)時,先轉換為\((\cfrac{x}{2})^2+(\cfrac{y}{2})^2=1\)

\[cos^2\theta+sin^2\theta=1 \]

\[(\cfrac{x}{2})^2+(\cfrac{y}{2})^2=1 \]

對應上式,得到\(cos\theta=\cfrac{x}{2},sin\theta=\cfrac{y}{2}\)

故圓的參數方程為\(\begin{cases} x=2cos\theta \\ y=2sin\theta\end{cases}(\theta為參數)\)

當然,我們還可以這樣交叉對應,

得到\(sin\theta=\cfrac{x}{2},cos\theta=\cfrac{y}{2}\)

故圓的參數方程還可以為\(\begin{cases} x=2sin\theta \\ y=2cos\theta\end{cases}(\theta為參數)\)

【說明】①由此說明,當我們取的參數不一樣時,圓的參數方程是不一樣的,

即圓的參數方程可能不唯一。兩種參數的含義不一定一樣。

②我們約定俗成的取法是第一種。

③參數方程的參數有時候有明確的幾何意義,有時候沒有。

  • 當圓為\((x-a)^2+(y-b)^2=R^2\)時,

先轉換為\((\cfrac{x-a}{R})^2+(\cfrac{y-b}{R})^2=1\)

對應上式,得到\(cos\theta=\cfrac{x-a}{R},sin\theta=\cfrac{y-b}{R}\)

故圓的參數方程為\(\begin{cases} x=a+Rcos\theta \\ y=b+Rsin\theta\end{cases}(\theta為參數)\)

  • 當橢圓為\(\cfrac{x^2}{a^2}+\cfrac{y^2}{b^2}=1\)時,

先轉化為\((\cfrac{x}{a})^2+(\cfrac{y}{b})^2=1\)

對應上式得到\(cos\theta=\cfrac{x}{a}\)\(sin\theta=\cfrac{y}{b}\)

故橢圓的參數方程為\(\begin{cases} x=acos\theta \\ y=bsin\theta\end{cases}(\theta為參數)\)

參數方程優點

當處理圓或者橢圓上的任意一點到直線的距離的最值時,參數方程就會體現出它巨大的優越性。原因在於:如果是普通方程時,點的坐標形式為\((x,y)\),轉化得到的必然是二元形式的,而如果是參數方程,轉化得到的必然是一元形式的,肯定要比二元的簡單的多。

典例剖析

例1 【2017寶中訓練題】若點\(P(cos\theta,sin\theta)\)在直線\(\cfrac{x}{a}+\cfrac{y}{b}=1\)上,則下列不等式正確的是【】

$A.a^2+b^2\leq 1$ $B.a^2+b^2\ge 1$ $C.\cfrac{1}{a^2}+\cfrac{1}{b^2}\leq 1$ $D.\cfrac{1}{a^2}+\cfrac{1}{b^2}\ge 1$

法1:三角函數的有界性,由於點\(P(cos\theta,sin\theta)\)在直線\(\cfrac{x}{a}+\cfrac{y}{b}=1\)上,則有\(bcos\theta+asin\theta=ab\)

\(\sqrt{a^2+b^2}sin(\theta+\phi)=ab,tan\phi=\cfrac{b}{a}\)

由三角函數的有界性可知\(|sin(\theta+\phi)|=|\cfrac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}}|\leq 1\)

\(\cfrac{\sqrt{a^2+b^2}}{|ab|}\ge 1\),即\(\cfrac{1}{a^2}+\cfrac{1}{b^2}\ge 1\),故選\(D\).

法2:數形結合,由已知可知點\(P\)在單位圓上,自己做出大致圖像可知,直線和圓的位置關系只能是相切和相交,

故圓心\((0,0)\)到直線\(bx+ay-ab=0\)的距離應該小於等於半徑\(1\),即\(\cfrac{|b\cdot 0+a\cdot 0-ab|}{\sqrt{a^2+b^2}}\leq 1\)

化簡得\(\cfrac{1}{a^2}+\cfrac{1}{b^2}\ge 1\),故選\(D\).

