在平面直角坐标系xOyxOy中,以原点OO为极点,xx轴的正半轴为极轴建立极坐标系,曲线C1{{C}_{1}}的方程为x22+y2=1\dfrac{{{x}^{2}}}{2}+{{y}^{2}}=1,曲线C2{{C}_{2}}的参数方程为{x=cos⁡φy=1+sin⁡φ(φ\begin{cases}&x=\cos\varphi\\ &y=1+\sin\varphi\\\end{cases}(\varphi为参数)),曲线C3{{C}_{3}}的方程为y=xtan⁡αy=x\tan\alpha,(0<α<π2,x>0)(0< \alpha < \dfrac{\pi}{2},x>0),曲线C3{{C}_{3}}与曲线C1,C2{C}_{1},{C}_{2}分别交于P,QP,Q两点. (Ⅰ)(Ⅰ)求曲线C1,C2{C}_{1},{C}_{2}的极坐标方程; (Ⅱ)(Ⅱ)求∣OP∣2⋅∣OQ∣2{{\left|OP\right|}^{2}}\cdot{{\left|OQ\right|}^{2}}的取值范围.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 求曲线 $C_1$ 的极坐标方程

将 x=ρcos⁡θx=\rho\cos\theta,y=ρsin⁡θy=\rho\sin\theta 代入曲线 C1C_1 的直角坐标方程 x22+y2=1\dfrac{x^2}{2}+y^2=1 得:
ρ2cos⁡2θ2+ρ2sin⁡2θ=1\dfrac{\rho^2\cos^2\theta}{2}+\rho^2\sin^2\theta=1
两边同乘以 22 并整理得:
ρ2(cos⁡2θ+2sin⁡2θ)=2\rho^2(\cos^2\theta+2\sin^2\theta)=2
利用 cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta+\sin^2\theta=1,化简为:
ρ2(1+sin⁡2θ)=2\rho^2(1+\sin^2\theta)=2
即曲线 C1C_1 的极坐标方程为 ρ2(1+sin⁡2θ)=2\rho^2(1+\sin^2\theta)=2(或 ρ2=21+sin⁡2θ\rho^2=\dfrac{2}{1+\sin^2\theta}).

2. 求曲线 $C_2$ 的极坐标方程

曲线 C2C_2 的参数方程为 {x=cos⁡φy=1+sin⁡φ\begin{cases} x=\cos\varphi \\ y=1+\sin\varphi \end{cases}(φ\varphi 为参数).
由 x2+(y−1)2=cos⁡2φ+sin⁡2φ=1x^2+(y-1)^2=\cos^2\varphi+\sin^2\varphi=1,消去参数 φ\varphi 得普通方程:
x2+y2−2y=0x^2+y^2-2y=0
将 x=ρcos⁡θx=\rho\cos\theta,y=ρsin⁡θy=\rho\sin\theta 代入得:
ρ2−2ρsin⁡θ=0\rho^2-2\rho\sin\theta=0
由于 ρ>0\rho>0,约去 ρ\rho 得曲线 C2C_2 的极坐标方程为:
ρ=2sin⁡θ\rho=2\sin\theta

答案

曲线 C1C_1 的极坐标方程为 ρ2(1+sin⁡2θ)=2\rho^2(1+\sin^2\theta)=2(或 ρ2=21+sin⁡2θ\rho^2=\dfrac{2}{1+\sin^2\theta});
曲线 C2C_2 的极坐标方程为 ρ=2sin⁡θ\rho=2\sin\theta.

(Ⅱ)

1. 利用极坐标表示 $|OP|^2$ 和 $|OQ|^2$

曲线 C3C_3 的方程为 y=xtan⁡αy=x\tan\alpha (0<α<π2,x>00<\alpha<\dfrac{\pi}{2}, x>0),其极坐标方程为 θ=α\theta=\alpha (ρ>0\rho>0).
由 C3C_3 与 C1C_1 交于点 PP,结合 C1C_1 的极坐标方程得:
∣OP∣2=ρP2=21+sin⁡2α|OP|^2=\rho_P^2=\dfrac{2}{1+\sin^2\alpha}
由 C3C_3 与 C2C_2 交于点 QQ,结合 C2C_2 的极坐标方程得:
∣OQ∣=ρQ=2sin⁡α  ⟹  ∣OQ∣2=4sin⁡2α|OQ|=\rho_Q=2\sin\alpha \implies |OQ|^2=4\sin^2\alpha

2. 写出乘积表达式并求其取值范围

计算乘积得:
∣OP∣2⋅∣OQ∣2=21+sin⁡2α⋅4sin⁡2α=8sin⁡2α1+sin⁡2α|OP|^2\cdot|OQ|^2=\dfrac{2}{1+\sin^2\alpha}\cdot 4\sin^2\alpha=\dfrac{8\sin^2\alpha}{1+\sin^2\alpha}
令 t=sin⁡2αt=\sin^2\alpha.
因为 0<α<π20<\alpha<\dfrac{\pi}{2},所以 0<sin⁡α<10<\sin\alpha<1,从而 t∈(0,1)t\in(0, 1).
定义函数 f(t)=8t1+t=8(1−11+t)f(t)=\dfrac{8t}{1+t}=8\left(1-\dfrac{1}{1+t}\right).
因为 f(t)f(t) 在 t∈(0,1)t\in(0, 1) 上严格单调递增,
当 t→0t\to 0 时,f(t)→0f(t)\to 0;
当 t→1t\to 1 时,f(t)→8×11+1=4f(t)\to \dfrac{8\times 1}{1+1}=4.
故 ∣OP∣2⋅∣OQ∣2|OP|^2\cdot|OQ|^2 的取值范围为 (0,4)(0, 4).

答案

∣OP∣2⋅∣OQ∣2|OP|^2\cdot|OQ|^2 的取值范围是 (0,4)(0, 4).

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