Redigerer
Koordinatsystem
Hopp til navigering
Hopp til søk
Advarsel:
Du er ikke innlogget. IP-adressen din vil bli vist offentlig om du redigerer. Hvis du
logger inn
eller
oppretter en konto
vil redigeringene dine tilskrives brukernavnet ditt, og du vil få flere andre fordeler.
Antispamsjekk.
Ikke
fyll inn dette feltet!
[[Fil:Curvilinear.svg|mini|upright=1.2|'''Kartesiske''', <span style="color:red">'''skjevvinklete'''</span> og <span style="color:blue">'''krumlinjete'''</span> koordinater.]] '''Koordinatsystem''' benyttes for å angi [[punkt]]er på en entydig måte i et [[rom (matematikk)|rom]] eller på en geometrisk [[mangfoldighet]]. Det mest kjente eksemplet er [[kartesisk koordinatsystem|kartesiske koordinatsystem]] som brukes i rom med [[euklidsk geometri]]. Antall koordinater som behøves, er lik med rommets [[dimensjon]]. Holdes alle koordinatene bortsett fra en fast, vil den siste koordinatene beskrive en rett koordinatlinje. Det kartesiske koordinatsystemet er derfor også eksempel på et «rettlinjet» koordinatsystem. På den måten kan [[euklidsk geometri]] formuleres ved [[ligning (matematikk)|matematiske ligninger]] og beskrives som [[analytisk geometri]]. Et annet, kjent koordinatsystem er [[geografiske koordinater]] bestående av [[lengdegrad|lengde]] og [[breddegrad|bredde]] på [[Jorden]]s overflate. Dette er en krum flate med to dimensjoner og koordinatene sies derfor å være [[krumlinjete koordinater|krumlinjete]]. Tilsvarende koordinater brukes også innen [[astronomi]] for å angi punkter på [[himmelkula|himmelkulen]] eller i universet. Etter at [[Einstein]] i sin [[generelle relativitetsteori]] viste at det firedimensjonale [[romtid|tidrommet]] er krummet på grunn av masse og energi, må slike krumlinjete koordinater alltid benyttes i denne viktige delen av moderne, [[teoretisk fysikk]]. Koordinatsystem brukes i mange andre sammenhenger, også i flere morsomme spill som blant annet slagskip og [[sjakk]]. ==Rettlinjete koordinater== [[Fil:cartesian_with_grid.svg|right|250px|thumb|Et kartesisk koordinatsystem i tre dimensjoner er rettvinklet.]] I et tredimensjonalt, [[euklidsk rom]] er hvert punkt angitt ved tre kartesiske koordinater som ''(x,y,z)''. Det er ekvivalent med å tilordne punktet en «posisjonsvektor» {{nowrap|'''r''' {{=}} ''x'' '''e'''<sub>''x''</sub> + ''y'' '''e'''<sub>''y''</sub> +''z'' '''e'''<sub>''z''</sub>}} hvor de tre '''basisvektorene''' er {{nowrap|'''e'''<sub>''x''</sub> {{=}} (1,0,0),}} {{nowrap|'''e'''<sub>''y''</sub> {{=}} (0,1,0)}} og {{nowrap|'''e'''<sub>''z''</sub> {{=}} (0,0,1).}} Da disse overalt i rommet står [[vinkelrett]] på hverandre, sies dette kartesiske koordinatsystemet å være «rettvinklet». Uttrykt ved [[Kronecker-delta]]et, skrives det som : <math> \mathbf{e}_m\cdot\mathbf{e}_n = \delta_{mn} </math> hvor de latinske indeksene tar verdiene ''(x,y,z)''. Med bruk av [[Kovariant relativitetsteori#Kontravariante komponenter|Einsteins summekonvensjon]] som sier at man alltid skal summere over to like indekser i et matematisk uttrykk, kan posisjonsvektoren skrives på den mer kompakte formen {{nowrap|'''r''' {{=}} ''x<sup>m</sup>'' '''e'''<sub>''m''</sub>}}. Indeksen til den kartesiske koordinaten ''x<sup>m</sup>'' kunne likså godt stå nede, men det er hensiktsmessig å la den her stå oppe. Denne skrivemåten er uavhengig av hvor mange dimensjoner rommet har og blir svært ofte benyttet.