9.4: Вступ до полярних координат
- Page ID
- 60839
Ми, як правило, знайомі з ідеєю графічних кривих шляхом відношення\(x\) -values до\(y\) -values через функцію\(f\). Тобто, ми встановлюємо\(y=f(x)\), і будуємо багато пар точок,\((x,y)\) щоб отримати гарне уявлення про те, як виглядає крива. Цей метод корисний, але має обмеження, не останнє з яких полягає в тому, що криві, які «провалюють тест вертикальної лінії», не можуть бути побудовані графіками без використання декількох функцій.
Попередні два розділи ввели і вивчали новий спосіб побудови точок у\(x,y\) -площині. Використовуючи параметричні рівняння,\(x\) і\(y\) значення обчислюються незалежно, а потім будуються разом. Цей метод дозволяє нам графікувати надзвичайний діапазон кривих. Цей розділ представляє ще один спосіб побудови точок на площині: використання полярних координат.
Полярні координати
Почніть з точки\(O\) в площині, яка називається полюсом (ми завжди будемо ідентифікувати цю точку з початком). Від полюса намалюйте промінь, званий початковим променем (цей промінь ми завжди будемо малювати горизонтально, ототожнюючи його з позитивною\(x\) -віссю). Точка\(P\) в площині визначається відстанню,\(r\) яке\(P\) знаходиться від\(O\), і кутом,\(\theta\) утвореним між початковим променем і відрізком\(\overline{OP}\) (вимірюється проти годинникової стрілки). Записуємо відстань і кут як впорядковану пару\((r,\theta)\). Щоб уникнути плутанини з прямокутними координатами, позначимо полярні координати буквою\(P\), як в\(P(r,\theta)\). Це проілюстровано на рис\(\PageIndex{1}\).
Практика зробить цей процес більш зрозумілим.
Приклад\(\PageIndex{1}\): Plotting Polar Coordinates
Побудуйте наступні полярні координати:
\[A = P(1,\pi/4)\quad B=P(1.5,\pi)\quad C = P(2,-\pi/3)\quad D = P(-1,\pi/4)\]
Рішення
Щоб допомогти у малюванні, внизу цієї сторінки передбачена полярна сітка. Щоб розмістити точку\(A\), вийдіть на 1 одиницю вздовж початкового променя (поклавши вас на внутрішнє коло, показане на сітці), потім поверніть\(\pi/4\) радіани проти годинникової стрілки (або\(45^\circ\)). По черзі спочатку можна розглянути обертання: подумайте про промінь\(O\), від якого утворюється кут\(\pi/4\) з початковим променем, потім висуньте 1 одиницю уздовж цього променя (знову розміщуючи вас на внутрішньому колі сітки).
Для побудови сюжету\(B\) вийдіть\(1.5\) одиниці вздовж початкового променя і обертайте\(\pi\) радіани (\(180^\circ\)).
Для побудови\(C\) графіка вийдіть 2 одиниці вздовж початкового променя, а потім обертайте\(\pi/3\) радіани за годинниковою стрілкою, оскільки заданий кут є негативним.
Для побудови сюжету\(D\) рухайтеся вздовж початкового променя одиниць — іншими словами, «назад вгору» на 1 одиницю, потім обертайте проти годинникової стрілки на\(\pi/4\).\(-1\) Результати наведені на рис\(\PageIndex{2}\).
Розглянемо наступні два моменти:\(A = P(1,\pi)\) і\(B = P(-1,0)\). Щоб знайти\(A\), вийдіть з 1 одиниці на початковому промені, а потім обертайте\(\pi\) радіани; щоб знайти\(B\), вийти\(-1\) одиниць на початковому промені і не обертати. Слід бачити, що\(A\) і\(B\) розташовані в одній точці в площині. Ми також можемо розглянути\(C=P(1,3\pi)\), або\(D = P(1,-\pi)\); всі чотири з цих точок мають одне і те ж місце розташування.
