如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标今天继续我们的解析几何漫谈之二 解析几何的基本思想就是在平面上引进坐标的概念 建立点和坐标之间的对应关系 从而把图形转化为代数方程进行研究

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今天继续我们的解析几何漫谈之二。

解析几何的基本思想就是在平面上引进坐标的概念,建立点和坐标之间的对应关系,从而把图形转化为代数方程进行研究。

笛卡尔从点的轨迹出发建立曲线的方程,把几何转换为代数进行研究;费马反过来,他从方程出发研究数对所对应的点的轨迹——两位大师你来我往,解析几何这门学问,就在两位大师手下创立起来。

要把一个空间结构图形用代数形式来表示,首先必须确定最基本的元素——点——是如何标定的。

所谓标定,就是告诉我们这个点在哪,它的位置又是和谁相比较得到的。

我们先从最简单的一维情形开始讨论:

为了避免出现歧义,我们首先要做一个约定,我们文中讨论的“点”,除非单独说明,都是指纯粹的点,也就是这个点我们虽然能看得到,但是它是没有面积的。

在一维状态下,一个纯粹点的位置,可以在数轴上,用这个点到原点的距离和方向来标定,比如-5或者+3等。

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

这其实是告诉我们,要在一维空间中标定一个点的位置,必须首先规定一个数轴,确定一个原点。

数轴是人为规定的一条有方向的直线,原点位于数轴之上,就是实数的0点,它的左侧是负值,右侧是正值,而且分度均匀,左右对称。

在二维平面中,可以采用点的直角坐标确定一个点的位置,如点A(4,3):

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

同样的,直角坐标系也是人为规定的,首先规定一个原点,然后把两个相互垂直的x轴和y轴,在原点处重合在一起建立的。

除了直角坐标系,在二维平面上,还可以用极坐标系的方式标定一个空间点的极坐标位置。

极坐标系只需展示一个x数轴,用点相对于x轴的旋转角度——极角θ,以及这个点到原点的距离——极径ρ,来标定点的位置,如下图:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

原点O现在称为极点,x轴现在称为极轴,OA称为极径。

采用点的极坐标,一样可以确定A点相对于原点的位置。

A(ρ,θ)和直角坐标系中的A(4,3)是同一个点。

只不过现在的位置由原来直角坐标中的x, y,换成了极径、和极角来标定,二者之间的换算关系如下:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

其实在二维平面中,我们还可以采用一种斜坐标系来标定一个点的位置。

斜坐标系是仿射坐标系的二维形式,不过,我们中学阶段很少涉及到它,从实用角度出发,我们就不再费心巴拉聊它了。

到了三维空间,一个点的位置就可以由三维直角坐标来标定:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

当然也可以由一个柱坐标系来标定:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

柱坐标可以看成点在二维平面上的极坐标,然后再拔高了一个高度z而已。

在某些特殊领域,有时也会采用球坐标来标定一个空间点的位置:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

球坐标其实也很好记忆,我们把点A放到一个球面上,用它到球心的距离r,以及从球心观察点A呈现的高度角φ,以及点A在xoy平面上的投影与x轴的夹角来标定它的位置。

可以理解为先把点A放到我们熟悉的二维平面上,标定它和x轴之间的夹角θ,然后让A它在球面上移动,上升或者下降,标注它离开球心的距离r以及和z轴的夹角就可以了。

把A点放到球面上,实际就是确定大球的半径r和球小圆(平行于xoy的平面和大球的截线形成的圆)所在的位置,从而确定从球心观察A点的仰角90-φ,球坐标中和x轴的夹角θ,其实在球小圆所在的平面内就可以直接确定。

球坐标和直角坐标的换算关系,从上图中可以轻松得到:

如何标定一个点在空间的位置——直角坐标、极坐标、柱坐标球坐标

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