Zusammenfassung
Diese Lektion stellt eine zweite Art vor, die Punkte der Ebene zu benennen: durch ihren Abstand von einem festen Punkt, dem Pol, und durch den Winkel, den sie mit einer festen Halbgeraden, der Polarachse, bilden. Sie übernimmt die Konvention, die negative Radien zulässt, beschreibt alle Darstellungen eines und desselben Punktes, leitet die Umrechnungsformeln zwischen Polarkoordinaten und kartesischen Koordinaten her, mit der Korrektur des Arkustangens je nach Quadrant, und erhält den Abstand zweier Punkte mithilfe des Kosinussatzes. Danach untersucht sie die Polargleichungen von Geraden und Kreisen, die Symmetriekriterien und das Zeichnen mit Wertetabellen der Kardioide, der Rosenkurven, der archimedischen Spirale und der pascalschen Schnecke, und sie schließt mit der Polargleichung der Kegelschnitte, die einen Brennpunkt im Pol haben, aus der man ihren Typ, ihre Scheitel und ihr Latus rectum abliest.
Lernziele
- Punkte in Polarkoordinaten darstellen, alle Darstellungen eines und desselben Punktes erkennen und von Polarkoordinaten zu kartesischen Koordinaten übergehen und umgekehrt.
- Abstände in Polarkoordinaten berechnen und Gleichungen von Geraden und Kreisen von einem System ins andere übertragen, ohne den Pol zu verlieren oder hinzuzufügen.
- Die Symmetriekriterien und die Wertetabellen auf das Zeichnen von Polarkurven anwenden: Kardioiden, Rosenkurven, Spiralen und pascalsche Schnecken.
- Die Polargleichung der Kegelschnitte mit einem Brennpunkt im Pol herleiten und aus ihr die Exzentrizität, die Scheitel und das Latus rectum ablesen.
Polarkoordinaten
Die kartesischen Koordinaten, die in der Lektion von Kurs I über die Geradengleichung und kartesische Koordinatensysteme untersucht wurden, benennen einen Punkt durch seine vorzeichenbehafteten Abstände von zwei zueinander senkrechten Geraden. Nun lassen sich viele Kurven natürlicher durch den Abstand von einem festen Punkt und durch die Richtung beschreiben, in der man sie von ihm aus sieht: ein Kreis um seinen Mittelpunkt, eine Spirale, die sich gleichmäßig öffnet, oder die Bahn eines Planeten um die Sonne. Für sie eignet sich ein System von Polarkoordinaten, gebildet aus einem festen Punkt , dem Pol, und einer festen Halbgeraden, die von ihm ausgeht, der Polarachse. Damit beide Systeme nebeneinander bestehen können, legt man den Pol in den Ursprung und die Polarachse auf die positive Halbachse der Abszissen.
Es seien und zwei reelle Zahlen. Der Punkt mit den Polarkoordinaten ist der Punkt der Ebene mit den kartesischen Koordinaten
Ist , so ist er der Punkt, der im Abstand vom Pol auf dem Endschenkel des Winkels in Standardlage liegt, der in der Lektion über Winkel und ihre Messung untersucht wurde: Es ist der Punkt des Einheitskreises, der in der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse definiert wurde, mit seinen Koordinaten multipliziert mit . Die Zahl heißt Radius und der Winkel , im Bogenmaß gemessen, Polarwinkel.
Die Definition lässt auch und zu, und darin besteht die Konvention dieser Lektion. Mit erhält man den Pol, wie auch immer gewählt ist. Mit erhält man den Punkt im Abstand vom Pol in der Richtung, die der von entgegengesetzt ist: Nach den Symmetrien und aus der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse liefern die Paare und denselben Punkt.
Viele Lehrbücher verlangen ; negative Radien zuzulassen hat zwei Vorteile, die diese Lektion nutzen wird: Die Gerade durch den Pol mit der Richtung wird vollständig durch die Gleichung beschrieben, und Kurven wie die Rosenkurven werden stetig durchlaufen. Der Preis ist, dass ein und derselbe Punkt mehr Darstellungen besitzt. Daraus folgt eine Regel, die man von Anfang an festhalten sollte: Ein Punkt gehört zur Kurve einer Polargleichung, wenn irgendeine seiner Darstellungen die Gleichung erfüllt, auch wenn andere sie nicht erfüllen.
