高中数学平面直角坐标系下的图形变换及常用方法

解析几何是高中数学中的一个重要分支，主要研究平面和空间中的几何图形，以及它们的性质和变换。

以下是解析几何的一些总结：1.平面直角坐标系解析几何的基础是平面直角坐标系，它将平面上的点和数对一一对应。

平面上的一条直线可以用一个一次方程表示，即$y=kx+b$，其中$k$ 是斜率，$b$ 是截距。

两点间的距离可以用勾股定理计算，即$AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2}$。

2.空间直角坐标系类似于平面直角坐标系，空间直角坐标系将空间中的点和数组一一对应。

在空间中，一条直线可以用一个二次方程表示，即$Ax+By+Cz+D=0$，其中$A,B,C$ 是系数，$D$ 是常数。

两点间的距离也可以用勾股定理计算，即$AB=\sqrt{(x_B-x_A)^2+(y_B-y_A)^2+(z_B-z_A)^2}$。

3.平面和空间中的几何变换解析几何中常见的几何变换包括平移、旋转、对称和伸缩。

平面上的平移可以用向量表示，旋转可以用旋转矩阵表示，对称可以用对称轴表示，伸缩可以用矩阵表示。

空间中的几何变换也类似于平面中的，但需要用到三维向量和三阶矩阵。

4.直线和平面的性质解析几何中，直线和平面有很多重要的性质。

例如，两条平行直线的斜率相等，两条垂直直线的斜率积为$-1$;平面上两条直线相交的角的余弦可以用它们的斜率表示;两个平面的夹角可以用它们的法向量表示等等。

5.空间中的立体图形解析几何中，还研究了一些常见的立体图形，如点、线、面、球、圆锥曲线等。

例如，圆锥曲线有圆、椭圆、双曲线和抛物线四种类型，它们的方程可以用标准式、一般式或参数式表示。

高中数学中的坐标系与平移变换在高中数学中，坐标系和平移变换是两个非常重要的概念。

坐标系是一种表示点在平面上位置的方式，而平移变换则是一种改变点位置的操作。

本文将对这两个概念进行详细讨论。

一、坐标系的基本概念1. 直角坐标系直角坐标系是最常见的坐标系，由两条垂直的直线（通常称为x轴和y轴）交叉而成。

通过定义一个原点和单位长度，我们可以用有序数对(x, y)来表示平面上的任意一点。

2. 极坐标系极坐标系使用径向距离和极角来描述点的位置。

其中，径向距离表示点到原点的距离，极角则表示点与正向x轴之间的夹角。

3. 其他坐标系此外，还有柱面坐标系、球面坐标系等其他不同形式的坐标系，它们在特定的数学领域和物理领域中具有重要的应用。

二、平移变换的基本原理在数学中，平移是一种将图形沿着指定方向移动的变换方式。

它通过将所有点的坐标值分别增加或减少一个常数来实现。

平移变换的基本原理如下：1. 平移向量平移变换通过一个平移向量来描述移动的方向和距离。

平移向量由两个分量组成，分别表示在x轴和y轴上的移动距离。

2. 平移的公式设点P(x, y)进行平移变换，平移向量为(a, b)，则点P'的坐标可以表示为：P'(x', y') = P(x+a, y+b)三、坐标系与平移变换的关系坐标系与平移变换密切相关，它们之间的关系主要体现在以下几个方面：1. 坐标系对平移变换的作用坐标系为平移变换提供了基础。

