Koordinaattijärjestelmä

Koordinaattijärjestelmä  on joukko määritelmiä, jotka toteuttavat koordinaattimenetelmän , eli tavan määrittää pisteen tai kappaleen sijainti ja liike käyttämällä numeroita tai muita symboleja. Numerojoukkoa, joka määrittää tietyn pisteen sijainnin, kutsutaan tämän pisteen koordinaateiksi .

Matematiikassa koordinaatit ovat joukko numeroita, jotka liittyvät moniston pisteisiin tietyn kartan jossain kartassa .

Alkeisgeometriassa koordinaatit ovat suureita , jotka määrittävät pisteen sijainnin tasossa ja avaruudessa. Tasossa pisteen sijainti määräytyy useimmiten etäisyyksillä kahdesta suorasta (koordinaattiakselista), jotka leikkaavat yhdessä pisteessä (origossa) suorassa kulmassa; yhtä koordinaateista kutsutaan ordinaatiksi ja toista kutsutaan abskissaksi . Avaruudessa Descartes-järjestelmän mukaan pisteen sijainti määräytyy etäisyyden perusteella kolmesta koordinaattitasosta, jotka leikkaavat yhdessä pisteessä suorassa kulmassa toisiinsa nähden, tai pallokoordinaateilla , joissa koordinaattien origo on koordinaattien keskipisteessä. pallo.

Maantieteessä koordinaatit valitaan ( likimäärin ) pallomaiseksi koordinaattijärjestelmäksi  – leveysaste , pituusaste ja korkeus tunnetun yhteisen tason (kuten valtameren) yläpuolella. Katso maantieteelliset koordinaatit .

Tähtitiedessä taivaankoordinaatit  ovat järjestetyt kulmasuureet (esimerkiksi oikea nousu ja deklinaatio ), jotka määrittävät valojen ja apupisteiden sijainnin taivaanpallolla. Tähtitiedessä käytetään erilaisia ​​taivaankoordinaattijärjestelmiä. Jokainen niistä on olennaisesti pallomainen koordinaattijärjestelmä (ilman säteittäistä koordinaattia), jolla on asianmukaisesti valittu perustaso ja origo. Perustason valinnasta riippuen taivaankoordinaatistoa kutsutaan vaakasuuntaiseksi (horisonttitaso), ekvatoriaaliseksi (ekvatoriaalinen taso), ekliptikaksi (ekliptinen taso) tai galaksiksi ( galaktinen taso).

Yleisimmin käytetty koordinaattijärjestelmä on suorakulmainen koordinaattijärjestelmä (tunnetaan myös nimellä suorakulmainen koordinaattijärjestelmä ).

Koordinaatit tasossa ja avaruudessa voidaan syöttää lukemattomilla eri tavoilla. Kun ratkaiset tietyn matemaattisen tai fyysisen ongelman koordinaattimenetelmällä, voit käyttää erilaisia ​​koordinaattijärjestelmiä valitsemalla se, jossa ongelma ratkaistaan ​​tässä tapauksessa helpommin tai kätevämmin. Tunnettu koordinaattijärjestelmän yleistys ovat viitekehykset ja viitejärjestelmät .

Perusjärjestelmät

Tässä osiossa selitetään perusmatematiikan yleisimmin käytetyt koordinaattijärjestelmät.

Suorakulmaiset koordinaatit

Pisteen P sijainti tasossa määritetään suorakulmaisilla koordinaateilla käyttämällä numeroparia

Avaruudessa tarvitaan kolme koordinaattia

Napakoordinaatit

Tasolle sovelletussa napakoordinaatistossa pisteen P sijainti määräytyy sen etäisyyden origosta r = |OP| ja sen sädevektorin kulma φ akseliin Ox .

Avaruudessa käytetään polaaristen koordinaattien yleistyksiä - sylinterimäisiä ja pallomaisia ​​koordinaattijärjestelmiä.