Es sei eine Darstellung eines vom Pol verschiedenen Punktes . Das Paar stellt genau dann ebenfalls dar, wenn und für eine ganze Zahl gilt oder wenn und für eine ganze Zahl gilt. Der Pol ist der Punkt, der durch die Paare dargestellt wird, mit beliebigem .
Man verwendet den trigonometrischen Pythagoras und die Charakterisierung der Winkel mit gleichem Endschenkel aus der Lektion über Winkel und ihre Messung: Zwei Winkel liefern genau dann denselben Punkt des Einheitskreises, wenn sie sich um ein ganzzahliges Vielfaches von unterscheiden.
Beweis
Der Abstand eines Punktes vom Pol hängt nicht von der gewählten Darstellung ab: Nach dem trigonometrischen Pythagoras ist gleich . Daher haben zwei Darstellungen desselben Punktes , und der Pol ist der einzige Punkt mit .
Ist , so dividieren wir die Koordinaten beider Punkte durch : Die Punkte und des Einheitskreises stimmen überein, und das geschieht genau dann, wenn die Winkel denselben Endschenkel haben.
Ist , so liefert das Paar denselben Punkt wie , und nach dem vorigen Schritt hat denselben Endschenkel wie . Da alle ungeraden Zahlen durchläuft, wenn die ganzen Zahlen durchläuft, ist das genau die Aussage des Lemmas.
So besitzt der Punkt mit den Polarkoordinaten auch die Darstellungen und , die eine Umdrehung mehr oder eine Umdrehung weniger machen, sowie oder , die in die entgegengesetzte Richtung blicken und rückwärts gehen.
Von kartesischen Koordinaten zu Polarkoordinaten
Die Formeln und liefern den Übergang von Polarkoordinaten zu kartesischen Koordinaten. Der umgekehrte Übergang verlangt, unter allen möglichen Darstellungen eine auszuwählen; gewöhnlich nimmt man diejenige mit und im Intervall . Um den Winkel zu finden, verwendet man die Arkustangensfunktion aus der Lektion über die Arkusfunktionen, die Werte in annimmt und daher nur die Winkel des ersten und des vierten Quadranten sieht: In den beiden anderen muss man sie korrigieren, indem man addiert oder subtrahiert.
Jeder vom Pol verschiedene Punkt besitzt eine eindeutige Polardarstellung mit und . Sein Radius ist , und sein Polarwinkel ist durch die fünf Fälle der folgenden Formel gegeben.
Die Idee besteht darin, das Problem auf den Einheitskreis zu reduzieren, wo die Steigung der Geraden durch den Pol zwei Gegenpunkte festlegt und das Vorzeichen der Abszisse zwischen ihnen entscheidet.
Beweis
Nach dem obigen Lemma gilt , und mit ist der Radius die Quadratwurzel. Nach Division durch ist der gesuchte Winkel derjenige eines Punktes des Einheitskreises, der nach der Eigenschaft der Überdeckung im Axiom des Durchlaufens existiert, das in der Lektion über Winkel und ihre Messung vorausgesetzt wurde, und der in eindeutig ist, weil zwei Winkel dieses Intervalls, das die Länge hat, nicht denselben Endschenkel haben können.
Ist , so ist der Punkt gleich oder , je nach dem Vorzeichen von , und nach den besonderen Werten von Sinus und Kosinus ist der Winkel oder .
Ist , so ist der Tangens von die Steigung der Geraden, die den Pol mit dem Punkt verbindet. Der Winkel hat diesen Tangens und liegt in , wo der Kosinus positiv ist.
Auf dem Einheitskreis gibt es genau zwei Punkte mit der Steigung vom Pol aus: Ist einer von ihnen, so gilt und . Sie sind Gegenpunkte, sodass einer eine positive Abszisse hat und der andere eine negative; nach der Symmetrie des Winkels sind es die Punkte der Winkel und .
Ist , so hat der Punkt eine positive Abszisse, und es gilt . Ist , so ist es der Punkt von . Ist außerdem , so ist die Steigung negativ oder null, es gilt , und liegt bereits in ; ist , so ist die Steigung positiv, und man muss eine Umdrehung abziehen, .
Zum Beispiel liegt der Punkt im zweiten Quadranten: Sein Radius ist , und da , ist sein Polarwinkel . Ein Taschenrechner, der den Arkustangens von liefert, ohne die Vorzeichen von und von getrennt zu beachten, würde ausgeben, den Winkel des Gegenpunktes .
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