在直角坐标系中，通过改变点的坐标值，可以实现平移变换。

而在极坐标系中，则需要通过改变径向距离和极角来实现平移。

2. 平移变换对坐标系的作用平移变换改变了图形中每个点的位置，从而影响了坐标系的布局。

在平移变换之后，原有的坐标系会随之发生改变，因此我们需要根据新的图形位置重新确定坐标系。

3. 坐标系和平移变换的综合应用在几何图形的研究中，我们经常会用到坐标系和平移变换。

通过在坐标系中进行平移变换，我们可以研究图形的性质、计算图形的参数等。

1.1平面直角坐标系一、教学目标 （一）核心素养通过这节课学习，能根据问题的几何特征选择建立适当的平面直角坐标系，在数学建模过程中体会坐标法的思想． （二）学习目标1．根据问题的几何特征建立适当的平面直角坐标系． 2．通过实例概括坐标伸缩变换公式．3．了解利用坐标伸缩变换公式研究平面图形伸缩变化情况,体会坐标法思想． （三）学习重点1．根据几何特征选择坐标系． 2．坐标法思想．3．平面直角坐标系中的伸缩变换． （四）学习难点1．适当直角坐标系的选择．2．对伸缩变换中点的对应关系的理解． 二、教学设计 （一）课前设计 1．预习任务（1）读一读：阅读教材第2页至第7页，填空：设点),(y x P 是平面直角坐标系中的任意一点,在变换φ:的作用下,点),(y x P 对应到点),(y x P ''',称φ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换,简称伸缩变换. 2．预习自测（1）如何由正弦曲线y ＝sin x 经伸缩变换得到y ＝12sin 12x 的图象() A ．将横坐标压缩为原来的12，纵坐标也压缩为原来的12 B ．将横坐标压缩为原来的12，纵坐标伸长为原来的2倍 C ．将横坐标伸长为原来的2倍，纵坐标也伸长为原来的2倍 D ．将横坐标伸长为原来的2倍，纵坐标压缩为原来的12【知识点】伸缩变换【解题过程】将正弦曲线y ＝sin x 的横坐标伸长为原来的2倍得到x y 21sin =，再由x y 21sin =的图像的横坐标不变，纵坐标压缩为原来的21即可得y ＝12sin 12x 的图像． 【思路点拨】可根据三角函数的知识求解 【答案】D（2）在平面直角坐标系中，B A ,两点分别在x 轴、y 轴上滑动，且|AB|＝4，则AB 中点P 的轨迹方程为________． 【知识点】点轨迹方程【数学思想】函数与方程的思想【解题过程】422=+y ．端点的坐标关系，最后代入整理即可． 【答案】422=+y x ．（3）在平面直角坐标系中，方程142=+y x 对应的图形经过伸缩变换⎩⎨⎧='='y y xx 42后得到的图形对应的方程是（）A ．0142=-'+'y xB ．01=-'+'y xC ．014=-'+'y xD ．0116=-'+'y x 【知识点】伸缩变换【解题过程】将⎩⎨⎧='='y y x x 42经过变形得⎪⎩⎪⎨⎧'='=y y x x 4121代入到方程142=+y x ，整理得01=-'+'y x【思路点拨】通过对伸缩变换公式的变形为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'=''=y y x x μλ11，在代入原图形对应的方程，从而得到变形后的图形对应的方程． 【答案】B（4）将圆122=+y x 上每一点的横坐标保持不变，纵坐标变为原来的2倍，得曲线C 对应的方程为________． 【知识点】伸缩变换 【数学思想】【解题思路】设),(11y x 为圆上任意一点，在已知变换下变为曲线C 上对应的点为),(y x ，依题意，得⎩⎨⎧==112y y x x ，而12121=+y x ，得1)2(22=+y x ，所以曲线C 的方程为1422=+y x ．【思路点拨】将问题转化为伸缩变换问题，再由伸缩变换公式求解【答案】1422=+y x(二)课堂设计 1．知识回顾（1）平面直角坐标系的作用：使平面上的点与坐标（有序实数对）、曲线与方程建立了联系，从而实现了数与形的结合．（2）坐标法：根据几何对象的特征，选择适当的坐标系，建立它的方程，通过方程研究他的性质与其他几何图形的关系． 2．问题探究探究一结合实例，感受坐标法思想★例1某信息中心接到位于正东、正西、正北方向三个观测点的报告：正西、正北两个观测点同时听到一声巨响，正东观测点听到巨响的时间比它们晚4s.已知各观测点到中心的距离都是1020m.试确定巨响发生的位置.（假定声音传播的速度为340m/s ，各观测点均在同一平面上.） ●活动①实际问题抽象转化为数学问题我们将正东、正西、正北的三个观测点分别记为C B A ,,，爆炸点记为P .由于C B ,同时听到由点P 发出的响声，因此PC PB =，所以点P 在线段BC 的垂直平分线l 上，由于点A 听到的响声比C B ,晚s 4，所以AB PB PA <=⨯=-13603404，说明点P 在以点B A ,为焦点的双曲线Γ上,所以点P 在直线l 与双曲线Γ的交点.【知识点】平面直角坐标系，双曲线定义 【数学思想】数形结合，转化与化归 【解题过程】解:以信息中心为原点O ,正东、正北方向为x 轴、y 轴正向,建立直角坐标系. 设C B A ,,分别是东、西、北观测点,则)1020,0(),0,1020(),0,1020(C B A - 于是直线l 的方程为x y -=设双曲线Γ的方程是)0,0(12222>>=-b a by a x由已知得222234056801020,1020,680⨯=-===b c a ,于是双曲线Γ的方程是134056802222=⨯-y x将x y -=代入上述方程,解得5680,5680 =±=y x ,由已知,响声在双曲线Γ的左半支上,所以)5680,5680(-P ,10680=OP所以巨响发生在接报中心的西偏北 45距中心m 10680处. 【思路点拨】建立坐标系，把实际问题转化为数学问题. 【答案】巨响发生在接报中心的西偏北 45距中心m 10680处.同类训练 由甲导弹驱逐舰、乙导弹驱逐舰、丙综合补给舰组成的护航编队奔赴某海域执行护航任务，对商船进行护航．某日，甲舰在乙舰正东6 km 处，丙舰在乙舰北偏西30°，相距4 km.某时刻甲舰发现商船的某种求救信号．由于乙、丙两舰比甲舰距商船远，因此4 s 后乙、丙两舰才同时发现这一信号，此信号的传播速度为1 km/s.若甲舰赶赴救援，行进的方位角应是多少？ 【知识点】平面直角坐标系的应用 【数学思想】坐标法思想【解题过程】设A ，B ，C ，P 分别表示甲舰、乙舰、丙舰和商船．如图所示，以直线AB 为x 轴，线段AB 的垂直平分线为y 轴建立直角坐标系，则A (3,0)，B (－3,0)，C (－5,23)．