坐標系

坐標（coordinates）是用來描述或標示某點在空間中絕對位置的有序陣列。坐標系（coordinate system）是一特定的位置註記系統（參考系），用以確定某點或某目標的空間位置；其定義為：對於一個 n 維繫統，能夠使每一個點（目標）和一組 n 個標量（有序陣列）構成一一對應的系統。

若有序陣列只是一個數的坐標系，就稱一維坐標系；若有序陣列為 n 個獨立數的坐標系，就稱 n 維坐標系。一般表示 n 維空間的某點，需使用有 n 個數的陣列；而同一點的坐標，會因所使用之坐標系的不同而有差異。

坐標系可以用一個有序多元組表示一個點的位置。一般常用的坐標系，各維坐標的數字均為實數，但在高等數學中坐標的數字可能是複數，甚至是或是其他抽象代數中的元素（如交換環）。坐標系可以使幾何學的問題轉換為數字的問題，反之亦然，是解析幾何學的基礎。

在地理學中，描述地理位置時所用的經度及緯度構成一種地理座標系。在天文學中，描繪天體在天球上位置的多種坐標系統是天球坐標系。在物理學中，描述一系統在空間中運動的參考坐標系統則稱作參考系。

常用的坐標系

1.1 數線

數線是最簡單的坐標系，用一個實數標示一個點線上上的位置。數線中會有一個原點 O，以及單位長度及其方向。點 P 的坐標為從 O 到 P 的有號距離，坐標是正值或負值則依 P 點在原點的哪一側來決定。數線上每一個點都有唯一的坐標，每一個實數也都可以在數線上找到唯一的對應點。

1.2 笛卡兒坐標系

笛卡兒坐標系也稱為直角坐標系，是最常用到的一種坐標系。是法國數學家勒內・笛卡爾在 1637 年發表的《方法論》附錄中提到的。

在平面上，選定二條互相垂直的線為坐標軸，任一點距坐標軸的有號距離為另一軸的坐標，這就是二維的笛卡兒坐標系，一般會選一條指向右方水平線稱為 x 軸，再選一條指向上方的垂直線稱為 y 軸，此兩坐標軸設定方式稱為「右手坐標系」。

若在三維系統中，選定三條互相垂直的平面，任一點距平面的有號距離為坐標，二平面的交線為坐標軸，即可產生三維的笛卡兒坐標系。一般會選擇 x 軸及 y 軸是水平的，z 軸垂直往上，且三軸維持右手定則，若先將右手的手掌與手指伸直。然後，將中指指向往手掌的掌面 半空間，與食指呈直角關係。再將大拇指往上指去，與中指，食指都呈直角關係。則大拇指，食指，與中指分別表示了右手坐標系的 x - 軸，y - 軸，與 z - 軸。此概念可以延伸，在 n 維的歐幾里得空間中建立 n 維的笛卡兒坐標系。

以笛卡兒平面坐標系為基準，右上為第一象限，左上為第二，左下為第三，右下就是第四象限，第一象限的 x 坐標和 y 坐標均為正值，第二象限的 x 坐標為負值，y 坐標為正值，第三象限的 x 坐標和 y 坐標均為負值，第四象限的 x 坐標為正值，y 坐標為負值，而平面坐標分六大部分，除了四個象限，還有 x 軸與 y 軸。在笛卡兒空間坐標系中也可以依 xy 平面，xz 平面及 yz 平面將不含上述平面空間分為八份，稱為卦限，但一般只定義坐標均大於零的為第一卦限。坐標中的各軸線不屬於象限或卦限。

1.3 極坐標系

極坐標系也是一種常用的平面坐標系統。格雷瓜・德・聖 - 萬桑特（Grégoire de Saint-Vincent）在 1625 年和博納文圖拉・卡瓦列裡在 1635 年，獨立地各自引入了極座標系這一概念。極坐標中會定一點為極點，再將一條透過極點的射線定為極軸。若給定一角度，則可繪出透過極點，和極軸夾角為的唯一射線（角度是以從極軸，依逆時針方向旋轉到射線），若再給定一實數，可找出上述射線上，距極點距離為有號整數的一點。

