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坐标系

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球面坐标系通常应用于物理学中。它给欧式空间中的每一个点分配三个数字(称为坐标):径向距离 r,,仰角 θ (theta),以及方位角 φ (phi)。通常使用符号 ρ (rho)来代替r。

在几何中,坐标系是使用一个或多个数字或坐标来唯一确定点或流形(如欧几里德空间)上其他几何元素的位置的系统。[1][2] 坐标的顺序很重要,有时通过它们在有序元组中的位置来识别,有时通过字母来识别,如在“x坐标”中。在初等数学中,坐标被认为是实数,但也可以是复数或更抽象系统的元素,如交换环。坐标系的使用使得几何问题转化为数字问题,反之亦然;这是解析几何的基础。[3]

1 常用坐标系编辑

1.1 数轴

坐标系最简单的例子是利用数轴用实数识别直线上的点。在这个坐标系中,在给定的直线上选择一个任意点O(原点)。点P的坐标被定义为从0到P的带符号距离,其中带符号距离是根据点P位于直线哪一侧而被视为正或负的距离。每个点都有一个唯一的坐标,每个实数都是一个唯一点的坐标。[4]

1.2 笛卡尔坐标系

平面中的笛卡尔坐标系。

坐标系的典型例子是笛卡尔坐标系。在平面中,选择两条相互垂直的线,取点的坐标为点到这些线的符号距离。

在三维空间中,选择三个相互正交的平面,一个点的三个坐标是到每个平面的符号距离。[5] 这可以推广到为n维欧几里德空间中的任何点创建n个坐标。

根据坐标轴的方向和顺序,三维系统可以是右手或左手系统。这是许多坐标系之一。

1.3 极坐标系统

平面上另一个常见坐标系是极坐标系统。[6] 选择一个点作为极点,从该点出发的射线作为极轴。对于给定的角度θ,有一条穿过极点的线,其与极轴的角度为θ(从轴到线逆时针测量)。然后这条线上有一个唯一的点,它离原点的符号距离是一个给定的数r。对于给定的一对坐标(r,θ),有一个点与之对应,但是任何一点都可由许多对坐标表示。例如,(r,θ),(r,θ+2π)和(r,θ+π)都是同一点的极坐标。对于任意值θ,极点用(0,θ)表示。

1.4 圆柱坐标系和球面坐标系

将极坐标系扩展到三维有两种常用方法。在圆柱坐标系中,具有与笛卡尔坐标含义相同的z坐标被加到r和θ极坐标上,得到三元组(r,θ,z)。[7] 球面坐标通过更进一步将一对圆柱坐标(r,z)转换成极坐标(ρ,φ),给出三元组(ρ,θ,φ)。[8]

1.5 齐次坐标系

平面上的点在齐次坐标系下可以用三元组(x,y,z)表示,其中x/z和y/z是该点的笛卡尔坐标。[9] 这引入了一个“额外”坐标,因为只需要两个坐标来指定平面上的一个点,但是这个系统是有用的,因为它表示投影平面上的任何点,而不使用无穷大来表示。一般来说,齐次坐标系中只有坐标的比值是重要的而不是其实际值。

1.6 其他常用坐标系

其他一些常见坐标系如下:

  • 曲线坐标系一般是坐标系的泛化;该坐标系以曲线的交点为基础。
    • 正交坐标:坐标平面以直角相交
    • 斜坐标:坐标平面不是正交的
  • 对数极坐标系通过距离原点的距离的对数和从与原点相交的参考线测量的角度来表示平面中的一个点。
  • 普吕克(Plücker)坐标是一种在三维欧几里得空间中用六元组数字作为齐次坐标来表示直线的方法。
  • 广义坐标用于拉格朗日力学中。
  • 正则坐标用于哈密顿力学中。
  • 重心坐标系用于三元图,更一般地用于三角形分析。
  • 三线坐标用于三角形背景下。

有一些方法可以不用坐标来描述曲线,使用曲率和弧长等不变量的内在方程。其中包括:

  • 与弧长和切向角有关的惠威尔(Whewell)方程。
  • 与弧长和曲率有关的切萨罗(Cesà ro)方程。

2 几何对象的坐标编辑

坐标系通常用于指定点的位置,但也可以用于指定更复杂图形的位置,如直线、平面、圆或球体。例如,普吕克(Plücker)坐标用于确定空间中一条线的位置。[10] 当需要时,所描述的图形类型用于区分坐标系的类型,例如术语线坐标用于指定线位置的任何坐标系。

两种不同几何图形的坐标系在它们的分析方面可能是等价的。这方面的一个例子是射影平面中点和线的齐次坐标系。这种情况下的两个系统被称为二元的。二元系统具有将一个系统的结果传递到另一个系统的特性,因为这些结果只是对同一分析结果的不同解释;这被称为对偶原理。[11]

3 变换编辑

因为通常可能有许多不同的坐标系来描述几何图形,所以理解它们之间的关系是很重要的。这种关系是通过坐标变换来描述的,坐标变换根据另一个系统中的坐标给出一个系统中坐标的公式。例如,在平面上,如果笛卡尔坐标(x,y)和极坐标(r,θ)具有相同的原点,并且极坐标是正x轴,那么从极坐标到笛卡尔坐标的坐标变换由x = r cosθ和y = r sinθ给出。