例02 給定橢圓\(\cfrac{x^2}{3}+y^2=1\)和直線\(x+y-8=0\),已知點\(P\)是橢圓上的一個動點,求點\(P\)到直線的距離的最小值。

分析:首先易知橢圓和直線沒有交點,即二者相離,從而可以考慮用橢圓的參數方程或平行線法求解。

法1、利用橢圓的參數方程,由橢圓方程\(\cfrac{x^2}{3}+y^2=1\)可知,動點坐標\(P(\sqrt{3}cos\theta,sin\theta)\)

則點P到直線\(x+y-8=0\)的距離為\(d\),則有

\(d(\theta)=\cfrac{|\sqrt{3}cos\theta+sin\theta-8|}{\sqrt{2}}=\cfrac{|2sin(\theta+\cfrac{\pi}{3})-8|}{\sqrt{2}}\)

故當\(sin(\theta+\cfrac{\pi}{3})=1\)時,\(d_{min}=\cfrac{|2-8|}{\sqrt{2}}=3\sqrt{2}\)

\(sin(\theta+\cfrac{\pi}{3})=-1\)時,\(d_{max}=\cfrac{|-2-8|}{\sqrt{2}}=5\sqrt{2}\)[1]

法2、平行線法,設和已知平行且和已知橢圓相切的直線\(x+y+m=0\)

則由\(x+y+m=0\)\(\cfrac{x^2}{3}+y^2=1\),消去\(y\)可得\(4x^2+6mx+3m^2-3=0\)

由二者相切可知,\(\Delta=36m^2-4\times4(3m^2-3)=0\),解得\(m=\pm 2\)

即和橢圓相切的直線有\(x+y-2=0\)\(x+y+2=0\),故切點到直線\(x+y-8=0\)的距離就可以用兩條平行線間的距離來刻畫,

\(d_{max}=\cfrac{|2-(-8)|}{\sqrt{2}}=5\sqrt{2}\)\(d_{min}=\cfrac{|-2-(-8)|}{\sqrt{2}}=3\sqrt{2}\)

例3 再比如,圓\(x^2+y^2=1\)上一個動點到直線\(3x+4y=12\)的距離的最大值和最小值,

法1:圓心到直線的距離加減半徑,

法2:圓的參數方程法,圓上任意一點的坐標\((cos\theta,sin\theta)\),求點\((cos\theta,sin\theta)\)到直線\(3x+4y-12=0\)的距離,轉化為三角函數的最值求解,仿照上法2完成。

例4 已知\(P\)為圓\(C_1:x^2+y^2=9\)上任意一點, \(Q\)為圓\(C_2:x^2+y^2=25\)上任意一點,\(PQ\)的中點組成的區域為\(M\), 在\(C_2\)內任取一點,則該點落在區域\(M\)上的概率為\((\hspace{1cm})\)

分析:由題目知,設點\(P(3\cos\theta,3\sin\theta)\)\(Q(5\cos\phi,5\sin\phi)\)\(M(x,y)\)

則其坐標分別為\(x=\cfrac{3\cos\theta+5\cos\phi}{2},y=\cfrac{3\sin\theta+5\sin\phi}{2}\)

\(x^2+y^2=\cfrac{17}{2}+\cfrac{15}{2}\cos(\theta-\phi)=r^2(1\leq r \leq 4)\),即區域\(M\)是內圓半徑為1和外圓半徑為4的圓環。

所以\(P=\cfrac{16\pi-\pi}{25\pi}=\cfrac{3}{5}\)課件鏈接

例5 若方程\(\sqrt{3-\cfrac{3}{4}x^2}-m=x\)有實根,則實數\(m\)的取值范圍是________.

