式と曲線

極座標と直交座標の変換

$(r, \theta)$と$(x, y)$

式と曲線の「極座標と直交座標の変換」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「$(r, \theta)$と$(x, y)$」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学C 約10分 難易度 1 図つき

このページのまとめ

先に押さえておくこと

極座標と直交座標の変換の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

図と式の対応や答えの条件を、先に短く確認できます。

  • テーマ: (r,θ)(r, \theta)(x,y)(x, y)
  • ポイント: 式と曲線の要点を、図と式を往復しながら確認しやすい記事です。
  • 次に読むなら: 関連ページ、またはアプリで類題演習

問題

(1)(1)\quad 極座標 (4,  π3)\left(4,\; \dfrac{\pi}{3}\right) を直交座標に変換せよ。

(2)(2)\quad 直交座標 (1,  3)(-1,\; \sqrt{3}) を極座標 (r,  θ)(r,\; \theta)r>0r>0, 0θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi)で表せ。

(3)(3)\quad 直交座標の方程式 x2+y24x=0x^2+y^2-4x=0 を極方程式で表せ。

答えを見る

(1)  (1)\; (2,  23)\underline{\left(2,\; 2\sqrt{3}\right)}

(2)  (2)\; (2,  2π3)\underline{\left(2,\; \dfrac{2\pi}{3}\right)}

(3)  (3)\; r=4cosθ\underline{r=4\cos\theta}

解説

極座標と直交座標の変換について解説します。

極座標ってなんですか?

普段使っている(x,y)(x, y)の座標は「直交座標」というんだ。

一方「極座標」は、原点からの距離rrと角度θ\thetaで点の位置を表す方法だよ。

極座標では、原点OO\textcolor{red}{極}xx軸の正の部分を始線\textcolor{red}{始線}といいます。点PPの位置を、極からの距離rrと始線からの角度θ\thetaを用いて(r,θ)(r, \theta)と表します。

それでは問題を解いていきましょう。

(1)(1)\quad 極座標 (4,  π3)\left(4,\; \dfrac{\pi}{3}\right) を直交座標に変換せよ。

極座標から直交座標への変換なので、x=rcosθx=r\cos\theta, y=rsinθy=r\sin\theta を使います。

r=4r=4, θ=π3\theta=\dfrac{\pi}{3} を代入すると、

x=4cosπ3=412=2x = 4\cos\dfrac{\pi}{3} = 4 \cdot \dfrac{1}{2} = 2
y=4sinπ3=432=23y = 4\sin\dfrac{\pi}{3} = 4 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} = 2\sqrt{3}

よって、直交座標は (2,  23)\underline{\left(2,\; 2\sqrt{3}\right)} です。

z -6-4-20246 -6-4-2246
z=4(cos1.05+isin1.05)z= 4(\cos 1.05 + i\sin 1.05)

(2)(2)\quad 直交座標 (1,  3)(-1,\; \sqrt{3}) を極座標 (r,  θ)(r,\; \theta)r>0r>0, 0θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi)で表せ。

直交座標から極座標への変換です。まず rr を求めましょう。

r2=x2+y2=(1)2+(3)2=1+3=4r^2 = x^2 + y^2 = (-1)^2 + (\sqrt{3})^2 = 1+3 = 4

r>0r>0 より r=2r=2 です。

次に θ\theta を求めます。cosθ=xr=12\cos\theta = \dfrac{x}{r} = \dfrac{-1}{2}, sinθ=yr=32\sin\theta = \dfrac{y}{r} = \dfrac{\sqrt{3}}{2} より、

0θ<2π0 \leqq \theta < 2\pi の範囲で θ=2π3\theta = \dfrac{2\pi}{3} です。

よって、極座標は (2,  2π3)\underline{\left(2,\; \dfrac{2\pi}{3}\right)} となります。

tanθ=yx\tan\theta = \dfrac{y}{x} だけでは θ\theta の象限が分からないことがあるよ。

cosθ\cos\thetasinθ\sin\theta の符号を確認して象限を特定しよう。

(3)(3)\quad 直交座標の方程式 x2+y24x=0x^2+y^2-4x=0 を極方程式で表せ。

変換公式 x=rcosθx=r\cos\theta, x2+y2=r2x^2+y^2=r^2 を使って置き換えます。

x2+y24x=0x^2+y^2-4x=0
r24rcosθ=0r^2 - 4r\cos\theta = 0
r(r4cosθ)=0r(r-4\cos\theta) = 0

r=0r=0 は極(原点)を表すだけなので、求める極方程式は r=4cosθ\underline{r=4\cos\theta} です。

r=0r=0 を無視してもいいんですか?

r=4cosθr=4\cos\thetaθ=π2\theta=\dfrac{\pi}{2} とすると r=0r=0 となるから、極は r=4cosθr=4\cos\theta に含まれているんだ。

だから r=0r=0 は省略してOKだよ。

なるほど!元の方程式 x2+y24x=0x^2+y^2-4x=0 はどんな図形ですか?

(x2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4 と変形できるから、中心(2,0)(2, 0)、半径22の円だね。極座標で表すと r=4cosθr=4\cos\theta というシンプルな式になるんだ。

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このページのまとめ

ここでは極座標と直交座標の変換について学習しました。

変換公式 x=rcosθx=r\cos\theta, y=rsinθy=r\sin\theta, r2=x2+y2r^2=x^2+y^2 は極座標の問題の基本です。

特に直交座標から極座標へ変換する際は、θ\theta の象限を正しく判定することを忘れずに!

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