Прямоугольная система координат через вектора

Системы координат

Декартова система координат.

Фиксируем в пространстве точку \(O\) и рассмотрим произвольную точку \(M\). Радиус-вектором точки \(M\) по отношению к точке \(O\) называется вектор \(\overrightarrow\). Если в пространстве кроме точки \(O\) выбран некоторый базис, то точке \(M\) сопоставляется упорядоченная тройка чисел — компоненты ее радиус-вектора.

Декартовой системой координат в пространстве называется совокупность точки и базиса.

Точка носит название начала координат. Прямые, проходящие через начало координат в направлении базисных векторов, называются осями координат; первая — осью абсцисс, вторая — осью ординат, третья — осью аппликат. Плоскости, проходящие через оси координат, называются координатными плоскостями.

Пусть дана декартова система координат \(O\), \(\boldsymbol>\), \(\boldsymbol>\), \(\boldsymbol>\). Компоненты \(x\), \(y\), \(z\) радиус-вектора \(\overrightarrow\) точки \(M\) называются координатами точки \(M\) в данной системе координат:
$$
\overrightarrow = x\boldsymbol> + y\boldsymbol> + z\boldsymbol>.\nonumber
$$
Первая координата называется абсциссой, вторая — ординатой, а третья — аппликатой.

Аналогично определяются координаты на плоскости и на прямой линии. Разумеется, точка на плоскости имеет только две координаты, а на прямой линии — одну.

Координаты точки пишут в скобках после буквы, обозначающей точку. Например, запись \(A(2,\ 1/2)\) означает, что точка \(A\) имеет координаты 2 и 1/2 в ранее выбранной декартовой системе координат на плоскости (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Координаты точки, как и компоненты вектора, — величины безразмерные. В частности, они не зависят от выбранной единицы измерения длин. В самом деле, раскладывая векторы в теореме о линейной зависимости систем векторов, мы сводили дело к разложению вектора по коллинеарному с ним ненулевому вектору. А в этом случае компонента равна отношению длин, взятому с определенным знаком.
Легко видеть, что при заданной системе координат координаты точки определены однозначно. С другой стороны, если задана система координат, то для каждой упорядоченной тройки чисел найдется единственная точка, имеющая эти числа в качестве координат. Система координат на плоскости определяет такое же соответствие между точками плоскости и парами чисел. Задание системы координат на прямой линии сопоставляет каждой точке вещественное число и каждому числу — точку.

Рис. 2.2

Рассмотрим две точки \(A\) и \(B\), координаты которых относительно некоторой декартовой системы координат \(O\), \(\boldsymbol>\), \(\boldsymbol>\), \(\boldsymbol>\) соответственно \(x_<1>\), \(y_<1>\), \(z_<1>\) и \(x_<2>\), \(y_<2>\), \(z_<2>\). Поставим себе задачу найти компоненты вектора \(\overrightarrow\). Очевидно, что \(\overrightarrow = \overrightarrow-\overrightarrow\) (рис. 2.2). Компоненты радиус-векторов \(\overrightarrow\) и \(\overrightarrow\) равны (\(x_<1>\), \(y_<1>\), \(z_<1>\)) и (\(x_<2>\), \(y_<2>\), \(z_<2>\)) по определению координат. Из ранее доказанного предположения следует, что \(\overrightarrow\) имеет компоненты (\(x_<2>-x_<1>\), \(y_<2>-y_<1>\), \(z_<2>-z_<1>\)). Этим доказано следующее утверждение.

Чтобы найти координаты вектора, нужно из координат его конца вычесть координаты его начала.

Деление отрезка в заданном отношении.