【分析】將原本數的問題,轉化為形的問題,即兩個函數的圖像有交點的問題,從形上來處理解決。

法1:由題目可知,方程\(\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}=x+m\)有實根,即函數\(y=f(x)=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\)和函數\(y=x+m\)的圖像有交點,

其中函數\(y=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\)的圖像是橢圓\(\cfrac{x^2}{4}+\cfrac{y^2}{3}=1\)的上半部分,函數\(y=x+m\)的圖像是動態的直線,

在同一個坐標系中做出兩個函數的圖像,由圖像可知,

由圖可知,直線和橢圓相交的一個位置是過點\((2,0)\),代入求得\(m=-2\)

另一個相交的臨界位置是直線和函數\(y=f(x)=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\)在第二象限的部分相切,

設切點坐標\((x_0,y_0)\)

則有\(f'(x)=[(3-\frac{3}{4}x^2)^{\frac{1}{2}}]'=\frac{1}{2}\cdot (3-\frac{3}{4}x^2)^{-\frac{1}{2}}\cdot (3-\frac{3}{4}x^2)'\)

\(=\frac{1}{2}\cdot \frac{1}{\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}}\cdot (-\frac{3}{4}\cdot (2x))\)\(= \frac{1}{\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}}\cdot (-\frac{3x}{4})\)

\(f'(x_0)=\frac{-\frac{3x}{4}}{\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}}=1(x_0<0)\),即\(-\frac{3x}{4}=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\),兩邊平方整理得到,

\(x_0^2=\frac{16}{7}\),即\(x_0=-\frac{4}{\sqrt{7}}\)

代入函數\(y=f(x)=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\),得到\(y_0=\frac{3}{\sqrt{7}}\)

即切點為\((-\frac{4}{\sqrt{7}},\frac{3}{\sqrt{7}})\),將切點代入直線,得到\(m=\sqrt{7}\)

結合圖像可知\(m\)的取值范圍是\([-2,\sqrt{7}]\)

【點評】:①本題目的難點一是將數的問題轉化為形的問題求解,其中轉化得到半個橢圓也是難點。②難點二是求直線和橢圓相切時的切點坐標,求導很容易出錯的,需要特別注意。

法2:[算理似乎不是太順暢,再思考]利用橢圓的參數方程求解,由於函數\(y=\sqrt{3-\frac{3}{4}x^2}\)的圖像是橢圓\(\cfrac{x^2}{4}+\cfrac{y^2}{3}=1\)的上半部分,故設其圖像上的任意一點的坐標為\((2cos\theta,\sqrt{3}sin\theta)\),且\(\theta\in [0,\pi]\)

則上半橢圓上任一點\((2cos\theta,\sqrt{3}sin\theta)\)到直線\(y=x+m\)的距離為\(d\)

\(d=\cfrac{|2cos\theta-\sqrt{3}sin\theta+m|}{\sqrt{1^2+(-1)^2}}=\cfrac{|\sqrt{7}sin(\theta-\phi)-m|}{\sqrt{2}}\),其中\(tan\phi=\cfrac{2}{\sqrt{3}}\)

\(d=0\)時,即\(\sqrt{7}sin(\theta-\phi)-m=0\)時,也即直線和上半橢圓相切,

由圖可知,此時的\(m\)最大,由於\(m=\sqrt{7}sin(\theta-\phi)\),故\(m_{max}=\sqrt{7}\)

又由圖可知,當\(\theta=0\)時,直線過點\((2,0)\),此時的\(m\)最小,且由於此時直線和曲線相交,故必滿足\(\sqrt{7}sin(\theta-\phi)-m=0\),即此時

\(m=\sqrt{7}sin(0-\phi)=-\sqrt{7}sin\phi\),由\(tan\phi=\cfrac{2}{\sqrt{3}}\),可計算得到\(sin\phi=\cfrac{2}{\sqrt{7}}\),故\(m_{min}=-\sqrt{7}\times \cfrac{2}{\sqrt{7}}=-2\)

