江苏省2019高考数学二轮复习 专题八 附加题 第3讲 矩阵与变换、坐标系与参数方程学案
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第3讲 矩阵与变换、坐标
系与参数方程
[考情考向分析] 1.考查常见的平面变换与矩阵的乘法运算,二阶矩阵的逆矩阵及其求法,矩阵的特征值与特征向量的求法,属B 级要求.2.考查直线、曲线的极坐标方程、参数方程,参数方程与普通方程的互化,极坐标与直角坐标的互化,属B 级要求.
热点一 二阶矩阵与平面变换
例1 已知矩阵A =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤1 00 2所对应的变换T 把曲线C 变成曲线C 1:x 24+y 2
2=1,求曲线C 的方
程.
解 设曲线C 上任一点为(x ,y ), 经过变换T 变成(x 0,y 0),
则⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 00 2 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤x 0y 0,即x 0=x ,y 0=2y . 由x 204+y 20
2
=1,得曲线C 的方程为x 2+4y 2
=4. 思维升华 解决这类问题一般是设变换T :⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y →⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
x ′y ′,求出原曲线在T 的变换下得到的曲
线,再根据条件求相应的系数值.
跟踪演练1 已知曲线C 1:x 2
+y 2
=1,对它先作矩阵A =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤1
00
2对应的变换,再作矩阵B =
⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
0 b 1
0对应的变换,得到曲线C 2:x 2
4+y 2
=1,求实数b 的值. 解 从曲线C 1变到曲线C 2的变换对应的矩阵为BA =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤0
b 1
0 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 00 2=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
0 2b 1 0.在曲线C 1上任意选一点P (x 0,y 0),设它在矩阵BA 对应的变换作用下变为
P ′(x ′,y ′),
则有⎣⎢
⎡⎦⎥⎤0 2b 1 0 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0=⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′,即⎣⎢⎡⎦⎥⎤2by 0 x 0=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
x ′y ′. 故⎩⎪⎨⎪⎧
2by 0=x ′x 0=y ′,
解得⎩⎪⎨⎪⎧
y 0=12b x ′,
x 0=y ′.
代入曲线C 1方程得,y ′2
+⎝
⎛⎭
⎪⎫12b x ′2=1.
即曲线C 2方程为⎝ ⎛⎭
⎪⎫12b 2x 2+y 2
=1.
与已知的曲线C 2的方程x 2
4+y 2=1比较得(2b )2
=4.
所以b =±1.
热点二 二阶矩阵的逆矩阵及其求法 例2 已知点P (3,1)在矩阵A =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
a 2
b -1变换下得到点P ′(5,-1).试求矩阵A 和它的逆矩阵A -1
. 解 依题意得⎣⎢
⎡⎦⎥⎤a 2b -1 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤31=⎣⎢⎡⎦⎥⎤3a +23b -1=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
5-1,
所以⎩⎪⎨
⎪⎧
3a +2=5,3b -1=-1,
解得⎩⎪⎨
⎪⎧
a =1,
b =0,
所以A =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
1 20 -1.
因为det(A )=⎪⎪⎪⎪⎪⎪
1 20 -1=1×(-1)-0×2=-1,
所以A -1
=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
1 20 -1.
思维升华 由二阶矩阵与向量的乘法及向量相等建立方程组,常用于求二阶矩阵,要注意变换的前后顺序.
跟踪演练2 二阶矩阵M 对应的变换T M 将曲线x 2+x -y +1=0变为曲线2y 2
-x +2=0,求M
-1
.
解 设曲线2y 2
-x +2=0上一点P (x ,y )在M -1
对应变化下变成P (x ′,y ′),
设M -1
=⎣⎢
⎡⎦⎥⎤
a
b c
d ,所以⎩
⎪⎨
⎪⎧
x ′=ax +by ,
y ′=cx +dy ,代入x 2+x -y +1=0得,方程(ax +by )2
+(ax +by )
-(cx +dy )+1=0,
即b 2y 2
+(a -c )x +(b -d )y +2abxy +a 2x 2
+1=0,与方程y 2
-x
2
+1=0比较得,a =0,b =1,
c =12
,d =1或a =0, b =-1,c =12
,d =-1.
所以M -1=⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤0 -11
2 -1或M -1=⎣⎢⎢⎡⎦
⎥⎥⎤0 112 1. 热点三 特征值与特征向量
例3 已知二阶矩阵M 有特征值λ=8及对应的一个特征向量e 1=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
11,并且矩阵M 对应的变
换将点(-1,2)变换成(-2,4). (1)求矩阵M ;
(2)求矩阵M 的另一个特征值.