Найдем координаты точки \(M\) на отрезке \(AB\), которая делит этот отрезок в отношении \(\lambda/\mu\), то есть удовлетворяет условию
$$
\frac<|AM|> <|MB|>= \frac<\lambda><\mu>,\ \lambda > 0,\ \mu > 0\nonumber
$$
(рис. 2.3). Это условие можно переписать в виде
$$
\mu\overrightarrow = \lambda\overrightarrow.\label
$$

Читайте также:  Как решить задачу с касательными к окружности

Рис. 2.3

Обозначив через (\(x_<1>\), \(y_<1>\), \(z_<1>\)) и (\(x_<2>\), \(y_<2>\), \(z_<2>\)) соответственно координаты точек \(A\) и \(B\), а через (\(x\), \(y\), \(z\)) координаты точки \(M\), разложим обе части равенства по базису, причем компоненты векторов \(\overrightarrow\) и \(\overrightarrow\) найдем по предложению 1. Тогда
$$
\mu(x-x_<1>) = \lambda(x_<2>-x),\ \mu(y-y_<1>) = \lambda(y_<2>-y),\ \mu(z-z_<1>) = \lambda(z_<2>-z).\nonumber
$$
Из этих равенств можно найти \(x\), \(y\) и \(z\), поскольку \(\lambda + \mu \neq 0\):
$$
x = \frac <\mu x_<1>+ \lambda x_<2>><\lambda + \mu>,\ y = \frac <\mu y_<1>+ \lambda y_<2>><\lambda + \mu>,\ z = \frac <\mu z_<1>+ \lambda z_<2>><\lambda + \mu>\label
$$
Если в формулах \eqref мы будем считать одно из чисел \(\lambda\) или \(\mu\) отрицательным, то из равенства \eqref увидим, что \(M\) находится на той же прямой вне отрезка \(AB\), деля его в отношении |\(\lambda/\mu\)|. Поэтому из формул \eqref можно найти координаты точки, делящей отрезок в заданном отношении как внутренним, так и внешним образом.

На плоскости и на прямой линии задача о делении отрезка решается точно так же, только из трех равенств в \eqref остается соответственно два и одно равенство.

Декартова прямоугольная система координат.

Общие декартовы системы координат используются реже, чем специальный класс таких систем — декартовы прямоугольные системы координат.

Базис называется ортонормированным, если его векторы попарно ортогональны и по длине равны единице. Декартова система координат, базис которой ортонормирован, называется декартовой прямоугольной системой координат.

Нетрудно проверить, что координаты точки относительно декартовой прямоугольной системы координат в пространстве по абсолютной величине равны расстояниям от этой точки до соответствующих координатных плоскостей. Они имеют знак плюс или минус в зависимости от того, лежит точка по ту же или по другую сторону от плоскости, что и конец базисного вектора, перпендикулярного этой плоскости.

Аналогично находят координаты точки относительно декартовой прямоугольной системы координат на плоскости.

Полярная система координат.

Декартовы системы координат не единственный способ определять при помощи чисел положение точки на плоскости. Для этого используются многие другие типы координатных систем. Здесь мы опишем некоторые из них.

На плоскости часто употребляется полярная система координат. Она определена, если задана точка \(O\), называемая полюсом, и исходящий из полюса луч \(l\), который называется полярной осью. Положение точки \(M\) фиксируется двумя числами: радиусом \(r = \overrightarrow\) и углом \(\varphi\) между полярной осью и вектором \(\overrightarrow\). Этот угол называется полярным углом (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Мы будем измерять полярный угол в радианах и отсчитывать от полярной оси против часовой стрелки. У полюса \(r = 0\), а \(\varphi\) не определено. У остальных точек \(r > 0\), а \(\varphi\) определяется с точностью до слагаемого, кратного 2\(\pi\). Это означает, что пары чисел \((r,\ \varphi)\), \((r,\ \varphi + 2\pi)\) и вообще (\(r\), \(\varphi + 2k\pi\)), где \(k\) — любое целое число, представляют собой полярные координаты одной и той же точки.

Иногда ограничивают изменение полярного угла какими-нибудь условиями, например, \(0 \leq \varphi 0\), то паре \((r,\ \varphi)\) ставим в соответствие точку, радиус-вектор которой имеет длину \(r\) и составляет с полярной осью угол \(\varphi\). При этом парам чисел \((r,\ \varphi)\) и \((r_<1>,\ \varphi_<1>)\) сопоставляется одна и та же точка, если \(r = r_<1>\), а \(\varphi = \varphi_ <1>= 2\pi k\), где \(k\) — целое число.

