Napakoordinaatisto

**Napakoordinaatisto** on kaksiulotteinen koordinaatisto, jossa jokainen piste on määritetty kiertokulman \theta ja säteen r funktiona. Napakoordinaatisto on käyttökelpoinen tilanteissa, joissa kahden pisteen välinen suhde on helpoiten määritettävissä kulman ja etäisyyden avulla - tavallisemmassa karteesisessa koordinaatistossa vastaava suhde voidaan määrittää trigonometrian keinoilla.

Säde mittaa pisteen etäisyyttä keskipisteestä, eli karteesisen koordinaatiston origoa vastaavasta navasta. Kiertokulma mittaa kulmaa pisteen ja napa-akselin välillä. Napa-akselia vastaava akseli karteesisessa koordinaatistossa on positiivinen x-akseli.

## Pisteiden piirtäminen napakoordinaatistossa

Jokainen napakoordinaatiston piste voidaan esittää kahdella napakoordinaatilla, jotka ovat r (etäisyys navasta) ja \theta (kiertokulma vastapäivään positiivisesta x-akselista).

Esimerkiksi napakoordinaatiston piste (3, 60°) voidaan piirtää kolmen yksikön päähän navasta 60° säteen kohdalle. Piste (−3, 240°) piirretään samaan pisteeseen, sillä negatiivinen säde vastaa 180 asteen kiertoa.

Napakoordinaatistossa voidaan yhdelle pisteelle antaa ääretön määrä eri koordinaatteja, koska navan ympäri voidaan tehdä kokonaisia kierroksia ilman, että pisteen sijainti muuttuu. Yleisesti piste (r, \theta) voidaan esittää muodossa (r, \theta \pm n \cdot 360^{\circ}) tai (-r, \theta \pm (2n+1) \cdot 180^{\circ}), jossa n on mielivaltainen kokonaisluku.

Mielivaltaisia koordinaatteja (0, \theta) käytetään yleensä esittämään napaa, sillä \theta-koordinaatin arvosta huolimatta piste, jolle r = 0, sijaitsee aina navassa. Kulmat voidaan napakulmakoordinaatistossa esittää vapaasti joko asteina tai radiaaneina käyttäen muunnoskaavaa 2\pi\,\text{rad} = 360^{\circ}. Valinta riippuu lähinnä asiayhteydestä, sillä esimerkiksi navigoinnissa käytetään usein asteita, kun taas monet fysiikan sovellukset ja lähes kaikki matemaattinen kirjallisuus käyttävät radiaaneja.

### Karteesiset koordinaatit

Napakoordinaatit r ja \theta voidaan muuntaa karteesisiksi koordinaateiksi x ja y käyttämällä trigonometrisiä funktioita sini ja kosini: 

: x = r \cos \theta
: y = r \sin \theta.

Karteesiset koordinaatit x ja y voidaan muuntaa napakoordinaatiksi r Pythagoraan lauseella:

: r^2 = y^2 + x^2.

Kiertokulman \theta määrittämiseksi tulee ottaa huomioon seuraavat ehdot:
* Kun r = 0, kulma \theta voi olla mielivaltainen.
* Kun r \neq 0, kulma \theta valitaan yleensä välille [0, 2\pi).

Kulman \theta saamiseksi välille [0, 2\pi) voidaan käyttää seuraavia kaavoja (funktioita \arctan ja \arccos merkitään joskus \tan^{-1} ja \cos^{-1}, lähinnä laskimissa)

: \theta = 
\begin{cases}
\arctan(\frac{y}{x})        & \mbox{jos } x > 0 \mbox{ ja } y \ge 0\\
\arctan(\frac{y}{x}) + 2\pi & \mbox{jos } x > 0 \mbox{ ja } y  0\\
\frac{3\pi}{2}              & \mbox{jos } x = 0 \mbox{ ja } y 

tai

: \theta =
\begin{cases}
\pi - sign(y) \arccos(-\frac{x}{r}) & \mbox{jos } r > 0\\
0 & \mbox{jos } x > 0 \mbox{ ja } y = 0.
\end{cases}

Kulman \theta saamiseksi välille (-\pi, \pi], voidaan käyttää seuraavaa:

: \theta = 
\begin{cases}
\arctan(\frac{y}{x}) & \mbox{jos } x > 0\\
\arctan(\frac{y}{x}) + \pi & \mbox{jos } x  0\\
-\frac{\pi}{2} & \mbox{jos } x = 0 \mbox{ ja } y 

tai

: \theta =
\begin{cases}
 sign(y) \arccos(\frac{x}{r}) & \mbox{jos } r > 0\\
\pi & \mbox{jos } x 

## Yhtälöitä napakulmakoordinaatistossa
Napayhtälöksi kutsutaan algebrallisen käyrän napakulmakoordinaatistossa määrittävää yhtälöä. Monissa tapauksissa yhtälö voidaan määrittää yksinkertaisesti määrittämällä r muuttujan \theta funktiona.