Sylinterimäiset koordinaatit

Sylinterimäiset koordinaatit  ovat polaaristen koordinaattien kolmiulotteinen analogi, jossa piste P on esitetty järjestetyllä kolmiolla.

Huomautus: kirjallisuudessa ensimmäiselle (säteittäiselle) koordinaatille käytetään joskus merkintää ρ , toiselle (kulma- tai atsimuutti) - merkintä θ , kolmannelle koordinaatille - merkintä h .

Napakoordinaateilla on yksi haittapuoli: φ :n arvoa ei ole määritelty kohdassa r = 0 .

Sylinterimäiset koordinaatit ovat hyödyllisiä tutkittaessa järjestelmiä, jotka ovat symmetrisiä jonkin akselin suhteen. Esimerkiksi pitkällä sylinterillä, jonka säde R on suorakulmaisissa koordinaateissa (jossa z -akseli osuu sylinterin akseliin), on yhtälö , kun taas sylinterimäisissä koordinaateissa se näyttää paljon yksinkertaisemmalta, koska r = R .

Pallokoordinaatit

Pallomaiset koordinaatit  ovat napaisten kolmiulotteinen analogi.

Pallomaisessa koordinaattijärjestelmässä pisteen P sijainti määritellään kolmella komponentilla: Suorakulmaisessa koordinaattijärjestelmässä,

Huomautus: Kirjallisuudessa atsimuutti on joskus merkitty θ :lla ja napakulma φ :llä . Joskus säteittäisen koordinaatin ρ :n sijaan käytetään r :tä . Lisäksi atsimuutin kulma-alueeksi voidaan valita (−180°, +180°] alueen [0°, +360°) sijaan. Lopuksi napakulmaa ei voida mitata z -akselin positiivisesta suunnasta , vaan xy -tasosta ; tässä tapauksessa se on alueella [−90°, +90°] eikä alueella [0°, 180°]. Joskus koordinaattien järjestys kolmiossa valitaan erilaiseksi kuin kuvattu; esimerkiksi napa- ja atsimuuttikulmat voidaan vaihtaa.

Pallomaisessa koordinaattijärjestelmässä on myös haittapuoli: φ ja θ eivät ole määriteltyjä, jos ρ = 0; kulmaa φ ei ​​myöskään ole määritelty raja-arvoille θ = 0 ja θ = 180° (tai arvolle θ = ±90°, jos tämän kulman sopiva alue hyväksytään).

Pisteen P rakentamiseksi sen pallokoordinaattien mukaan on tarpeen asettaa sivuun ρ :n suuruinen segmentti napasta positiivista puoliakselia z pitkin , kiertää sitä kulman θ verran y -akselin ympäri positiivisen suunnassa. puoliakseli x , ja kierrä sitä sitten kulman θ verran z -akselin ympäri positiivisen puoliakselin y suunnassa .

Pallomaiset koordinaatit ovat hyödyllisiä tutkittaessa järjestelmiä, jotka ovat symmetrisiä pisteen suhteen. Joten pallon yhtälö, jonka säde on R suorakulmaisissa koordinaateissa pallon keskipisteen origon kanssa, näyttää tältä , kun taas pallomaisissa koordinaateissa siitä tulee paljon yksinkertaisempi:

Muut yleiset koordinaattijärjestelmät

Siirtyminen koordinaattijärjestelmästä toiseen

karteesinen ja polaarinen

missä u 0  on Heaviside- funktio ja sgn  on etumerkkifunktio . Tässä funktioita u 0 ja sgn käytetään "loogisina" kytkiminä, jotka ovat merkitykseltään samanlaisia ​​kuin ohjelmointikielten operaattorit "if .. then" (if ... else). Joissakin ohjelmointikielissä on erityinen funktio atan2 ( y , x ), joka palauttaa oikean φ :n vaaditussa x- ja y -koordinaateilla määritetyssä neljänneksessä .