綜上所述,可知\(m\)的取值范圍是\([-2,\sqrt{7}]\)

例6 【北京人大附中高一試題】已知鈍角\(\alpha\)終邊上一點\(P\)的坐標為\((2sin(-3),-2cos3)\),則角\(\alpha\)的弧度數為【】

$A.3-\cfrac{\pi}{2}$ $B.\pi-3$ $C.\cfrac{3\pi}{2}-3$ $D.3$

分析:由圓的參數方程可知,鈍角\(\alpha\)終邊上一點\(P\)的坐標為\((2cos\alpha,2sin\alpha)\)

則必然有\(2cos\alpha=2sin(-3)\)\(2sin\alpha=-2cos3\)

由於選項\(A\)\(B\)不是鈍角,排除;此時將剩余選項代入驗證,很快就可以知道選\(C\)

例7 怎么知道橢圓\(\cfrac{x^2}{16}+\cfrac{y^2}{9}=1\)中的\(x、y\)的取值范圍。

法1:計算法,由\(0\leq \cfrac{x^2}{16}\leq 1\)\(0\leq \cfrac{y^2}{9}\leq 1\),得到\(x\in [-4,4]\)\(y\in [-3,3]\)

法2:數形結合法,做出橢圓的圖形,分別向\(x、y\)軸作正射影,就得到各種的取值范圍\(x\in [-4,4]\)\(y\in [-3,3]\)

備注:但是大家要注意,這個范圍和橢圓上的任意一個點的范圍還是不一樣的,因為這兩個方法得到范圍時,只是自顧自,\(x\)只管\(x\)\(y\)只管\(y\),沒有照顧到和為\(1\)的限制,如果我們要同時用到\(x\)\(y\)兩個坐標,往往必須用橢圓的參數方程來表示其上的任意一點\((4\cos\theta,3\sin\theta)\)

參數方程不足

當圓的圓心不在原點的時候,我們在使用其參數方程的時候,極容易弄錯其參數\(\theta\)的位置。

例8 【2020屆高考模擬訓練】在直角坐標系\(xOy\)中,曲線\(C_1\)的參數方程為\(\left\{\begin{array}{l}{x=\sqrt{3}\cos\alpha}\\{y=\sqrt{3}+\sqrt{3}\sin\alpha}\end{array}\right.\)(\(\alpha\)為參數),以坐標原點為極點,以\(x\)軸正半軸為極軸,建立極坐標系,曲線\(C_2\)的極坐標方程為\(\rho=2\sin\theta\)\((\rho\in R)\)

(1)寫出曲線\(C_1\)的普通方程和\(C_2\)的直角坐標方程;

分析:曲線\(C_1\)的普通方程為\(x^2+(y-\sqrt{3})^2=3\);曲線\(C_2\)的直角坐標方程為\(x^2+(y-1)^2=1\)

(2)若點\(A\)\(B\)分別是曲線\(C_1\)\(C_2\)上的點(不同於原點),且\(\angle AOB=\cfrac{\pi}{2}\),求\(S_{\triangle AOB}\)面積的最大值。

法1:極坐標系法,設點\(A(\rho_1,\theta)\),點\(B(\rho_2,\phi)\),則可知\(\phi=\cfrac{\pi}{2}+\theta\)

可以轉化得到曲線\(C_1\)的極坐標方程為\(\rho=2\sqrt{3}\sin\alpha\),由於點\(A\)\(C_1\)上,故\(|OA|=\rho_1=2\sqrt{3}\sin\theta\)

曲線\(C_2\)的極坐標方程為\(\rho=2\sin\alpha\),由於點\(B\)\(C_2\)上,故\(|OB|=\rho_2=2\sin\phi=2\sin(\cfrac{\pi}{2}+\theta)=2\cos\theta\)