∵|PB |＝|PC |，∴点P 在线段BC 的垂直平分线上． k BC ＝－3，线段BC 的中点D (－4，3)， ∴直线PD 的方程为y －3＝13(x ＋4)．① 又|PB |－|P A |＝4，∴点P 在以A ，B 为焦点的双曲线的右支上， 双曲线方程为x 24－y 25＝1(x ≥2)． ②联立①②，解得P 点坐标为(8,53)， ∴k P A ＝538－3＝ 3.因此甲舰行进的方位角为北偏东30°.【思路点拨】本题的关键在于确定商船相对于甲舰的相对位置，因此不妨用点A 、B 、C 表示甲舰、乙舰、丙舰，建立适当坐标系，求出商船与甲舰的坐标，问题可解． 【答案】甲舰行进的方位角为北偏东30°.【设计意图】从生活实例到数学问题，体会坐标法的提炼、抽象过程． ●活动②归纳梳理、理解提升通过实例,合理建立坐标系是解决此类问题的关键，如果坐标系建立得合理，可以简化我们的计算，并且使问题的结论清晰明了、具体形象，那么利用坐标法解决问题的基本步骤是什么呢?坐标法解决几何问题的“三部曲”：第一步：建立适当的坐标系，用坐标和方程表示问题中涉与的几何元素，将几何问题转化为代数问题；第二步：通过代数运算，解决代数问题； 第三步：把代数运算结果“翻译”成几何结论.●活动③学以致用,理论实践例2 已知△ABC 的三边c b a ,,满足2225a c b =+ , BE,CF 分别为边AC,AB 上的中线, 建立适当的平面直角坐标系探究BE 与CF 的位置关系.A BCO y xF E【知识点】平面直角坐标系，轨迹方程 【数学思想】数形结合 【解题过程】解: 如图, 以△ABC 的顶点A 为原点O, 边AB 所在的直线为x 轴, 建立直角坐标系. 由已知, 点A,B,F 的坐标分别为)0,2()0,(),0,0(c F c B A ,设点C 的坐标为),(y x ,点E 的坐标为)2,2(yx .由2225a c b =+可得2225BC AB AC =+即[]22222)(5y c x c y x +-=++,整理得05222222=-++cx c y x因为),2(),2,2(y x cCF y c x BE --=-=所以0)5222(41222=-++-=•cx c y x CF BE由此,BE 与CF 相互垂直.【思路点拨】建立坐标系，把实际问题转化为数学问题. 【答案】BE 与CF 相互垂直.同类训练 已知正三角形ABC 的边长为a ,在平面上求一点P ,使|P A |2+|PB |2+|PC |2最小,并求出此最小值.【知识点】平面直角坐标系 【数学思想】数形结合思想【解题过程】 如右图,以BC 所在直线为x 轴,BC 的垂直平分线为y 轴建立直角坐标系,则A (0,23 a ),B (-2a ,0),C (2a ,0).设P (x ,y ),则|P A |2+|PB |2+|PC |2 =x 2+(y -23 a )2+(x +2a )2+y 2+(x -2a)2+y 2 =3x 2+3y 2-3ay +452a =3x 2+3(y -63a )2+a 2≥a 2,当且仅当x =0,y =63a 时,等号成立,∴所求最小值为a 2,此时P 点坐标为P (0,63a ),是正三角形AB C 的中心. 【思路点拨】建立适当的平面直角坐标系，把几何问题转化为代数问题，从而简化问题 【答案】所求最小值为a 2,此时P 点坐标为P (0,63a ),是正三角形AB C 的中心 【设计意图】通过把平面几何的问题转化为代数问题，认识坐标法思想的优势. 探究二探究平面直角坐标系中的伸缩变换 ●活动①温故知新、提炼概念在三角函数图像的学习中,我们研究过下面一些问题:你还能分析出由正弦曲线x y sin =怎样得到曲线x y 2sin =吗？在由正弦曲线x y sin =上任取一点),(y x P ，保持纵坐标y 不变，将横坐标x 缩为原来的21，就的到曲线x y 2sin =.从坐标系中的点的对应关系出发，你认为“保持纵坐标y 不变，将横坐标x 缩为原来的21”的实质是什么？（讨论）即，设),(y x P 为平面直角坐标系中任意一点，保持纵坐标y 不变，将横坐标x 缩为原来的21，得到点),(y x P '''，则⎪⎩⎪⎨⎧='='yy xx 21①我们把①式叫做平面直角坐标系中的一个坐标压缩变换.【设计意图】通过对三角函数图像的变换的回顾，为后面一般图形的伸缩变换表示做好铺垫． ●活动②温故知新、提炼概念那么如何由正弦曲线x y sin =怎样得到曲线x y sin 3=呢？在由正弦曲线x y sin =上任取一点),(y x P ，保持横坐标x 不变，将纵坐标y 伸长为原来的3倍，就的到曲线x y sin 3=.从坐标系中的点的对应关系出发，你认为“保持横坐标x 不变，将纵坐标y 伸长为原来的3倍”的实质是什么？（讨论）即，设),(y x P 为平面直角坐标系中任意一点，保持横坐标x 不变，将纵坐标y 伸长为原来的3倍，得到点),(y x P '''，则⎩⎨⎧='='y y x x 3②我们把②式叫做平面直角坐标系中的一个坐标伸长变换.【设计意图】通过对三角函数图像的变换的回顾，为后面一般图形的伸缩变换表示做好铺垫． ●活动③巩固理解、提炼概念同理，由正弦曲线x y sin =怎样得到曲线x y 2sin 3=呢？这个可以认为是是上述两个的“合成”，即先保持纵坐标y 不变，将横坐标x 缩为原来的21，再保持横坐标x 不变，将纵坐标y 伸长为原来的3倍，就可得曲线x y 2sin 3=.类比上述情况，即：设平面直角坐标系中任意一点),(y x P 经过上述变换后为点),(y x P '''，那么⎪⎩⎪⎨⎧='='yy x x 321③ 我们把③式叫做平面直角坐标系中的坐标伸缩变换. 一般地，设),(y x P 是平面直角坐标系中的任意一点，在变换⎩⎨⎧>•='>•=')0()0(:μμλλϕy y x x 的作用下，点),(y x P 对应点),(y x P '''，称ϕ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换，简称伸缩变换.【设计意图】通过对前面的总结，发现一般情况，从而得出伸缩变换的概念． 活动④巩固基础，检查反馈例3 在同一平面直角坐标系中，求下列方程所对应的图形经过伸缩变换⎪⎩⎪⎨⎧='='yy xx 2131后的图形.⑴14922=+y x ；⑵1121822=-y x ⑶x y 22= 【知识点】伸缩变换．【数学思想】转化与化归的思想【解题过程】．