Karteesinen ja sylinterimäinen

Karteesinen ja pallomainen

Sylinterimäinen ja pallomainen

Maantieteellinen koordinaattijärjestelmä

Maantieteellinen koordinaattijärjestelmä tarjoaa mahdollisuuden tunnistaa mikä tahansa piste maapallon pinnalla aakkosnumeeristen merkintöjen avulla. Yleensä koordinaatit annetaan siten, että yksi osoittimista osoittaa pystysuoran sijainnin ja toinen tai muiden yhdistelmä vaakasuuntaista sijaintia . Perinteinen maantieteellisten koordinaattien joukko on leveysaste , pituusaste ja korkeus [15] . Kolmea lueteltua merkkiä käyttävä maantieteellinen koordinaattijärjestelmä on ortogonaalinen.

Maan pinnan pisteen leveysaste määritellään ekvatoriaalisen tason ja tämän pisteen kautta kulkevan suoran välisenä kulmana, joka kulkee normaalina perusellipsoidin pintaan nähden ja on muodoltaan suunnilleen sama kuin Maan. Tämä suora kulkee yleensä muutaman kilometrin säteellä maan keskipisteestä, paitsi kahdessa tapauksessa: navat ja päiväntasaaja (jolloin se kulkee suoraan keskustan läpi). Saman leveysasteen pisteitä yhdistäviä viivoja kutsutaan rinnakkaisiksi . 0° leveysaste vastaa päiväntasaajan tasoa, Maan pohjoisnapa vastaa 90° pohjoista leveyttä ja Etelänapa vastaavasti 90° eteläistä leveyttä. Maan pinnan pisteen pituus puolestaan ​​määritellään itä- tai länsisuuntaisena kulmana päämeridiaanista toiseen tämän pisteen läpi kulkevaan pituuspiiriin. Saman pituuspiirin pisteitä yhdistävät meridiaanit ovat puoliellipsejä, jotka yhtyvät navoissa. Zero on pituuspiiri, joka kulkee Lontoon lähellä sijaitsevan Greenwichin kuninkaallisen observatorion kautta . Mitä tulee korkeuteen, se mitataan geoidin ehdollisesta pinnasta , joka on abstrakti maapallon spatiaalinen esitys.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. Parkhomenko A. S. Affine koordinaattijärjestelmä. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  2. Sklyarenko E. G. Barysentriset koordinaatit. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  3. Weisstein, Eric W. Kaksisuuntaiset koordinaatit  Wolfram MathWorld -verkkosivustolla .
  4. Dolgachev I.V., Pskovskikh V.A. Kaksinapaiset koordinaatit. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  5. R. Price, jaksollisen seisovan aallon approksimaatio: Mukautetut koordinaatit ja spektrimenetelmät. . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016.
  6. Jaksottaisen seisovan aallon approksimaatio: epälineaariset skalaarikentät, sovitetut koordinaatit ja ominaisspektrimenetelmä. . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 2. huhtikuuta 2019.
  7. Sokolov D. D. Kaksisylinteriset koordinaatit. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  8. MathWorld-kuvaus kartiomaisista koordinaateista . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 6. lokakuuta 2013.
  9. MathWorld-kuvaus parabolisista koordinaateista . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 2. kesäkuuta 2013.
  10. Voitsekhovsky M. I. Projektiiviset koordinaatit. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  11. MathWorld-kuvaus toroidaalisista koordinaateista . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 20. toukokuuta 2021.
  12. Weisstein, Eric W. Trilineaariset koordinaatit  Wolfram MathWorld -verkkosivustolla .
  13. MathWorld-kuvaus parabolisista sylinterimäisistä koordinaateista . Haettu 11. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 11. marraskuuta 2020.
  14. Sokolov D. D. Ellipsoidiset koordinaatit. — Matemaattinen tietosanakirja. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1977-1985.
  15. Opas koordinointijärjestelmiin Isossa-Britanniassa Arkistoitu 22. huhtikuuta 2008. v1.7 lokakuuta 2007

Kirjallisuus

Linkit