Koordináta-rendszer

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Descartes-féle koordináta-rendszer

A tér (a sík, az egyenes, görbevonal vagy felület) pontjait megadhatjuk számokkal -koordináták-, melyek bizonyos alapelemekhez viszonyítva határozzák meg annak helyét. Az alapelemek (bázis) adják meg a viszonyítási vagy más néven koordináta-rendszert.

Meg szoktunk különböztetni

  • A./ a méretek jellege szerint:
  1. Affin (pl.: Descartes-féle -carthesianus-) rendszereket, amelyekben a koordináták hosszúságok (távolságok) mérőszámai;
  2. Poláris rendszereket, amelyekben hosszúságok és szögek (elfordulások) mérőszámai adják a koordinátákat;
  3. Görbe vonalú (pl.: elliptikus, geodetikus) rendszereket, amelyekben önkényesen felvett hálózat skálázásából adódnak a koordináták.
  4. Homogén (pl.: baricentrikus, projektív) koordináta-rendszereket, amelyekben a koordináták nem abszolút méretek, hanem viszonyszámok (méretarányok).
  5. Egyéb, - főként felületek pontjainak megadására szolgáló - rendszereket. (Pl.: földrajzi vagy csillagászati koordináták.)
  • B./ a ponthalmaz dimenziója szerint: 1-, 2-, 3-, ..., n-dimenziós rendszereket.

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Derékszögű koordináták
Polárkoordináták

Főként a Descartes-féle derékszögű koordináták és a poláris koordináták használata terjedt el, de több más rendszert is alkalmaznak. Ezek tulajdonképpen a két alaprendszer variánsai, általánosításai vagy éppen speciális alkalmazásai. Mindkét rendszer eredete homályos. A Descartes-féle síkbeli koordináták kezdetben az ókori geográfus, Sztrabón térképein mint földrajzi hosszúság és szélesség jelentek meg. Ugyancsak régi, középkori térképeken, hajózási atlaszokon láthatók olyan vonalak, amelyek az ábrázolt tenger térségében megadják az egyes kikötőktől a többi kikötőhöz, vagy tájékozódási ponthoz vezető kurzust = távolság + irány. A legismertebb derékszögű koordinátákat René Descartes du Peron előtt is alkalmazták a matematikusok. Nevét a rendszer azért örökölte, mert korszakalkotó munkáját (Discours de la Méthode, 1673) követően vált az analitikus geometria és a függvénytan elengedhetetlen eszközévé.
A földrajzi koordináták használatának hasznosságára már Sztrabón előtt Hipparkhosz és Ptolemaiosz Klaudiosz rámutatott. A derékszögű rendszert is használta Descartest megelőzően Nicole d'Oresme (1320-1382) mozgások (mozgásegyenletek) ábrázolására. Bizonyos tekintetben Descartes eredményeit meghaladták kortársának Pierre Fermatnak a vizsgálatai a kúpszeletek analitikus geometriája terén. (Ad locus planos et solidos isagoge,1679.) A két alapváltozattól különböző rendszerek alkalmazásának is vannak előzményei. Apollóniosz az i. e. 200 körül megjelent Kónika (gör.: Kúpszeletek) című munkájában e síkgörbék pontjait két konjugált átmérőjükhöz viszonyítva vizsgálta, s ezzel (kimondatlanul) ferdeszögű koordináta-rendszert használt. A homogén rendszerek első változatát, a baricentrikus koordinátákat August Ferdinand Möbius (1790-1868) alkalmazta (Der baryzentrische Kalkül), s vele egyidőben a Julius Plücker (1801-1868) a róla elnevezett rendszert a kúpszeletek és másodrendű felületek geometriájában (Theorie der algebraische Curven, 1839).

Descartes-féle koordináta-rendszer[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alapértelmezés

A Descartes-féle rendszerek Bázisát és koordinátákat kétféleképpen értelmezhetjük:

  • Közös kezdőpontú számegyenesektől (tengelyek) mért távolságok a koordináták.
  • Közös kezdőpontú egységvektorok együtthatói adják a pont koordinátáit.

A sík koordináta-rendszerét 2 számegyenessel, ill. 2 egységvektorral, a térét 3-3 elemű bázissal adjuk meg.
A definíció nem köti ki a tengelyek merőlegességét, sem azt, hogy azok skálázása azonos legyen. Ennek értelmében megkülönböztetünk:

  • ortogonális (derékszögű) és klinogonális (ferdeszögű)
  • normált (azonos léptékű) és denormált (különböző léptékű)

rendszereket.

Affin rendszerek

A klasszikus Descartes-féle rendszer ortonormált = ortogonális és normált.

Csak az ortogonális rendszerben azonosak egy pont fentebb kétféleképpen értelmezett koordinátái.

Síkbeli rendszer[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A síkbeli Descartes-féle koordináta-rendszerben egy P pont helyzetét az XY síkon az (x,y) rendezett számpárral (koordináta-kettős) adjuk meg. A két tengely metszéspontja a koordináta-rendszer kezdőpontja: O = ORIGÓ. A megállapodás szerinti első x koordináta az abszcissza, a második y koordináta az ordináta. Ugyanezekkel a jelzőkkel különböztetjük meg a tengelyeket. A vektoros értelmezésnél az X és Y tengelyek irányába mutató egységvektorokat (i,j) jelöli.

