Система координат (Vnvmybg tkkj;nugm)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Систе́ма координа́т — комплекс определений, реализующий метод координат, то есть способ определять положение и перемещение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел, определяющих положение конкретной точки, называется координатами этой точки.

В математике координаты — совокупность чисел, сопоставленных точкам многообразия в некоторой карте определённого атласа.

В элементарной геометрии координаты — величины, определяющие положение точки на плоскости и в пространстве. На плоскости положение точки чаще всего определяется расстояниями от двух прямых (координатных осей), пересекающихся в одной точке (начале координат) под прямым углом; одна из координат называется ординатой, а другая — абсциссой. В пространстве по системе Декарта положение точки определяется расстояниями от трёх плоскостей координат, пересекающихся в одной точке под прямыми углами друг к другу, или сферическими координатами, где начало координат находится в центре сферы.

В географии координаты выбираются как (приближённо) сферическая система координат — широта, долгота и высота над известным общим уровнем (например, океана). См. Географические координаты.

В астрономии небесные координаты — упорядоченная пара угловых величин (например, прямое восхождение и склонение), с помощью которых определяют положение светил и вспомогательных точек на небесной сфере. В астрономии употребляют различные системы небесных координат. Каждая из них по существу представляет собой сферическую систему координат (без радиальной координаты) с соответствующим образом выбранной фундаментальной плоскостью и началом отсчёта. В зависимости от выбора фундаментальной плоскости система небесных координат называется горизонтальной (плоскость горизонта), экваториальной (плоскость экватора), эклиптической (плоскость эклиптики) или галактической (галактическая плоскость).

Наиболее используемая система координат — прямоугольная система координат (также известная как декартова система координат).

Координаты на плоскости и в пространстве можно вводить бесконечным числом разных способов. Решая ту или иную математическую или физическую задачу методом координат, можно использовать различные координатные системы, выбирая ту из них, в которой задача решается проще или удобнее в данном конкретном случае. Известным обобщением системы координат являются системы отсчёта и системы референции.

Основные системы

[править | править код]
Точка P и её координаты в трёхмерной системе координат (с осью Х, направленной к читателю)

В этом разделе даются разъяснения к наиболее употребляемым системам координат в элементарной математике.

Декартовы координаты

[править | править код]

Расположение точки P на плоскости определяется декартовыми координатами с помощью пары чисел

  •  — расстояние от точки P до оси y с учётом знака
  •  — расстояние от точки P до оси x с учётом знака

В пространстве необходимы уже три координаты

  •  — расстояние от точки P до плоскости yz
  •  — расстояние от точки P до плоскости xz
  •  — расстояние от точки P до плоскости xy

Полярные координаты

[править | править код]
Полярные координаты

Поля́рная систе́ма координа́т (лат. polusполюс, от др.-греч. πόλος — полюс, ось[1]) — система координат на плоскости, определяющаяся двумя полярными координатами и , которые связаны с декартовыми прямоугольными координатами и следующими выражениями:

где [2][3].

Такие ограничения на значения полярных координат ставятся для того, чтобы соответствие между точками плоскости, отличными от полюса, и парами полярных координат получилось взаимно однозначным[4].

Полярные координаты точек плоскости

Полярные координаты — координаты произвольной точки плоскости в выбранной полярной системе координат в виде следующих двух чисел: полярный радиус , — расстояние от полюса до точки ; полярный угол , — угол, на который поворачивается полярная ось до совмещения с точкой [5][6][7][8][9][3][2][10][11].

В этих определениях предполагается, что полюс и точка не совпадают. Полюс находится на особом положении: его полярный радиус полагается равным нулю, а полярный угол неопределённым, то есть ему можно приписать любое значение (иногда приписывают значение [10])[12][6][7][8][9][3][2][10].

Координатные линии полярной системы координат и две точки

Полярная система координат ортогональна[2]. Ортогональные координатные линии[англ.] полярной системы координат суть концентрические окружности при и лучи при [3][2][10].