对于从空间到自身的每个双射都可以关联两个坐标变换:

  • 使得每个点的像的新坐标与原始点的旧坐标相同(映射的公式与坐标变换的公式相反)
  • 使得每个点的像的旧坐标与原始点的新坐标相同(映射的公式与坐标变换的公式相同)

例如,在一维中,如果映射是向右平移3,则第一个将原点从0移动到3,使得每个点的坐标变小3,而第二个将原点从0移动到-3,使得每个点的坐标变大3。

4 坐标线/曲线和平面/曲面编辑

在二维空间中,如果点在坐标系中的一个坐标保持不变,而另一个坐标允许变化,则所得曲线称为坐标曲线。在笛卡尔坐标系中,坐标曲线实际上是直线,因此也就是坐标线。具体来说,它们是平行于其中一个坐标轴的线。对于其他坐标系,坐标曲线可以是一般曲线。例如,通过保持常数r获得的极坐标中的坐标曲线是以原点为中心的圆。除了笛卡尔坐标系以外的欧几里德空间中的坐标系称为曲线坐标系。[12] 此过程并不总是有意义的,例如,在齐次坐标系中没有坐标曲线。

三维抛物面坐标的坐标表面。

在三维空间中,如果一个坐标保持不变,而另两个坐标允许变化,那么得到的曲面称为坐标曲面。例如,在球面坐标系中保持ρ不变而得到的坐标曲面是以原点为中心的球面。在三维空间中,两个坐标曲面相交得到一条坐标曲线。在笛卡尔坐标系中,我们可以说坐标平面。

类似地,坐标超曲面是通过固定n维坐标系的单个坐标而产生的(n-1)维空间。[13]

5 坐标图编辑

坐标图的概念是流形理论的核心。坐标图本质上是给定空间子集的坐标系,其性质是每个点正好有一组坐标。更准确地说,坐标图是从空间X的开子集到Rn的开子集的同胚。[14] 通常不可能为整个空间提供一个一致的坐标系。在这种情况下,将一组坐标图的集合放在一起形成一个覆盖空间的图集。配有这样一个图集的空间称为流形,如果坐标图重叠处的结构一致,则可以在流形上定义附加结构。例如,微分流形就是坐标之间的转换恒为一个微分函数的流形。

6 基于方向的坐标编辑

在几何和运动学中,坐标系用于描述点的(线性)位置以及轴、平面和刚体的角坐标。[15] 在后一种情况下,固定到节点的第二(通常称为“局部”)坐标系的方向是基于第一(通常称为“全局”或“世界”坐标系)定义的。例如,刚体的方向可以用方向矩阵来表示,该矩阵在其三列中包括三个点的笛卡尔坐标。这些点用于定义局部系统轴的方向;它们是与这些轴对齐的三个单位矢量的顶点。

6.1 相对论坐标系

  • 爱丁顿-芬克尔斯坦坐标
  • 高斯极坐标
  • 古尔斯特兰德-潘列夫坐标
  • 各向同性坐标
  • 克鲁斯卡尔-西克雷斯坐标
  • 史瓦西坐标

参考文献

  • [1]

    ^Woods p. 1.

  • [2]

    ^埃里克·韦斯坦因. "Coordinate System". MathWorld..

  • [3]

    ^埃里克·韦斯坦因. "Coordinates". MathWorld..

  • [4]

    ^Stewart, James B.; Redlin, Lothar; Watson, Saleem (2008). College Algebra (5th ed.). Brooks Cole. pp. 13–19. ISBN 0-495-56521-0..

  • [5]

    ^Moon P, Spencer DE (1988). "Rectangular Coordinates (x, y, z)". Field Theory Handbook, Including Coordinate Systems, Differential Equations, and Their Solutions (corrected 2nd, 3rd print ed.). New York: Springer-Verlag. pp. 9–11 (Table 1.01). ISBN 978-0-387-18430-2..

  • [6]

    ^Finney, Ross; George Thomas; Franklin Demana; Bert Waits (June 1994). Calculus: Graphical, Numerical, Algebraic (Single Variable Version ed.). Addison-Wesley Publishing Co. ISBN 0-201-55478-X..

  • [7]

    ^Margenau, Henry; Murphy, George M. (1956). The Mathematics of Physics and Chemistry. New York City: D. van Nostrand. p. 178. ISBN 978-0-88275-423-9. LCCN 55010911. OCLC 3017486..

  • [8]

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  • [9]

    ^Jones, Alfred Clement (1912). An Introduction to Algebraical Geometry. Clarendon..

  • [10]

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  • [11]

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  • [12]

    ^Tang, K. T. (2006). Mathematical Methods for Engineers and Scientists. 2. Springer. p. 13. ISBN 3-540-30268-9..

  • [13]

    ^Liseikin, Vladimir D. (2007). A Computational Differential Geometry Approach to Grid Generation. Springer. p. 38. ISBN 3-540-34235-4..

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  • [15]

    ^Hanspeter Schaub; John L. Junkins (2003). "Rigid body kinematics". Analytical Mechanics of Space Systems. American Institute of Aeronautics and Astronautics. p. 71. ISBN 1-56347-563-4..

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