概述
总述
文章的题目是“坐标变换”,但事实上,下面我们将讨论两部分的内容:坐标系变换和图形变换。而二者均与“坐标”有关,因此将题目取为“坐标变换”。
坐标系变换,指的是通过变换的思想,建立起不同种类坐标系之间的联系。这一部分的讨论以笛卡尔坐标系(平面直角坐标系)为基础,讨论斜坐标系、极坐标系、空间直角坐标系、柱坐标系、球面坐标系等与之的联系。
图形变换,指通过改变图形方程中的某些参数,或通过坐标轴的变换,引起图形形状的变化。
坐标系变换
- 笛卡尔坐标系(平面直角坐标系)
下面是我们常见的笛卡尔坐标系,又称为平面直角坐标系。
其本质是两个分别沿x轴、y轴正方向的单位向量。对于平面上的任意一点
因此从本质上讲,构成平面直角坐标系的基本元素是:原点、i
2. 斜坐标系
既然我们说,平面直角坐标系是由两个相互垂直的向量构成,那么如果我们让这两个向量不垂直呢?这样我们就得到了斜坐标系,如下图。
而对于向量来说,垂直与不垂直,其都满足向量加减的线性运算法则,这一点斜坐标系于平面直角坐标系并无区别;但是二者的不同点在于,直角坐标系的两个单位向量的内积为0,而斜坐标系两个单位向量的内积不为0。
具体斜坐标系下的点的坐标以及曲线方程与在直角坐标下的异同,留给读者思考,在这里不再赘述。
3. 极坐标系
下面是我们常见到的极坐标系。
既然我们要说各种坐标系之间的联系,那么认真的朋友们可能会心生疑问,如果说笛卡尔坐标系由两个垂直的向量构成,那么极坐标系呢?我们知道极坐标系有一个极轴,如果把极轴作为一个“向量”,那么另一个向量在哪里呢?
我们先抛开这些不谈,先从变换的角度去想这件事。既然是“变”,那就存在一个“动态”的过程,通过什么样的过程可以将直角坐标系变为极坐标系呢?
细心的朋友可能会发现,极坐标系与平面直角坐标系中有一个共同的东西(至少两幅图中都有)——网格。不同的是,直角坐标系的网格是方形的,而极坐标系中是圆形网格。再来想一想我们刚刚说过的斜坐标系,它的网格应该是什么样子的呢?——是平行四边形的。
网格中的一条线,由某一个坐标相同的无数个点构成。斜坐标系中将y轴变动,网格也随之变动,那么极坐标系呢?是不是也是y轴发生了某种变动呢?
我们来考虑下面这个特殊的“坐标系”。
我们画了一个圆形的“y轴”。由x坐标相同的无数个点,我们画出了一个个同心圆,由y坐标相同的无数个点,我们画出来了一条条射线,从而组成了我们熟悉的圆形网格。
但是这个坐标系和极坐标系还有一点不同,就是原点的位置。上述坐标系的原点并不是圆形网格的中心,而极坐标系中的原点(极点)就是圆形网格的中心。如何解决这个问题呢?
其实很简单。我们设圆形y轴的半径为
(
也就是说,我们认为在极坐标系的极点处,有一个有向(逆时针)点圆(半径为0的圆),这个有向点圆就是我们苦苦寻找的y轴。
因此如果我们说平面直角坐标系是“线性”的,那么极坐标系就是某冲程度上的“扭曲”,将原本是一条直线的y轴“扭曲”成为一个圆,从而形成了极坐标系。
举一个例子,y=x是我们非常熟悉的一条平面直角坐标系中的直线,对应到极坐标系中,便成了
蓝色便是我们所熟知的“阿基米德螺线”。由于y=x直线与阿基米德螺线在表达式上的一致性,我们可以认为:阿基米德螺线是在极坐标系这种“扭曲”的平面(二维)空间中的“直线”。
4.空间直角坐标系
与平面直角坐标系类似,空间直角坐标系由空间中三个垂直的单位向量i=(1,0,0),j=(0,1,0),k=(0,0,1)构成。其他内容与平面直角坐标系基本相同,不再赘述。
5.柱坐标系
在了解了极坐标系以后,我们就可以很容易地理解柱坐标系了。
柱坐标系其实就是:z轴不变,将x轴、y轴构成的平面直角坐标系换成极坐标系。也就是说,柱坐标系中应该有两个坐标轴(上图不是很准确)——z轴与xOy平面的极轴。利用上面解释极坐标系的理论去解释就是:保留x轴与z轴,将y轴变换成在O处,xOy平面上的有向点圆,从而形成了柱坐标系。
6.球面坐标系
球面坐标系应当只有一个极轴(上图不准确)。这样想来,总有一种强烈的直觉告诉我们,球面坐标系似乎是由两个极坐标系构成的。是不是这样呢?