Ця здатність ідентифікувати точку на площині з множинними полярними координатами є одночасно і «благословенням», і «прокляттям». Ми побачимо, що це корисно, оскільки ми можемо побудувати красиві функції, які перетинаються (так само, як ми бачили з параметричними функціями). Нещасливою частиною цього є те, що буває важко визначити, коли це станеться. Ми розглянемо це докладніше пізніше в цьому розділі.
Полярний до прямокутний Перетворення
Корисно розпізнати як прямокутні (або декартові) координати точки на площині, так і її полярні координати. \(\PageIndex{3}\)На малюнку показана точка\(P\) в площині з прямокутними координатами\((x,y)\) і полярними координатами\(P(r,\theta)\). Використовуючи тригонометрію, ми можемо зробити ідентичності, наведені в наступній Ключовій ідеї.
KEY IDEA 40 Перетворення між прямокутними та полярними координатами
З урахуванням полярної точки\(P(r,\theta)\) прямокутні координати визначаються
\[x=r\cos \theta\qquad y=r\sin \theta.\]
З огляду на прямокутні координати\((x,y)\), полярні координати визначаються
\[ r^2=x^2+y^2\qquad \tan \theta = \frac yx.\]
Приклад\(\PageIndex{2}\): Converting Between Polar and Rectangular Coordinates
- Перетворіть полярні\(P(-1,5\pi/4)\) координати\(P(2,2\pi/3)\) та прямокутні координати.
- Перетворіть прямокутні координати\((1,2)\) та\((-1,1)\) полярні координати.
- (а) Починаємо з\(P(2,2\pi/3)\). Використовуючи Key Idea 40, ми маємо\[x= 2\cos (2\pi/3) = -1\qquad y = 2\sin (2\pi/3) = \sqrt{3}.\] Так прямокутні координати є\((-1,\sqrt{3}) \approx (-1,1.732)\).
(b) Полярна точка\(P(-1,5\pi/4)\) перетворюється на прямокутну за допомогою:\[x=-1\cos (5\pi/4) = \sqrt{2}/2\qquad y= -1\sin (5\pi/4) = \sqrt{2}/2.\]
Отже, прямокутні координати є\((\sqrt{2}/2,\sqrt{2}/2) \approx (0.707,0.707)\).
Ці точки побудовані на малюнку\(\PageIndex{4}\) (а). Прямокутна система координат намальована злегка під полярною системою координат, щоб можна було побачити зв'язок між ними.
- (а) Щоб перетворити прямокутну точку\((1,2)\) в полярні координати, ми використовуємо Ключову ідею для формування наступних двох рівнянь:
\[1^2+2^2 = r^2 \qquad \tan \theta = \frac{2}{1}.\] Перше рівняння говорить нам про це\(r=\sqrt{5}\). Використовуючи обернену тангенсну функцію, ми знаходимо\[\tan \theta = 2 \quad \Rightarrow \quad \theta = \tan^{-1} 2 \approx 1.11\approx 63.43^\circ.\] This полярні координати\((1,2)\) є\(P(\sqrt{5},1.11)\).
(b) Для перетворення в\((-1,1)\) полярні координати ми формуємо рівняння\[(-1)^2+1^2=r^2 \qquad \tan \theta = \frac{1}{-1}.\]
Таким чином\(r=\sqrt{2}\). Ми повинні бути обережними в обчисленні\(\theta\): використовуючи обернену функцію дотичної, ми маємо\[\tan\theta = -1 \quad \Rightarrow \quad \theta = \tan^{-1}(-1) = -\pi/4 = -45^\circ.\]
Це не той кут, який ми хочемо. Діапазон\(\tan^{-1}x\) є\((-\pi/2,\pi/2)\); тобто повертає кути, які лежать в\(1^\text{st}\) і\(4^\text{th}\) квадрантах. Щоб знайти місця в\(2^\text{nd}\) і\(3^\text{rd}\) квадрантах, додайте\(\pi\) до результату\(\tan^{-1}x\). Так\(\pi+(-\pi/4)\) ставить кут на\(3\pi/4\). Таким чином, полярна точка є\(P(\sqrt{2},3\pi/4)\).
