在直角坐标系 x o y #,曲线 C _ 1: arra…——2015 高考数学第 23 题答案解析

2015_新课标II Paper

2015 National Question 23 Free-response Differentiating
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23.在直角坐标系 ${ \tt x o y } \# \tt$ ,曲线 $\mathsf { C } _ { 1 }$ : $\left\{ \begin{array} { l l } { \mathbf { x } = \mathbf { t } \cos \alpha } \\ { \mathbf { y } = \mathbf { t } \sin \alpha } \end{array} \right.$ (t为参数, $\mathsf { t } \neq \mathsf { 0 } )$ ,其中0≤α≤π,在以O为极点,x轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线 ${ \mathsf C } _ { 2 } \colon \mathsf { \Gamma } \mathsf { \rho } = 2 { \mathsf { s i n } } \Theta , { \mathsf C } _ { 3 } \colon \mathsf { \rho } =$ $2 \sqrt { 3 } \mathrm { c o s } \Theta$

(1)求 $\mathsf { C } _ { 2 }$ 与 ${ \mathsf { C } } _ { 3 }$ 交点的直角坐标;

(2)若 $\mathsf { C } _ { 1 }$ 与 ${ \sf C } _ { 2 }$ 相交于点A, $\mathsf C _ { 1 }$ 与 ${ \mathsf { C } } _ { 3 }$ 相交于点B,求 $\left| \mathsf { A B } \right|$ 的最大值

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(1)由曲线 $C_2$ 的极坐标方程 $\rho = 2\sin\theta$,两边同乘 $\rho$ 得 $\rho^2 = 2\rho\sin\theta$。
代入互化公式 $x^2+y^2=\rho^2, y=\rho\sin\theta$,得直角坐标方程:
$x^2 + y^2 = 2y$,即 $x^2 + (y-1)^2 = 1$。

由曲线 $C_3$ 的极坐标方程 $\rho = 2\sqrt{3}\cos\theta$,两边同乘 $\rho$ 得 $\rho^2 = 2\sqrt{3}\rho\cos\theta$。
代入互化公式 $x=\rho\cos\theta$,得直角坐标方程:
$x^2 + y^2 = 2\sqrt{3}x$,即 $(x-\sqrt{3})^2 + y^2 = 3$。

联立两圆的直角坐标方程:
$$ \begin{cases} x^2 + y^2 - 2y = 0 \quad \text{①} \\ x^2 + y^2 - 2\sqrt{3}x = 0 \quad \text{②} \end{cases} $$
① - ② 得:$2\sqrt{3}x - 2y = 0$,即 $y = \sqrt{3}x$。
将 $y = \sqrt{3}x$ 代入 ① 得:
$x^2 + 3x^2 - 2\sqrt{3}x = 0 \Rightarrow 4x^2 - 2\sqrt{3}x = 0$。
解得 $x = 0$ 或 $x = \frac{\sqrt{3}}{2}$。
当 $x=0$ 时,$y=0$;
当 $x=\frac{\sqrt{3}}{2}$ 时,$y=\sqrt{3} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{3}{2}$。
故 $C_2$ 与 $C_3$ 交点的直角坐标为 $(0,0)$ 和 $\left(\frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{3}{2}\right)$。

(2)曲线 $C_1$ 的参数方程为 $\begin{cases} x = t\cos\alpha \\ y = t\sin\alpha \end{cases}$ ($t \neq 0$),消去参数 $t$ 可知其表示过原点且倾斜角为 $\alpha$ 的直线(除去原点)。
在极坐标系中,直线 $C_1$ 的方程可表示为 $\theta = \alpha$ ($\rho \in \mathbb{R}, \rho \neq 0$)。

设点 $A$ 的极坐标为 $(\rho_A, \alpha)$,点 $B$ 的极坐标为 $(\rho_B, \alpha)$。
因为点 $A$ 在 $C_2$ 上,满足 $\rho_A = 2\sin\alpha$;
因为点 $B$ 在 $C_3$ 上,满足 $\rho_B = 2\sqrt{3}\cos\alpha$。

由于 $A, B$ 两点均在射线(或反向延长线)$\theta = \alpha$ 上,两点间的距离为极径之差的绝对值:
$$ |AB| = |\rho_A - \rho_B| = |2\sin\alpha - 2\sqrt{3}\cos\alpha| $$
利用辅助角公式化简:
$$ |AB| = \left| 4 \left( \frac{1}{2}\sin\alpha - \frac{\sqrt{3}}{2}\cos\alpha \right) \right| = 4 \left| \sin\alpha\cos\frac{\pi}{3} - \cos\alpha\sin\frac{\pi}{3} \right| = 4 \left| \sin\left(\alpha - \frac{\pi}{3}\right) \right| $$
已知 $0 \le \alpha \le \pi$,则 $-\frac{\pi}{3} \le \alpha - \frac{\pi}{3} \le \frac{2\pi}{3}$。
在此区间内,正弦函数 $\sin\left(\alpha - \frac{\pi}{3}\right)$ 的取值范围是 $\left[ -\frac{\sqrt{3}}{2}, 1 \right]$。
所以 $\left| \sin\left(\alpha - \frac{\pi}{3}\right) \right|$ 的最大值为 $1$。
此时 $\alpha - \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{2}$,即 $\alpha = \frac{5\pi}{6}$,符合题意。

故 $|AB|$ 的最大值为 $4 \times 1 = 4$。

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