解 (1)设M =⎣⎢
⎡⎦⎥⎤
a
b c
d ,M ⎣⎢⎡⎦⎥⎤11=8⎣⎢⎡⎦⎥⎤11=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤a +b c +d , M ⎣⎢⎡⎦⎥⎤-1 2=⎣⎢⎡⎦⎥⎤-2 4=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤-a +2b -c +2d , 则⎩⎪⎨⎪⎧ a +b =8,c +d =8,-a +2b =-2,-c +2d =4,
解得⎩⎪⎨⎪⎧
a =6,
b =2,
c =4,
d =4,
即M =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤6 24
4.
(2)令特征多项式f (λ)=⎪⎪⎪⎪
⎪⎪
λ-6 -2 -4 λ-4
=(λ-6)(λ-4)-8=0,
解得λ1=8,λ2=2. 故矩阵M 的另一个特征值为2. 思维升华 求矩阵M =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤a b c
d 就是要求待定的字母,利用条件建立方程组,确立待定的字母
的值,从而求出矩阵,待定系数法是求这类问题的通用方法. 跟踪演练3 已知矩阵A 的逆矩阵A -1
=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤2 11
2.
(1)求矩阵A ;
(2)求矩阵A -1
的特征值以及属于每个特征值的一个特征向量. 解 (1)因为矩阵A 是矩阵A -1
的逆矩阵, 且|A -1
|=2×2-1×1=3≠0, 所以A =13⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 2 -1-1 2=
⎣⎢⎢⎡⎦
⎥
⎥⎤ 23
-13-13 23. (2)矩阵A -1
的特征多项式为f (λ)=⎪⎪⎪⎪
⎪⎪λ-2 -1 -1 λ-2
=λ2
-4λ+3=(λ-1)(λ-3),
令f (λ)=0,得矩阵A -1
的特征值为λ1=1,λ2=3,
所以ξ1=⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1-1是矩阵A -1
的属于特征值λ1=1的一个特征向量,
ξ2=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤11是矩阵A -1
的属于特征值λ2=3的一个特征向量.
热点四 曲线的极坐标方程
例4 (2018·江苏冲刺预测)已知曲线C 1的参数方程为⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =2t ,
y =t -1(t 为参数),以原点O 为
极点,以x 轴的正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C 2的极坐标方程为ρ=62+sin 2
θ
.
(1)求曲线C 1的极坐标方程和C 2的直角坐标方程;
(2)射线OP :θ=α⎝ ⎛⎭⎪⎫其中0<α<π2与C 2交于P 点,射线OQ :θ=α+π2与C 2交于Q 点,求1OP 2
+1
OQ 2
的值.
解 (1)因为曲线C 1的参数方程为⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =2t ,
y =t -1(t 为参数),
所以曲线C 1的直角坐标方程为x -2y -2=0,
所以曲线C 1的极坐标方程为ρcos θ-2ρsin θ-2=0, 因为ρ=
62+sin 2
θ
,所以ρ2(2+sin 2
θ)=6,
所以曲线C 2的直角坐标方程为2x 2
+3y 2
=6. (2)依题意得,点P 的极坐标满足⎩⎪⎨⎪⎧
ρ=62+sin 2
θ,θ=α,
所以OP =62+sin 2
α,1
OP 2=2+sin 2
α
6, 点Q 的极坐标满足⎩⎪⎨
⎪⎧
ρ=6
2+sin 2
θ
,θ=α+π
2
,
所以OQ =62+cos 2
α,1
OQ 2=2+cos 2
α
6, 所以1OP 2+1
OQ 2=2+sin 2α6+2+cos 2
α6=5
6
.
思维升华 解决这类问题一般有两种思路:一是将极坐标方程化为直角坐标方程,求出交点的直角坐标,再将其化为极坐标;二是将曲线的极坐标方程联立,根据限制条件求出极坐标.要注意题目所给的限制条件及隐含条件.
跟踪演练4 在直角坐标系xOy 中,曲线C 1的参数方程为⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =a cos t ,y =1+a sin t (t 为参数,a >0).在
以坐标原点为极点,x 轴正半轴为极轴的极坐标系中,曲线C 2:ρ=4cos θ. (1)说明C 1是哪一种曲线,并将C 1的方程化为极坐标方程;
(2)直线C 3的极坐标方程为θ=α0,其中α0满足tan α0=2,若曲线C 1与C 2的公共点都在
C 3上,求a .
