主题目录

轨迹、参数方程与极坐标

拓展更新于 2026-09-29

本页目录

轨迹题必须完成两个方向:满足原条件的点都在候选曲线上,候选曲线上的点也都能由原构造产生。

曲线方程的双向等价与求轨迹五步

“F(x,y)=0F(x,y)=0 是曲线 CC 的方程”必须同时满足:①曲线上每个点的坐标都是方程的实数解;②方程每个实数解对应的点都在曲线上。只证明一个方向,可能得到包含多余点的方程或漏掉分支。

求轨迹的五步为:

  1. 建立适当坐标系,用 M(x,y)M(x,y) 表示动点。
  2. 把几何条件写成点的集合 {M:P(M)}\{M:P(M)\},列明哪些定点、直线、线段以及端点可取。
  3. 将每条条件准确翻译为代数等式或不等式。
  4. 化简或消去辅助量,逐步记录平方、开方、除法带来的限制。
  5. 反向证明所得方程加限制的每个点满足原条件,并补回因除法漏掉的合法点、删去平方引入的增点。

求“轨迹”还须说明是什么几何图形及哪一部分;求“轨迹方程”应给出方程连同必要的范围条件。同一曲线在不同坐标系下方程可以不同。

常用方法分别是:直接法将距离、夹角等直接代数化;定义法识别圆、椭圆、双曲线、抛物线的轨迹定义;待定系数法先确定曲线类型再由条件求参数;代入法借助已有轨迹与点之间的坐标关系;参数法先用参数表达动点再消参。每一种都必须完成第5步的双向核对。

参数表示的对象与选择

参数表示用一组允许的实数 tt 描述动点 P=(f(t),g(t))P=(f(t),g(t))。它既要保证每个允许参数产生合法点,也要覆盖全部目标点。

选参时先识别运动方式:沿直线运动可选有向距离;绕圆周运动可选转角;抛物线上运动可选纵坐标。参数不必唯一,同一点可能对应多个参数;也不必具有长度或角度的几何意义。具体公式统一列在下一节,使用时应同时读取参数范围。

参数方程的双向要求与五类曲线表

参数方程 x=f(t),y=g(t)x=f(t),y=g(t) 的意义包含两个方向:允许的每个 tt 都产生曲线上的点;曲线上每个点都能由某个允许的 tt 产生。消去参数后还必须保留取值限制,否则可能扩大轨迹。

曲线 参数式 参数范围
过 (x0,y0)(x_0,y_0) 的直线 x=x0+tcos⁡α, y=y0+tsin⁡αx=x_0+t\cos\alpha,\ y=y_0+t\sin\alpha t∈Rt\in\mathbb R,沿单位方向的有向距离
中心 (x0,y0)(x_0,y_0)、半径 r>0r>0 的圆 x=x0+rcos⁡θ, y=y0+rsin⁡θx=x_0+r\cos\theta,\ y=y_0+r\sin\theta 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi
横向椭圆,a>b>0a>b>0 x=x0+acos⁡θ, y=y0+bsin⁡θx=x_0+a\cos\theta,\ y=y_0+b\sin\theta 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi
纵向椭圆,a>b>0a>b>0 x=x0+bcos⁡θ, y=y0+asin⁡θx=x_0+b\cos\theta,\ y=y_0+a\sin\theta 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi
横向双曲线,a,b>0a,b>0 x=x0+asec⁡θ, y=y0+btan⁡θx=x_0+a\sec\theta,\ y=y_0+b\tan\theta cos⁡θ≠0\cos\theta\ne0,遍及两支
纵向双曲线,a,b>0a,b>0 x=x0+btan⁡θ, y=y0+asec⁡θx=x_0+b\tan\theta,\ y=y_0+a\sec\theta cos⁡θ≠0\cos\theta\ne0
y2=2pxy^2=2px,p>0p>0 x=2pt2, y=2ptx=2pt^2,\ y=2pt t∈Rt\in\mathbb R

