Полярная система координат

Полярная система координат вводится следующим образом. На плоскости вибираем некоторую точку $O$, которая называется полюсом. Из этой точки проводим луч $Ox$, который называется полярной осью. Выбираем линейный масштаб для измерения длин отрезков. Для измерения углов выбираем или градусную, или радианную меру.

Положение точки $M$ на плоскости определяют два числа: число $\rho$ -- расстояние точки $M$ от полюса (полярный радиус $OM$), а также число $\phi$ -- угол, образованный полярным радиусом с полярной осью (полярный угол). Положительным направлением отсчета угла $\phi$ считается направление против часовой стрелки.

Числа $\rho$ и $\phi$ называются полярными координатами точки $M\left(\rho ,\; \phi \right)$. При этом полярный радиус $\rho \ge 0$, а полярный угол $0\le \phi

Связь между прямоугольными и полярными координатами

Между полярными и декартовыми прямоугольными координатами точки $M$ можно установить связь. Для этого нужно совместить полюс и полярную ось с началом и положительным направлением оси $Ox$ прямоугольной системы координат.

Из треугольника $OMM_{1}$ получаем следующие формулы связи:

1. для заданных полярных координат $\rho$ и $\phi$ декартовы координаты $x$ и $y$ вычисляются по формулам $x=\rho \cdot \cos \phi$ и $y=\rho \cdot \sin \phi$;
2. для заданных декартовых координат $x$ и $y$ полярные координаты $\rho$ и $\phi$ вычисляются по формулам $\rho =\sqrt{x^{2} +y^{2} }$ и $\phi =Arctg\frac{y}{x}$.

Обратная тригонометрическая функция $\phi =Arctg\frac{y}{x}$ многозначна, поэтому при практических вычислениях пользуются главным значением $ - \frac{\pi }{2}

Общая формула имеет вид:

\[\phi =\left\{\begin{array}{l} {arctg\frac{y}{x} \; \; при \; x>0,\; y>0} \\ {\pi +arctg\frac{y}{x} \; \; при \; x0,\; y0} \\ {\frac{3\cdot \pi }{2} \; при \; x=0,\; yПри $x=0$ и $y=0$ имеем $\rho =\sqrt{x^{2} +y^{2} } =0$. В этом случае значение угла $\phi$ можно взять произвольно.

Некоторые важнейшие кривые

1. Циссоида. Уравнения: $y^{2} =\frac{x^{3} }{a-x}$ -- в декартовых прямоугольных координатах; $\rho =\frac{a\cdot \sin ^{2} \phi }{\cos \phi }$ -- в полярных координатах.
2. Строфоида. Уравнения: $y^{2} =x^{2} \cdot \frac{a+x}{a-x}$ -- в декартовых прямоугольных координатах; $\rho =-a\cdot \frac{\cos \left(2\cdot \phi \right)}{\cos \phi }$ -- в полярных координатах.
3. Кардиоида. Уравнения: $\left(x^{2} +y^{2} \right)^{2} -2\cdot a\cdot x\cdot \left(x^{2} +y^{2} \right)=a^{2} \cdot y^{2}$ -- в декартовых прямоугольных координатах; $\rho =a\cdot \left(1+\cos \phi \right)$ -- в полярных координатах.

4. 

5. Лемниската. Уравнения: $\left(x^{2} +y^{2} \right)^{2} -2\cdot a^{2} \cdot \left(x^{2} -y^{2} \right)=0$ -- в декартовых прямоугольных координатах; $\rho =a\cdot \sqrt{2\cdot \cos \left(2\cdot \phi \right)}$ -- в полярных координатах.

При построении графиков в полярных координатах с помощью средств MS Excel имеются некоторые особенности.

График в MS Excel может быть построен, если функция однозначна и задана в декартовой прямоугольной системе координат.

Для построения графика циссоиды $y^{2} =\frac{x^{3} }{a-x}$ следует использовать уравнения $y=+\sqrt{\frac{x^{3} }{a-x} }$ и $y=-\sqrt{\frac{x^{3} }{a-x} }$.

При построении графика строфоиды поступаем аналогично.

Для построения графиков кардиоиды и лемнискаты такой прием не подходит, так как разрешить их уравнения в декартовой прямоугольной системе координат относительно $y$ невозможно.

Поэтому рекомендуется использовать уравнения этих кривых в полярных координатах по следующей схеме: задать значение угла $\phi$ в градусах (так удобнее), перевести это значение в радианы, в соответствии с уравнением кривой вычислить значение $\rho$, вычислить декартовы координаты $x$ и $y$ по формулам $x=\rho \cdot \cos \phi$ и $y=\rho \cdot \sin \phi$. Теперь можно строить график обычным образом.