  • x a P pont előjeles távolsága az Y-tengelytől és
  • y a P pont előjeles távolsága az X-tengelytől.
  • illetve az OP vektor = xi+yj.

Térbeli rendszer[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bal- és jobbsodrású koordináta-rendszerek

A térben egy P pont helyzetét az (x, y, z) rendezett hármassal adjuk meg. A rendszer harmadik Z tengelye az applikáta, a megfelelő egységvektor: k. Meg kell különböztetni a három tengely (egységvektor) bejárási sorrendjét: Jobb- vagy balsodrású rendszer (L.: ábra.)

  • x a P pont előjeles távolsága az [YZ] síktól és
  • y a P pont előjeles távolsága az [XZ] síktól és
  • z a P pont előjeles távolsága az [XY] síktól.
  • illetve az OP vektor = xi+yj+zk.

Más dimenziók[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Az egyenes Descartes-féle koordináta-rendszerét egyetlen számegyenes ill. egységvektor határozza meg.
  • Einstein relativitáselméletének formulázására Minkowski használta a négydimenziós téridő (tér-idő) rendszert. Itt a három térbeli koordináta az idővel kiegészítve egy pont (test) térbeli és időbeli helyzetét adja meg: (x,y,z,t).
  • A lineáris algebra az Descartes-féle koordináták általánosításával értelmezett tetszőleges n-dimenziós vektortér lineáris transzformációival foglalkozik. E tér pontjait (azok helyvektorait) az (x1,x2,...,xn) rendezett n-essel, vagy véges, n elemű sorozatokkal reprezentálja.
  • A Hilbert-tér pontjait az (x1,x2,...) végtelen sorozatok képviselik.
  • A síkban a Descartes-féle koordináta-rendszerben egy egyenest az Ax+By+C=0 egyenlettel adunk meg. Ennek az együtthatói, az egyenes homogén vonal-koordinátái: [A,B,C].
  • A térben egy sík egyenlete: Ax+By+Cz+D=0. A sík homogén koordinátáit az [A,B,C,D] rendezett négyes alkotja.

Polárkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Síkbeli polárkoordináták

Síkbeli rendszer[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A síkbeli rendszert az O kezdőpontja (origó) és egy ebből kiinduló L irányított és skálázott félegyenes (polártengely) definiálja. (A tengely az irányába mutató, origóból induló egységvektorral is megadható.)

A szögmérés előjelezését megállapodás rögzíti: balsodrású ill. jobbsodrású rendszer.

Egy P pont helyét két adattal adjuk meg: (r, \alpha).

  • 0\leq{r} (sugár) a pontnak az origótól való távolsága: vezérsugár (radius vector),
  • 0\leq\alpha<360^\circ a polártengely és az OPa szakasz által bezárt szög: polárszög (azimut).

Térbeli rendszerek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A térbeli polárkoordináták

A térbeli poláris rendszert egy alapsík (horizont) és egy erre merőleges (ortogonális) vagy ferde (klinogonális) tengely határozza meg, ahol a horizont síkjában egy poláris rendszer is adott. A P pont vetületének síkbeli koordinátái: P'(r,\lambda). A P térbeli helyzetét az OPP' vetítősíkon belüli koordinátával adjuk meg.

Hengerkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

(A vetítősíkon belül: Descartes-koordináták.)

a P(r,h,\lambda) ,koordinátái:

  1. r az OP vezérsugár vetülete a horizont-síkon,
  2. h a pont (előjeles) magassága,
  3. \lambda a pont vetületének azimutja.

Gömbkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

(A vetítősíkon belül: polárkoordináták.)
FONTOS: Az ú.n. gömbi koordináták a gömbfelület koordináta-rendszerei. Ott az R koordináta fix.

Térbeli polárkoordináták

A szakirodalom kétféle értelmezést használ:

Ekvatoriális gömbkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

a P(R,\lambda, \varphi) ,koordinátái:

  • R az OP vezérsugár hossza,
  • \lambda a vetület azimutja,
  • \varphi a vezérsugár deklinációja.

vagy

Poláris gömbkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

a P(R,\lambda, \beta) ,koordinátái:

  • R az OP vezérsugár hossza,
  • \lambda a vetület azimutja,
  • \beta a vezérsugár pólustávolsága.

Néhány forrás ez utóbbira a

Kúpkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

elnevezést használja.

Görbevonalú rendszerek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Koordinátavonalak[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A síkban azok a pontok, amelyeknek az egyik koordinátája állandó (azonos) egy-egy összefüggő koordinátavonalon fekszenek. A Descartes-rendszerekben (affin rendszerek) a koordinátavonalak párhuzamos egyenesek. A poláris rendszerben közös pontból induló félegyenesek és koncentrikus körök. Azok a pontok, amelyeknek mindkét koordinátája egész a rácspontok.
A térbeli rendszereknél a koordináta felületek (nívófelületek) játszanak hasonló szerepet.

