Układ współrzędnych biegunowych

Układ współrzędnych biegunowych (układ współrzędnych polarnych) – układ współrzędnych na płaszczyźnie wyznaczony przez pewien punkt $O$ zwany biegunem oraz półprostą $OS$ o początku w punkcie $O$ zwaną osią biegunową.

Definicja

Każdemu punktowi $P$ płaszczyzny przypisujemy jego współrzędne biegunowe, jak następuje^[1]:

promień wodzący punktu $P$ to jego odległość $|OP|$ od bieguna,
amplituda punktu $P$ to wartość kąta skierowanego pomiędzy półprostą $OS$ a wektorem ${\overrightarrow {OP}}.$

Dla jednoznaczności przyjmuje się, że współrzędne bieguna $O$ są równe $(0,0).$ O amplitudzie możemy zakładać, że $0\leqslant \varphi <2\pi$ (niektórzy autorzy przyjmują $-\pi <\varphi \leqslant \pi$ ).

Rys historyczny

Układ współrzędnych biegunowych został wprowadzony i rozwinięty w Europie w XVII wieku.

W XVII w. Bonaventura Cavalieri^[2] użył współrzędnych biegunowych, aby wyznaczyć pole obszaru ograniczonego pierwszym „obrotem” spirali Archimedesa.
W 1647 Grégoire de Saint-Vincent opublikował pracę, w której używał współrzędnych biegunowych i twierdził, że znał tę metodę już w 1625.
W 1658 Blaise Pascal używał układu biegunowego do wyznaczenia długości łuków krzywych.
W 1661 James Gregory, szkocki matematyk, użył podobnej metody.
Isaac Newton^[3] dyskutował różne układy współrzędnych, m.in. używał układu biegunowego.
Jakob Bernoulli używał tego układu w badaniach krzywizny pewnych krzywych. Uważa się go za twórcę biegunowego układu współrzędnych we współczesnej formie.

Według Juliana Coolidge’a (amerykański matematyk i historyk Uniwersytetu Harvarda)^[4] pierwszeństwo w stosowaniu układu biegunowego należy przyznać Cavalierierimu albo Saint-Vincentemu.

Związek z układem kartezjańskim

Rozważmy dwa układy współrzędnych na płaszczyźnie: układ kartezjański $OXY$ oraz układ biegunowy z biegunem $O$ i osią biegunową $OX.$

Przejście od układu biegunowego do kartezjańskiego

Dla danego wektora wodzącego $r\geqslant 0$ i amplitudy $\varphi \in [0,2\pi )$ punktu $P,$ jego współrzędne kartezjańskie są określone wzorami^[5]^[6]:

{\begin{cases}x(r,\varphi )=r\cdot \cos \varphi ,\\y(r,\varphi )=r\cdot \sin \varphi .\end{cases}}

Jakobian przejścia wynosi

{\frac {D(x,y)}{D(r,\varphi )}}=\left|{\begin{matrix}{\frac {\partial x}{\partial r}}&{\frac {\partial x}{\partial \varphi }}\\{\frac {\partial y}{\partial r}}&{\frac {\partial y}{\partial \varphi }}\end{matrix}}\right|=\left|{\begin{matrix}\cos \varphi &-r\sin \varphi \\\sin \varphi &r\cos \varphi \end{matrix}}\right|

=r(\cos ^{2}\varphi +\sin ^{2}\varphi )=r.

Przejście od układu kartezjańskiego do biegunowego

Dla punktu $P$ o współrzędnych kartezjańskich $(x,y)$ promień wodzący tego punktu może być wyznaczony na podstawie twierdzenia Pitagorasa^[6]^[7]:

r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}.

Jeśli $r\neq 0$ i $x\neq 0,$ to z definicji funkcji tangens:

\operatorname {tg} \,\varphi ={\tfrac {y}{x}}

^[7],

zatem amplituda $\varphi$ tego punktu jest dana wzorem^[8]:

\varphi =\operatorname {arctg} \;\left({\tfrac {y}{x}}\right)

(o ile dopuszczamy ujemne wartości $\varphi$ ).

