Polārā koordinātu sistēma

Polārā koordinātu sistēma ir divdimensiju koordinātu sistēma, kur katra punkta atrašanās vietu plaknē nosaka leņķa (φ vai θ) lielums un attālums (r) no sākumpunkta. Polārā koordinātu sistēma ir noderīga situācijās, kad attiecība starp divām vietām ir viegli nosakāma ar leņķu un attālumu palīdzību. Atšķirībā no daudz biežāk izmantotās Dekarta koordinātu sistēmas, šajā koordinātu sistēmā ir jāizmanto trigonometrija.

Vēsture

Leņķa un rādiusa jēdzienu izmantoja senie ļaudis pirmajā tūkstošgadē pirms mūsu ēras. Grieķu astronoms un astrologs Hipparchus (190 - 120 BC) izveidoja tabulu par hordu funkcijām, sniedzot hordu garumu katram leņķim. Ir atsauces par to, ka viņa izveidotā tabula ir izmantota izveidojot zvaigznāju pozīciju. Rakstā "On Spirals"  Arhimēds apraksta Arhimēda spirāli, funkcija, kuras rādiuss ir atkarīgs no leņķa. Tomēr Grieķu darbs neattiecās uz pilnīgu koordinātu sistēmu. No 8.gadsimta astronomi izstrādāja metodes, lai tuvināti aprēķinātu virzienu uz Meku un attālumu no jebkuras vietas uz Zemes.
No 9. gadsimta tika izmantota sfēriskā trigonometrija un karšu projekciju metodes, lai precīzāk noteiktu šos lielumus. Aprēķins būtībā ir Mekas ekvatoriskās polārās koordinātas (t.i. garuma un platuma) pārvēršana polārajās koordinātās (t.i. qibla un attālums) attiecībā pret sistēmu, kuras  meridiāns ir lielais aplis caur noteikto vietu un Zemes poliem, un polāro līniju asis iet caur atrašanās vietu un tās pretējo polu punktu.
Pastāv aprēķini par polāro koordinātu ieviešanu kā daļu no formālās koordinātu sistēmas. Pilnu priekšmeta vēsturi apraksta Hārvardas profesors Julian Lowell Coolidge's "Polāro koordinātu izcelsme". Grégoire de Saint-Vincent un Bonaventura Cavalieri 17.gadsimta vidū patstāvīgi ieviesa jēdzienus. Saint - Vincent rakstīja par viņiem privāti 1625. gadā un publicēja savu darbu 1647. gadā, kamēr Cavalieri publicēja labotu viņa versiju - 1635. gadā. Cavalieri pirmie lietoja polārās koordinātas, lai atrisinātu problēmu, kas bija par Arhimēda spirāli. Blēzs Paskāls izmantoja polārās koordinātas, lai aprēķinātu parabolisko loku garumu.
Ar metodi Fluxions (uzrakstīta 1671. gadā un publicēta 1736. gadā) Īzaks Ņūtons pārbaudīja transoformāciju starp polārajām koordinātām, ko viņš dēvē par "Septītā veida; Par spirāli", un deviņas citas koordinātu sistēmas.  Žurnālā "Acta Eruditorum" (1691) Jākobs Bernulli izmantoja sistēmu ar punktu uz līnijas, ko dēvē par polu un polāro asi. Koordinātas norādīja attālumus no pola un leņķa, un no polārām asīm. Bernulli darbs tika pagarināts, lai atrastu  līkņu izliekuma rādiusu, kas izteikts šajās koordinātās.
Polāro koordinātu termins ir attiecināms uz Gregorio Fontana un to izmantoja 18.gadsimta Itāļu rakstnieki. Termins parādījās angļu  George Peacook's 1816 tulkojumā Lacroix's "Diferenciālais un integrālais aprēķins". Aleksis Klero bija pirmais, kas domāja par polārajām koordinātām 3 dimensijās, un Leonards Eilers bija pirmais, kurš to attīstīja.