A síkon és sok más felületen megadhatunk két olyan vonalsereget, amelyek a klasszikus rendszerektől eltérő koordináta-hálózatot adnak. A matematikusok általában u és v vonalaknak nevezik, s ezek akkor alkothatnak koordináta-rendszert, ha

  • minden u vonal metsz minden v vonalat ( folytonosság),
  • egy pontra pontosan egy vonalpár illeszkedik (egyértelműség és teljesség).

Gauss-féle koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Görbült felületeken leginkább a geodetikus vonalakat használjuk a koordinálásra. A síkban az egyenesek a geodetikus vonalak, az affin rendszerek tehát a sík geodetikus (Gauss-féle) koordináta-rendszerei.

Gauss.png

Elliptikus sík-koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Az u vonalak közös fókuszú ellipszisek,
  • A v vonalak ugyanezen közös fókuszokkal adott hiperbolák,
  • A két vonalsereg elemei egymást merőlegesen metszik (ortogonális rendszer).

Síkbeli elliptikus polárkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A klasszikus polársík koncentrikus köreit azonos lapultságú ellipszisek váltják fel. A hálózat a klasszikus hálózat nyújtása vagy zsugorítása adja (merőleges-tengelyes affinitás).

Térbeli elliptikus hengerkoordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hengerkoordináták mintájára a horizontsíkban elliptikus polárkoordinátákat használunk.

Térbeli ellipszoid koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A közönséges gömbkoordináták rendszeréből a nívófelületek (koncentrikus gömbök) nyújtásával vagy zsugorításával forgási ellipszoidokat használunk (merőleges-tengelysíkos térbeli affinitás).

Homogén koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A homogén rendszerek az általános projektív koordináta-rendszer speciális esetei. A (projektív) síkban egy pontot egy rendezett (x0,x1,x2) hármas, a térben egy rendezett (x0,x1,x2,x3) négyes ad meg.

Projektív sík-koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A síkon kívüli \Omega pontból, három - nem egy síkban fekvő! - a0,a1,a2 vektor tűzi ki a projektív rendszer A0,A1,A2 síkbeli bázisát. A P(x0,x1,x2) pontot a három kitűző vektor lineáris kombinációjával meghatározott

x=x0.a0+x1.a1+x2.a2

vektor egyenesének a síkkal való döféspontja szolgáltatja.
Ha a három koordinátát ugyanazzal a (nullától különböző) M számmal megszorozzuk, ugyanazt a pontot adja meg az (Mx0,Mx1,Mx2) trojka: homogenitás.

A rendszert a térbeli \Omega helyett az E(1,1,1) egységponttal és az A0,A1,A2 alappontokkal is kijelölhetjük. Feltétel, hogy a négy pont különböző legyen és hármasával nem eshetnek egy egyenesre.

Baricentrikus koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha az E egységpontot az A0,A1,A2 háromszög S súlypontjában jelöljük ki, akkor a három homogén koordináta az alappontokba helyezett súlyokat képviseli, s a velük adott pont e hármas pontrendszer súlypontját jelenti.

Plücker-féle koordináták[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha az A1 és A2 alappontokat a sík ideális egyenesén jelöljük ki affin rendszert kapunk.
Ha ennek tengelyei ( A0A1 és A0A2) merőlegesek, akkor a rendszer ortogonális.
Ha az E egységpont a merőleges tengelyek szögfelezőjébe esik, akkor ortonormált rendszert kapunk.

Ha ennek a Plücker-féle ortonormált rendszernek a tengelyeit a klasszikus Descartes rendszer tengelyeinek megfeleltetjük, akkor a sík egy P pontját a kétféle rendszerben az (x,y) Descartes-i és az (x0,x1,x2) Plücker-féle koordináták egyenértékűen határozzák meg, ha közöttük a következő egyenlőségek teljesülnek:

x = x1 / x0 és y = x2 / x0; ha |x0| >0,

illetve
(x0,x1,x2)= (1,x,y)
A (0,x,y) koordinátahármas ideális pontot jelöl.

[Megjegyzés: Néhány forrás a Plücker-koordinátákat csak homogén koordinátáknak nevezi és az (x,y,1) jelölést alkalmazza.]

Forrás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • J. N. Bronstein - K. A. Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1987. ISBN 963-10-5309-1
  • Sályi István (főszerk.): Pattantyús - I. Matematikai képletek, táblázatok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
  • Hajós György: Bevezetés a geometriába. Tankönyvkiadó, Budapest, 1960.
  • Szász Pál: A differenciál- és integrálszámítás elemei. Közoktatásügyi Kiadó, Budapest, 1951.
  • Reiman István: Matematika. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1992.
  • Hack & all.: Négyjegyű függvénytáblázatok,... Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, é.n.
  • Péntek Kálmán,dr.: A lineáris algebra alapjai. Oskar Kiadó, Szombathely,2000.
  • Free On-line Dictionary of Computing

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]