Полярная система координат особенно проста и полезна в случаях, когда отношения между точками проще изобразить в виде радиусов и углов, тогда как в более распространённой декартовой системе координат такие отношения можно установить только путём применения тригонометрических уравнений[13].

Примеры неоднозначности координат. Как полярные координаты , , так и , задают одну и ту же точку плоскости. Как полярные координаты , , так и , и , задают также одну и ту же точку плоскости (см. рисунок справа с этими точками и )[5].

Часто требуется в ущерб однозначности поддерживать непрерывное изменение полярных координат точек (например, у уравнениях, описывающих кривые на плоскости). Тогда отказываются от приведённых ограничений для и . Закон изменения значений полярных координат и выясняется в каждом конкретном случае. Обычно в качестве полярного угла берут величину , где — произвольное целое число, а полярному радиусу приписывают знак плюс или минус, смотря по ситуации (имеется более подробное описание[12])[4][9].

Обобщённая полярная система координат — система координат на плоскости, определяющаяся двумя обобщёнными полярными координатами и , которые связаны с декартовыми прямоугольными координатами и следующими выражениями[2][3]:

где .

Координатные линии обобщённой полярной системы координат суть эллипсы при и лучи при [2][3].

Полярную систему координат в трёхмерном пространстве представляют цилиндрическая система координат и сферическая система координат[3].

Цилиндрические координаты

[править | править код]
Цилиндрические координаты.

Цилиндрические координаты — трёхмерный аналог полярных, в котором точка P представляется упорядоченной тройкой В терминах декартовой системы координат,

  • (радиус) — расстояние от оси z до точки P,
  • (азимут или долгота) — угол между положительной («плюсовой») частью оси x и отрезком, проведённым от полюса до точки P и спроектированной на плоскость xy.
  • (высота) равна декартовой z-координате точки P.
Примечание: в литературе для первой (радиальной) координаты иногда используется обозначение ρ, для второй (угловой, или азимутальной) — обозначение θ, для третьей координаты — обозначение h.

Полярные координаты имеют один недостаток: значение φ не определено при r = 0.

Цилиндрические координаты полезны для изучения систем, симметричных относительно некоторой оси. Например, длинный цилиндр с радиусом R в декартовых координатах (с осью z, совпадающей с осью цилиндра) имеет уравнение тогда как в цилиндрических координатах оно выглядит гораздо проще, как r = R.

Сферические координаты

[править | править код]
Сферические координаты.

Сферические координаты — трёхмерный аналог полярных.

В сферической системе координат расположение точки P определяется тремя компонентами: В терминах декартовой системы координат,

  • (радиус) — расстояние от точки P до полюса,
  • (азимут или долгота) — угол между положительной («плюсовой») полуосью x и проекцией отрезка, проведённого из полюса до точки P, на плоскость xy.
  • (широта или полярный угол) — угол между положительной («плюсовой») полуосью z и отрезком, проведённым из полюса до точки P.
Примечание: в литературе иногда азимут обозначается θ, а полярный угол - φ. Иногда для радиальной координаты используется r вместо ρ. Кроме того, диапазон углов для азимута может выбираться как (−180°, +180°] вместо диапазона [0°, +360°). Наконец, полярный угол может отсчитываться не от положительного направления оси z, а от плоскости xy; в этом случае он лежит в диапазоне [−90°, +90°], а не в диапазоне [0°, 180°]. Иногда порядок координат в тройке выбирается отличным от описанного; например, полярный и азимутальный углы могут быть переставлены.

Сферическая система координат также имеет недостаток: φ и θ не определены, если ρ = 0; угол φ не определён также и для граничных значений θ = 0 и θ = 180° (или для θ = ±90°, в случае принятия соответствующего диапазона для этого угла).

Для построения точки P по её сферическим координатам нужно от полюса вдоль положительной полуоси z отложить отрезок, равный ρ, повернуть его на угол θ вокруг оси y в направлении положительной полуоси x, и затем повернуть на угол θ вокруг оси z в направлении положительной полуоси y.