解 (1)消去参数t 得到C 1的普通方程为x 2
+(y -1)2
=a 2
(a >0),C 1是以(0,1)为圆心,a 为半径的圆.
将x =ρcos θ,y =ρsin θ代入C 1的普通方程中,得到C 1的极坐标方程为ρ2
-2ρsin θ+1-a 2
=0.
(2)曲线C 1,C 2的公共点的极坐标满足方程组
⎩
⎪⎨
⎪⎧
ρ2
-2ρsin θ+1-a 2
=0,
ρ=4cos θ.
若ρ≠0,由方程组得16cos 2
θ-8sin θcos θ+1-a 2
=0,由已知tan θ=2,可得16cos 2
θ
-8sin θcos θ=0,从而1-a 2
=0,解得a =-1(舍去)或a =1. 当a =1时,极点也为C 1,C 2的公共点,在C 3上. 所以a =1. 热点五 参数方程
例5 在直角坐标系xOy 中,直线l 的参数方程为⎩⎪⎨
⎪⎧
x =3-2
2
t ,y =5+2
2
t (t 为参数).在极坐
标系(与直角坐标系xOy 取相同的长度单位,且以原点O 为极点,以x 轴正半轴为极轴)中,圆C 的方程为ρ=25sin θ. (1)求圆C 的直角坐标方程;
(2)设圆C 与直线l 交于点A ,B .若点P 的坐标为(3,5),求PA +PB . 解 方法一 (1)由ρ=25sin θ,得x 2
+y 2
-25y =0, 即x 2
+(y -5)2
=5.
(2)将l 的参数方程代入圆C 的直角坐标方程, 得⎝ ⎛
⎭⎪⎫3-
22t 2+⎝ ⎛⎭
⎪⎫22t 2=5,即t 2
-32t +4=0. 由于Δ=(-32)2
-4×4=2>0,故可设t 1,t 2是上述方程的两实根,所以⎩⎨⎧
t 1+t 2=32,
t 1t 2=4.
又直线l 过点P (3,5), 故由上式及t 的几何意义,
得PA +PB =|t 1|+|t 2|=t 1+t 2=3 2. 方法二 (1)同方法一.
(2)因为圆C 的圆心为(0,5),半径r =5,直线l 的普通方程为y =-x +3+ 5.
由⎩⎨
⎧
x 2+(y -5)2=5,y =-x +3+5,
得x 2
-3x +2=0.
解得⎩⎨
⎧
x =1,y =2+5
或⎩⎨
⎧
x =2,y =1+ 5.
不妨设A (1,2+5),B (2,1+5),
又点P 的坐标为(3,5).故PA +PB =8+2=3 2. 思维升华 过定点P 0(x 0,y 0),倾斜角为α
的直线参数方程的标准形式为
⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =x 0+t cos α,y =y 0+t sin α(t 为参数),t 的几何意义是数量,即|t |表示P 0到P 的距离,t 有正
负之分.使用该式时直线上任意两点P 1,P 2对应的参数分别为t 1,t 2,则P 1P 2=|t 1-t 2|,P 1P 2的中点对应的参数为1
2
(t 1+t 2).
跟踪演练5 在平面直角坐标系xOy 中,已知直线l 的参数方程为⎩⎪⎨
⎪⎧
x =1-2
2
t ,y =2+2
2t (t
为参数),直线l 与抛物线y 2
=4x 相交于A ,B 两点,求线段AB 的长. 解 将直线l 的参数方程⎩⎪⎨
⎪⎧
x =1-2
2
t ,y =2+2
2t (t 为参数)
代入抛物线方程y 2
=4x ,得⎝ ⎛⎭⎪⎫2+22t 2=4⎝
⎛⎭⎪⎫1-22t , 解得t 1=0,t 2=-8 2. 所以AB =|t 1-t 2|=8 2.
1.(2018·江苏)已知矩阵A =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤2 31 2. (1)求A 的逆矩阵A -1
;
(2)若点P 在矩阵A 对应的变换作用下得到点P ′(3,1),求点P 的坐标.
解 (1)因为A =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤2
31
2,又det(A )=2×2-1×3=1≠0,
所以A 可逆,从而A -1
=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
2 -3-1 2.