Natomiast aby otrzymać $0\leqslant \varphi <2\pi ,$ należy rozważyć następujące przypadki:

\varphi ={\begin{cases}\operatorname {arctg} \;({\tfrac {y}{x}}),&{\mbox{gdy }}x>0{\mbox{ oraz }}y\geqslant 0\\\operatorname {arctg} \;({\tfrac {y}{x}})+2\pi ,&{\mbox{gdy }}x>0{\mbox{ oraz }}y<0\\\operatorname {arctg} \;({\tfrac {y}{x}})+\pi ,&{\mbox{gdy }}x<0\\{\tfrac {\pi }{2}},&{\mbox{gdy }}x=0{\mbox{ oraz }}y>0\\{\tfrac {3\pi }{2}},&{\mbox{gdy }}x=0{\mbox{ oraz }}y<0\end{cases}},

gdzie $\operatorname {arctg}$ oznacza funkcję arcus tangens. W zakresie kątów $(-\pi ,\pi )$ można ten zapis uprościć do

\varphi =\arccos \left({\tfrac {x}{r}}\right)\;\operatorname {sgn}(y),

gdzie $\operatorname {sgn}$ oznacza funkcję signum.

Równania biegunowe krzywych algebraicznych

Krzywą algebraiczną nazywa się krzywą płaską, której równanie w układzie współrzędnych kartezjańskich jest wielomianem $W(x,y)$

zmiennych $x,y.$ Stopniem krzywej algebraicznej – to maksymalny stopień wszystkich składników wielomianu postaci $x^{i}y^{j}.$

Równaniami biegunowymi krzywych nazywa się równania krzywych algebraicznych zapisane w układzie biegunowym. Dla wielu krzywych równania te cechuje szczególna symetria lub prostota.

Okrąg

Okrąg o środku w punkcie $(r_{0},\varphi _{0})$ i promieniu $a>0$ jest opisany przez równanie

r^{2}-2rr_{0}\cos(\varphi -\varphi _{0})+r_{0}^{2}=a^{2}.

Okrąg jest krzywą algebraiczną 2-go stopnia. Gdy środek znajduje się w biegunie układu współrzędnych, to równanie okręgu przybiera szczególnie prostą postać

r=a.

Róża

Krzywa znana pod nazwą róży lub róży polarnej opisana jest przez równanie

r=a\cos(k\varphi +\varphi _{0}),

gdzie $\varphi _{0}$ jest dowolną stałą, $a$ jest parametrem wyznaczającym długość „płatków” róży, a $k$ jest parametrem wyznaczającym liczbę i formę „płatków” róży.

Jeśli $k$ jest nieparzystą liczbą całkowitą, to róża będzie miała $k$ płatków, a jeśli $k$ jest parzystą liczbą całkowitą, to róża będzie miała $2k$ płatków. Dla innych wartości $k$ kształt krzywej może być bardziej skomplikowany.

Spirala Archimedesa

Spirala Archimedesa jest przedstawiona przez równanie

r=a+b\varphi .

Parametry $a,b$ w powyższym równaniu odpowiedzialne są za kształt spirali: zmiana $a$ spowoduje obrócenie krzywej, a wartość $b$ wyznacza odległość pomiędzy ramionami.

Prosta

Prosta radialna, tzn. prosta przechodząca przez biegun, jest zadana przez równanie

\varphi =\varphi _{0},

gdzie $\varphi _{0}$ to nachylenie prostej.

Prosta nieradialna, która jest prostopadła do prostej radialnej i przecina ją w punkcie $(r_{0},\varphi _{0}),$ zadana jest przez równanie

r=r_{0}\sec(\varphi -\varphi _{0}).

Krzywe stożkowe

Elipsa z zaznaczonym parametrem $p$ („semilatus rectum” – zielony kolor)

Wszystkie krzywe stożkowe można opisać w układzie współrzędnych biegunowych prostym równaniem (gdy jedno z ognisk pokrywa się z biegunem $O$ układu, a drugie ognisko leży na osi biegunowej $OS$ ):

r={\frac {p}{1-e\cos \varphi }},

gdzie:

$r,\varphi$ – współrzędne biegunowe punktu krzywej,
$e$ – mimośród, decydujący o typie krzywej ( $e=0$ – okrąg, $0<e<1$ – elipsa, $e=1$ – parabola, $e>1$ – hiperbola),
$p$ – parametr krzywej równy połowie długości cięciwy, która przechodzi przez jej ognisko i jest równoległa do jej kierownicy (por. rysunek – nosi on łacińską nazwę semilatus rectum oznaczającego połowę odcinka).

