極方程式の基本|円と直線を r と θ だけで書く高校数学
平面上の点を、原点からの距離と角度の つで表す方法があります。
が原点 からの距離、 が始線からの回転角。この を極、始線を始線と呼び、この表し方を極座標といいます。
同心円が の目盛り、放射状の線が の目盛りです。直交座標の方眼が縦横の格子なのに対して、こちらは円と放射線の格子になります。
直交座標との行き来
つの表し方は、三角比でつながります。
逆向きは 、。ただし は だけでは決まらないので、点がどの象限にあるかを見て選びます。
極座標 を直交座標に直します。、 で です。
直交座標 を極座標に直すなら 。第 象限なので 、極座標は になります。
極方程式
と の関係式で曲線を表したものを極方程式といいます。直交座標の にあたるものです。
いちばん簡単なのが原点中心の円。中心が極にあるので、距離が一定という条件だけで済みます。
が式に現れません。どの向きでも距離が 、という意味です。
原点を通る直線
極を通り、始線と の角をなす直線は、角度だけで決まります。
こちらは が現れない。 が何であってもよい、つまりその向きに伸びる直線全体を表します。
なら直交座標で です。
極を通る円
中心が始線上の 、半径 の円は極を通ります。この場合の極方程式が です。
導き方は直交座標から。 を展開すると 。ここに と を入れます。
で割りました。 は極そのもので、 のときに となるので、割っても点が失われません。
中心が で極を通る円なら になります。
直線の極方程式
始線に垂直な直線 は、 を入れるだけです。
一般の直線は、極から直線に下ろした垂線の足で考えます。垂線の長さを 、垂線の向きを とすると
なら で、さきほどの形に戻ります。
を極方程式にしてみます。 から 。合成して
つまり 。垂線の長さ 、向き と読めます。
直交座標へ戻す手
極方程式を見せられて「どんな曲線か」と問われたら、直交座標に直します。使う置きかえは つです。
| に直す | |
| に直す | |
| に直す |
が 次で残っているときは、両辺に を掛けて を作ります。 なら として 。整理して です。
例をいくつか
を直します。両辺に を掛けて 、つまり 。
平方完成して 。中心 、半径 の円です。
なら 。始線に平行な直線でした。
は なので 。始線に垂直な直線です。
負の r をどう扱うか
で が を超えると が負になり、 も負になります。
高校では とする流儀と、負の を「反対向きに 進む」と読む流儀があります。後者なら を から まで動かして円を 周描けます。
前者なら に範囲を切ります。どちらの約束で答えるか、問題文の指示に合わせます。
同じ点が何通りにも書ける
極座標には、直交座標にない性質があります。 と は同じ点です。
に の整数倍を足しても同じ位置。極 にいたっては でありさえすれば が何でもよく、無数の書き方があります。
対 の対応ではない、という点が直交座標との大きな違いです。曲線が閉じているかどうかを判断するときに効いてきます。