Альтернативним методом є використання кута,\(\theta\) заданого арктангенсом, але зміна знака\(r\). Таким чином, ми могли б також посилатися\((-1,1)\) як\\\(P(-\sqrt{2},-\pi/4)\).
Ці точки нанесені на малюнку\(\PageIndex{4}\) (б). Полярна система намальована злегка під прямокутною сіткою з променями, щоб продемонструвати використовувані кути.
Полярні функції та полярні графіки
Визначення нової системи координат дозволяє нам створити новий вид функції, полярну функцію. Прямокутні координати добре піддавалися створенню функцій, які пов'язані\(y\),\(x\) і, наприклад,\(y=x^2.\) Полярні координати дозволяють нам створювати функції, які стосуються\(r\) і\(\theta\). Зазвичай ці функції виглядають\(r=f(\theta)\), хоча ми можемо створювати функції форми\(\theta = f(r)\). Наступні приклади знайомлять нас з цим поняттям.
Приклад\(\PageIndex{3}\): Introduction to Graphing Polar Functions
Опишіть графіки наступних полярних функцій.
- \(r = 1.5\)
- \(\theta = \pi/4 \)
Рішення
- Рівняння\(r=1.5\) описує всі точки, які знаходяться в 1,5 одиниці від полюса; оскільки кут не заданий,\(\theta\) допустимий будь-який. Всі точки 1,5 одиниці від полюса описує коло радіусом 1,5.
Ми можемо розглянути прямокутний еквівалент цього рівняння; використовуючи\(r^2=x^2+y^2\), ми бачимо\(1.5^2=x^2+y^2\), що, яке ми визнаємо рівнянням кола з центром\((0,0)\) з радіусом 1.5. Це намальовано на малюнку\(\PageIndex{5}\). - Рівняння\(\theta = \pi/4\) описує всі точки таким чином, що лінія через них і полюс складають кут\(\pi/4\) з початковим променем. Оскільки радіус не\(r\) заданий, він може бути будь-яким значенням (навіть негативним). Таким чином\(\theta = \pi/4\) описується лінія через полюс, який робить кут\(\pi/4 = 45^\circ\) з початковим променем.
Можна знову розглянути прямокутний еквівалент цього рівняння. Об'єднати\(\tan \theta =y/x\) і\(\theta =\pi/4\):\[\tan \pi/4 = y/x \quad \Rightarrow x\tan \pi/4 = y \quad \Rightarrow y = x.\] Цей графік також побудовано на малюнку\(\PageIndex{5}\).
Основні прямокутні рівняння утворюють\(x=h\) і\(y=k\) створюють вертикальні і горизонтальні лінії відповідно; основні полярні рівняння\(r= h\)\(\theta =\alpha\) створюють кола і лінії через полюс відповідно. За допомогою цього в якості основи ми можемо створити більш складні полярні функції форми\(r=f(\theta)\). Вхід - кут; вихід - довжина, наскільки далеко в напрямку кута вийти.
Ми накидаємо ці функції так само, як накидаємо прямокутні та параметричні функції: ми будуємо багато точок і «з'єднуємо точки» з кривими. Ми демонструємо це в наступному прикладі.
Приклад\(\PageIndex{4}\): Sketching Polar Functions
Намалюйте\(r=1+\cos \theta\) полярну функцію\([0,2\pi]\), намалювавши точки.
Рішення
Поширеним питанням під час ескізу кривих шляхом побудови точок є «Які точки слід будувати?» З прямокутними рівняннями ми часто вибираємо «легкі» значення - цілі числа, а потім додаємо більше, якщо потрібно. При побудові полярних рівнянь починайте з «загальних» кутів — кратних\(\pi/6\) і\(\pi/4\). Рисунок\(\PageIndex{6}\) дає таблицю з декількох значень\(\theta\) in\([0,\pi]\).
