数学笔记27——极坐标下的面积

　　直角坐标是常用的坐标法，但是对于一些特别的问题，在直角坐标系下处理就显得有点笨拙了。这个时候，不妨试试极坐标。它可以使得问题变得出乎意料的简洁，也能让问题直观和清晰起来。

极坐标

什么是极坐标

　　概念来自百度百科：

　　在平面内取一个定点O，叫极点，引一条射线Ox，叫做极轴，再选定一个长度单位和角度的正方向（通常取逆时针方向）。对于平面内任何一点M，用r表示线段OM的长度，θ表示从Ox到OM的角度，r叫做点M的极径，θ叫做点M的极角，有序数对 (r,θ)就叫点M的极坐标，这样建立的坐标系叫做极坐标系。通常情况下，M的极径坐标单位为1（长度单位），极角坐标单位为rad（或°）。

　　简单地说，极坐标有两个主要部分：长度和方向。

　　极坐标仅仅是将直角坐标系的点换了一个表示法，仍未脱离原来的直角坐标系。很容易知道，如果M用x和y表示，那么：

 

　　这就是直角坐标系转换为极坐标表示法的转换公式。此外：

 

　　实际上距离和夹角都可能是负数，这种写法可以避免和正负号搅合在一起。

　　注：在极坐标中，x不再是y的函数，即x不再是变量，这在上篇文章的“新的思维模式”一节做过详细说明。

 

极坐标下的点、直线和圆

 

　　点

　　现在尝试将(x, y) = (1, -1)转换为极坐标表示法：

 

　　根据转换公式，可以得到三组答案：

 

　　直线

　　用极坐标表示直线y = 1。

　　y = rsinθ=1， r = 1/sinθ

　　这就是结果。这可以用下图表示：

 

　　图中每个向量长度都表示r，与x轴的夹角是θ，r = 1/sinθ呈扇形展开，因此也可以知道θ的取值范围是0 ≤ θ ≤ π

 

　　圆

　　在直角坐标系下，半径为a的圆是x² + y² = a²，转换为极坐标后：

　　所以可以用r = a表示极坐标系下的圆，当r的取值范围是(-∞, +∞)时，表示极坐标系下的所有点。

r = 1

示例

　　用极坐标表示(x – a)² + y² = a²

 

　　圆心并不在原点。我们可以直接套用公式：

 

　　也可以使用一个比较快的方法，先计算，后代入：

 

　　还剩下最后一点，θ的取值范围，少了这点，我们就无法对其进行积分。

　　当θ = 0时，r的一端在(2a, 0)点；点沿着圆逆时针转动，当θ= π/2时点在(0, 0)处，期间r扫过了上半圆：

同理，当-π/2 <=θ<=0时，r扫过了下半圆。因此，θ的取值范围是[-π/2, π/2]

极坐标下的面积

面积公式

　　如上图所示，在已知半径和夹角的情况下很容易求得扇形的面积。

 

　　如果是一个不规则曲线形成的面积呢？

 

A = ？

　　我们可以利用黎曼和的知识对其进行切分，形成一个个小扇形：

　　曲线内的任意扇形：

 

　　整个面积：

 

　　这也是极坐标下的面积公式。

示例1

　　计算r = 2acosθ的面积。

　　这在上一节的示例中出现过，如果过退化为直角坐标系，很容易看出是一个圆，其面积是：

　　这正是期待的结果。

示例2

　　r = sin2θ的面积

　　为了更直观地计算面积，首先要画图。

　　相面是θ在第一象限内的取值：

　　θ = 0， r = 0; θ = π/4， r = 1; θ = π/2， r = 0。

　　π/2是一个周期，四个象限的图形应当一致：

　　实际上这就是著名的四叶玫瑰函数，它的运动轨迹如下：

 

　　当π/2 ≤ θ ≤ π时，曲线向相反方向运动：

 

　　现在可以计算面积了。

 

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　　作者：我是8位的

　　出处：http://www.cnblogs.com/bigmonkey

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