⑴由伸缩变换⎪⎩⎪⎨⎧='='y y x x 2131得⎩⎨⎧'='=y y x x 23代入14922=+y x ，得到经过伸缩变换后的图形方程为122='+'y x同理可得⑵式经过伸缩变换后的图形方程为13222='-'y x⑶式经过伸缩变换后的图形方程为x y '='232 【思路点拨】通过对伸缩变换公式的变形为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'=''=y y x x μλ11，在代入原图形对应的方程，从而得到变形后的图形对应的方程.同类训练在平面直角坐标系中, 求方程032=+y x 所对应的图形经过伸缩变换⎩⎨⎧='='y y xx 32后的图形对应的方程为.【知识点】坐标的伸缩变换． 【数学思想】转化与化归思想【解题过程】由伸缩变换⎩⎨⎧='='y y x x 32得⎪⎩⎪⎨⎧'='=y y x x 321代入032=+y x ，得到经过伸缩变换后的图形方程为0='+'y x【思路点拨】伸缩变换公式的应用． 【答案】0='+'y x●活动⑤强化提升、灵活应用例4在同一平面直角坐标系中，经过伸缩变换⎩⎨⎧='='yy x x 3后，曲线C 变为曲线9922='-'y x ，求曲线C 的方程．【知识点】伸缩变换逆向应用．【解题过程】将伸缩变换⎩⎨⎧='='y y x x 3代入曲线9922='-'y x 得到曲线C 对应的方程为122=-y x 【思路点拨】伸缩变换公式的应用． 【答案】122=-y x ．同类训练在同一平面直角坐标系中，经过伸缩变换⎪⎩⎪⎨⎧='='y y x x 312后，曲线C 变为曲线1922='+'y x ，求曲线C 的方程． 【知识点】伸缩变换逆向应用．【解题过程】将伸缩变换⎪⎩⎪⎨⎧='='y y x x 312代入曲线1922='+'y x 得到曲线C 对应的方程为1422=+y x 【思路点拨】伸缩变换公式的应用． 【答案】1422=+y x ． 3.课堂总结 知识梳理（1）坐标法解决几何问题的“三部曲”：第一步：建立适当的坐标系，用坐标和方程表示问题中涉与的几何元素，将几何问题转化为代数问题；第二步：通过代数运算，解决代数问题； 第三步：把代数运算结果“翻译”成几何结论.（2）建系时，根据几何特点选择适当的直角坐标系:第一：如果图形有对称中心，可以选对称中心为坐标原点；第二：如果图形有对称轴，可以选择对称轴为坐标轴；第三：使图形上的特殊点尽可能多的在坐标轴上.（3）一般地，设),(y x P 是平面直角坐标系中的任意一点，在变换⎩⎨⎧>•='>•=')0()0(:μμλλϕy y x x 的作用下，点),(y x P 对应点),(y x P '''，称ϕ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换，简称伸缩变换. 重难点归纳（1）坐标法是在坐标系的基础上，把几何问题转化成代数问题，通过代数运算研究几何图形性质的方法.它是解析几何中最基本的研究方法．（2）在坐标伸缩变换的作用下,可以实现平面图形的伸缩.因此,平面图形的伸缩变换可以用坐标伸缩变换来表示. （三）课后作业 基础型自主突破1．已知f 1(x )=cos x ,f 2(x )=cos ωx (ω>0),f 2(x )的图象可以看作是把f 1(x )的图象在其所在的坐标系中的横坐标压缩到原来的31倍（纵坐标不变）而得到的，则ω为( )A.21B.2C.3D.31 【知识点】三角函数图像，伸缩变换公式．【解题过程】:∵1,3,x x y y ⎧'=⎪⎨⎪'=⎩∴3,.x x y y '=⎧⎨'=⎩将其代入y =cos x ,得到y ＇=cos3x ＇,即f 2(x )=cos3x . 【思路点拨】函数y =cos ωx ,x ∈R （其中ω>0,ω≠1）的图象，可以看作把余弦曲线上所有点的横坐标缩短（当ω>1时）或伸长（当0<ω<1时）到原来的ω1倍（纵坐标不变）而得到.应用时谨防出错． 【答案】C2.曲线122=+y x 经过φ: ⎩⎨⎧='='yy xx 43变换后得到的新曲线的方程是（）.A ．14322='+'y xB ．191622='+'y xC ．116922='+'y x D ．116922='+'y x【知识点】伸缩变换公式与应用．【解题过程】曲线122=+y x 经过φ: ⎩⎨⎧='='y y x x 43变换后,即⎪⎩⎪⎨⎧'='=y y x x 4131代入到圆的方程,可得116922='+'y x 即所求新曲线的方程为116922='+'y x ． 【思路点拨】将y x ,表示出来,代入到原方程即可得到新曲线的方程. 【答案】D ．3．将一个圆作伸缩变换后所得到的图形不可能是() A.椭圆 B.比原来大的圆 C.比原来小的圆 D.双曲线【知识点】伸缩变换的应用．【解题过程】由伸缩变换的公式可知不可能得到的图形是双曲线，只能是圆或者椭圆． 【思路点拨】将伸缩变换的公式进行变形可得． 【答案】D4. 将点(2,3)变成点(3,2)的伸缩变换是()A ．2332x'x y'y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩B ．3223x'x y'y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩C ．x'y y'x =⎧⎨=⎩D ．11x'x y'y =+⎧⎨=-⎩【知识点】伸缩变换公式与应用．【解题过程】设此变换为,,x'x y'y λμ=⎧⎨=⎩则3,22,3x'x y'y λμ⎧==⎪⎪⎨⎪==⎪⎩所以所求变换为3,22,3x'x y'y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩【思路点拨】将伸缩变换公式进行变形得到． 【答案】B ．5．已知函数=)(x f 22(1)1(1)1,x x -++++则)(x f 的最小值为__________． 【知识点】平面直角坐标系的应用． 【数学思想】数形结合的思想【解题过程】f (x )可看作是平面直角坐标系下x 轴上一点(x,0)到两定点(－1,1)和(1,1)的距离之和，结合图形可得，f (x )的最小值为2.【思路点拨】利用代数式的几何意义来处理． 【答案】22．6．在同一平面直角坐标系中，经过伸缩变换5,3x x y y '=⎧⎨'=⎩后，曲线C 变为曲线322='+'y x ，则曲线C 的方程为________． 【知识点】伸缩变换公式应用．【解题过程】将伸缩变换5,3x x y y '=⎧⎨'=⎩代入322='+'y x ，得392522=+y x ．【思路点拨】灵活应用伸缩变换公式． 【答案】392522=+y x ． 能力型师生共研7．