Układ współrzędnych

Prawoskrętny układ współrzędnych

Układ współrzędnych – odwzorowanie wzajemnie jednoznaczne przypisujące każdemu punktowi przestrzeni $R^{n}$ skończony ciąg (n-krotkę) liczb rzeczywistych zwanych współrzędnymi punktu $\mathbf {x} \in R^{n}$.

Do określenia układu współrzędnych potrzebne jest

1. ustalenie punktu początkowego $O$ (O, ang. origin), tzw. początku układu,
2. ustalenie bazy wektorów przestrzeni $\{{\vec {e}}_{1},{\vec {e}}_{2},\dots ,{\vec {e}}_{n}\},$ za pomocą których można wyrazić wektory wodzące ${\vec {OP}}$ punktów $P$ przestrzeni jako kombinacje liniowe wektorów bazy, tj. ${\vec {OP}}=a_{1}{\vec {e}}_{1}+a_{2}{\vec {e}}_{2}+\dots +a_{n}{\vec {e}}_{n}.$

Współczynniki $a_{1},a_{2},\dots ,a_{n}$ stojące przy wektorach bazy, na które rozkłada się dany wektor wodzący, stanowią współrzędne danego punktu w przyjętym układzie współrzędnych.

W szczególności przyjęcie punktu początkowego oraz jednego wektora jako wektora jednostkowego na prostej tworzy oś liczbową.

Przykład osi liczbowej

Liczba współrzędnych a wymiar przestrzeni

Liczba współrzędnych potrzebnych do określenia położenia punktu w danej przestrzeni jest równa wymiarowi tej przestrzeni. W szczególności:

1. dla przestrzeni 1-wymiarowej, np. prostej, okręgu, elipsy itp. wystarczy 1 współrzędna,
2. dla przestrzeni 2-wymiarowej – płaszczyzny $R^{2},$ sfery (powierzchni kuli) itp. potrzebne są 2 współrzędne,
3. dla przestrzeni 3-wymiarowej – przestrzeni $R^{3},$ kuli itp. potrzebne są 3 współrzędne,
4. dla przestrzeni Euklidesowych n-wymiarowych potrzeba n współrzędnych,
5. dla rozmaitości topologicznych liczba współrzędnych niezbędnych do określenia położenia punktu jest równa wymiarowi przestrzeni Euklidesowej, lokalnie homeomorficznej z daną rozmaitością.

W ogólności do opisania położeń punktów w różnych przestrzeniach wprowadza się układy współrzędnych krzywoliniowych, np.

1. dla punktów okręgu wystarczy podać jedną współrzędną biegunową $\phi ,$
2. dla punktów sfery wystarczy podać dwie współrzędne sferyczne $\phi ,\theta ,$
3. dla punktów kuli wystarczy podać trzy współrzędne prostokątne $x,y,z$ lub sferyczne $r,\phi ,\theta .$

Liczba współrzędnych użytych do określenia położenia danego punktu może być większa, jeżeli daną przestrzeń rozważa się jako podprzestrzeń przestrzeni o większej liczbie wymiarów. Np. powierzchnia sfery o promieniu $r$ zanurzona w przestrzeni 3-wymiarowej może być opisana za pomocą 3 współrzędnych prostokątnych $x,y,z,$ przy czym między współrzędnymi zachodzi zależność

$x^{2}+y^{2}+z^{2}=r^{2}.$

Uogólnienia

(1) Rozważa się przestrzenie nieskończenie wymiarowe.

(2) Obok układu współrzędnych prostokątnych, w których linie współrzędnych są prostymi wzajemnie prostopadłymi, wprowadza się

• układy skośne, w których linie współrzędnych nie są wzajemnie prostopadłe,
• układy krzywoliniowe, w których linie współrzędnych nie są liniami prostymi.

(3) Obok współrzędnych, które są liczbami rzeczywistymi, rozważa się współrzędne będące liczbami zespolonymi lub współrzędne będące elementami dowolnego ciała.

Rodzaje układów współrzędnych

• układ współrzędnych kartezjańskich (prostokątnych)
• układ współrzędnych biegunowych (polarnych)
• układ współrzędnych walcowych (cylindrycznych)
• układ współrzędnych sferycznych
  • układ współrzędnych astronomicznych
    • układ współrzędnych horyzontalnych
    • układ współrzędnych równikowych
      • układ współrzędnych równikowych godzinnych
      • układ współrzędnych równikowych równonocnych
    • układ współrzędnych galaktycznych
    • układ współrzędnych supergalaktycznych
  • układ współrzędnych geograficznych
  • układ współrzędnych geodezyjnych (elipsoidalnych)
    • układ współrzędnych 1942
    • układ współrzędnych 1965
    • układ współrzędnych 1992
    • układ współrzędnych 2000

Zobacz też

• państwowy system odniesień przestrzennych
• transformacja współrzędnych
• układ odniesienia
• układ wysokościowy

Linki zewnętrzne

• OGP Geomatics Committee, Rejestr układów /systemów współrzędnych na świecie (ang.)
• spatialreference.org, Wykaz układów /systemów współrzędnych na świecie (ang.)
• CRS-EU Operator, Lista układów / systemów współrzędnych i wysokości w Europie (ang.)