Розглянемо точку,\(P(0,2)\) визначену першим рядком таблиці. Кут дорівнює 0 радіанів - ми не обертаємося від початкового променя - тоді ми виходимо 2 одиниці від полюса. Коли\(\theta=\pi/6\),\(r = 1.866\) (власне, це так\(1+\sqrt{3}/2\)); так обертаються на\(\pi/6\) радіани і виходять 1.866 одиниць.
На показаному графіку використовується більше точок, пов'язаних прямими лініями. (Точки на графіку, які відповідають точкам у таблиці, позначаються більшими крапками.) Такий ескіз, швидше за все, досить хороший, щоб дати уявлення про те, як виглядає графік.
Технологічна примітка
Побудова функцій таким чином може бути стомлюючим, як це було з прямокутними функціями. Для отримання дуже точних графіків технологія є відмінним помічником. Більшість графічних калькуляторів можуть будувати полярні функції; у меню встановіть режим побудови на щось на зразок\(\texttt{polar}\) або\(\texttt{POL}\), залежно від свого калькулятора. Як і при побудові параметричних функцій, «вікно» перегляду більше не визначає\(x\) -значення, які будуються, тому потрібно надати додаткову інформацію. Часто з «віконними» настройками виступають налаштування початкових і кінцевих\(\theta\) значень (часто називаються\(\theta_{\text{min}}\) і\(\theta_{\text{max}}\)), а також\(\theta_{\text{step}}\) — тобто на те, наскільки далеко один від одного розставлені\(\theta\) значення. Чим менше\(\theta_{\text{step}}\) значення, тим точніше графік (що також збільшує час побудови графіка). Використовуючи технологію, ми намалювали полярну функцію\(r=1+\cos \theta\) з прикладу 9.4.4 на рис\(\PageIndex{7}\).
Приклад\(\PageIndex{5}\): Sketching Polar Functions
Намалюйте\(r=\cos (2\theta)\) полярну функцію\([0,2\pi]\), намалювавши точки.
Рішення
Починаємо з складання таблиці\(\cos (2\theta)\) оцінюваних під загальними кутами\(\theta\), як показано на малюнку\(\PageIndex{8}\). Ці точки потім малюються на малюнку\(\PageIndex{9}\) (а). Цей конкретний графік «рухається» навколо зовсім небагато, і можна легко забути, які точки повинні бути пов'язані один з одним. Щоб допомогти нам у цьому, ми пронумерували кожну точку в таблиці і на графіку.
Використовуючи більше точок (і допомогу технології) можна зробити більш плавний графік, як показано на малюнку\(\PageIndex{9}\) (b). Ця ділянка є прикладом кривої троянди.
Іноді бажано посилатися на графік за допомогою полярного рівняння, а в інших випадках - прямокутним рівнянням. Тому необхідно вміти конвертувати між полярними та прямокутними функціями, що ми практикуємо в наступному прикладі. Ми будемо часто використовувати ідентичності, знайдені в Key Idea 40.
Приклад\(\PageIndex{6}\): Converting between rectangular and polar equations.
Перетворення з прямокутної в полярну.
- \(y=x^2\)
- \(xy = 1\)
Перетворення від полярного до прямокутного.