Сферические координаты полезны при изучении систем, симметричных относительно точки. Так, уравнение сферы с радиусом R в декартовых координатах с началом отсчёта в центре сферы выглядит как тогда как в сферических координатах оно становится намного проще:

Другие распространённые системы координат

[править | править код]
  • Аффинная (косоугольная) система координат — прямолинейная система координат в аффинном пространстве. На плоскости задаётся точкой начала координат О и двумя упорядоченными неколлинеарными векторами, которые представляют собой аффинный базис. Осями координат в данном случае называются прямые, проходящие через точку начала координат параллельно векторам базиса, которые, в свою очередь, задают положительное направление осей. В трёхмерном пространстве, соответственно, аффинная система координат задаётся тройкой линейно независимых векторов и точкой начала координат. Для определения координат некоторой точки М вычисляются коэффициенты разложения вектора ОМ по векторам базиса[14].
  • Барицентрические координаты были впервые введены в 1827 году А. Мёбиусом, решавшим вопрос о центре тяжести масс, расположенных на вершинах треугольника. Они аффинно инвариантны, представляют собой частный случай общих однородных координат. Точка с барицентрическими координатами расположена в n-мерном векторном пространстве En, а собственно координаты при этом относятся к фиксированной системе точек, которые не лежат в (n−1)-мерном подпространстве. Барицентрические координаты используются также и в алгебраической топологии применительно к точкам симплекса[15].
  • Биангулярные координаты — частный случай бицентрических координат, система координат на плоскости, задаваемая двумя фиксированными точками С1 и С2, через которые проводится прямая, выступающая в качестве оси абсцисс. Позиция некоторой точки P, которая не лежит на этой прямой, определяется углами PC1C2 и PC2C1.
  • Биполярные координаты [16] характеризуются тем, что в качестве координатных линий на плоскости в этом случае выступают два семейства окружностей с полюсами A и B, а также семейство окружностей, ортогональных к ним. Преобразование биполярных координат в декартовы прямоугольные осуществляется посредством специальных формул. Биполярные координаты в пространстве называются бисферическими; в этом случае координатными поверхностями являются сферы, поверхности, образуемые вращением дуг окружностей, а также полуплоскости, проходящие через ось Oz[17].
  • Бицентрические координаты — всякая система координат, которая основана на двух фиксированных точках и в рамках которой положение некоторой другой точки определяется, как правило, степенью её удаления или вообще позицией относительно этих двух основных точек. Системы подобного рода могут быть довольно полезны в определённых сферах научных исследований[18][19].
  • Бицилиндрические координаты — система координат, которая образуется в том случае, если система биполярных координат на плоскости Oxy параллельно переносится вдоль оси Oz. В качестве координатных поверхностей в этом случае выступают семейство пар круговых цилиндров, оси которых параллельны, семейство ортогональных к ним круговых цилиндров, а также плоскость. Для перевода бицилиндрических координат в декартовы прямоугольные для трёхмерного пространства также применяются специальные формулы[20].
  • Диполярные координаты — трёхмерная криволинейная ортогональная система координат, основанная на точечном (центральном) диполе, точнее, на его инвариантах преобразования координат. Одним из инвариантов является эквипотенциальная поверхность, которая служит координатной поверхностью; другой инвариант — силовые линии векторного поля, перпендикулярные эквипотенциальным поверхностям. Преобразование сферических или декартовых координат в диполярные осуществляется посредством специальных формул.