Pole powierzchni ograniczonej wykresem funkcji

Pole powierzchni $S$ ograniczonej wykresem funkcji $r=r(\varphi )$ i promieniami $\varphi =a$ oraz $\varphi =b$ (por. rysunek) oblicza się sumując jej infinitezymalne wycinki kołowe $dS{:}$

S=\int _{a}^{b}dS(\varphi )={\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}r^{2}(\varphi )d\varphi

tj. pole powierzchni jest połową całki z kwadratu funkcji $r=r(\varphi ),$ ograniczonej kątami $\varphi =a$ oraz $\varphi =b.$

Dowód:

Pole pod krzywą można przybliżyć za pomocą wycinków kołowych o środku w biegunie $O$ (por. rysunek). Niech $d\varphi =(b-a)/n$ oznacza miarę kąta każdego wycinka wyrażoną w radianach, gdzie $n$ – liczba podziału przedziału kątowego $[a,b]$ na równe części; niech $\varphi _{i}$ będzie kątem środkowym $i$ -tego wycinka, $i=1,2,...,n;$ każdy z wycinków ma odpowiednio promień $r(\varphi _{i}),$ kąt środkowy $d\varphi$ i długość łuku $r(\varphi _{i})d\varphi .$ Powierzchnia każdego wycinka jest zatem równa:

dS=\left[r(\varphi _{i})\right]^{2}\pi \cdot {\frac {d\varphi }{2\pi }}={\frac {1}{2}}\left[r(\varphi _{i})\right]^{2}d\varphi

Sumaryczne pole wszystkich wycinków dane jest wzorem:

S_{n}=\sum _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{2}}r(\varphi _{i})^{2}\,\Delta \varphi

Zwiększając liczbę podziałów $n$ pola pod krzywą otrzymujemy coraz mniejsze katy $d\varphi$ i polepsza się przybliżenie. Dla $n\to \infty$ mamy $d\varphi \to 0$ – powyższa suma przechodzi w całkę Riemanna:

S=\int _{a}^{b}dS(\varphi )=\int _{a}^{b}{\frac {1}{2}}r^{2}(\varphi )d\varphi ={\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}r^{2}(\varphi )d\varphi ,

cnd.

Długość łuku krzywej we współrzędnych biegunowych

Długość łuku $L$ (tj. długość wycinka) krzywej zdefiniowanej za pomocą funkcji biegunowej $r=r(\varphi )$ oblicza się sumując wzdłuż krzywej infinitezymalne jej fragmenty $dl{:}$

L=\int _{a}^{b}dl(\varphi )=\int _{a}^{b}{\sqrt {\left[r(\varphi )\right]^{2}+\left[{\tfrac {dr(\varphi )}{d\varphi }}\right]^{2}}}d\varphi

gdzie $\varphi =a$ oraz $\varphi =b$ oznaczają współrzędne kątowe odpowiednio punktu początkowego i końcowego łuku krzywej; ${\tfrac {dr(\varphi )}{d\varphi }}\equiv r'(\varphi )$ – pochodna zmiennej $r(\varphi )$ po $\varphi .$

Dowód:

(1) Wyprowadzenie wzoru na długość łuku różniczkowego krzywej

W układzie współrzędnych biegunowych, powierzchnię wykresu funkcji $r$ można podzielić na trójkąty, których wierzchołki zawarte pomiędzy ich ramionami $O$ znajdują się w biegunie, zaś 2 pozostałe: $P$ i $Q,$ są częścią wykresu i znajdują się obok siebie, przy czym długość pierwszego ramienia $|OP|$ wynosi $r(\varphi ),$ drugiego $|OQ|{:}$ $r(\varphi +d\varphi )=r(\varphi )+dr(\varphi )$ dla argumentu $\varphi ,$ długość podstawy $|PQ|$ jest różniczką naszego łuku, a więc oznaczona jako $dL,$ zaś kąt zawarty pomiędzy ramionami $(POQ)$ wynosi $d\varphi ,$ gdzie $d\varphi \to 0$ jest różniczką tegoż argumentu. Na ramieniu $OQ$ umieszczamy punkt $R,$ który dzieli to ramię w ten sposób, że $|OR|=|OP|=r(\varphi ),$ zaś $|RQ|=dr(\varphi ).$ W ten sposób podzieliliśmy trójkąt $OPQ$ na 2 mniejsze: równoramienny $OPR$ (o podstawie $PR$ ) i $PQR.$ Kąt $ORP$ oznaczmy jako $\gamma ,$ zaś kąt $PRQ$ – jako $\delta .$ Kąty $d\varphi$ i $\gamma$ znajdują się w trójkącie równoramiennym, tak więc suma ich wszystkich jest równa $\pi {:}$