Koordinātu apzīmēšana

Radiālo koordinātu bieži apzīmē ar r vai ρ, un leņķisko koordinātu ar φ, θ vai t . Leņķiskās koordinātas tiek norādītas kā φ pēc ISO standarta 31-11. Tomēr matemātiskajā literatūrā leņķi bieži apzīmē ar θ, nevis φ. Leņķi ar polāro apzīmējumu parasti var izteikt vai nu grādos vai radiānos (2π rad ir vienāds ar 360°). Grādi tradicionāli lieto navigācijā, mērīšanā, un daudzās lietišķajās disciplīnās, bet radiānus ir biežāk izmanto matemātikā un matemātiskajā fizikā.
Leņķis φ ir definēts, lai sāktu 0° no atskaites virziena un palielinātu rotācijas režīmu pretēji pulksteņrādītāja virzienam vai pulksteņrādītāja virzienam. Matemātikā, piemēram, atskaites virziens parasti tiek nofiksēts kā stars no pola horizontāli pa labi, un polāro leņķi palielina līdz pozitīvam leņķim attiecībā uz pretējo pulksteņrādītāja apgriezieniem, savukārt  0° -  virsma tiek veidota vertikāli uz augšu un leņķa palielinājums par pulksteņrādītāja apgriezieniem. Polāri leņķi samazinās pret negatīvām vērtībām rotācijas virzienā attiecīgi pretējos virzienos.

Polāro koordinātu unikalitāte

Jebkura skaita pilnīgu pagriezienu (360°) pievienošana leņķa koordinātei nemaina attiecīgo virzienu. Tāpat jebkuras polārās koordinātu koordinātes ir identiskas ar negatīvo radiālo komponentu un pretējo virzienu (pie polārā leņķa pievienojot 180°). Tāpēc vienu un to pašu punktu (r, φ) var izteikt ar bezgalīgu skaitu dažādu polāro koordinātu
(r, φ + n × 360°) un (−r, φ + 180° + n × 360°) = (−r, φ + (2n + 1) × 180°), kur n ir patvaļīgs vesels skaitlis. Turklāt, polus var izteikt kā (0, φ) jebkuram leņķim φ.
Ja vienam punktam, izņemot polam, ir nepieciešams unikāls attēlojums, tad r ir jāierobežo ar pozitīviem skaitļiem (r > 0) un φ  intervālu [0, 360°) vai (-180 °, 180°] (radiānos, [0, 2 π) vai (- π,  π]).  Vēl viena konvencija, ir pret inverso funkciju, ir atļautas patvaļīgas reālas vērtības un ierobežojums, kas  ierobežo polāro leņķi līdz (-90°,  90°) . Visos gadījumos ir jāizvēlas polu leņķis (r = 0), piemēram, φ  = 0.

Polārās līknes vienādojums

Vienādojums, kas definē algebrisko līkni, kas izteikts polāro koordinātu veidā, ir pazīstams kā polārais vienādojums. Daudzos gadījumos šādu vienādojumu var vienkārši norādīt, definējot r kā funkciju no φ. Iegūtā līkne sastāv no punktiem (r(φ), φ) un to var uzskatīt par polāro funkciju r grafiku. Jāņem vērā, ka atšķirībā no Dekarta koordinātēm neatkarīgais mainīgais φ.
Dažādus simetrijas veidus var izsecināt no polāro funkciju r vienādojuma. Ja r(−φ) = r(φ) vienādojums būs simetrisks pret horizontālo (0°/180°) staru, ja r(π − φ) = r(φ) tas būs simetrisks vertikālajā (90°/270°) starā un, ja r(φ − α) = r(φ), tas būtu rotējoši simetrisks ar α pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam.
Ņemot vērā polāro koordinātu sistēmas cirkulāro raksturu, daudzas līknes var raksturot ar vienkāršu polāro vienādojumu, savukārt Dekarta formas ir daudz sarežģītākas. Starp pazīstamākajām līknēm ir polārā roze, Arhimēda spirāle, kardioīda, Lemniscate of Bernoulli un limacon.
Aplis, līnijas un polārā roze ir saprotamākas, ja nav ierobežojumu līknes domēnam un diapazonam.

