在直角坐标系xOyxOy中,曲线C1{{C}_{1}}的方程为y=k∣x∣+2.y=k\left| x \right|+2.以坐标原点为极点,xx轴正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C2{{C}_{2}}的极坐标方程为ρ2+2ρcos⁡θ−3=0{{\rho }^{2}}+2\rho \cos \theta -3=0. (1)求C2{{C}_{2}}的直角坐标方程; (2)若C1{{C}_{1}}与C2{{C}_{2}}有且仅有三个公共点,求C1{{C}_{1}}的方程.

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完整解法

(1)

1. 利用极坐标与直角坐标转换公式化简曲线 $C_2$ 的方程

由极坐标与直角坐标的转换公式 {x=ρcos⁡θy=ρsin⁡θ\begin{cases} x = \rho \cos\theta \\ y = \rho \sin\theta \end{cases} 可得 ρ2=x2+y2\rho^2 = x^2 + y^2.
将 ρ2=x2+y2\rho^2 = x^2 + y^2 和 ρcos⁡θ=x\rho \cos\theta = x 代入曲线 C2C_2 的极坐标方程 ρ2+2ρcos⁡θ−3=0\rho^2 + 2\rho \cos\theta - 3 = 0,得:
x2+y2+2x−3=0x^2 + y^2 + 2x - 3 = 0

2. 配方得到圆的标准方程(可选)

将直角坐标方程配方,可得:
(x+1)2+y2=4(x+1)^2 + y^2 = 4

答案

x2+y2+2x−3=0x^2 + y^2 + 2x - 3 = 0(或 (x+1)2+y2=4(x+1)^2 + y^2 = 4)

(2)

1. 分析曲线 $C_1$ 与 $C_2$ 的几何特征及参数 $k$ 的取值范围

由(1)知曲线 C2C_2 是以 A(−1,0)A(-1, 0) 为圆心,半径 R=2R = 2 的圆.
曲线 C1:y=k∣x∣+2C_1: y = k|x| + 2 的顶点为 P(0,2)P(0, 2),且关于 yy 轴对称.
将 P(0,2)P(0, 2) 代入圆 C2C_2 方程得 (0+1)2+22=5>4(0+1)^2 + 2^2 = 5 > 4,故顶点 P(0,2)P(0, 2) 在圆 C2C_2 外部.
若 k≥0k \ge 0,当 x≥0x \ge 0 时 y=kx+2≥2y = kx + 2 \ge 2,而圆 C2C_2 在 x≥0x \ge 0 区域上的纵坐标最大值为 3<2\sqrt{3} < 2,此时 C1C_1 与 C2C_2 至多有 11 个公共点,不符合题意.
因此必有 k<0k < 0.

2. 根据公共点个数列出关于参数 $k$ 的方程

当 k<0k < 0 时,曲线 C1C_1 由两组射线组成:
射线 l1:kx−y+2=0(x≥0)l_1: kx - y + 2 = 0 \quad (x \ge 0)
射线 l2:−kx−y+2=0(x≤0)l_2: -kx - y + 2 = 0 \quad (x \le 0)
要使 C1C_1 与 C2C_2 有且仅有三个公共点,由于 P(0,2)P(0, 2) 不在圆上,必有一条射线与圆相切(1个切点),另一条射线与圆相交(2个交点).
考虑圆心 A(−1,0)A(-1, 0) 到直线 l1l_1 的距离 d1=∣−k+2∣k2+1=2−kk2+1d_1 = \frac{|-k + 2|}{\sqrt{k^2 + 1}} = \frac{2 - k}{\sqrt{k^2 + 1}}(因 k<0k < 0).
若 l1l_1 与圆相切,则 d1=R=2d_1 = R = 2:
2−kk2+1=2  ⟹  (2−k)2=4(k2+1)  ⟹  3k2+4k=0\frac{2 - k}{\sqrt{k^2 + 1}} = 2 \implies (2 - k)^2 = 4(k^2 + 1) \implies 3k^2 + 4k = 0
解得 k=0k = 0(舍去)或 k=−43k = -\frac{4}{3}.

3. 验证 $k = -\frac{4}{3}$ 时两条射线与圆的实际交点个数

当 k=−43k = -\frac{4}{3} 时:
① 对射线 l1:−43x−y+2=0(x≥0)l_1: -\frac{4}{3}x - y + 2 = 0 \quad (x \ge 0),联立圆方程得切点坐标为 (35,65)\left(\frac{3}{5}, \frac{6}{5}\right),满足 x=35≥0x = \frac{3}{5} \ge 0,故 l1l_1 与圆有 11 个公共点.
② 对射线 l2:43x−y+2=0(x≤0)l_2: \frac{4}{3}x - y + 2 = 0 \quad (x \le 0),圆心到 l2l_2 的距离 d2=∣−43+2∣169+1=25<2d_2 = \frac{|-\frac{4}{3} + 2|}{\sqrt{\frac{16}{9} + 1}} = \frac{2}{5} < 2.
联立 {(x+1)2+y2=4y=43x+2\begin{cases} (x+1)^2 + y^2 = 4 \\ y = \frac{4}{3}x + 2 \end{cases} 得 25x2+66x+9=025x^2 + 66x + 9 = 0.
判别式 Δ=662−4×25×9=3456>0\Delta = 66^2 - 4 \times 25 \times 9 = 3456 > 0,两根之积 x1x2=925>0x_1 x_2 = \frac{9}{25} > 0,两根之和 x1+x2=−6625<0x_1 + x_2 = -\frac{66}{25} < 0.
故两根均满足 x<0x < 0,即 l2l_2 与圆在 x≤0x \le 0 区域有 22 个公共点.
综上,公共点总数为 1+2=31 + 2 = 3 个,符合题意.
故 C1C_1 的方程为 y=−43∣x∣+2y = -\frac{4}{3}|x| + 2.

答案

y=−43∣x∣+2y = -\frac{4}{3}|x| + 2

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