<ref name = Siegel> M. R. Spiegel, ''Vector Analysis'', Schaum's Outline Series, New York, (1959).</ref> ===Skjevvinklet koordinatsystem=== Enhver lineært uavhengig kombinasjon av de gitte, kartesiske basisvektorene '''e'''<sub>''m''</sub> kan benyttes til å lage et nytt sett med basisvektorer '''e'''<sub>''μ''</sub>. Slike lineærkombinasjoner kan sammenfattes i ligningen : <math> \mathbf{e}_\mu = \mathbf{e}_m A^m_{\;\;\mu} </math> når man benytter [[Einsteins summekonvensjon]] og summerer over like indekser. Her er den greske indeksen ''μ'' = 1,2,3,...,''D'' i det generelle tilfellet når rommet har ''D'' dimensjoner. Da vil koeffisientene {{nowrap|''A<sup>m</sup><sub>μ</sub>''}}  utgjøre en ''D×D'' [[matrise]] ''A''. Den vil garantert ha en inverse ''A''<sup>-1</sup> med elementer {{nowrap|(''A''<sup>-1</sup>)''<sup>μ</sup><sub>m</sub>'' }} når denne nye basisen består av lineært uavhengige vektorer. Det betyr at man også har den inverse sammenhengen : <math> \mathbf{e}_m = \mathbf{e}_\mu (A^{-1})^\mu_{\;\; m} </math> mellom de gamle og nye basisvektorene. Settes dette inn i uttrykket for posisjonsvektoren, kan den nå skrives som {{nowrap|'''r''' {{=}} ''x<sup>μ</sup>'' '''e'''<sub>''μ''</sub>}} hvor nå : <math> x^\mu = (A^{-1})^\mu_{\;\; m}x^m </math> sies å være koordinatene i dette nye koordinatsystemet. Omvendt gjelder derfor også sammenhengene {{nowrap|''x<sup>m</sup> {{=}} A<sup>m</sup><sub>μ</sub> x<sup>μ</sup>''.}} Varierer man her bare en av de skjeve koordinatene ''x<sup>μ</sup>'', vil ligningene beskrive en rett koordinatlinje i rommet. Da de nye basisvektorene er gitt som {{nowrap|'''e'''<sub>''μ''</sub> {{=}} ∂'''r'''/∂''x<sup>μ</sup>'',}} er de [[tangent (matematikk)|tangentvektorer]] til disse koordinatlinjene. Det transformerte koordinatsystemet er vanligvis ikke lenger rettvinklet. Matematisk kommer det frem fra produktet : <math> \mathbf{e}_\mu\cdot \mathbf{e}_\nu = \mathbf{e}_m\cdot\mathbf{e}_n A^m_{\;\;\mu} A^n_{\;\;\nu} = A^m_{\;\;\mu} A^m_{\;\;\nu}</math> hvor man igjen skal summere over den latinske indeksen ''m''. Alle disse produktene mellom basisvektorene inneholder informasjon om deres lengder og vinklene mellom dem. Dette er ikke noe annet en [[metrisk tensor|metrikken]] til rommet uttrykt i de nye koordinatene. Den betegnes vanligvis ved en ''D×D'' [[symmetrisk matrise]] med elementer {{nowrap|''g<sub>μν</sub>'' {{=}} '''e'''<sub>''μ''</sub>⋅'''e'''<sub>''ν''</sub>.}} I det kartesiske koordinatsystemet er metrikken gitt ved Kronecker-deltaet {{nowrap|''δ<sub>mn</sub>'' {{=}} '''e'''<sub>''m''</sub>⋅'''e'''<sub>''n''</sub>.