Учебник. Базис. Общая декартова система координат




Базис. Общая декартова система координат

Базисом на плоскости называются два любых неколлинеарных вектора этой плоскости, взятые в определённом порядке.

Пусть e 1 ⟶   и e 2 ⟶  – некоторый базис и a ⟶  – произвольный вектор, тогда по теореме 11.9 и следствию 11.1 существуют два единственным образом определенных числа x и y, такие, что

a ⟶ =x e 1 ⟶ +y e 2 ⟶ .

Числа x и y называются координатами вектора a ⟶  в данном базисе. В этом случае также пишут a ⟶ =( x; y ) .

Справедливы следующие свойства.


  1. При умножении вектора на число все его координаты в данном базисе умножаются на это число.
  2. При сложении двух или больше векторов их соответственные координаты складываются.

Пусть ( e 1 ⟶ ;  e 2 ⟶ )  – базис и a ⟶ =( x 1 ;  y 1 ) ,
b ⟶ =( x 2 ;  y 2 )  – два произвольных вектора. Очевидно,

a ⟶ = x 1 e 1 ⟶ + y 1 e 2 ⟶ ,
b ⟶ = x 2 e 1 ⟶ + y 2 e 2 ⟶ .

  1. Пусть λ – произвольное число. Имеем
    λ a ⟶ =λ( x 1 e 1 ⟶ + y 1 e 2 ⟶ ) =λ x 1 e 1 ⟶ +λ y 1 e 2 ⟶ =( λ x 1 ; λ y 1 ) .
    Здесь мы воспользовались свойствами произведения вектора на число.
  2. a ⟶ + b ⟶ = x 1 e 1 ⟶ + y 1 e 2 ⟶ + x 2 e 1 ⟶ + y 2 e 2 ⟶ = =( x 1 + x 2 ) e 1 ⟶ +( y 1 + y 2 ) e 2 ⟶ =( ( x 1 + x 2 ) ; ( y 1 + y 2 ) ) .

Пусть на плоскости заданы точка O и произвольный базис ( e 1 ⟶ ;  e 2 ⟶ ) .  Совокупность этого базиса и точки O называется декартовой системой координат   O,  e 1 ⟶ ,  e 2 ⟶ .  Точка O называется началом координат. Если через эту точку O провести прямые в направлениях, заданных базисными векторами e 1 ⟶  и e 2 ⟶ , то полученные прямые называются осями координат: прямая OX – осью абсцисс, прямая Oy – осью ординат. Координаты радиус-вектора точки M называются координатами этой точки в данной системе координат (x – абцисса, y – ордината).

Если e 1 ⟶  и e 2 ⟶  взаимно перпендикулярны и их модули равны единице, то базис называется ортонормированным, и мы получим известную нам прямоугольную декартову систему координат на плоскости. Таким образом, рассмотренная здесь декартова система координат ( O,  e 1 ⟶ ,  e 2 ⟶ )  является обобщением рассмотренной ранее прямоугольной декартовой системы координат, которая в свою очередь является частным случаем общей декартовой системы координат.

Мы видели (теорема 11.12), что свойства сложения и умножения вектора на число, записанные через координаты вектора, в произвольном базисе сохраняются. Рассмотрим, как изменится выражение для скалярного произведения, записанное через их координаты в произвольном базисе. Итак, пусть ( e 1 ⟶ ;  e 2 ⟶ )  – произвольный базис, a ⟶ = x 1 e 1 ⟶ + y 1 e 2 ⟶  и b ⟶ = x 2 e 1 ⟶ + y 2 e 2 ⟶  – любые два вектора. Рассмотрим скалярное произведение этих векторов и преобразуем его, используя ранее доказанные свойства:

( a ⟶ ,  b ⟶ ) =( x 1 e 1 ⟶ + y 1 e 2 ⟶ ,  b ⟶ ) = x 1 ( e 1 ⟶ ,  b ⟶ ) + y 1 ( e 2 ⟶ ,  b ⟶ ) = x 1 ( e 1 ⟶ ,  x 2 e 1 ⟶ + y 2 e 2 ⟶ ) + y 1 ( e 2 ⟶ ,  x 2 e 1 ⟶ + y 2 e 2 ⟶ ) =
= x 1 x 2 ( e 1 ⟶ ,  e 1 ⟶ ) + x 1 y 2 ( e 1 ⟶ ,  e 2 ⟶ ) + y 1 x 2 ( e 2 ⟶ ,  e 1 ⟶ ) + y 1 y 2 ( e 2 ⟶ ,  e 2 ⟶ ) =
x 1 x 2 | e 1 | 2 +( x 1 y 2 + y 1 x 2 ) | e 1 || e 2 |cos( e 1 ⟶ ^ e 2 ⟶ ) + y 1 y 2 | e 2 | 2 .