验证分别代入 cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta+\sin^2\theta=1、sec⁡2θ−tan⁡2θ=1\sec^2\theta-\tan^2\theta=1;抛物线反向取 t=y/(2p)t=y/(2p),便知无遗漏。椭圆的参数角通常不等于极角;双曲线只取 cos⁡θ>0\cos\theta>0 会漏掉另一支。

参数的长度意义与双曲线分支

直线参数式 x=x0+tcos⁡α,y=y0+tsin⁡αx=x_0+t\cos\alpha,y=y_0+t\sin\alpha 使用单位方向向量,因此两参数点距离为 ∣t1−t2∣|t_1-t_2|。一般方向向量为 (u,v)(u,v) 时,距离应为 u2+v2∣t1−t2∣\sqrt{u^2+v^2}|t_1-t_2|,参数本身不一定是长度。

双曲线 x2/a2−y2/b2=1x^2/a^2-y^2/b^2=1 可写 x=a/cos⁡t,y=btan⁡tx=a/\cos t,y=b\tan t,须排除 cos⁡t=0\cos t=0。取 t∈(−π/2,π/2)t\in(-\pi/2,\pi/2) 只覆盖右支;再取 t∈(π/2,3π/2)t\in(\pi/2,3\pi/2) 才覆盖左支。参数范围是方程表示的一部分。

例:消参不等于完成轨迹

x=t2,y=tx=t^2,y=t 且 t≥0t\ge0,消参得 x=y2x=y^2,但还必须加 y≥0y\ge0。完整抛物线的下半支不由该参数范围产生。

定距离比的圆与相关点的轨迹

设 A=(0,0),B=(d,0)A=(0,0),B=(d,0),d>0d>0,PA=λPBPA=\lambda PB,λ>0\lambda>0。平方等价地得到

(1−λ2)(x2+y2)+2λ2dx−λ2d2=0.(1-\lambda^2)(x^2+y^2)+2\lambda^2dx-\lambda^2d^2=0.

λ=1\lambda=1 时为中垂线 x=d/2x=d/2;λ≠1\lambda\ne1 时配方得到圆心 (λ2d/(λ2−1),0)(\lambda^2d/(\lambda^2-1),0),半径 λd/∣λ2−1∣\lambda d/|\lambda^2-1|。正比值与非零分母的情形须分别处理。

相关点法则先表达坐标联系。例如 BB 在圆 (x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4 上运动,A=(0,0)A=(0,0),MM 为 ABAB 中点。由 B=(2xM,2yM)B=(2x_M,2y_M) 得 (xM−1)2+yM2=1(x_M-1)^2+y_M^2=1。反向对圆上任意 MM 构造 B=2MB=2M,可验证它在原圆上,因此这是完整轨迹。若原题排除 B=AB=A,还须从新圆删去 M=AM=A。

平移

令 X=x−h,Y=y−kX=x-h,Y=y-k 可把中心在 (h,k)(h,k) 的曲线移到原点。坐标变换须明确新旧坐标关系;图像平移与坐标系移动的符号解释不同。

极坐标、坐标互换与圆锥曲线统一式

极点 OO、极轴及角度正方向确定极坐标系。通常 ρ≥0\rho\ge0 为到极点距离,θ\theta 为极角;ρ=0\rho=0 时任何极角表示极点。θ\theta 与 θ+2kπ\theta+2k\pi 表示同一点;允许有向极径时,(ρ,θ)(\rho,\theta) 与 (−ρ,θ+π)(-\rho,\theta+\pi) 也表示同一点。限定 ρ>0,0≤θ<2π\rho>0,0\le\theta<2\pi(或 −π<θ≤π-\pi<\theta\le\pi)后,除极点外表示唯一。

取极点为直角坐标原点、极轴为 xx 正轴:

x=ρcos⁡θ,y=ρsin⁡θ,ρ2=x2+y2,tan⁡θ=y/x (x≠0).x=\rho\cos\theta,\quad y=\rho\sin\theta,\quad \rho^2=x^2+y^2,\quad \tan\theta=y/x\ (x\ne0).