(2)设P (x ,y ),则⎣⎢
⎡⎦⎥⎤2 31 2 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤31, 所以⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y =A -1⎣⎢⎡⎦⎥⎤31=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤ 3-1,
因此,点P 的坐标为(3,-1).
2.(2018·江苏)在极坐标系中,直线l 的方程为ρsin ⎝ ⎛⎭
⎪⎫π6-θ=2,曲线C 的方程为ρ=4cos θ,求直线l 被曲线C 截得的弦长. 解 因为曲线C 的极坐标方程为ρ=4cos θ, 所以曲线C 是圆心为(2,0),直径为4的圆. 因为直线l 的极坐标方程为ρsin ⎝
⎛⎭
⎪⎫π6-θ=2,
则直线l 过点A (4,0),且倾斜角为π
6,
所以A 为直线l 与圆C 的一个交点. 设另一个交点为B ,则∠OAB =π
6.
如图,连结OB .
因为OA 为直径,从而∠OBA =π
2,
所以AB =4cos π
6
=2 3.
因此,直线l 被曲线C 截得的弦长为2 3.
3.(2017·江苏)已知矩阵A =⎣⎢
⎡⎦⎥⎤
11
0,B =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤1 00
2.
(1)求AB ;
(2)若曲线C 1:x 28+y 2
2
=1在矩阵AB 对应的变换作用下得到另一曲线C 2,求C 2的方程.
解 (1)因为A =⎣⎢
⎡⎦⎥⎤
11
0,B =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤1 00
2,
AB =⎣⎢
⎡⎦⎥⎤0
11 0 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 00 2=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤0 21
0.
(2)设Q (x 0,y 0)为曲线C 1上任意一点,它在矩阵AB 对应的变换作用下变为点P (x ,y ), 则⎣⎢
⎡⎦⎥⎤0 21 0 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0=⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
x y , 即⎩⎪⎨⎪⎧
2y 0=x ,x 0=y ,
所以⎩
⎪⎨⎪
⎧
x 0=y ,y 0=x
2.
因为点Q (x 0,y 0)在曲线C 1上,所以x 208+y 20
2=1,
从而y 28+x 2
8
=1,即x 2+y 2
=8.
因此曲线C 1在矩阵AB 对应的变换作用下得到曲线
C 2:x 2+y 2=
8.
1.(2018·苏锡常镇四市模拟)已知矩阵M =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤
2
14 x 的一个特征值为3,求M -1
. 解 由⎪⎪⎪⎪
⎪⎪λ-2 -1-4 λ-x =0,
得(λ-2)(λ-x )-4=0的一个解为3,代入得x =-1,
因为M =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
2 14 -1,
所以M
-1
=
⎣⎢⎢⎡⎦
⎥⎥⎤16 16
23 -13. 2.已知矩阵A =⎣⎢
⎡⎦⎥⎤
-1 2 1
x ,B =⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 12 -1,向量α=⎣⎢⎡⎦⎥⎤
2y , x ,y 为实数.若A α=B α,求x +y 的值.
解 由已知,得A α=⎣⎢
⎡⎦⎥⎤-1 2 1
x ⎣⎢⎡⎦⎥⎤2y =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤-2+2y 2+xy , B α=⎣⎢
⎡⎦⎥⎤1 12 -1 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤2y =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
2+y 4-y .
因为A α=B α,所以⎣⎢⎡⎦⎥⎤-2+2y 2+xy =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤
2+y 4-y .
故⎩
⎪⎨
⎪⎧
-2+2y =2+y ,2+xy =4-y ,解得⎩⎪⎨⎪⎧
x =-12,
y =4.
所以x +y =7
2
.
3.(2015·江苏)已知x ,y ∈R ,向量α=⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1-1是矩阵A =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤
x
1y
0的属于特征值-2的一个特
征向量,求矩阵A 以及它的另一个特征值.
解 由已知,得A α=-2α,
即⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 1y 0 ⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1-1=⎣⎢⎡⎦⎥⎤x -1 y =⎣⎢⎡⎦
⎥⎤-2 2, 则⎩
⎪⎨
⎪⎧
x -1=-2,y =2,即⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =-1,
y =2,所以矩阵A =⎣⎢
⎡⎦
⎥⎤-1
1 2 0. 从而矩阵A 的特征多项式f (λ)=(λ+2)(λ-1), 所以矩阵A 的另一个特征值为1. 4.在直角坐标系xOy 中,曲线C
的参数方程为⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =3cos θ,
y =sin θ(θ为参数),直线l 的参
数方程为⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =a +4t ,
y =1-t (t 为参数).