}} Avstanden Δ''s '' mellom to punkt '''r''' og '''r''' + Δ'''r''' uttrykt ved de skjevvinklete koordinatene er dermed gitt ved : <math> \Delta s^2 = \Delta\mathbf{r}\cdot\Delta\mathbf{r} = \mathbf{e}_\mu\Delta x^\mu\cdot \mathbf{e}_\nu\Delta x^\nu = g_{\mu\nu}\Delta x^\mu \Delta x^\nu </math> I alle rettlinjete koordinatsystem er metrikken {{nowrap|''g<sub>μν</sub>''}} den samme i hele rommet og derfor med komponenter som alle har konstante verdier. ===Kontravariante og kovariante komponenter=== I tillegg til basisvektorene '''e'''<sub>''μ''</sub>  kan man velge å benytte et alternativt sett av lineært uavhengige vektorer som en basis i dette rommet. Det er basert på at koordinattransformasjonen {{nowrap|''x<sup>μ</sup>'' {{=}} (''A''<sup>-1</sup>)''<sup>μ</sup><sub>m</sub> x<sup>m</sup>'' }} beskriver en flate i rommet når en koordinat ''x<sup>μ</sup> '' holdes fast. Dette er «koordinatflaten» for denne koordinaten. Hver koordinat har sin tilsvarende koordinatflate. [[Nabla-operator|Normalvektorene]] {{nowrap|'''e'''<sup>''μ''</sup> {{=}} '''∇'''''x<sup>μ</sup> ''}} til disse flatene danner en '''dual basis''' som angis ved å skrive den greske indeksen i hevet posisjon.<ref name = Siegel/> Hver av disse nye basisvektorene står vinkelrett på alle andre i den opprinnelige basisen bortsett fra sin duale motpart. Det følger fra : <math> \mathbf{e}^\mu\cdot \mathbf{e}_\nu = (A^{-1})^\mu_{\;\; m}\mathbf{e}_m\cdot \mathbf{e}_n A^n_{\;\;\nu} = (A^{-1})^\mu_{\;\; m}A^m_{\;\;\nu} = (A^{-1}A)^\mu_{\;\;\nu} = \delta^\mu_{\;\nu}</math> hvor på høyresiden Kronecker-deltaet med greske indekser opptrer. En dual basis kan også konstrueres i det mer generelle tilfellet hvor rommet som skal koordinatiseres, i utgangspunktet ikke har noen metrikk. Dette benyttes noen ganger i den mer abstrakte formuleringen av [[differensialgeometri]]. En vilkårlig vektor '''V''' kan i det opprinnelige, kartesiske koordinatsystemet uttrykkes ved sine komponenter på de tilsvarende basisvektorene slik at {{nowrap|'''V''' {{=}} ''V<sub>m</sub>'' '''e'''<sub>''m''</sub>.}} For de kartesiske komponentene ''V<sub>m</sub> '' er det uvesentlig om den latinske indeksen skrives oppe eller nede. Men i den skjevvinklete i basisen er dette ikke lenger tilfelle. Der får vektoren andre komponenter som følger fra : <math> \mathbf{V} = \mathbf{e}_\mu (A^{-1})^\mu_{\;\; m} V^m</math> Dette kan igjen skrives på formen {{nowrap|'''V''' {{=}} ''V<sup>μ</sup> '''''e'''<sub>''μ''</sub>}} hvor koeffisientene : <math> V^\mu = (A^{-1})^\mu_{\;\; m}V^m </math> kalles vektorens '''kontravariante''' komponenter. Det er angitt ved å plassere den greske indeksen i en hevet posisjon. Navnet «kontravariante» kommer fra den egenskapen at disse komponentene transformerer med den inverse matrisen ''A<sup>-1</sup>'' og derfor motsatt av de tilsvarende basisvektorene '''e'''<sub>''μ''</sub>. Alternativt kan man nå også benytte den duale basisen i det skjevvinklete koordinatsystemet. Da er {{nowrap|'''V''' {{=}} ''V<sub>μ</sub> '''''e'''<sup>''μ''</sup> }} som definerer de '''kovariante''' komponentene {{nowrap|''V<sub>μ</sub>'' {{=}} '''e'''<sub>''μ''</sub>⋅'''V''' }} til denne vektoren. De skrives med den greske indeksen i senket posisjon. Skriver man her {{nowrap|'''V''' {{=}} ''V<sup>ν</sup>'' '''e'''<sub>''ν''</sub>}}, er