这一篇在干嘛?
不是所有曲线都能写成 y=f(x)。这一章引入参数方程与极坐标两套新坐标系,计算它们的切线、弧长与面积,并完整梳理椭圆、抛物线、双曲线的性质。
为什么需要参数方程
函数图象 有一个先天限制:每个 只能对应一个 ,也就是必须通过竖直线检验。这一下就排除了圆、自交曲线等最基本、最重要的曲线。参数方程提供了一个不受此限制的曲线描述方式。
基本思想:设一个质点在平面上运动,其坐标随时间 变化:
这组等式称为质点运动的参数方程,质点走过的轨迹 就是这组方程的图象,变量 称为参数。

图:参数方程描述的曲线轨迹(图 10.1.1)
例 1
画出参数方程
所描述质点的轨迹。
解:描点法:取一列时间点,算出 坐标,再用光滑曲线连接。例如 时 , 时 , 时 ,……, 时 。

图:例 1 的轨迹图象(图 10.1.2)
注意图象上没有 轴: 的值只体现在点的标注上(通常还省略不标)。它只告诉我们“何时在何处”,不参与图象的坐标。
参数不一定是时间:除非问题本身指明, 只是取值于某个区间的独立变量(用什么字母都行)。若未声明范围,默认 取遍全体实数;要限定范围就写成
例 2
求参数方程 的图象。
解:消去参数 ——利用 :
故图象落在单位圆 上。几何上, 正是原点到点 的径向线扫过的角度: 从 0 增到 ,点从 出发逆时针绕圆一整圈。

图:单位圆的参数表示, 为径向线的转角(图 10.1.3)
参数区间决定画出圆的哪一段:把区间改为 ,就只表示上半圆。
方向(定向):参数曲线与曲线的区别
参数增加时图象被描画的方向称为参数增加的方向或曲线的定向。这带来一个概念区分:曲线是点的集合,而参数曲线是带定向的曲线。定向常用箭头标在图上。
例 2 的圆随 增大逆时针描出,故是逆时针定向的。想要顺时针版本,把 换成 并用 、:
点仍从 出发、 时绕完一圈,但方向变为顺时针。

图:顺时针定向的单位圆(图 10.1.4)
并非所有参数方程都给出确定的定向:若方程“行为不端”,描点可能乱跳或来回折返。例如 ,点沿抛物线 运动,但 在 与 之间周期性振荡,点便在 与 之间来回走。本节暂避开这类复杂情况。
例 3
通过消去参数画出参数曲线 ,并标出定向。
解:从第一个方程解出 ,代入第二个方程:
图象是斜率为 3、截距为 2 的直线。定向要回到原方程看: 增大时 (或 )增大,故直线从左向右被描出。

图:例 3 的直线及其定向(图 10.1.5)

图: 的来回折返运动(图 10.1.6)
用参数形式表示普通函数
任何 都可以参数化:取 ,则
例如 在 上的图象可写成 。

图: 的参数化表示(图 10.1.7)
反过来,若 是一一对应的(有反函数 ),则 等价于 。取 参数化:
例如 的图象是 ,而其反函数的图象是 ——只是把两个方程对调。这是参数表示的一大便利:函数与反函数的图象在参数形式下几乎“免费”互换。

图:函数 及其反函数的图象(图 10.1.8)
参数曲线的切线:链式法则给出斜率公式
设 、 都有关于 的连续一阶导数。可以证明:在 处, 是 的可导函数,且链式法则给出
这个公式让我们不消参数就能直接算斜率。
例 4
求单位圆 在 处的切线斜率。
解:
在 处:。

图:单位圆的切线垂直于过切点的半径(图 10.1.10)
这个结果有漂亮的几何解释:原点到 的半径斜率是 ,切线垂直于半径,故斜率为 ,与公式一致。