  • Конические координаты — трёхмерная ортогональная система координат, состоящая из концентрических сфер, которые описываются посредством их радиуса, и двух семейств перпендикулярных конусов, расположенных вдоль осей x и z[21].
  • Координаты Риндлера используются преимущественно в рамках теории относительности и описывают ту часть плоского пространства-времени, которая обыкновенно называется пространством Минковского. В специальной теории относительности равномерно ускоряющаяся частица находится в гиперболическом движении, и для каждой такой частицы в координатах Риндлера может быть выбрана такая точка отсчёта, относительно которой она покоится.
  • Параболические координаты — это двумерная ортогональная система координат, в которой координатными линиями является совокупность конфокальных парабол. Трёхмерная модификация параболических координат строится путём вращения двумерной системы вокруг оси симметрии этих парабол. У параболических координат также имеется определённый спектр потенциальных практических приложений: в частности, они могут использоваться применительно к эффекту Штарка. Параболические координаты связаны определённым отношением с прямоугольными декартовыми[22].
  • Подерные координаты — координаты, основанные на подерном преобразовании. Подерные координаты точки дифференцируемой кривой состоят из двух величин, двух расстояний от некоторой заданной точки: до точки кривой и до соответствующей точки её подеры.
  • Проективные координаты существуют, согласно наименованию, в проективном пространстве Пn (К) и представляют собой взаимно однозначное соответствие между его элементами и классами конечных подмножеств элементов тела К, характеризующихся свойствами эквивалентности и упорядоченности. Для определения проективных координат проективных подпространств достаточно определить соответствующие координаты точек проективного пространства. В общем случае относительно некоторого базиса проективные координаты вводятся чисто проективными средствами[23].
  • Тороидальная система координат — трёхмерная ортогональная система координат, получаемая в результате вращения двумерной биполярной системы координат вокруг оси, разделяющей два её фокуса. Фокусы биполярной системы, соответственно, превращаются в кольцо с радиусом а, лежащее на плоскости xy тороидальной системы координат, в то время как ось z становится осью вращения системы. Фокальное кольцо также называют иногда базовой окружностью[24].
  • Трилинейные координаты являются одним из образцов однородных координат и имеют своей основой заданный треугольник, так что положение некоторой точки определяется относительно сторон этого треугольника — главным образом степенью удалённости от них, хотя возможны и другие вариации. Трилинейные координаты могут быть относительно просто преобразованы в барицентрические; кроме того, они также конвертируемы в двумерные прямоугольные координаты, для чего используются соответствующие формулы[25].
  • Цилиндрические параболические координаты — трёхмерная ортогональная система координат, получаемая в результате пространственного преобразования двумерной параболической системы координат. Координатными поверхностями, соответственно, служат конфокальные параболические цилиндры. Цилиндрические параболические координаты связаны определённым отношением с прямоугольными, могут быть применены в ряде сфер научных исследований[26].
  • Эллипсоидальные координаты — эллиптические координаты в пространстве. Координатными поверхностями в данном случае являются эллипсоиды, однополостные гиперболоиды, а также двуполостные гиперболоиды, центры которых расположены в начале координат. Система ортогональна. Каждой тройке чисел, являющихся эллипсоидальными координатами, соответствуют восемь точек, которые относительно плоскостей системы Oxyz симметричны друг другу[27].