Aplis

Vispārējais vienādojums riņķim ar centru (r₀, ) un rādiusu a  irTo var vienkāršot dažādos veidos, lai atbilstu konkrētākiem gadījumiem, piemēram vienādojumu riņķim ar centru un rādiusu a. Kad r₀ = a, vienādojumu var rakstīt formā: Vispārīgā gadījumā vienādojumu var atrisināt: risinājums ar mīnusa zīmi priekša kvadrātsaknei dod tādu pašu līkni.

Līnija

Radiālas līnijas (tās, kas stiepjas pa polu) ir apzīmētas ar vienādojumu
,
kur  ɣ ir līnijas pacēluma leņķis, tas ir,  ɣ= arctan(m), kur m ir līnijas slīpums Dekarta koordinātu sistēmā. Ne radiāla līnija, kas šķērso radiālo līniju φ = ɣ perpendikulāri punktā (r₀, ɣ) un tam ir vienādojums: 
Citādi norādīts (r₀, ɣ) punkts, kurā pieskaršanas šķērso iedomātu apli ar rādiusu r0.

Polārā roze

Polārā roze ir matemātiska līkne, kas izskatās kā ziedlapots zieds, un to var izteikt kā vienkāršu polāro vienādojumu:par jebkuru konstantu ɣ₀ (ieskaitot 0).  Jāņem vērā, ka šie vienādojumi nekad nenosaka rožu ar 2, 6, 10, 14 utt. ziedlapiņu skaitu. Mainīgais apzīmē garumu ziedlapiņām rožu.

Arhimēda spirāle

Arhimēda spirāle ir spirāle, ko atklāja Arhimēds, ko var izteikts kā vienkāršu polāro vienādojumu:
Parametra a maiņa pārvērš spirāli, bet b kontrolē attālumu starp rokām, kas noteiktai spirālei vienmēr ir nemainīgs. Arhimēda spirālei ir divas rokas, viena - φ > 0 un viena - φ <0 . Abas rokas ir vienmērīgi savienotas pie pola. Ņemot vienas rokas spoguļattēlu 90°/270° līnijas virzienā, iegūst otru roku. Šī līkne ir ievērojama kā viena no pirmajām līknēm, pēc konusveida sekcijām, kas aprakstīta matemātiskā traktātā, un kā galveno līknes piemēru, ko vislabāk definē ar polāro vienādojumu.

Konisks posms

Konusa šķēlums ar vienu fokusu uz polu un otrs kaut kur uz 0° stara (tā, loki ir lielās ass, atrodas gar polāro asi), aprēķina pēc formulas:
,
kur e ir ekscentriskums,
ir semi-latus rectum (perpendikulārais attālums no galvenās ass līdz līknei).
Ja e > 1 , šis vienādojums definē hiperbolu,
ja e = 1 , tas definē parabolu un,
ja e <1 , tas definē elipsi.
Īpašais gadījums e = 0  rādiusa aplis.

Kompleksie skaitļi

Katru kompleksu skaitli var attēlot kā punktu kompleksa plaknē, un tāpēc to var izteikt, norādot vai nu punktus, kas ir Dekarta koordinātas (ko sauc par taisnstūrveida vai Dekarta formu), vai arī punktveida polāro koordinātu (sauktas par polāro formu). Kompleksa skaitli z var attēlot taisnstūra formā kā
,
kur i ir imaginārā vienība, vai alternatīvi var tikt rakstīts polārā veidā (caur pārveidošanas formulām kas dotas iepriekš), kā
un var izteikt ka:
kur e ir Eilera skaitlis , kas ir līdzvērtīgs, kā parādīts Eilera formulā.
(Ievērojot, ka šī formula, tāpat kā visi, kas saistīti ar leņķu eksponenciāliem elementiem, pieļauj, ka leņķis φ ir izteikts radiānos.) Lai varētu pārveidot no kompleksa skaitļa taisnstūra un polārās formas, var izmantot iepriekš norādītās konversijas formulas .
Par darbību reizināšanu, dalīšanu un kāpināšanu ar kompleksu skaitļu, tad parasti ir daudz vienkāršāk strādāt ar kompleksiem skaitļiem izsakot polārā veidā, nevis taisnstūra formā. No likumiem:
Reizināšana:
Dalīšana:
Kāpināšana (De Moivre's formula)

Aprēķins

Aprēķinus var izmantot vienādojumiem, kas izteikti polāro koordinātu veidā.
Leņķiskās koordinātas φ izteiktas radiānos, kas ir piemērotākā izvēle veicot aprēķinus.