Читайте также:  Окружности касающиеся внешним образом изображены на рисунке

Выберем на плоскости декартову прямоугольную систему координат, поместив ее начало в полюс \(O\) и приняв за базис векторы \(\boldsymbol>\) и \(\boldsymbol>\) длины \(l\), направленные соответственно вдоль полярной оси и под углом \(\pi/2\) к ней (угол отсчитывается против часовой стрелки). Как легко видеть из рис. 2.4, декартовы координаты точки выражаются через ее полярные координаты формулами
$$
x = r \cos \varphi,\ y = r \sin \varphi.\label
$$

Цилиндрические и сферические координаты.

В пространстве обобщением полярных систем координат являются цилиндрические и сферические системы координат. И для тех, и для других фигура, относительно которой определяется положение точки, состоит из точки \(O\), луча \(l\), исходящего из \(O\), и вектора \(\boldsymbol\), равного по длине 1 и перпендикулярного к \(l\). Через точку \(O\) проведем плоскость \(\Theta\), перпендикулярную вектору \(\boldsymbol\). Луч \(l\) лежит в этой плоскости.

Пусть дана точка \(M\). Опустим из нее перпендикуляр \(MM’\) на плоскость \(\Theta\).

Цилиндрические координаты точки \(M\) — это три числа \(r\), \(\varphi\), \(h\). Числа \(r\) и \(\varphi\) — полярные координаты точки \(M’\) по отношению к полюсу \(O\) и полярной оси \(l\), a \(h\) — компонента вектора \(\overrightarrow\) по вектору \(\boldsymbol\). Она определена, так как эти векторы коллинеарны (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Сферические координаты точки — три числа (\(r\), \(\varphi\), \(\theta\)). Они определяются так: \(r = |\overrightarrow|\). Как и для цилиндрических координат, \(\varphi\) — угол вектора \(\overrightarrow>\) с лучом \(l\), а \(\theta\) — угол вектора \(\overrightarrow\) с плоскостью \(\Theta\) (рис. 2.6).

Рис. 2.6

Источник

Координаты вектора в декартовой системе координат (ДСК)

Для начала дадим определение координат вектора в заданной системе координат. Чтобы ввести данное понятие, определим что мы называем прямоугольной или декартовой системой координат.

Прямоугольная система координат представляет из себя прямолинейную систему координат с взаимно перпендикулярными осями на плоскости или в пространстве.

С помощью введения прямоугольной системы координат на плоскости или в трехмерном пространстве становится возможным описывание геометрических фигур вместе с их свойствами при помощи уравнений и неравенств, то есть использовать алгебраические методы при решении геометрических задач.

Тем самым, мы можем привязать к заданной системе координат векторы. Это значительно расширит наши возможности при решении определенных задач

Прямоугольная система координат на плоскости обычно обозначается O x y , где O x и O y – оси коорднат. Ось O x называют осью абсцисс, а ось O y – осью ординат (в пространстве появляется ещё одна ось O z , которая перпендикулярна и O x и O y ).

Итак, нам дана прямоугольная декартова система координат O x y на плоскости если мы отложим от начала координат векторы i → и j → , направление которых соответственно совпадет с положительными направлениями осей O x и O y , и их длина будет равна условной единице, мы получим координатные векторы. То есть в данном случае i → и j → являются координатными векторами.

Координатные векторы

Векторы i → и j → называются координатными векторами для заданной системы координат.

Откладываем от начала координат произвольный вектор a → . Опираясь на геометрическое определение операций над векторами, вектор a → может быть представлен в виде a → = a x · i → + a y · j → , где коэффициенты a x и a y — единственные в своем роде, их единственность достаточно просто доказать методом от противного.