2\gamma +d\varphi =\pi ,

2\gamma =\pi -d\varphi ,

\gamma ={\frac {\pi -d\varphi }{2}}.

Ponieważ $d\varphi \to 0,$ więc:

\gamma \to {\frac {\pi }{2}}.

Kąty $\gamma$ i $\delta$ są względem siebie przyległe, tak więc ich suma jest równa $\pi {:}$

\gamma +\delta =\pi ,

\delta =\pi -\gamma =\pi -{\frac {\pi -d\varphi }{2}}={\frac {\pi +d\varphi }{2}}.

Ponieważ $d\varphi \to 0,$ więc:

\delta \to {\frac {\pi }{2}}.

Skoro kąt $\delta$ znajduje się w trójkącie $PQR,$ to trójkąt ten staje się prostokątny, a skoro tworzą go boki $PQ,$ $PR$ i $QR,$ to muszą one spełniać twierdzenie Pitagorasa:

|PQ|^{2}=|PR|^{2}+|QR|^{2},

dL^{2}=|PR|^{2}+dr^{2}(\varphi ).

Długość podstawy $|PR|$ można policzyć w oparciu o twierdzenie cosinusów:

|PR|^{2}=r^{2}(\varphi )+r^{2}(\varphi )-2r(\varphi )r(\varphi )\cos(d\varphi )=2r^{2}(\varphi )-2r^{2}(\varphi )\cos(d\varphi )=2r^{2}(\varphi )(1-\cos(d\varphi )).

Stąd:

dL^{2}=2r^{2}(\varphi )(1-\cos(d\varphi ))+dr^{2}(\varphi )=\left(2r^{2}(\varphi )\cdot {\frac {1-\cos(d\varphi )}{d\varphi ^{2}}}+\left({\frac {dr(\varphi )}{d\varphi }}\right)^{2}\right)d\varphi ^{2}

Ponieważ $\lim _{d\varphi \to 0}{\frac {1-\cos(d\varphi )}{d\varphi ^{2}}}={\frac {1}{2}},$ to:

dL^{2}=\left(({\cancel {2}}r(\varphi )^{2}\cdot {\frac {1}{\cancel {2}}}+\left({\tfrac {dr(\varphi )}{d\varphi }}\right)^{2}\right)d\varphi ^{2},

gdzie ${\tfrac {dr(\varphi )}{d\varphi }}\equiv r'(\varphi )$ staje się pochodną $r=r(\varphi )$ po $\varphi$ dla $d\varphi \to 0.$ Różniczka łuku $dL$ wykresu funkcji $r$ w układzie współrzędnych biegunowych wyraża się więc wzorem:

dL(\varphi )={\sqrt {r(\varphi )^{2}+r'(\varphi )^{2}}}d\varphi

(2) Długość łuku $L$ wykresu funkcji $r=r(\varphi )$ wyraża się zatem wzorem:

L=\int _{a}^{b}dL(\varphi )=\int _{a}^{b}{\sqrt {r(\varphi )^{2}+r'(\varphi )^{2}}}d\varphi ,

cnd.

Liczby zespolone – użyteczność postaci biegunowej

Przedstawienie liczby zespolonej na płaszczyźnie zespolonej

Każda liczba zespolona $z$ może być przedstawiana jako punkt na płaszczyźnie zespolonej, z zastosowaniem różnych układów współrzędnych:

(1) w układzie współrzędnych kartezjańskich

z=x+iy,

gdzie: $i$ – jednostka urojona, $x,y$ – współrzędne kartezjańskie punktu

(2) w układzie współrzędnych biegunowych (tzw. postać trygonometryczna liczby zespolonej)

z=r\cdot (\cos \varphi +i\sin \varphi ),

gdzie: $r$ – współrzędna radialna nazywana tu modułem liczby $z,$ $\varphi$ – współrzędna kątowa nazywana jej argumentem. Postać trygonometryczną liczby zespolonej można przekształcić do postaci wykładniczej

z=re^{i\varphi },

gdzie $e$ to liczba Eulera.