Diferenciāļa aprēķins

Izmantojot x = r cos φ un y = r sin φ, var iegūt attiecību starp atvasinājumiem Dekarta un polāro koordinātu veidā. Par noteiktu funkciju, u(x,y), no tā izriet, ka: (aprēķina kopējo atvasinājumu summu)
vai
Tāpēc var iegūt šādas formulas:
Izmantojot apgriezto koordinātu transformāciju, starp atvasinājumiem var iegūt analoģisku savstarpēju attiecību. Ņemot vērā funkciju u(r,φ), no tā izriet, ka:
vai
Tāpēc var iegūt šādas formulas:
Lai noteiktu pieskares līniju Dekarta slīpumu pret polāro līkni r(φ) jebkurā konkrētā punktā, līkni vispirms izsaka kā parametrisko vienādojumu sistēmu:
Diferencē abas vienādojuma puses attiecībā pret φ:
Otro vienādojumu izdalot ar pirmo iegūst pieskares līnijas Dekarta slīpuma punktā (r(φ), φ):

Integrālais aprēķins (loka garums)

Loka garums (līnijas segmenta garums), ko definē polārā funkcija, tiek noteikts ar integrāciju r (φ).  L apzīmē šo loka garumu, sākot no punktiem A līdz punktam B, kur šiem punktiem atbilst φ = a un φ = b tā, ka 0 < b - a <2 π . L garums tiek aprēķināts ar šādu integrāli:

Integrālais aprēķins (apgabals)

Apzīmē R apgabalu, ko ierobežo līkne r(φ) un stari φ = a un φ = b, kur 0 < b − a ≤ 2π. Tad R apgabalu var aprēķināt: Šo rezultātu var atrast šādi:
Pirmkārt, intervāls [a,b] tiek sadalīts n daļās, kur n ir patvaļīgs pozitīvs vesels skaitlis. Tādēļ Δφ, katrs daļas garums ir vienās ar b − a (kopējais intervāla garums), dala ar n. Katrai daļai i = 1, 2, …, n, piekārto φi, lai būtu apakš intervāli viduspunktiem un tiktu veidoti sektori ar centru, rādiusu r(φᵢ), centrālo leņķi Δφ un loka garumu r(φᵢ)Δφ. Tāpēc katra sektora apgabals ir vienāds ar:
Tādēļ visu sektoru kopējais laukums ir:
Palielinot n daļu skaitu, apgabala tuvināšana turpina uzlaboties. Jo ierobežojuma n → ∞ , summa kļūst par Riemann summu no iepriekšējā integrāļa.
Mehāniskā ierīce, kas aprēķina apgabala integrālos skaitļus, ir planimetrs, kas mēra plaknes figūru laukumu, ņemot vērā, ka tas atkārto integrāciju polāro koordinātu veidā, pievienojot locītavu tā, ka divu elementu savienojums ietekmē Grīna teorēmu, pārveidojot kvadrātu polāro integrāli uz lineāro integrāli.

Vispārinājums

Izmantojot Dekarta koordinātas, bezgalīgi vienādu laukuma elementu var aprēķināt kā dA = dx dy. Aizstājot vairāku integrāļu nosacījumus, izmantojot citas koordinātes, Jakobiāna determinants ar koordinātu konvertēšanas formulu:
Tāpēc, polāro koordinātu elementus var aizstāt ar:
Tagad funkciju, kas norādīta polāro koordinātu veidā var integrēt:
Šeit R ir tāds pats apgabals kā iepriekš, proti, apgabals ko ierobežo līkne r(φ), un stari φ = a un φ = b.
Iepriekš minētā R apgabala formulu iegūst ņemot f indeksa vienādību ar 1. Šis pielietojums veido Gausa integrāli:

Vektoru aprēķināšana

Vektoru aprēķinu var izmantot arī polāro koordinātu gadījumā. Plakanai kustībai  pozīcijas vektoram ( r cos(φ), r sin(φ)), kur r un φ ir atkarīgi no laika t .
Tiek definēti vienību vektori
virzienā
kustības plaknē, kas ir perpendikulāra radiālajam virzienam, kur  ir vienības vektors.
Tad