设曲线C 对应的方程为)0,0(12222>>=-b a b y a x ，曲线C 经过伸缩变换⎩⎨⎧>•='>•=')0()0(:μμλλϕy y x x 后得到曲线C ',则曲线C '为（） A ．双曲线B ．椭圆C ．抛物线D ．随μλ,的系数不同曲线也不同【知识点】双曲线，伸缩变换．【解题过程】将变换,,x'x y'y λμ=⎧⎨=⎩转化为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'='=y y x x μλ11代入双曲线方程得)0,0(1222222>>='-'b a b y a x μλ，所以曲线C '为双曲线.【思路点拨】伸缩变换公式的应用以与双曲线定义． 【答案】A ．8．在同一平面直角坐标系中，将曲线01283622=+--x y x 变成曲线03422=+'-'-'x y x ，求满足条件的伸缩变换．【知识点】伸缩变换公式应用．【解题过程】解：x 2－36y 2－8x ＋12＝0可化为24()2x -－9y 2＝1.① x ′2－y ′2－4x ′＋3＝0可化为(x ′－2)2－y ′2＝1.②比较①②，可得42,23,x x y y -⎧'-=⎪⎨⎪'=⎩即,23.xx y y ⎧'=⎪⎨⎪'=⎩ 所以将曲线x 2－36y 2－8x ＋12＝0上所有点的横坐标变为原来的12，纵坐标变为原来的3倍，就可得到曲线x ′2－y ′2－4x ′＋3＝0的图象． 【思路点拨】灵活应用伸缩变换公式．【答案】,23.xx y y ⎧'=⎪⎨⎪'=⎩．探究型多维突破9．△ABC 的顶点A 固定，点A 的对边BC 的长是2a ，边BC 上的高的长是b ，边BC 沿一条直线移动，求△ABC 外心的轨迹方程． 【知识点】平面直角坐标系的应用，轨迹方程． 【数学思想】数形结合【解题过程】解：以边BC 所在的定直线为x 轴，过A 作x 轴的垂线为y 轴，建立直角坐标系，则点A 的坐标为(0，b )． 设△ABC 的外心为M (x ，y )．取BC 的中点N ，则MN ⊥BC ，即MN 是BC 的垂直平分线． ∵|BC |＝2a ，∴|BN |＝a ，|MN |＝|y |. 又M 是△ABC 的外心，∴|MA |＝|MB |. 又|MA |＝x 2＋y －b2，|MB |＝|MN |2＋|BN |2＝y 2＋a 2，∴x 2＋y －b2＝y 2＋a 2，化简，得所求的轨迹方程为x 2－2by ＋b 2－a 2＝0.【思路点拨】选择恰当的坐标系，坐标系如果选择得恰当，可使解题过程简化，减少计算量. 【答案】02222=-+-a b by x ．自助餐1．将正弦曲线y ＝sin x 作如下变换：⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝12x ，y ′＝3y ，得到的曲线方程为( )．A ．y ′＝3sin 12x ′B ．y ′＝13sin 2x ′ C ．y ′＝12sin 2x ′ D ．y ′＝3sin 2x ′ 【知识点】三角函数图形、伸缩变换． 【解题过程】将⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝12x ，y ′＝3y ，转化为⎪⎩⎪⎨⎧'='=y y x x 312代入y ＝sin x 可得【思路点拨】将伸缩变换公式进行变形后再应用． 【答案】D2．将曲线F (x ，y )＝0上的点的横坐标伸长到原来的2倍，纵坐标缩短到原来的13，得到的曲线方程为( )A ．F ⎝ ⎛⎭⎪⎫x 2，3y ＝0B ．F ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x ，y 3＝0 C ．F ⎝ ⎛⎭⎪⎫3x ，y 2＝0 D ．F ⎝ ⎛⎭⎪⎫x 3，2y ＝0【知识点】伸缩变换．【解题过程】设(x ，y )经过伸缩变换变为(x ′，y ′)， ∴⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝2x ，y ′＝13y ，则⎩⎪⎨⎪⎧x ＝12x ′，y ＝3y ′，代入F (x ，y )＝0得F ⎝ ⎛⎭⎪⎫12x ′，3y ′＝0.．【思路点拨】正确使用伸缩变换公式． 【答案】A3．双曲线C:16422=-y x 经过⎩⎨⎧='='yy x x 23:ϕ变换后所得曲线C '的焦点坐标为________．【知识点】双曲线的性质、伸缩变换．【解题过程】 将变换⎩⎨⎧='='y y x x 23ϕ变形为⎪⎩⎪⎨⎧'='=y y x x 231代入曲线C 中得：116922=-y x ，所有焦点坐标为)0,5(或)0,5(-．【思路点拨】先将曲线C '的方程求解，在根据双曲线的性质求焦点坐标． 【答案】)0,5(或)0,5(-．4．在同一平面直角坐标系中，曲线369422=+y x 经过伸缩变换ϕ后变成曲线1222='+'y x ，则伸缩变换ϕ为________． 【知识点】伸缩变换公式．【解题过程】将369422=+y x 变形为14922=+y x 与1222='+'y x 比较可得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='='yy x x 2231． 【思路点拨】对伸缩变换公式进行适当的变形．【答案】⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='='y y x x 2231． 5．如图所示，A ，B ，C 是三个观察站，A 在B 的正东，两地相距6 km ，C 在B 的北偏西30°，两地相距4 km ，在某一时刻，A 观察站发现某种信号，并知道该信号的传播速度为1 km/s,4 s 后B ，C 两个观察站同时发现这种信号，在以过A ，B 两点的直线为x 轴，以AB 的垂直平分线为y 轴建立的平面直角坐标系中，指出发出这种信号的P 的坐标．【知识点】双曲线的定义、直角坐标系． 【数学思想】坐标法思想．【解题过程】解：设点P 的坐标为(x ，y )，则A (3,0)，B (－3,0)，C (－5,23)． 因为|PB |＝|PC |，所以点P 在BC 的中垂线上． 因为k BC ＝－3，BC 的中点D (－4，3)，所以直线PD的方程为y－3＝13(x＋4)．①又因为|PB|－|P A|＝4，所以点P必在以A，B为焦点的双曲线的右支上，双曲线方程为x24－y25＝1(x≥2)．②联立①②，解得x＝8或x＝－3211(舍去)，所以y＝5 3.所以点P的坐标为(8,53)．【思路点拨】根据实际问题建立合适的直角坐标系，转为数学问题．【答案】(8,53)．。