\(S_{\triangle AOB}=\cfrac{1}{2}|OA||OB|=\cfrac{1}{2}\cdot 2\sqrt{3}\sin\theta\cdot 2\cos\theta=\sqrt{3}\sin2\theta\leqslant \sqrt{3}\)

當且僅當\(\theta=\cfrac{\pi}{4}\)時取得最大值,故\(S_{\triangle AOB}\)面積的最大值為\(\sqrt{3}\)

法2:在直角坐標系下,采用圓的參數方程法,也是比較好的選擇,但是角的選擇極容易出錯;

受上述解法的影響,好多學生設點\(A(\sqrt{3}\cos\alpha,\sqrt{3}\sin\alpha+\sqrt{3})\),點\(B(\cos\theta,\sin\theta+1)\)

他們想當然的認為必然有\(\theta=\cfrac{\pi}{2}+\alpha\);即\(\angle xOA=\alpha\)\(\angle xOB=\theta\),這在認知圓的參數方程中的參數角時是錯誤的;

正確認知:過點\(C_1\)\(C_1F//x\)軸,則\(\angle FC_1A=\alpha\),過點\(C_2\)\(C_2E//x\)軸,則\(\angle EC_2B=\theta\)(超過\(\pi\)的那個),

\(\theta=\pi+\alpha\)[2]\(\alpha\in (-\cfrac{\pi}{2},\cfrac{\pi}{2})\)\(\theta\in (\cfrac{\pi}{2},\cfrac{3\pi}{2})\)

\(|OA|=\sqrt{(\sqrt{3}\cos\alpha)^2+(\sqrt{3}\sin\alpha+\sqrt{3})^2}=\sqrt{6(1+\sin\alpha)}\)

\(|OB|=\sqrt{(\cos\theta)^2+(\sin\theta+1)^2}=\sqrt{2(1+\sin\theta)}=\sqrt{2(1+\sin(\pi+\alpha)}=\sqrt{2(1-\sin\alpha)}\)

\(S_{\triangle AOB}=\cfrac{1}{2}|OA||OB|=\cfrac{1}{2}\cdot \sqrt{6(1+\sin\alpha)}\cdot \sqrt{2(1-\sin\alpha)}=\sqrt{3}|cos\alpha|\leqslant \sqrt{3}\)

當且僅當\(\alpha=0\)時取得最大值,故\(S_{\triangle AOB}\)面積的最大值為\(\sqrt{3}\)

例9 【2018年寶雞市二檢文理科第22題】在直角坐標系\(xoy\)中,曲線\(C_1\)的參數方程為\(\begin{cases}x=2+2cos\alpha\\y=2sin\alpha\end{cases}\)\((\alpha為參數)\),以坐標原點為極點,以\(x\)軸正半軸為極軸,建立極坐標系,曲線\(C_2\)的極坐標方程為\(\rho=2cos\theta\)

(1)寫出曲線\(C_1\)的普通方程和\(C_2\)的直角坐標方程;

(2)設點\(P\)\(C_1\)上,點\(Q\)\(C_2\)上,且\(\angle POQ=\cfrac{\pi}{2}\),求三角形\(POQ\)面積的最大值。

分析:(1) 直接給出答案,曲線的普通方程\(C_1:(x-2)^2+y^2=4\);所求的直角坐標方程\(C_2:(x-1)^2+y^2=1\)

(2)【法1】極坐標法(本題目命題意圖就是想讓學生體會極坐標的優越性,從而主動使用極坐標刻畫思考或者在極坐標系下運算),

曲線\(C_1\)的極坐標方程為\(\rho_1=4cos\alpha(\alpha\in(-\cfrac{\pi}{2},\cfrac{\pi}{2}))\)

曲線\(C_2\)的極坐標方程為\(\rho_2=2cos\theta(\theta\in(-\cfrac{\pi}{2},\cfrac{\pi}{2}))\)