在極坐標系中，一坐標只會其對應唯一的一點，但每一點均可對應許多個坐標。例如坐標、及都是對應同一點的不同坐標。而極點的坐標為，可為任意值。

極座標和可以用下式變換為直角座標：

（參閱畢氏定理）

（atan2 是已將象限納入考量的反正切函式）

從直角座標和也可以變換為極座標：

若將平面上的極座標系擴充套件到立體的空間，可擴充套件為圓柱坐標系及球坐標系。

1.4 圓柱坐標系

圓柱坐標系是將極座標系的 坐標變成 ，再增加一個笛卡爾坐標系的 z 坐標。如點 P 的圓柱坐標是。

是原點至 P 點在 xy - 面上投影點之間的距離，也是點 P 與正 z - 軸的垂直距離。
是線 OP 在 xy - 面的投影線與正 x - 軸之間的方位角。
是點 P 至點 P 在 xy - 面上投影點之間的距離。

直角坐標系和圓柱坐標系的轉換關係如下：

1.5 球坐標系

而球坐標系則是用一個角度 表示原點到坐標點的連線與正 z - 軸之間的相對關係。如點 P 的球坐標為。

是原點至點 P 的連線的距離。
為原點到點 P 的連線與正 z - 軸之間的傾斜角。
是線 OP 在 xy - 面的投影線與正 x - 軸之間的方位角。

直角坐標和球坐標系的轉換關係如下：

1.6 齊次座標

在齊次坐標表示時，會增加一個額外的坐標，例如平面上的一點可以表示為，其中 x/z 及 y/z 為其原來在平面上的笛卡爾坐標。其優點是可以在不使用無限大的情形下表示射影平面上的任意點。一般齊次坐標會用在坐標之間的比例比實際的數值來的重要的情形下。

1.7 其他常用座標系

以下是其他一些常用的坐標系：

是一種廣義的坐標系，此坐標系是以相交的曲線為基礎。
其中座標曲面之間的夾角為直角的座標系稱為正交座標系。
其中座標曲面之間的夾角不為直角的座標系稱為斜交座標系。
廣義坐標是在處理拉格朗日力學時使用。
正則坐標是在處理哈密頓力學時使用。
普呂克座標可以將三維空間中的直線描述為 6 個齊次坐標。
重心座標一般用在中。
平面上的是以用一點相對原點的角度及其距離的對數來表示。
平行坐標將 n - 維空間中的一點表示為和 n 條垂直線有交點的折線。

可有一些描述曲線的方式和坐標系無關，這類的方式會使用，其中有用到像是曲率及弧長等不隨坐標系而改變的不變數。這類的本徵方程包括：

和弧長和有關。
和弧長及曲率有關。

座標轉換

座標轉換是指在描述同一個空間時，由原來的坐標系轉換為另一個坐標系。

對於每一個由空間到空間本身的對射，可定義二種座標轉換：

一種是每一個點在新坐標系坐標的對射，恰為舊坐標系的坐標。
一種是每一個點在舊坐標系坐標的對射，恰為新坐標系的坐標。

例如一維的系統中，若一對映為是往右移三個單位，則第一個坐標轉換會將原點從 0 移到 3，因此每個點的坐標都少了 3，第二個座標轉換會將原點從 0 移到 - 3，因此每個點的坐標都多了 3。

坐標之間的轉換有一定的公式。例如若平面上的笛卡爾坐標及極坐標原點相同，則可以用以下的公式從極坐標轉換為笛卡爾坐標：及。

座標曲線及座標曲面

若在二維坐標系中一個坐標維持定值，只允許一個坐標變動，所形成的曲線稱為坐標曲線（或坐標線）。不過不是所有的坐標系都有坐標曲線，例如齊次坐標系中就沒有坐標曲線。

在歐幾里得空間中笛卡爾坐標系以外的坐標系即稱為。若在三維坐標系中一個坐標維持定值，允許其他坐標變動，所形成的曲面稱為坐標曲面。例如在球坐標系，若固定徑向距離 r 為定值所形成的坐標曲面是球心在原點的球。三維空間中二坐標曲面的交線即為座標曲線。在更高維度的空間也可依此定義坐標超曲面。

坐標圖

坐標圖（coordinate map）的概念是流形理論的核心。本質上坐標圖是一個針對給定空間子集的坐標系，其中每一個點都恰有一個對應的坐標。若要精準的定義，坐標圖可定義為從空間 X 的開子集到 Rn 的開子集的同胚。一般的坐標系不太可能針對所有空間中的點都有明確唯一的坐標。此時可以用一組坐標圖形成一個適合此空間的圖冊。有此性質的空間稱為流形，若坐標圖重疊的部份符合某些特定的結構，也可以定義有特殊結構的流形。例如微分流形就是坐標圖之間的轉換恆為微分函式的流形。