掌握高中数学中的平面直角坐标系高中数学中的平面直角坐标系是一种重要的工具，它帮助我们更好地理解和解决各种数学问题。

在这篇文章中，我们将探讨如何正确地掌握平面直角坐标系，并且介绍一些常见的应用。

一、平面直角坐标系的基本概念平面直角坐标系由两条相互垂直的坐标轴组成，通常被称为x轴和y轴。

这两条轴的交点被称为原点，用O表示。

我们可以通过在x轴和y轴上取定一个单位长度，来确定平面上任意一点的坐标。

例如，点A的坐标可以表示为(x,y)，其中x表示点A在x轴上的位置，y表示点A在y轴上的位置。

二、平面直角坐标系的性质平面直角坐标系具有一些重要的性质，这些性质帮助我们更好地理解和分析数学问题。

1. 对称性：平面直角坐标系具有关于原点的对称性。

对于任意一点P(x,y)，其关于原点的对称点为P'(-x,-y)。

这一性质在解决对称性相关的问题时非常有用。

2. 距离公式：在平面直角坐标系中，我们可以使用距离公式计算两点之间的距离。

对于两点P1(x1,y1)和P2(x2,y2)，它们之间的距离可以表示为√((x2-x1)²+(y2-y1)²)。

这个公式在解决几何问题时经常被使用。

3. 斜率公式：平面直角坐标系中的斜率公式可以帮助我们计算两点之间的斜率。

对于两点P1(x1,y1)和P2(x2,y2)，它们之间的斜率可以表示为(y2-y1)/(x2-x1)。

斜率公式在解决直线相关的问题时非常有用。

三、平面直角坐标系的应用平面直角坐标系在数学中有许多应用。

下面我们将介绍其中的一些常见应用。

1. 图形的表示：平面直角坐标系可以用来表示各种图形，如直线、抛物线、圆等。

通过在坐标系中画出这些图形，我们可以更好地理解它们的性质和特点。

2. 函数的图像：函数的图像可以通过在平面直角坐标系中画出函数的图像来表示。

通过观察函数的图像，我们可以推断函数的性质，如增减性、奇偶性等。

3. 解方程：平面直角坐标系可以帮助我们解方程。

一平面直角坐标系1．平面直角坐标系(1)平面直角坐标系的作用：使平面上的点与坐标(有序实数对)、曲线与方程建立了联系,从而实现数与形的结合．(2)坐标法解决几何问题的三步骤：第一步：建立适当坐标系,用坐标和方程表示问题中涉及的几何元素,将几何问题转化为代数问题； 第二步：通过代数运算解决代数问题； 第三步：把代数运算结果翻译成几何结论． 2．平面直角坐标系中的伸缩变换(1)平面直角坐标系中方程表示图形,那么平面图形的伸缩变换就可归纳为坐标伸缩变换,这就是用代数方法研究几何变换．(2)平面直角坐标系中的坐标伸缩变换的定义：设点P(x,y)是平面直角坐标系中任意一点,在变换φ：⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λ·x λ＞0y′＝μ·y μ＞0的作用下,点P(x,y)对应到点P′(x′,y′),称φ为平面直角坐标系中的坐标伸缩变换,简称伸缩变换．用坐标法解决几何问题[例1] [思路点拨] 首先在平行四边形ABCD 所在的平面内建立平面直角坐标系,设出点A,B,C,D 的坐标,再依据两点间的距离公式即可证得结论．[证明] 如图,以A 为坐标原点,AB 所在的直线为x 轴,建立平面直角坐标系．设B(a,0),C(b,c),则AC 的中点E 的坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫b 2，c 2,由对称性知D(b －a,c),所以|AB|2＝a 2,|AD|2＝(b －a)2＋c 2,|AC|2＝b2＋c2,|BD|2＝(b－2a)2＋c2,|AC|2＋|BD|2＝4a2＋2b2＋2c2－4ab＝2(2a2＋b2＋c2－2ab),|AB|2＋|AD|2＝2a2＋b2＋c2－2ab,所以|AC|2＋|BD|2＝2(|AB|2＋|AD|2)．根据图形的几何特点选择适当的直角坐标系的规则(1)如果图形有对称中心,选对称中心为原点；(2)如果图形有对称轴,可以选对称轴为坐标轴；(3)使图形上的特殊点尽可能多地在坐标轴上．1．已知在等腰梯形ABCD中,AD∥BC,求证：|AC|＝|BD|.证明：取BC所在直线为x轴,线段BC的中垂线为y轴,建立如图所示的直角坐标系．设A(－a,h),B(－b,0),则D(a,h),C(b,0)．∴|AC|＝b＋a2＋h2,|BD|＝a＋b2＋h2.∴|AC|＝|BD|,即等腰梯形ABCD中,|AC|＝|BD|.2．在△ABC中,D是BC边上的任意一点(D与B,C不重合),且|AB|2＝|AD|2＋|BD|·|DC|,求证：△ABC为等腰三角形．证明：作AO⊥BC,垂足为O,以BC所在的直线为x轴,OA所在的直线为y轴,建立平面直角坐标系,如图所示．设A(0,a),B(b,0),C(c,0),D(d,0),因为|AB|2＝|AD|2＋|BD|·|DC|,所以由距离公式得b2＋a2＝d2＋a2＋(d－b)(c－d),即－(d－b)(b＋d)＝(d－b)(c－d)．因为d－b≠0,所以－b－d＝c－d,即－b＝c,所以O为线段BC的中点．又因为OA ⊥BC,所以|AB|＝|AC|. 所以△ABC 为等腰三角形．用平面直角坐标系解决实际问题[例2] 已知某荒漠上有两个定点A,B,它们相距2 km,现准备在荒漠上围垦一片以AB 为一条对角线的平行四边形区域建成农艺园,按照规划,围墙总长为8 km.(1)问农艺园的最大面积能达到多少；(2)该荒漠上有一条水沟l 恰好经过点A,且与AB 成30°的角,现要对整条水沟进行加固改造,但考虑到今后农艺园的水沟要重新改造,所以对水沟可能被农艺园围进的部分暂不加固,问暂不加固的部分有多长．[解] (1)设平行四边形的另两个顶点为C,D,由围墙总长为8 km,得|CA|＋|CB|＝4>|AB|＝2, 由椭圆的定义知,点C 的轨迹是以A,B 为焦点,长轴长2a ＝4,焦距2c ＝2的椭圆(去除落在直线AB 上的两点)．以AB 所在直线为x 轴,线段AB 的垂直平分线为y 轴,建立平面直角坐标系(如图所示),则点C 的轨迹方程为x 24＋y23＝1(y≠0)．易知点D 也在此椭圆上,要使平行四边形ACBD 的面积最大,则C,D 为此椭圆短轴的端点,此时,面积S ＝12×23×2＝2 3 km 2.