- \( r=\frac{2}{\sin \theta-\cos\theta}\)
- \(r=2\cos \theta\)
Рішення
- Замінити на\(r\sin\theta\) і\(y\)\(x\) замінити на\(r\cos\theta\), даючи:
\[\begin{align*}y &=x^2\\r\sin\theta &= r^2\cos^2\theta\\\frac{\sin\theta}{\cos^2\theta} &= r\end{align*}\]
Ми виявили, що\(r=\sin\theta/\cos^2\theta = \tan\theta\sec\theta\). Область цієї полярної функції є\((-\pi/2,\pi/2)\); побудуйте кілька пунктів, щоб побачити, як знайома парабола простежується полярним рівнянням. - Ми знову замінюємо\(x\) та\(y\) використовуємо стандартні ідентичності та працюємо над вирішенням для\(r\):\[\begin{align*}xy &= 1 \\r\cos\theta\cdot r\sin\theta & = 1\\r^2 & = \frac{1}{\cos\theta\sin\theta}\\r & = \frac{1}{\sqrt{\cos\theta\sin\theta}}\\\end{align*}\]
Ця функція дійсна лише тоді, коли добуток\(\cos\theta\sin\theta\) позитивний. Це відбувається в першому і третьому квадрантах, тобто область цієї полярної функції є\((0,\pi/2) \cup (\pi,3\pi/2)\).
Ми можемо переписати вихідне прямокутне рівняння\(xy=1\) як\(y=1/x\). Це показано на малюнку\(\PageIndex{10}\); зверніть увагу, як він існує лише у першому та третьому квадрантах.
- Немає встановленого способу перетворення з полярного на прямокутний; загалом, ми прагнемо сформувати продукти\(r\cos \theta\) і\(r\sin\theta\), а потім замінити їх на\(x\) і\(y\), відповідно. Ми починаємо в цій задачі з множення обох сторін на\(\sin\theta-\cos\theta\):
\[\begin{align*}r &= \frac{2}{\sin\theta-\cos\theta} \\r(\sin\theta-\cos\theta) &= 2\\r\sin\theta-r\cos\theta &= 2. \qquad \text{Now replace with \(y\) and \(x\):}\\y-x &= 2\\y &= x+2.\end{align*}\]
Початкове\(r=2/(\sin\theta-\cos\theta)\) полярне рівняння, не легко виявити, що його графік є просто лінією. Однак наша конверсія показує, що це так. Майбутня галерея полярних кривих дає загальні рівняння ліній в полярній формі. - Помноживши обидві сторони на\(r\), отримуємо і\(r^2\) термін, і\(r\cos\theta\) термін, який замінюємо на\(x^2+y^2\) і\(x\) відповідно.
\[\begin{align*}r &=2\cos\theta \\r^2 &= 2r\cos\theta \\x^2+y^2 &= 2x. \end{align*}\]Ми визнаємо це як коло; заповнивши квадрат, ми можемо знайти його радіус і центр.
\[\begin{align}x^2-2x+y^2 &= 0 \\(x-1)^2 + y^2 &=1.\end{align}\]
Коло по центру\((1,0)\) і має радіус 1. Майбутня галерея полярних кривих дає рівняння деяких кіл в полярній формі; кола з довільними центрами мають складне полярне рівняння, яке ми тут не розглядаємо.
Деякі криві мають дуже прості полярні рівняння, але досить складні прямокутні. Наприклад, рівняння\(r=1+\cos\theta\) описує кардіод (форма, яка важлива, серед іншого, чутливість мікрофонів; один зображений у галереї в розділі Lima\ c con). Прямокутна форма не така проста; це неявне рівняння
\[x^4+y^4+2x^2y^2-2xy^2-2x^3-y^2=0.\]
Перетворення не є «важким», але займає кілька кроків і залишається як проблема в розділі Вправа.
Галерея полярних кривих
Існує ряд основних і «класичних» полярних кривих, що славляться своєю красою та/або застосовністю до наук. Цей розділ закінчується невеликою галереєю деяких з цих графіків. Ми закликаємо читача зрозуміти, як формуються ці графіки, і дослідити за допомогою технології інші типи полярних функцій.
Раніше ми обговорювали, як кожна точка на площині не має унікального уявлення в полярній формі. Це може бути «гарною» річчю, оскільки це дозволяє красиві та цікаві криві, які можна побачити в попередній галереї. Однак це також може бути «поганою» річчю, оскільки буває важко визначити, де перетинаються дві криві.