如右圖所示,初步分析,當點\(P\)\(x\)軸上方時,點\(Q\)必在\(x\)軸下方;

當然還會有另一種情形,當點\(P\)\(x\)軸下方時,點\(Q\)必在\(x\)軸上方;

我們取其中一種做研究,比如點\(P\)\(x\)軸上方,點\(Q\)\(x\)軸下方;注意此時點\(Q\)的極角是負值\(-\theta\)

由於\(\rho_1>0\)\(\rho_2>0\),以及\(\angle POQ=\cfrac{\pi}{2}\)可得,

\(\alpha-\theta=\cfrac{\pi}{2}\),即\(\alpha=\theta+\cfrac{\pi}{2}\),(順時針為正,逆時針為負)

則有\(S_{\Delta OPQ}=\cfrac{1}{2}|OP||OQ|\)

\(=\cfrac{1}{2}\rho_1\rho_2=\cfrac{1}{2}\times 4cos\alpha\times 2cos\theta\)

\(=4cos(\theta+\cfrac{\pi}{2})cos\theta=-4sin\theta cos\theta\)

\(=-2sin2\theta\)

\(2\theta=-\cfrac{\pi}{2}\),即\(\theta=-\cfrac{\pi}{4}\)時,\((S_{\Delta OPQ})_{max}=2\)

【法2】參數方程法,

如圖所示,曲線\(C_1\)的參數方程是\(\begin{cases}x=2+2cos\alpha\\y=2sin\alpha\end{cases}(\alpha為參數,\alpha\in (-\pi,\pi))\)

曲線\(C_2\)的參數方程是\(\begin{cases}x=1+cos\theta\\y=sin\theta\end{cases}(\theta為參數,\theta\in (-\pi,\pi))\)

注意參數的含義,\(\cfrac{\alpha}{2}-\cfrac{\theta}{2}=\cfrac{\pi}{2}\),即\(\alpha=\pi+\theta\)

則有\(S_{\Delta OPQ}=\cfrac{1}{2}|OP||OQ|\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{(2+2cos\alpha)^2+(2sin\alpha)^2}\sqrt{(1+cos\theta)^2+sin^2\theta}\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{8(1+cos\alpha)}\sqrt{2(1+cos\theta)}\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{8(1-cos\theta)}\sqrt{2(1+cos\theta)}\)

\(=\cfrac{1}{2}\times 4\sqrt{(1-cos\theta)(1+cos\theta)}\)

\(=2\sqrt{1-cos^2\theta}=2|sin\theta|\)

\(\theta=-\cfrac{\pi}{2}\)時,\((S_{\Delta OPQ})_{max}=2\)

【變形方法3】參數方程法,曲線\(C_1\)的參數方程是\(\begin{cases}x=2+2cos\alpha\\y=2sin\alpha\end{cases}(\alpha為參數,\alpha\in (-\pi,\pi))\)

曲線\(C_2\)的參數方程是\(\begin{cases}x=1+cos\theta\\y=2sin\theta\end{cases}(\theta為參數,\theta\in (-\pi,\pi))\)

注意參數的含義,\(\cfrac{\alpha}{2}-\cfrac{\theta}{2}=\cfrac{\pi}{2}\),即\(\alpha=\pi+\theta\)

\(\angle POQ=\cfrac{\pi}{2}\)可知,\(k_{OP}k_{OQ}=-1\)

\(\cfrac{2sin\alpha}{2+2cos\alpha}\times \cfrac{sin\theta}{1+cos\theta}=-1\),即\(-sin\alpha sin\theta=(1+cos\alpha)(1+cos\theta)\)

\(S_{\Delta OPQ}=\cfrac{1}{2}|OP||OQ|\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{(2+2cos\alpha)^2+(2sin\alpha)^2}\sqrt{(1+cos\theta)^2+sin^2\theta}\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{8(1+cos\alpha)}\sqrt{2(1+cos\theta)}\)