Diferenciālā ģeometrija

Mūsdienu terminoloģijā diferenciālo ģeometriju, polārās koordinātas nodrošina  ℝ ² \ {(0,0)}. Šajās koordinātās Eiklīda metrisko tenzoru nosaka ar: 
To var redzēt, mainot mainīgo formulu metriskajam tenzoram vai aprēķinot diferenciālas formas dx, dy ar  ārējo atvasinājumu  un aizstājot ar Eiklīda metrisko tenzoru . Ortonormēts rāmis saistībā ar šo metriku ir dotaar divkāršu izteiksmi
Savienojuma forma attiecībā pret šo rāmi un Levi-Civitas savienojumu ievada ar pārveidotu simetrisku matricu 1 formā
un līdz ar to  forma  vienādi izzūd.

Papildinājumi trīs dimensijās

Eksistē divas trīsdimensiju koordinātu sistēmas, kuru pamatā ir plaknes polāro koordinātu sistēma. Tās ir cilindriskā koordinātu sistēma un sfēriskā koordinātu sistēma.

Pielietojums

Polārās koordinātas ir divdimensiju formā un tādējādi tās var izmantot tikai tad, ja punktu pozīcijas atrodas vienā divdimensiju plaknē. Tie ir vispiemērotākie jebkurā veidā, kurā aplūkotā darbība tiek uzskatīta par sasaistītu ar virzienu un garumu no centra punkta. Piemēram, iepriekš minētie piemēri parāda, cik vienkārši polārie vienādojumi parāda, lai definētu līknes, piemēram, Arhimēda spirāli, kuras vienādojums Dekarta koordinātu sistēmā būtu daudz sarežģītāks. Turklāt daudzas fiziskās sistēmas, piemēram, tās, kas attiecas uz ķermeņiem, kas pārvietojas pa centrālo punktu vai parādās no centrālā punkta, ir vienkāršākas un intuitīvākas par modeli, izmantojot polārās koordinātas. Sākotnējā polārās sistēmas ieviešana bija apļveida un orbitālās kustības izpētes dēļ.

Pozīcija un navigācija

Polārās koordinātas bieži tiek izmantotas navigācijā, jo galamērķi vai ceļojuma virzienu var sniegt kā leņķi un attālumu no objekta, uz galamērķi. Piemēram, gaisa kuģi izmanto navigāciju polāro koordinātu veidā, nedaudz modificētā versijā. Šajā sistēmā, ko parasti izmanto jebkāda veida navigācijai, 0° staru parasti sauc par 360, un leņķis turpinās pulksteņrādītāja virzienā, nevis pretēji pulksteņa rādītāja virzienam, kā matemātiskajā sistēmā. Pozīcija 360 atbilst magnētiskajam ziemeļu virzienam, bet pozīcijas 90, 180 un 270 atbilst attiecīgi magnētiskajam austrumu, dienvidu un rietumu virzienam.

Modelēšana

Sistēmas, kas attēlo radiālo simetriju, nodrošina dabiskus iestatījumus polāro koordinātu sistēmai, un centrālais punkts darbojas kā pols. Galvenais šāda pielietojuma piemērs ir gruntsūdeņu plūsmas vienādojums , ko piemēro simetriskām akām. Sistēmas ar radiālo spēku arī ir piemērotas polāro koordinātu sistēmas izmantošanai. Šīs sistēmas ietver gravitācijas laukus, kas pakļauti apgriezto laukumu likumiem, kā arī sistēmām ar punktveida avotiem, piemēram, radio antenām .
Radikāli asimetriskas sistēmas var modelēt arī ar polāro koordinātu palīdzību. Piemēram, mikrofons ir modelis, kas atveido proporcionālu atbildi uz ienākošo skaņu no konkrēta virziena, un šie modeļi var tikt attēloti kā polārās līknes. Standarta kardioīda mikrofona līkne, visbiežāk novietots vienvirziena mikrofons, var tikt attēlots kā mērķa projektēšanas frekvencē. Paraugs mainās uz visaptverošu virzienu zemākām frekvencēm.