Приклад\(\PageIndex{7}\): Finding points of intersection with polar curves
Визначте, де графи полярних рівнянь\(r=1+3\cos\theta\) і\(r=\cos \theta\) перетинаються.
Рішення
Оскільки технологія, як правило, доступна, як правило, непогано почати з графіка. Ми намалювали дві функції на малюнку\(\PageIndex{11}\) (a); щоб краще розрізнити точки перетину, частина (b) фігури збільшується навколо початку.
Почнемо з встановлення двох функцій рівних один одному і рішення для\(\theta\):
\ [\ почати {вирівнювати*}
1+3\ cos\ тета &=\ cos\ тета\\
2\ cos\ тета &= -1\\ cos\ theta&= -\ фрак12
\\ тета &=\ фрак {2\ пі} {3},\ frac {4\ pi} {3}.
\ end {вирівнювати*}\]
(Звичайно, існують нескінченні розв'язки рівняння\(\cos\theta=-1/2\); оскільки lima\ c con простежується один раз\([0,2\pi]\), ми обмежуємо наші рішення цим інтервалом.)
Потрібно проаналізувати це рішення. Коли\(\theta = 2\pi/3\) ми отримаємо точку перетину, яка лежить в\(^\text{th}\) квадранті 4. Коли\(\theta = 4\pi/3\), ми отримуємо точку перетину, яка лежить в 2\(^\text{nd}\) квадранті. Однак про цю другу точку перетину можна сказати більше. Коло, визначене,\(r=\cos\theta\) промальовується один раз\([0,\pi]\), це означає, що ця точка перетину виникає під час відстеження кола вдруге. Здається дивним пройти повз точку один раз, а потім розпізнавати її як точку перетину тільки приїхавши туди «вдруге». Перший раз, коли коло прибуває в цей момент, коли\(\theta = \pi/3\).
Ключовим є розуміння того, що ці два пункти однакові:\((\cos \pi/3,\pi/3)\) і\((\cos 4\pi/3,4\pi/3)\).
Підсумовуючи те, що ми зробили до цих пір, ми знайшли дві точки перетину: коли\(\theta=2\pi/3\) і коли\(\theta=4\pi/3\). При посиланні на коло\(r=\cos \theta\), остання точка краще посилається, як коли\(\theta=\pi/3\).
Є ще одна точка перетину: полюс (або, початок). Ми не розпізнали цю точку перетину, використовуючи нашу роботу вище, оскільки кожен графік приходить до полюса з різним\(\theta\) значенням.
Графік перетинає полюс, коли\(r=0\). Розглядаючи коло\(r=\cos\theta\),\(r=0\) коли\(\theta = \pi/2\) (і непарні кратні їй, так як коло багаторазово простежується). Ліма\ c con перетинає полюс, коли\(1+3\cos\theta =0\); це відбувається коли\(\cos \theta = -1/3\), або для\(\theta = \cos^{-1}(-1/3)\). Це нестандартний кут, приблизно\(\theta = 1.9106 = 10\(\PageIndex{12}\) ^\ circ\). Ліма\ c con двічі перетинає полюс\([0,2\pi]\); інший кут, під яким lima\ c con знаходиться біля полюса, є відображенням першого кута поперек\(x\) -осі. Тобто,\(\theta = 4.3726 = 250.53^\circ.\)
Якщо все одне стосується\((x,y)\) координат, за якими графи перетинаються, значна частина вищевказаної роботи є сторонньою. Ми знаємо, що вони перетинаються\((0,0)\); ми можемо не хвилювати, яка\(\theta\) цінність. Аналогічним чином, використовуючи\(\theta =2\pi/3\) і\(\theta=4\pi/3\) може дати нам необхідні прямокутні координати. Однак у наступному розділі ми застосовуємо поняття числення до полярних функцій. При обчисленні площі області, обмеженої полярними кривими, розуміння нюансів точок перетину стає важливим.