Użyteczność postaci trygonometrycznej i wykładniczej liczb zespolonych wynika m.in. z faktu, że mnożenie, dzielenie i potęgowanie liczb w tych postaciach jest znacznie proste, niż w postaci kartezjańskiej (por. działania na liczbach zespolonych), tj.

a) mnożenie

r_{0}e^{i\theta _{0}}\cdot r_{1}e^{i\theta _{1}}=r_{0}r_{1}e^{i(\theta _{0}+\theta _{1})},

b) dzielenie

{\frac {r_{0}e^{i\theta _{0}}}{r_{1}e^{i\theta _{1}}}}={\frac {r_{0}}{r_{1}}}e^{i(\theta _{0}-\theta _{1})},

c) potęgowanie

(re^{i\theta })^{n}=r^{n}e^{in\theta },

d) pierwiastkowanie (pierwiastek główny)

{\sqrt[{n}]{re^{i\varphi }}}={\sqrt[{n}]{r}}e^{\frac {i\varphi }{n}}

Zobacz też

Inne układy współrzędnych:

Szczególne układy współrzędnych:

Inne:

długość krzywej

Przypisy

↑ Franciszek Leja: Geometria analityczna. Wydanie 6. PWN, Warszawa 1976, strona 45.
↑ Bonaventura Cavalieri: Geometria indivisilibus continuorum. Bonn 1653. (Pierwsze wydanie ukazało się w 1635).
↑ Newton: The Method of Fluxions. Londyn 1736. (Napisane w 1671).
↑ Julian Coolidge: The Origin of Polar Coordinates. „The American Mathematical Monthly” 59 (1952), s. 78–85.
↑ Składowe wektora i współrzędne punktu. W: Marceli Stark: Geometria analityczna. Warszawa: Polskie Towarzystwo Matematyczne, 1951, s. 66, seria: Monografie matematyczne, t. 26. OCLC 887752.
↑ ^a ^b I.N. Bronsztejn, K.A. Siemiendiajew: Matematyka. Poradnik encyklopedyczny. Wyd. 13. Warszawa: PWN, 1996, s. 258. ISBN 83-01-11658-7.
↑ ^a ^b Składowe wektora i współrzędne punktu. W: Marceli Stark: Geometria analityczna. Warszawa: Polskie Towarzystwo Matematyczne, 1951, s. 67, seria: Monografie matematyczne, t. 26. OCLC 887752.
↑ Granino A. Korn, Theresa M. Korn: Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Wyd. 2. Mineola, New York: Dover Publications, 2000, s. 35. ISBN 0-486-41147-8.

[1] Franciszek Leja: Geometria analityczna. Wydanie 6. PWN, Warszawa 1976, strona 45.

[2] Bonaventura Cavalieri: Geometria indivisilibus continuorum. Bonn 1653. (Pierwsze wydanie ukazało się w 1635).

[3] Newton: The Method of Fluxions. Londyn 1736. (Napisane w 1671).

[4] Julian Coolidge: The Origin of Polar Coordinates. „The American Mathematical Monthly” 59 (1952), s. 78–85.

[stark66-5] Składowe wektora i współrzędne punktu. W: Marceli Stark: Geometria analityczna. Warszawa: Polskie Towarzystwo Matematyczne, 1951, s. 66, seria: Monografie matematyczne, t. 26. OCLC 887752.

[b-s258-6] I.N. Bronsztejn, K.A. Siemiendiajew: Matematyka. Poradnik encyklopedyczny. Wyd. 13. Warszawa: PWN, 1996, s. 258. ISBN 83-01-11658-7.

[stark67-7] Składowe wektora i współrzędne punktu. W: Marceli Stark: Geometria analityczna. Warszawa: Polskie Towarzystwo Matematyczne, 1951, s. 67, seria: Monografie matematyczne, t. 26. OCLC 887752.

[korn-8] Granino A. Korn, Theresa M. Korn: Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Wyd. 2. Mineola, New York: Dover Publications, 2000, s. 35. ISBN 0-486-41147-8.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]