Таким образом, для вычисления скалярного произведения двух векторов в произвольном базисе, кроме их координат, надо знать модули базисных векторов и угол между ними. Очевидно, что если базис ортонормирован, то | e 1 | 2 = | e 2 | 2 =1 ,
cos( e 1 ⟶ ^ e 2 ⟶ )=0  и мы получим известную формулу для скалярного произведения в ортогональной декартовой системе координат.

Выбор той или иной системы координат ничем не ограничен и определяется в каждом конкретном случае только соображениями удобства (см., например, доказательство теоремы 11.10). Часто одно и то же множество приходится рассматривать в разных координатах. Одна и та же точка в различных системах имеет, очевидно, различные координаты. Множество точек (в частности, прямая, окружность) в разных системах координат задается различными уравнениями. Выясним, как преобразуются координаты точек плоскости при переходе от одной координатной системы к другой. Ограничимся случаем ортогональных систем.

Пусть на плоскости заданы две прямоугольные системы координат: ( O,  i ⟶ ,  j ⟶ )  и ( O,  i  ′ ⟶ ,  j  ′ ⟶ )  (см. рис. 11.3.2).

Первую систему с началом в точке O и базисными векторами i ⟶  и j ⟶  назовем старой, вторую, с началом в точке O' и базисными векторами i  ′ ⟶  и j  ′ ⟶ , – новой. Положение новой системы относительно старой будем считать известным: пусть точка O' в старой системе имеет координаты ( a; b ) , а вектор i  ′ ⟶  образует с вектором i ⟶ угол α, который отсчитывается в направлении против движения часовой стрелки от направления, задаваемого вектором i ⟶ .

Рассмотрим произвольную точку M. Обозначим ее координаты в старой системе через (x, y), в новой – через (x', y'). Установим связь между старыми и новыми координатами точки M. Из рис. 11.3.2 по правилу треугольника имеем

OM ⟶ = OO' ⟶ + O'M ⟶ .
Разложим векторы OM ⟶  и OO' ⟶  по базису i ⟶ ,  j ⟶ , а вектор O'M ⟶  – по базису i' ⟶ ,  j' ⟶ :
OM ⟶ =x i ⟶ +y j ⟶ ;
OO' ⟶ =a i ⟶ +b j ⟶ ;
O'M ⟶ =x' i' ⟶ +y' j' ⟶ .
Равенство перепишется в виде:
x i ⟶ +y j ⟶ =( a i ⟶ +b j ⟶ ) +( x' i' ⟶ +y' j' ⟶ ) .
Новые базисные векторы i' ⟶  и j' ⟶  можно разложить по старым базисным векторам i ⟶ ,  j ⟶  следующим образом:
i' ⟶ =cosα i ⟶ +sinα j ⟶ ,  j' ⟶ =cos( π 2 +α ) i ⟶ +sin( π 2 +α ) j ⟶ =-sin α i ⟶ +cosα j ⟶ .
Подставив найденные выражения для i' ⟶  и j' ⟶  в формулу, получим векторное равенство
x i ⟶ +y j ⟶ =a i ⟶ +b j ⟶ +x'( cosα i ⟶ +sinα j ⟶ ) +y'( -sin α i ⟶ +cosα j ⟶ ) ,
равносильное двум числовым равенствам:
{ x=a+x'cosα-y'sinα, y=b+x'sinα+y'cosα.
Эти формулы дают искомое выражение для старых координат через новые координаты x' и y'. Для того чтобы найти выражение для новых координат через старые, достаточно решить систему уравнений относительно неизвестных x' и y'.

Если меняется только начало координат, а направления осей остаются прежними, то, полагая в формулах α = 0, получаем

{ x=a+x', y=b+y'. ;
Эти формулы кратко называют формулами переноса.

Если начало координат остается прежним, а оси поворачиваются на угол α, то, полагая в формулах a = b = 0, получим

{ x=x'cosα-y'sinα y=x'sinα+y'cosα .
Эти формулы называются формулами поворота.



 

Смотрите также: Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: библиотека ЭОРов и образовательный онлайн-сервис с тысячами интерактивных работ "Облако знаний".

 

 

 

© Физикон, 1999-2015