Monet käyrät voidaan ilmaista suhteellisen yksinkertaisina napayhtälöinä, vaikka niiden karteesinen muoto olisikin huomattavasti monimutkaisempi.

### Ympyrä

Yleinen yhtälö ympyrälle, jonka keskipiste on (r_0, \varphi) ja säde a, on

:r^2 - 2 r r_0 \cos(\theta - \varphi) + r_0^2 = a^2.

Yhtälöä voidaan tietyissä erityistapauksissa yksinkertaistaa, kuten keskipisteen ollessa origossa ja säteen ollessa a:

:r(\theta) = a.

### Suora
Säteittäisiä eli navan kautta kulkevia suoria kuvaa yhtälö

:\theta = \varphi,

jossa \varphi kuvaa suoran jyrkkyyttä, joka saadaan kaavalla \varphi = \arctan k, jossa k on suoran kulmakerroin karteesisessa koordinaatistossa. Ei-säteittäiselle suoralle, joka leikkaa kohtisuorasti säteittäisen suoran \theta = \varphi pisteessä (r_0, \varphi) pätee yhtälö

:r(\theta) = \frac{\cos(\theta-\varphi)}.

### Ruusukäyrä

Ruusukäyrä on kuuluisa kukalta näyttävä käyrä, joka voidaan ilmaista yksinkertaisella napakulmakoordinaatiston yhtälöllä

:r(\theta) = a \cos (k\theta + \varphi_0)

mille tahansa vakiolle \varphi_0 sisältäen nollan. Jos k on pariton kokonaisluku, ruusukäyrän yhtälöt tuottavat k-terälehtisen ruusun, ja jos k on parillinen kokonaisluku, 2k-terälehtisen ruusun. Jos k on rationaaliluku, muttei kokonaisluku, ruusun kaltainen käyrä saattaa muodostua, mutta terälehdet saattavat asettua päällekkäin. Huomioitavaa on, ettei yhtälöä 4n+2-terälehtiselle ruusulle voida määrittää. Muuttuja a kuvaa ruusun terälehtien pituutta.

### Arkhimedeen spiraali

Arkhimedeen spiraali on kuuluisa Arkhimedeen keksimä kuvio, joka voidaan kuvata myös yksinkertaisella napakoordinaatiston yhtälöllä.

:r(\theta) = a + b\theta.

Muuttujan a arvon muuttaminen kääntää spiraalia, ja muuttujan b arvon muuttaminen muuttaa spiraalin haarojen välimatkaa. Muuttujien arvot ovat vakiot tietylle spiraalille. Arkhimedeen spiraalilla on kaksi haaraa, toinen arvoille \theta > 0, ja toinen arvoille \theta . Haarat yhdistyvät napapisteessä.

### Kartioleikkaukset

Kartioleikkaus, jonka toinen polttopiste on navalla ja toinen 0° säteellä saadaan yhtälöstä

: r = { \ell\over {1 + e \cos \theta}},

jossa e on eksentrisyys ja \ell on pystysuora etäisyys polttopisteestä kehälle. Jos e > 1, yhtälö määrittelee hyperbelin; jos e = 1, se määrittelee paraabelin; jos e , se määrittelee ellipsin. Edellisen erikoistapauksessa, kun e = 0, yhtälö määrittelee \ell-säteisen ympyrän.

## Kompleksiluvut

Jokainen kompleksiluku voidaan esittää kompleksitason pisteenä, ja siten voidaan esittää joko pisteen karteesisen koordinaatiston koordinaatit tai pisteen napakoordinaatiston koordinaatit. Kompleksiluku z voidaan esittää karteesisessa koordinaatistossa muodossa

: z = x + iy,

jossa i on imaginääriyksikkö, tai vaihtoehtoisesti napakoordinaatiston muodossa muodossa

: z = r\cdot(\cos\theta+i\sin\theta)

ja edelleen muodossa

: z = re^{i\theta},

jossa e on Neperin luku, kuten Eulerin kaavat osoittavat. (On huomioitava, että kulma \theta ilmoitetaan radiaaneissa.)

Kompleksilukujen kerto- ja jakolasku sekä potenssiin korotus onnistuvat huomattavasti helpommin napakoordinaatistomuotoisilla kompleksiluvuilla kuin normaalimuodossa olevilla.

## Lähteet

## Kirjallisuutta
* 
*