derfor {{nowrap|''V<sub>μ</sub>'' {{=}} '''e'''<sub>''μ''</sub>⋅'''e'''''<sub>ν</sub>V<sup>ν</sup>''}}  som betyr at : <math> V_\mu = g_{\mu\nu}V^\nu </math> Metrikken {{nowrap|''g<sub>μν</sub>'' }} kan derfor brukes til å «senke» en kontravariant indeks slik at man får en kovariant komponent. På tilsvarende måte er en kontravariant komponent gitt som {{nowrap|''V<sup>μ</sup>'' {{=}} '''e'''<sup>''μ''</sup>⋅'''V''' }} som betyr at man kan skrive {{nowrap|''V<sup>μ</sup>'' {{=}} ''g<sup>μν</sup>V<sub>ν</sub>'' }} etter å ha definert {{nowrap|''g<sup>μν</sup>'' {{=}} '''e'''<sup>''μ''</sup>⋅'''e'''<sup>''ν''</sup> {{=}} (''A''<sup>-1</sup>)''<sup>μ</sup><sub>m</sub>''(''A''<sup>-1</sup>)''<sup>ν</sup><sub>m</sub>''.}} Det er derfor naturlig å kalle disse koeffisientene for de kontravariante komponentene av metrikken. Da de oppfyller : <math> g^{\mu\lambda}g_{\lambda\nu} = \delta^\mu_{\;\nu}, </math> danner de en matrise som er den inverse av matrisen med de kovariante komponentene {{nowrap|''g<sub>μν</sub>''.}} [[Indreprodukt]]et mellom vektorene '''V''' og {{nowrap|'''U''' {{=}} ''U<sup>μ</sup>'' '''e'''<sub>''μ''</sub>}} blir nå {{nowrap|'''U'''⋅'''V''' {{=}} ''g<sub>μν</sub>U<sup>μ</sup>V<sup>ν</sup>''.}} Det kan derfor også skrives som {{nowrap|'''U'''⋅'''V''' {{=}} ''U<sup>μ</sup>V<sub>μ</sub> {{=}} U<sub>μ</sub>V<sup>μ</sup>''.}} ===Et todimensjonalt eksempel=== [[Fil:Skjevvinklet.jpg|thumb|320px|Kartesisk basis ('''e'''<sub>''x''</sub>,'''e'''<sub>''y''</sub>) i to dimensjoner vist i sort, mens skjevvinklet basis ('''e'''<sub>1</sub>,'''e'''<sub>2</sub>) langs koordinatlinjene er vist i <span style="color:blue;">blått </span>. Den duale basisen {{nowrap|('''e'''<sup>1</sup>,'''e'''<sup>2</sup>)}} står normalt på koordinatlinjene og er tegnet inn med <span style="color:green;">grønt </span>. Med <span style="color:red;">rødt </span> er vist vektoren '''V''' = {{nowrap|3'''e'''<sub>''x''</sub> + 4'''e'''<sub>''y''</sub>}}.]] Denne formalismen kan illustreres i et euklidsk rom med ''D = 2 '' dimensjoner. I stedet for de to kartesiske basisvektorene '''e'''<sub>''x''</sub> og '''e'''<sub>''y''</sub>, kan man for eksempel benytte den skjevvinklete basisen definert ved {{nowrap|'''e'''<sub>1</sub> {{=}} '''e'''<sub>''x''</sub> - '''e'''<sub>''y''</sub>}} og {{nowrap|'''e'''<sub>2</sub> {{=}} '''e'''<sub>''x''</sub> + 2'''e'''<sub>''y''</sub>.}} Transformasjonsmatrisen og dens inverse er derfor : <math> A = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix},\;\; A^{-1} = \begin{bmatrix} 2/3 & -1/3 \\ 1/3 & 1/3 \end{bmatrix} </math> Fra de nye basisvektoren følger også direkte de kovariante komponentene av metrikken, : <math> g_{\mu\nu} = \begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 5 \end{bmatrix} </math> De nye, kontravariante koordinatene blir på samme måte :<math>\begin{align} x^1 &= {2\over 3}x - {1\over 3}y \\ x^2&= {1\over 3}x + {1\over 3}y\\ \end{align}</math> Dette gir også den duale basisen bestående av {{nowrap|'''e'''<sup>1</sup> {{=}} 2/3 '''e'''<sub>''x''</sub> - 1/3 '''e'''<sub>''y''</sub> }} og {{nowrap|'''e'''<sup>2</sup> {{=}} 1/3 '''e'''<sub>''x''</sub> + 1/3 '''e'''<sub>''y''</sub>}}. De kontravariante komponentene av metrikken blir dermed : <math> g^{\mu\nu} = {1\over 9}\begin{bmatrix} 5 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix} </math> I figuren til høyre er dette skjevvinklete koordinatsystemet vist med noen forskjellige koordinatlinjer og basiser tegnet inn i noen tilfeldige punkt. Det fundamentale parallellogrammet {{nowrap|'''e'''<sub>1</sub> × '''e'''<sub>2</sub> }} har et areal som er kvadratroten av {{nowrap|det(''g<sub>μν</sub> '') {{=}} 3}} ganger større enn arealet til kvadratet {{nowrap|'''e'''<sub>''x''</sub> × '''e'''<sub>''y''</sub>,}} mens det duale parallellogrammet {{nowrap|'''e'''<sup>1</sup> × '''e'''<sup>2</sup> }} har et areal som er 3 ganger mindre enn dette enhetskvadratet. En kartesisk vektor '''V''' = 3'''e'''<sub>''x''</sub> + 4'''e'''<sub>''y''</sub> kan da angis ved sine kontravariante komponenter som {{nowrap|'''V''' {{=}} 2/3 '''e'''<sub>1</sub> + 7/3 '''e'''<sub>2</sub>}} som fremkommer ved projeksjoner parallelt med koordinatlinjene. I den duale basisen blir {{nowrap|'''V''' {{=}} -'''e'''<sup>1</sup> + 11'''e'''<sup>2</sup>}}  med kovariante komponenter som finnes ved projeksjoner normalt på koordinatlinjene. ==Krumlinjete koordinater== [[Fil:3D Spherical.svg|thumb|280px|Kulekoordinater angir et punkt ''P'' ved retningen (''θ,φ'') og avstanden ''r''.]] I det samme, euklidske rommet kan man også uttrykke de kartesiske koordinatene ''x<sup>m</sup> '' ved mer generelle koordinater ''x<sup>μ</sup>''. Slike koordinattransformasjoner vil i alminnelighet være ikke-lineære slik at de nye koordinatlinjene er [[kurve#Normalvektor og krumning|krumme]]. De kalles derfor for [[krumlinjete koordinater]]. Et typisk eksempel i tre dimensjoner er [[kulekoordinater]] eller «sfæriske koordinater» definert ved transformasjonen : <math>x=r \sin\theta \, \cos\varphi</math> : <math>y=r \sin\theta \, \sin\varphi</math> : <math>z=r \cos\theta</math> En ''r''-koordinatlinje er en rett [[linje]] gjennom origo, mens ''θ-'' og ''φ-''koordinatlinjer er sirkler på samme måte som [[breddegrad]] og [[lengdegrad]]. Fra koordinattransformasjonene ''x<sup>m</sup> = x<sup>m</sup>''(''x<sup>μ</sup>'' ) kan man direkte beregne tangentvektorene til koordinatlinjene. De kan benyttes som en ny vektorbasis som igjen kan skrives som {{nowrap|'''e'''<sub>''μ''</sub> {{=}} '''e'''''<sub>m</sub>A<sup>m</sup><sub>μ</sub>''}}. Men nå vil transformasjonsmatrisen {{nowrap|''A<sup>m</sup><sub>μ</sub>'' {{=}} ∂''x<sup>m</sup>''/∂''x<sup>μ</sup>'' }} variere fra punkt til punkt i rommet slik at basisvektorene overalt vil ha forskjellige retninger. For eksempel, med kulekoordinater blir :<math>\begin{align} \mathbf{e}_r &= \sin\theta\cos\varphi\,\mathbf{e}_x + \sin\theta\sin\varphi\,\mathbf{e}_y + \cos\theta\,\mathbf{e}_z \\ \mathbf{e}_\theta &= r\cos\theta\,\cos\varphi\,\mathbf{e}_x + r\cos\theta\,\sin\,\varphi\,\mathbf{e}_y - r\sin\theta\,\mathbf{e}_z\\ \mathbf{e}_\varphi &= -r\sin\theta\sin\varphi\,\mathbf{e}_x + r\sin\theta\cos\,\varphi\,\mathbf{e}_y \\ \end{align} </math> Basisvektoren '''e'''<sub>''θ''</sub>  og '''e'''<sub>''φ''</sub>  er [[vinkelrett|ortogonale]] tangentvektorer til en kule med radius ''r'', mens '''e'''<sub>''r''</sub>  står normalt på kuleflaten i radiell retning. På samme måte som med skjevvinklete koordinater kan komponentene til en vektor finnes i dette nye koordinatsystemet. Avstander og skalare produkt mellom vektorer er igjen gitt ved en metrikk {{nowrap|''g<sub>μν</sub>'' {{=}} '''e'''<sub>''μ''</sub>⋅'''e'''<sub>''ν''</sub>}}. Fra basisvektorene i kulekoordinater kan komponentene beregnes og samles i matrisen : <math>g_{\mu\nu}=\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & r^2 & 0\\ 0 & 0 & r^2\sin^2\theta \end{bmatrix} </math> I dette tilfellet er matrisen diagonal da basisvektorene står vinkelrett på hverandre. Ved hjelp av denne metrikken kan kovariante komponenter av vektorer beregnes. Alternativt kan de også finnes fra den inverse transformasjonen ''x<sup>μ</sup> = x<sup>μ</sup>''(''x<sup>m</sup>'')  som kan benyttes til å etablere en dual basis. ==Se også== * [[Kartesisk koordinatsystem|Kartesiske koordinater]] * [[Krumlinjete koordinater]] * [[Polarkoordinatsystem|Polarkoordinater]] * [[Kulekoordinater]] * [[Linjekoordinater]] ==Referanser== <references /> ==Litteratur== * M.L. Boas, ''Mathematical Methods in the Physical Sciences'', John Wiley & Sons, New York (1983). ISBN 0-471-04409-1. * E. Kreyzig, ''Differential Geometry'', Dover Publications, New York (1991). ISBN 0-486-66721-9. ==Eksterne lenker== * [https://snl.no/koordinatsystem «Koordinatsystem»], fra ''[[Store norske leksikon]]'' * [https://www.matematikk.org/artikkel.html?tid=205937&within_tid=154828 «Koordinatsystem»], video fra matematikk.org {{Autoritetsdata}} [[Kategori:Koordinatsystem]] [[Kategori:Analytisk geometri]] [[Kategori:1000 artikler enhver Wikipedia bør ha]]
Redigeringsforklaring:
Merk at alle bidrag til Wikisida.no anses som frigitt under Creative Commons Navngivelse-DelPåSammeVilkår (se
Wikisida.no:Opphavsrett
for detaljer). Om du ikke vil at ditt materiale skal kunne redigeres og distribueres fritt må du ikke lagre det her.
Du lover oss også at du har skrevet teksten selv, eller kopiert den fra en kilde i offentlig eie eller en annen fri ressurs.
Ikke lagre opphavsrettsbeskyttet materiale uten tillatelse!
Avbryt
Redigeringshjelp
(åpnes i et nytt vindu)
Maler som brukes på denne siden:
Mal:Autoritetsdata
(
rediger
)
Mal:Nowrap
(
rediger
)
Modul:External links
(
rediger
)
Modul:External links/conf
(
rediger
)
Modul:External links/conf/Autoritetsdata
(
rediger
)
Modul:Genitiv
(
rediger
)
Denne siden er medlem av 1 skjult kategori:
Kategori:1000 artikler enhver Wikipedia bør ha
Navigasjonsmeny
Personlige verktøy
Ikke logget inn
Brukerdiskusjon
Bidrag
Opprett konto
Logg inn
Navnerom
Side
Diskusjon
norsk bokmål
Visninger
Les
Rediger
Rediger kilde
Vis historikk
Mer
Navigasjon
Forside
Siste endringer
Tilfeldig side
Hjelp til MediaWiki
Verktøy
Lenker hit
Relaterte endringer
Spesialsider
Sideinformasjon