Читайте также:  Abcd трапеция доказать bc равно df

Разложение вектора

Разложением вектора a → по координатным векторам i → и j → на плоскости называется представление вида a → = a x · i → + a y · j → .

Коэффициенты a x и a y называются координатами вектора в данной системе координат на плоскости.

Координаты вектора в данной системе координат принято записывать в круглых скобках, через запятую, при этом заданные координаты следует отделять от обозначения вектора знаком равенства. К примеру, запись a → = ( 2 ; — 3 ) означает, что вектор a → имеет координаты ( 2 ; — 3 ) в данной системе координат и может быть представлен в виде разложения по координатным векторам i → и j → как a → = 2 · i → — 3 · j → .

Следует обратить внимание, что порядок записи координат, имеет важное значение, если вы запишите координаты вектора в другом порядке, вы получите совершенно другой вектор.

Опираясь на определения координат вектора и их разложения становится очевидным, что единичные векторы i → и j → имеют координаты ( 1 ; 0 ) и ( 0 ; 1 ) соответственно, и они могут быть представлены в виде следующих разложений i → = 1 · i → + 0 · j → ; j → = 0 · i → + 1 · j → .

Также имеет место быть нулевой вектор 0 → с координатами ( 0 ; 0 ) и разложением 0 → = 0 · i → + 0 · j → .

Равные и противоположные векторы

Векторы a → и b → равны тогда, когда их соответствующие координаты равны.

Противоположным вектором называется вектор противоположный данному.

Отсюда следует, что координаты такого вектора будут противоположны координатам данного вектора, то есть, — a → = ( — a x ; — a y ) .

Все вышеизложенное можно аналогично определить и для прямоугольной системы координат, заданной в трехмерном пространстве. В такой системе координат имеет место быть тройка координатных векторов i → , j → , k → , а произвольный вектор a → раскладывается не по двум, а уже по трем координатам, причем единственным образом и имеет вид a → = a x · i → + a y · j → + a z · k → , а коэффициенты этого разложения ( a x ; a y ; a z ) называются координатами вектора в данной (трехмерной) системе координат.

Следовательно, координатные векторы в трехмерном пространстве принимают также значение 1 и имеют координаты i → = ( 1 ; 0 ; 0 ) , j → = ( 0 ; 1 ; 0 ) , k → = ( 0 ; 0 ; 1 ) , координаты нулевого вектора также равны нулю 0 → = ( 0 ; 0 ; 0 ) , и в таком случае два вектора будут считаться равными, если все три соответствующие координаты векторов между собой равны a → = b → ⇔ a x = b x , a y = b y , a z = b z , и координаты противоположного вектора a → противоположны соответствующим координатам вектора a → , то есть, — a → = ( — a x ; — a y ; — a z ) .

Координаты радиус-вектора точки

Чтобы ввести данное определение, требуется показать в данной системе координат связь координат точки и координат вектора.

Пусть нам дана некоторая прямоугольная декартова система координат O x y и на ней задана произвольная точка M с координатами M ( x M ; y M ) .

Вектор O M → называется радиус-вектором точки M .

Определим, какие координаты в данной системе координат имеет радиус-вектор точки

Вектор O M → имеет вид суммы O M → = O M x → + O M y → = x M · i → + y M · j → , где точки M x и M y это проекции точки М на координатные прямые Ox и Oy соответственно (данные рассуждения следуют из определения проекция точки на прямую), а i → и j → — координатные векторы, следовательно, вектор O M → имеет координаты ( x M ; y M ) в данной системе координат.

Иначе говоря, координаты радиус-вектора точки М равны соответствующим координатам точки М в прямоугольной декартовой системе координат.

Аналогично в трехмерном пространстве радиус-вектор точки M ( x M ; y M ; z M ) разлагается по координатным векторам как O M → = O M x → + O M y → + O M z → = x M · i → + y M · j → + z M · k → , следовательно, O M → = ( x M ; y M ; z M ) .

Источник

Поделиться с друзьями
Объясняем