由正切反求角还须结合象限,不能只有一条反正切主值。曲线方程可写成 Φ(ρ,θ)=0\Phi(\rho,\theta)=0,转换时注意极点与除去零因子可能造成的漏点。

令焦点为原点、准线为 x=−px=-p(p>0p>0),极轴背离准线,离心率为 e>0e>0。焦点准线定义的无遗漏形式是

ρ=e∣p+ρcos⁡θ∣(ρ≥0).\rho=e|p+\rho\cos\theta|\qquad(\rho\ge0).

位于准线右侧的部分满足

ρ=ep1−ecos⁡θ,1−ecos⁡θ>0.\rho=\frac{ep}{1-e\cos\theta},\qquad1-e\cos\theta>0.

0<e<10<e<1 时给出整个椭圆;e=1e=1 时给出向右开口抛物线,须排除分母为零的方向;e>1e>1 时给出双曲线中位于准线右侧、靠近所选焦点的一支。本坐标约定下,双曲线中心的横坐标为 −e2p/(e2−1)-e^2p/(e^2-1),在准线左侧,因此这部分是右支。若把准线放到焦点右侧,左右名称会相反。

双曲线另一支在准线左侧,非负极径表示为

ρ=−ep1+ecos⁡θ,1+ecos⁡θ<0.\rho=\frac{-ep}{1+e\cos\theta},\qquad1+e\cos\theta<0.

也可允许第一式的 ρ\rho 为负,从有向极径意义覆盖两支。推导就是对绝对值按 p+ρcos⁡θp+\rho\cos\theta 的符号分类;不分类直接去绝对值会漏支。

极角的象限与反向检查

对非原点 (x,y)(x,y),r=x2+y2>0r=\sqrt{x^2+y^2}>0,极角应同时满足

cos⁡θ=x/r,sin⁡θ=y/r.\cos\theta=x/r,\qquad\sin\theta=y/r.

当 x≠0x\ne0 时,tan⁡θ=y/x\tan\theta=y/x 只确定模 π\pi 的角。例如 (1,1)(1,1) 与 (−1,−1)(-1,-1) 的正切都为 11,但在 [0,2π)[0,2\pi) 内的极角分别是 π/4\pi/4 与 5π/45\pi/4。当 x=0x=0 时,正、负纵轴分别取 π/2,3π/2\pi/2,3\pi/2;原点的角不唯一。

转换曲线方程后,须把允许的 r,θr,\theta 代回直角坐标检查覆盖。特别是圆锥曲线焦准定义中的绝对值,决定了不同分支的参数范围,完整分类见下一节。

极坐标换元时如何保留极点

以原点为极点、横轴正向为极轴,采用非负极径 rr。圆 x2+y2=2axx^2+y^2=2ax(a>0a>0)在 x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θx=r\cos\theta,y=r\sin\theta 下成为

r2=2arcos⁡θ.r^2=2ar\cos\theta.

r=0r=0 对任意角都满足;r>0r>0 时可约去 rr,得到 r=2acos⁡θr=2a\cos\theta,且 cos⁡θ>0\cos\theta>0。因此非极点部分取 −π/2<θ<π/2-\pi/2<\theta<\pi/2 即可完整表示;加上两端角对应的 r=0r=0,又能覆盖极点。

约去零因子后,应检查原点是否仍由剩余参数表示。在本例可通过端点补回;一般曲线不能未经检查就认为没有漏点。

关联阅读

先修:圆锥曲线的定义与标准方程 · 和差、倍角、半角与和积公式。

同主题:焦半径、准线与圆锥曲线统一观点 · 解析几何中的定值、定点与最值。

返回主题目录 · 全站目录 · 符号约定