的确,球面坐标系由两个极坐标系构成,如下图:
首先考虑xOy平面上的极坐标系。以O为极点,x轴为极轴,空间中点P在xOy平面上的投影为K,那么K就是xOy平面极坐标系中的一个点。为了确定P的位置,我们再以O为极点,以OK为极轴在垂直于xOy平面的平面上建立极坐标系,从而我们可以认为P是该系中的点。
综上所述,我们用两个极坐标系确定了点P的位置。与我们通常认知不同的是,第二个坐标系(OK系)可以认为是“动态”的,即随着P的运动,OK系可能同时发生运动,表现为K点的运动。
图形变换
图形变换中我们常见的有:平移变换,伸缩变换,对称变换,旋转变换等,对于前三者,尤其是前两者,大家可能都比较熟悉。因此对于前两者,我们重点介绍已有方法的本质性的原理,而对于后两者,我们以类似的原理来介绍变换的方法。
- 平移变换
对于一个函数
但是,在二维平面中,可以认为x轴与y轴的地位相同,即二者除了名称不同外其他性质基本一致。x轴向右是正方向,对应“减”;y轴向上是正方向,对应“加”。为什么同样是“正方向”,一个是“减”而另一个是“加”呢?这似乎与我们所说的x,y地位相同不甚符合。
上面的解析式
表示图像向右平移a个单位,向上平移b个单位。
那么为什么如何证明呢?
以x轴为例,y轴同理。如果我们记沿x轴正方向平移a个单位后的图像方程为
2.伸缩变换
类似平移变换,
证明过程与平移变换类似,读者可自行完成。
3.对称变换
对称变换我们无法给出一个确切的公式,但是可以给出一套比较成熟的算法。
如果原图像方程为
设对称后的方程为
也就是说,对于
上述思想与前面给出的平移变换的证明思想基本相同。设出我们要求的方程,再根据某种变换规则找到原方程上对应的点,带入原方程得到答案。
4.旋转变换
旋转变换的思路与平移变换一致。
前面我们说过,平面直角坐标系中有方形网格,而极坐标系中有圆形网格;平面直角坐标系中的“阿基米德螺线”可以认为是极坐标空间中的“直线”。同样地,平面直角坐标系中的水平直线在极坐标空间下应当是一个圆,即圆可以认为是极坐标空间下的“与y轴平行的直线”。那么类似地,我们所说的旋转就可以认为是极坐标空间下的某种“平移”。
上面的描述过于抽象,我们还是考虑方程
高中我们都学过如何把一个平面直角坐标系下的方程用极坐标表示,方法在此不再赘述。如果我们得到对应的极坐标系下的方程是
由此我们可以通过旋转变换证明函数
总结
至此,我们讨论了坐标系的变换以及图形的变换,并且建立了不同种坐标系之间的关联,也建立了不同图形变换之间的关联。
其实数学的学习很多时候就是这样,先去思考一个事物的本质,从本质出发进行推广与关联,从而将原本看似“杂乱”的知识点融为一体。相似、相近知识点的学习大致会经历这么几个过程:
- 初次学习,感觉到有些杂乱,甚至搞不清楚它们之间的区别;
- 课后梳理,分清楚它们的区别点;
- 深入思考,发掘本质,寻找它们的共同点,从本质出发进行“关联”;
- 融汇贯通,不再有意区分这些知识点,因为你已经找到了它们共同的本质与根源。
上述过程在大学微积分中的六种积分(二重积分,三重积分,第一、二类曲线积分,第一、二类曲面积分)上体现得比较明显,具体内容将在日后的推文中阐述。
说明
本人非数学专业,上述内容仅为笔者个人的做题体验与总结,如有不完善、不严谨之处还请读者朋友们批评指正。
最后
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