системы координат
.rtf2. Системы координат
2.1. Декартова система координат
Две перпендикулярные оси на плоскости с общим началом и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат на плоскости.
Одна из осей называется осью Ox, или осью абсцисс, другая – осью Oy, или осью ординат. Эти оси называют также координатными осями.
Обозначим через Mx и My соответственно проекции произвольной точки M плоскости на оси Ox и Oy.
Декартовыми прямоугольными координатами x и y точки M будем называть соответственно величины направленных отрезков и :
- если направления и Ox совпадают, то координата x равна длине ,
- если противоположны, то x равна длине , взятой со знаком «минус». Применяется обозначение M(x, y).
Аналогично определяется координата y.
Три взаимно перпендикулярные оси в пространстве с общим началом и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат в пространстве.
Одна из осей называется осью Ox, или осью абсцисс, другую – осью Oy, или осью ординат, третья – осью Oz или осью аппликат. Эти оси называют также координатными осями в пространстве.
Декартовы прямоугольные координаты точки в пространстве определяются так же как и на плоскости .
2.2. Полярная система координат
Полярная система на плоскости задается точкой О, называемой полюсом, лучом ОР, называемым полярной осью и вектором единичной длины и того же направления, что и луч ОР.
Возьмем на плоскости точку М. Положение точки М определяется двумя числами: её расстоянием r=|ОМ| от полюса О и углом j, образованным отрезком ОМ с полярной осью; при этом отсчет углов ведется в направлении, противоположном движению часовой стрелки.
Числа r, j называются полярными координатами точки М. Пишут М(r; j). При этом r называется полярным радиусом, j – полярным углом. Рассматривают главные значение полярного угла – из полуинтервала [0; 2p). Полярные координаты связаны с прямоугольными следующим образом (на рисунке полярная ось совпадет с осью абсцисс):
полярный радиус вычисляется по формуле ;
угол j в зависимости от значений x, y определяется по формулам
j = arctg(y/x), если x > 0, y ³ 0;
j = p – arctg(y/x), если x < 0, y < 0 или x < 0, y ³ 0;
j = 2p + arctg(y/x), если x > 0, y < 0;
j = p/2, если x = 0, y > 0;
j = 3p/2, если x = 0, y < 0.
Для начала координат О r=0, а угол j может быть произвольным.
Если же точка М задана в полярных координатах (r; j), а полярная ось совпадает с осью абсцисс, то
x = r cos j, y = r sin j.
2.3. Представление векторов в декартовой системе координат
Рассмотрим в пространстве декартову систему координат Oxyz. Выделим на координатных осях Оx, Оy и Oz единичные векторы (орты) и обозначим их , и .
Выберем произвольный вектор и совместим его начало с началом координат = . Найдем проекции ax, ay, az вектора на координатные оси Оx, Оy и Oz. Для этого проведем через конец вектора плоскости параллельно координатным плоскостям. Точки пересечения этих плоскостей с осями координат обозначим соответственно М1, М2, М3. Получим прямоугольный параллелепипед. Имеем
= ++.
Но = ax, = ay, = az, откуда
= ax+ ay+ az. (1)
Поскольку векторы , и некомпланарные, то представление вектора в виде линейной комбинации (1) единственно.
Формула (1) является основной в векторном исчислении и называется разложением вектора по ортам координатных осей. Числа ax, ay, az называются координатами вектора , то есть координаты вектора – это его проекции на соответствующие координатные оси.
Векторное равенство (1) часто записывают в символическом виде:
= (ax, ay, az).
Модуль вектора равен
Пусть углы вектора с осями Оx, Оy и Oz, соответственно, равны α, β и γ. Тогда
Следовательно:
Числа cosα, cosβ и cosγ называются направляющими косинусами вектора . Очевидно, что
сos2α + cos2β + cos2γ = 1.
Пусть в пространстве задана прямоугольная декартова система координат Оxyz. Для любой точки М координаты вектора называются координатами точки М. Вектор называется радиус-вектором точки М, и обозначается = . Следовательно, координаты точки – это координаты её радиус-вектора (x, y, z) или = x+ y+ z. Координаты точки М записываются: М(x, y, z).
Даны две точки А(x1, y1, z1) и В(x2, y2, z2). Тогда
= = (x2 – x1, y2 – y1, z2 – z1).
Все приведенные выше определения и утверждения, касающиеся представления векторов в координатной форме, справедливы и для векторов на плоскости: в этом случае будут фигурировать не три, а лишь две координаты.
2.4. Действия над векторами в декартовой системе координат
Равенство векторов.
Два вектора и равны тогда и только тогда, если
.
Линейные операции над векторами.
Пусть векторы = (ax, ay, az) и = (bх; by; bz) заданы своими проекциями на оси координат Оx, Оy и Oz:
= ax+ ay+ az,
= bх+ by + bz
Операции над векторами сводятся к соответствующим линейным операциям над проекциями этих векторов, то можно записать:
1) ± = (ах ± bх) + (аy ± by ) + (аz ± bz)
или
± = (ах ± bх; аy ± by ; аz ± bz)
2) λ = λax+ λay+ λazили λ = (λах; λаy; λаz)
Коллинеарность векторов
Теорема 1. Два заданных вектора = (ax, ay, az) и = (bх; by; bz) коллинеарные, если найдется такое действительное число l, что будет справедливо векторное равенство =l. При этом число l определяется единственным образом.
Равенство =lможно представить в виде пропорции
Таким образом проекции коллинеарных векторов пропорциональны. Верно и обратное утверждение: два вектора, имеющие пропорциональные координаты, коллинеарны.
Представление скалярного произведения в координатной форме
Даны два вектора =(ax, ay, az) и =(bх; by; bz). Их скалярное произведение в координатной форме:
(,) = ax bх + ay by + az bz .
Все приведенные в этом пункте определения и утверждения, справедливы и для векторов на плоскости: в этом случае будут фигурировать не три, а лишь две координаты.