我是靠谱客的博主 长情外套,最近开发中收集的这篇文章主要介绍汽车坐标系与全局坐标系的变换_坐标变换,觉得挺不错的,现在分享给大家,希望可以做个参考。

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

  1. 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。

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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

,存在唯一的向量
OA
与之对应,向量
OA沿x轴与沿y轴的分量分别为
。如果我们取
i
j
,那么我们可以将点A对应的向量
OA表示为 OA=x i+y j

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

j

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。

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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。

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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”。

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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

),那么上述坐标系的原点与圆形网格中心的距离就是
,这时我们只需取
趋近于0即可。

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

,下面我把它们画在一起。

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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

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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

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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

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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:

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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。

  1. 平移变换

对于一个函数

,如果我们希望函数图像向右平移2个单位,得到的函数解析式应当是
,如果再向上平移2个单位,得到的函数解析式应当是
;这应给与中学老师所讲的“左加右减,上加下减”的口诀是对应的。

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

其实可以写成这个样子:
。这样我们便将正方向统一为了“减”;相对地,负方向也被统一为“加”。那么如果我们用二元方程
来表示平面曲线,那么

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

,对于其上任意一个点
为原图像
上的点,即
。也就是说,
。因此我们可以把平移后的图像方程表示为

2.伸缩变换

类似平移变换,

表示将图形
分别沿x轴、y轴伸长a,b倍。

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

,要求其关于直线
的对称图像方程。

设对称后的方程为

,对于其上任意一个点
,存在
关于
对称,而
在原图像上,即

也就是说,对于

上任意一个点
,可以用
表示
,而
满足
,那么,
就是我们要求的方程了。

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

,现要将其以原点为中心,逆时针旋转

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

,按照我们原有的想法,逆时针旋转
后的方程应当是
,因为逆时针是极坐标系中“y轴”的正方向。最后再把我们得到的极坐标方程变回直角坐标方程就可以了。

由此我们可以通过旋转变换证明函数

的图像是双曲线,并可以找到其焦点。具体过程留给感兴趣的朋友们自行完成。

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

以上就是长情外套为你收集整理的汽车坐标系与全局坐标系的变换_坐标变换的全部内容,希望文章能够帮你解决汽车坐标系与全局坐标系的变换_坐标变换所遇到的程序开发问题。

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