Переход из одной системы координат в другую

[править | править код]

Декартовы и полярные

[править | править код]

где u0 — функция Хевисайда с а sgn — функция signum. Здесь функции u0 и sgn используются как «логические» переключатели, аналогичные по значению операторам «если .. то» (if…else) в языках программирования. Некоторые языки программирования имеют специальную функцию atan2 (y, x), которая возвращает правильный φ в необходимом квадранте, определённом координатами x и y.

Декартовы и цилиндрические

[править | править код]

Декартовы и сферические

[править | править код]

Цилиндрические и сферические

[править | править код]

Географическая система координат

[править | править код]

Географическая система координат обеспечивает возможность идентификации любой точки на поверхности земного шара совокупностью цифробуквенных обозначений. Как правило, координаты назначаются таким образом, что один из указателей обозначает позицию по вертикали, а другой или совокупность других — по горизонтали. Традиционный набор географических координат — широта, долгота и высота[28]. Географическая система координат с использованием трёх перечисленных указателей является ортогональной.

Широта точки на поверхности Земли определяется как угол между плоскостью экватора и прямой, проходящей через эту точку в виде нормали к поверхности базового эллипсоида, примерно совпадающего по форме с Землёй. Эта прямая обычно проходит в нескольких километрах от центра Земли, за исключением двух случаев: полюсов и экватора (в этих случаях она проходит непосредственно через центр). Линии, соединяющие точки одной широты, именуются параллелями. 0° широты соответствуют плоскости экватора, Северный полюс Земли соответствует 90° северной широты, Южный — соответственно, 90° южной широты. В свою очередь, долгота точки на поверхности Земли определяется как угол в восточном или западном направлении от основного меридиана к другому меридиану, проходящему через эту точку. Меридианы, соединяющие точки одной долготы, представляют собой полуэллипсы, сходящиеся на полюсах. Нулевым считается меридиан, проходящий через королевскую обсерваторию в Гринвиче, близ Лондона. Что касается высоты, то она отсчитывается от условной поверхности геоида, являющегося абстрактным пространственным представлением земного шара.

Примечания

[править | править код]
  1. Полюс, 1988.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Соколов Д. Д. Полярные координаты, 1984, стб. 480.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Полярные координаты, 1988.
  4. 1 2 Ильин В. А., Позняк Э. Г. Аналитическая геометрия, 1988, Глава 1. Системы координат… § 4. Полярные… 1. Полярные координаты, с. 22.
  5. 1 2 Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике, 1977, § 73. Полярные координаты, с. 126.
  6. 1 2 Александров П. С. Лекции по аналитической геометрии, 1968, Глава IV. Прямоугольна система координат. Полярные координаты. § 4. Полярная система координат на плоскости. 1. Определение полярных координат, с. 78.
  7. 1 2 Ильин В. А., Позняк Э. Г. Аналитическая геометрия, 1988, Глава 1. Системы координат… § 4. Полярные… 1. Полярные координаты, с. 21.
  8. 1 2 Ефимов Н. В. Краткий курс аналитической геометрии, 2005, § 4. Полярные координаты. 14, с. 16.
  9. 1 2 3 Полярные координаты, 1975.
  10. 1 2 3 4 Полярная система координат, 1984.
  11. Гельфанд И. М., Глаголева Е. Г., Кириллов А. А. Метод координат, 1973, 10. Другие системы координат, с. 47.
  12. 1 2 Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике, 1977, § 73. Полярные координаты, с. 127.
  13. Гельфанд И. М., Глаголева Е. Г., Кириллов А. А. Метод координат, 1973, 10. Другие системы координат, с. 49.
  14. Пархоменко А. С. Аффинная система координат. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  15. Скляренко Е. Г. Барицентрические координаты. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  16. Weisstein, Eric W. Bipolar coordinates (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  17. Долгачев И. В., Псковских В. А. Биполярные координаты. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  18. R. Price, The Periodic Standing Wave Approximation: Adapted coordinates and spectral methods. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 4 марта 2016 года.
  19. The periodic standing-wave approximation: nonlinear scalar fields, adapted coordinates, and the eigenspectral method. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 2 апреля 2019 года.
  20. Соколов Д. Д. Бицилиндрические координаты. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  21. MathWorld description of conical coordinates. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 6 октября 2013 года.
  22. MathWorld description of parabolic coordinates. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 2 июня 2013 года.
  23. Войцеховский М. И. Проективные координаты. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  24. MathWorld description of toroidal coordinates. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 20 мая 2021 года.
  25. Weisstein, Eric W. Trilinear Coordinates (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  26. MathWorld description of parabolic cylindrical coordinates. Дата обращения: 11 мая 2013. Архивировано 11 ноября 2020 года.
  27. Соколов Д. Д. Эллипсоидальные координаты. — Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1977—1985.
  28. A Guide to coordinate systems in Great Britain Архивировано 22 апреля 2008 года. v 1.7 October 2007

Литература

[править | править код]