(2)因为修建农艺园的可能范围在椭圆x 24＋y23＝1(y≠0)内,故暂不需要加固水沟的长就是直线l ：y ＝33(x ＋1)被椭圆截得的弦长,如图所示． 由⎩⎪⎨⎪⎧y ＝33x ＋1，x 24＋y 23＝1得13x 2＋8x －32＝0,则x 1＋x 2＝－813,x 1x 2＝－3213,那么弦长L ＝1＋k 2|x 1－x 2| ＝1＋⎝⎛⎭⎪⎫332·⎝ ⎛⎭⎪⎫－8132－4×⎝ ⎛⎭⎪⎫－3213＝4813,故暂不加固的部分长为4813km.运用解析法解决实际问题的步骤(1)建系——建立平面直角坐标系．建系原则是利于运用已知条件,使表达式简明,运算简便．因此,要充分利用已知点和已知直线作为原点和坐标轴．(2)设点——选取一组基本量,用字母表示出题目涉及的点的坐标和曲线的方程． (3)运算——通过运算,得到所需要的结果．3．已知B 村位于A 村的正西方向1 km 处,原计划经过B 村沿着北偏东60°的方向埋设一条地下管线l,但在A 村的西北方向400 m 处,发现一古代文物遗址W.根据初步勘察的结果,文物管理部门将遗址W 周围100 m 范围划为禁区．试问：埋设地下管线l 的计划需要修改吗？解：建立如图所示的平面直角坐标系,则A(0,0),B(－1 000,0),由W 位于A 的西北方向及 |AW|＝400,得W(－2002,2002)．由直线l 过B 点且倾斜角为90°－60°＝30°,得直线l 的方程是x －3y ＋1 000＝0. 于是点W 到直线l 的距离为 |－2002－3×2002＋1 000|2＝100×(5－2－6)≈113.6＞100. 所以埋设地下管线l 的计划可以不修改．4.如图所示,A,B,C 是三个观察站,A 在B 的正东,两地相距6 km,C 在B 的北偏西30°,两地相距4 km,在某一时刻,A 观察站发现某种信号,并知道该信号的传播速度为 1 km/s,4 s 后B,C 两个观察站同时发现这种信号,在以过A,B 两点的直线为x 轴,以AB 的垂直平分线为y 轴建立的平面直角坐标系中,指出发出这种信号的P 的坐标．解：设点P 的坐标为(x,y), 则A(3,0),B(－3,0),C(－5,23)．因为|PB|＝|PC|,所以点P 在BC 的中垂线上． 因为k BC ＝－3,BC 的中点D(－4,3),所以直线PD 的方程为y －3＝13(x ＋4)．① 又因为|PB|－|PA|＝4,所以点P 必在以A,B 为焦点的双曲线的右支上, 双曲线方程为x 24－y25＝1(x≥2)．②联立①②,解得x ＝8或x ＝－3211(舍去),所以y ＝5 3.所以点P 的坐标为(8,53)．[例3] 伸缩变换的坐标表达式为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝x ，y′＝4y ，曲线C 在此变换下变为椭圆x′2＋y′216＝1,求曲线C的方程．[解] 设P(x,y)为曲线C 上的任意一点．把⎩⎪⎨⎪⎧x′＝x ，y′＝4y代入x′2＋y′216＝1,得x 2＋y 2＝1,故曲线C 的方程为x 2＋y 2＝1.坐标伸缩变换φ：⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λxλ＞0，y′＝μyμ＞0注意变换中的系数均为正数．在伸缩变换下,平面直角坐标系保持不变,即在同一坐标系下只对点的坐标进行伸缩变换．利用坐标伸缩变换φ可以求变换前和变换后的曲线方程．已知前换前后曲线方程也可求伸缩变换φ.5．求4x 2－9y 2＝1经过伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y 后的图形所对应的方程．解：由伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y ，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝12x′，y ＝13y′，将其代入4x 2－9y 2＝1,得4·⎝ ⎛⎭⎪⎫12x′2－9·⎝ ⎛⎭⎪⎫13y′2＝1.整理得x′2－y′2＝1.∴经过伸缩变换后图形所对应的方程为x′2－y′2＝1.6．若函数y ＝f(x)的图象在伸缩变换φ：⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y 的作用下得到曲线的方程为y′＝3sin ⎝⎛⎭⎪⎫x′＋π6,求函数y ＝f(x)的最小正周期．解：由题意,把变换公式代入方程y′＝3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x′＋π6得3y ＝3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x ＋π6,整理得y ＝sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x ＋π6,故f(x)＝sin ⎝⎛⎭⎪⎫2x ＋π6.所以y ＝f(x)的最小正周期为2π2＝π.一、选择题1．将一个圆作伸缩变换后所得到的图形不可能是( ) A ．椭圆 B ．比原来大的圆 C ．比原来小的圆D ．双曲线解析：选D 由伸缩变换的意义可得．2．在同一平面直角坐标系中,经过伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝5x ，y′＝3y后,曲线C 变为曲线x′2＋y′2＝1,则曲线C 的方程为( )A ．25x 2＋9y 2＝0 B ．25x 2＋9y 2＝1 C ．9x 2＋25y 2＝0D ．9x 2＋25y 2＝1解析：选B 把⎩⎪⎨⎪⎧x′＝5x ，y′＝3y代入方程x′2＋y′2＝1,得25x 2＋9y 2＝1,∴曲线C 的方程为25x 2＋9y2＝1.3．圆x 2＋y 2＝1经过伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y 后所得图形的焦距为( )A ．4B ．213C ．2 5D ．