(1)若a =-1,求C 与l 的交点坐标;
(2)若C 上的点到l 的距离的最大值为17,求a . 解 (1)曲线C 的普通方程为x 2
9
+y 2
=1.
当a =-1时,直线l 的普通方程为x +4y -3=0.
由⎩⎪⎨⎪⎧
x 2
9+y 2=1,x +4y -3=0,
解得⎩
⎪⎨
⎪⎧
x =3,
y =0或⎩⎪⎨⎪⎧
x =-21
25,y =24
25.
从而C 与l 的交点坐标为(3,0),⎝ ⎛⎭
⎪⎫-2125,2425.
(2)直线l 的普通方程为x +4y -a -4=0, 故C 上的点(3cos θ,sin θ)到l 的距离为
d =
|3cos θ+4sin θ-a -4|
17
.
当a ≥-4时,d 的最大值为a +9
17
.
由题设得
a +9
17
=17,所以a =8;
当a <-4时,d 的最大值为
-a +1
17
. 由题设得-a +1
17=17,所以a =-16.
综上,a =8或a =-16.
5.已知圆C 的极坐标方程为ρ2+22ρsin ⎝
⎛⎭⎪⎫θ-π4-4=0,求圆C 的半径. 解 以极坐标系的极点为平面直角坐标系的原点O ,以极轴为x 轴的正半轴,建立直角坐标系xOy .
圆C 的极坐标方程为ρ2+22ρ⎝
⎛⎭
⎪⎫22sin θ-22cos θ-4=0,化简,得ρ2+2ρsin θ-2ρcos θ-4=0.
则圆C 的直角坐标方程为x 2+y 2-2x +2y -4=0,
即(x -1)2+(y +1)2=6,所以圆C 的半径为 6. 6.(2016·江苏)已知矩阵A =⎣⎡⎦⎤10 2-2,矩阵B 的逆矩阵B -1=⎣⎢⎢⎡⎦
⎥⎥⎤1 -120 2,求矩阵AB . 解 B =(B -1)-1=⎣⎢⎡⎦⎥⎤22 12202 12=⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1 140 12. ∴AB =⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 20 -2 ⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1 140 12=⎣⎢⎢⎡⎦
⎥⎥⎤1 540 -1. 7.(2016·江苏)在平面直角坐标系xOy 中,已知直线l 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧ x =1+12t ,y =32
t (t 为参数),椭圆C 的参数方程为⎩⎪⎨⎪⎧ x =cos θ,y =2sin θ(θ为参数).设直线l 与椭圆C 相交于A ,B 两点,求线段AB 的长.
解 直线l 的方程化为普通方程为3x -y -3=0,
椭圆C 的方程化为普通方程为x 2+y 2
4=1, 联立方程组得⎩⎪⎨⎪⎧ 3x -y -3=0,
x 2+y 24=1,
解得⎩⎪⎨⎪⎧ x 1=1,y 1=0或⎩⎪⎨⎪⎧ x 2=-17,y 2=-837,
∴取A (1,0),B ⎝ ⎛⎭⎪⎫-17
,-837. 故AB = ⎝ ⎛⎭⎪⎫1+172+⎝ ⎛⎭
⎪⎫0+8372=167. 8.(2018·扬州模拟)在直角坐标系xOy 中,直线l 的参数方程是⎩⎪⎨⎪⎧ x =m +22t ,y =22t (t
是参数,m 是常数).以O 为极点,x 轴正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线C 的极坐标方程为ρ=6cos θ.
(1)求直线l 的普通方程和曲线C 的直角坐标方程;
(2)若直线l 与曲线C 相交于P ,Q 两点,且PQ =2,求实数m 的值.
解 (1)因为直线l 的参数方程是⎩⎪⎨⎪⎧ x =m +22t ,y =22t
(t 是参数),
所以直线l 的普通方程为x -y -m =0.
因为曲线C 的极坐标方程为ρ=6cos θ,故ρ2=6ρcos θ,
所以x 2+y 2=6x ,
所以曲线C 的直角坐标方程是(x -3)2+y 2=9. (2)曲线C 表示以C (3,0)为圆心,3为半径的圆,设圆心到直线l 的距离为d , 则d =32-12=22,
又d =|3-m |2
=22, 所以|3-m |=4,即 m =-1或m =7.。