\(=2\sqrt{(1+cos\alpha)(1+cos\theta)}\)

\(=2\sqrt{-sin\alpha sin\theta}\)

又有\(\cfrac{\alpha}{2}-\cfrac{\theta}{2}=\cfrac{\pi}{2}\),即\(\alpha=\pi+\theta\)

\(原式=2\sqrt{sin^2\theta}=2|sin\theta|\)

\(\theta=-\cfrac{\pi}{2}\)時,\((S_{\Delta OPQ})_{max}=2\)

【法4】嘗試使用均值不等式,待有空思考整理。

設直線\(OP\)的方程為\(y=kx\),由\(\angle POQ=\cfrac{\pi}{2}\)可得,

直線\(OQ\)的方程為\(y=-\cfrac{1}{k}x\)

聯立\(\begin{cases}(x-2)^2+y^2=4\\y=kx\end{cases}\),解得\(P(\cfrac{4}{1+k^2},\cfrac{4k}{1+k^2})\)

聯立\(\begin{cases}(x-1)^2+y^2=1\\y=-\cfrac{1}{k}x\end{cases}\),解得\(Q(\cfrac{2k^2}{1+k^2},\cfrac{-2k}{1+k^2})\)

\(S_{\Delta POQ}=\cfrac{1}{2}|OP||OQ|=\cfrac{1}{2}\sqrt{(\cfrac{4}{1+k^2})^2+(\cfrac{4k}{1+k^2})^2}\sqrt{(\cfrac{2k^2}{1+k^2})^2+(\cfrac{-2k}{1+k^2})^2}\)

\(=\cfrac{1}{2}\sqrt{\cfrac{16}{1+k^2}}\sqrt{\cfrac{4k^2}{1+k^2}}=\cfrac{4|k|}{1+k^2}=\cfrac{4}{|k|+\frac{1}{|k|}}\leq 2\)

當且僅當\(|k|=1\)時取到等號。故\((S_{\Delta POQ})_{max}=2\)

反思:這個解法的優越性體現在只有一個變量\(k\),那么求最值時就好操作些,但是其運算量和運算容量都挺大的。

解后反思:

1、在高中數學中,求某個量(比如面積)的最值時,往往需要先表達出這個量(比如面積)的函數,這樣求實際問題的最值就變成了求這個函數模型的最值問題了,這一過程實際就是函數的建模。

1、法1利用極坐標法,這樣表達刻畫面積時,就只有兩個變量\(\alpha\)\(\theta\),然后利用兩個變量的相互關系,再將變量集中為一個變量,就好求解其最大值了。

2、法2利用參數方程法,在表達刻畫面積時,同樣只有兩個變量\(\alpha\)\(\theta\),然后利用兩個變量的相互關系,再將變量集中為一個變量,就好求解其最大值了。法2和法3本質接近。

3、正確求解本題目,需要深刻理解極坐標方程的含義和參數方程的含義,尤其是法2對參數的含義更不能弄錯了。用到了內外角關系和圓心角和圓周角關系。

4、還有學生想到設\(P(x_1,y_1)\),$ Q(x_2,y_2)$,這樣的思路我沒有做嘗試,不過能看出來此時是四個變量,這樣就難得多了,所以碰到這樣的題目我們先需要初步篩選思路。


  1. 問題:為什么不設點P的坐標為\((x,y)\)而采用參數坐標形式\((\sqrt{3}cos\theta,sin\theta)\)?前者坐標形式是二元形式,后者是一元形式,故后者簡單。 ↩︎

  2. 由於\(C_2O=C_2B\),故\(\angle C_2OB=\angle C_2BO\)\(C_1O=C_1D\),故\(\angle C_1OD=\angle C_1DO\),故\(C_2//C_1D\)
    \(\theta=\pi+\alpha\)↩︎


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