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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 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

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 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

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。

なので 。始線に垂直な直線です。

負の r をどう扱うか

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 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。 は同じ点です。

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。

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。

点を原点からの距離と角度で表すのが極座標です。x = r cosθ、y = r sinθ で直交座標と行き来できます。極を中心とする円は r = a、極を通る円は r = 2a cosθ、始線に垂直な直線は r cosθ = a。r cosθ を x に、r² を x² + y² に置きかえて直交座標へ戻す手順と、負の r のあつかいまで例で並べました。