6解析：选C 由伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y ，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝x′2，y ＝y′3，代入x 2＋y 2＝1,得x′24＋y′29＝1,该方程表示椭圆,∴椭圆的焦距为29－4＝2 5.4．在同一平面直角坐标系中,将曲线y ＝12sin 3x 变为曲线y′＝sin x′的伸缩变换是( )A.⎩⎪⎨⎪⎧x ＝3x′y ＝12y′ B.⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x y′＝12yC.⎩⎪⎨⎪⎧ x ＝3x′y ＝2y′D.⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x y′＝2y解析：选D 设伸缩变换公式为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λxλ>0，y′＝μy μ>0，则μy＝ sin λx ,即y ＝1μsin λx ,∴⎩⎪⎨⎪⎧λ＝3，μ＝2，∴伸缩变换公式为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x ，y′＝2y.二、填空题5．y ＝cos x 经过伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y 后,曲线方程变为________．解析：由⎩⎪⎨⎪⎧x′＝2x ，y′＝3y ，得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝12x′，y ＝13y′，代入y ＝cos x,得13y′＝cos 12x′,即y′＝3cos x′2. 答案：y′＝3cos x′26．将点P(－2,2)变换为P′(－6,1)的伸缩变换公式为________．解析：设伸缩变换公式为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λxλ>0，y′＝μy μ>0，则⎩⎪⎨⎪⎧－6＝－2λ，1＝2μ，解得⎩⎪⎨⎪⎧λ＝3，μ＝12.所以伸缩变换公式为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x ，y′＝12y.答案：⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x ，y′＝12y7．已知f 1(x)＝cos x,f 2(x)＝cos ωx(ω>0),f 2(x)的图象可以看作是把f 1(x)的图象在其所在的坐标系中的横坐标缩短到原来的13(纵坐标不变)而得到的,则ω为________．解析：函数f 2(x)＝cos ωx ,x ∈R(ω>0,ω≠1)的图象可以看作把余弦曲线上所有点的横坐标缩短(当ω>1时)或伸长(当0<ω<1时)到原来的1ω(纵坐标不变)而得到的,所以13＝1ω,即ω＝3.答案：3 三、解答题8．在平面直角坐标系中,求下列方程所对应的图形经过伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝12x ，y′＝13y 后的图形．(1)5x ＋2y ＝0；(2)x 2＋y 2＝1. 解：由伸缩变换⎩⎪⎨⎪⎧x′＝12x ，y′＝13y得到⎩⎪⎨⎪⎧x ＝2x′，y ＝3y′.①(1)将①代入5x ＋2y ＝0,得到经过伸缩变换后的图形的方程是5x′＋3y′＝0,表示一条直线． (2)将①代入x 2＋y 2＝1,得到经过伸缩变换后的图形的方程是x′214＋y′219＝1,表示焦点在x 轴上的椭圆．9．已知△ABC 是直角三角形,斜边BC 的中点为M,建立适当的平面直角坐标系,证明：|AM|＝12|BC|.证明：以Rt △ABC 的直角边AB,AC 所在直线分别为x 轴,y 轴建立如图所示的平面直角坐标系．设B(b,0),C(0,c),则M 点的坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫b 2，c 2.由于|BC|＝b 2＋c 2,|AM|＝ b 24＋c 24＝12b 2＋c 2, 故|AM|＝12|BC|.10．在同一平面直角坐标系中,求一个伸缩变换使其满足下列曲线的变换,并叙述变换过程． (1)曲线y ＝2sin x4变换为曲线y ＝sin 2x ；(2)圆x 2＋y 2＝1变换为椭圆x 29＋y24＝1.解：(1)将变换后的曲线方程 y ＝sin 2x 改写为y′＝sin 2x′,设伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λxλ>0，y′＝μy μ>0，代入y′＝sin 2x′得μy＝sin 2λx , 即y ＝1μsin 2λx,与原曲线方程比较系数得⎩⎪⎨⎪⎧2λ＝14，1μ＝2，所以⎩⎪⎨⎪⎧λ＝18，μ＝12，所以伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝18x ，y′＝12y.即先使曲线y ＝2sin x4上的点的纵坐标不变,将曲线上的点的横坐标缩短为原来的18,得到曲线y ＝2sin ⎣⎢⎡⎦⎥⎤148x ＝2sin 2x,再将其纵坐标缩短到原来的12,得到曲线y ＝sin 2x.(2)将变换后的椭圆方程x 29＋y 24＝1改写为x′29＋y′24＝1,设伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝λx λ>0，y′＝μy μ>0，代入x′29＋y′24＝1得λ2x 29＋μ2y 24＝1,即⎝ ⎛⎭⎪⎫λ32x 2＋⎝ ⎛⎭⎪⎫μ22y 2＝1,与x 2＋y 2＝1比较系数得⎩⎪⎨⎪⎧⎝ ⎛⎭⎪⎫λ32＝1，⎝ ⎛⎭⎪⎫μ22＝1，所以⎩⎪⎨⎪⎧λ＝3，μ＝2，所以伸缩变换为⎩⎪⎨⎪⎧x′＝3x ，y′＝2y.即先使圆x 2＋y 2＝1上的点的纵坐标不变,将圆上的点的横坐标伸长为原来的3倍,得到椭圆x 29＋y 2＝1,再将该椭圆的纵坐标伸长为原来的2倍,得到椭圆x 29＋y 24＝1.。