小編整理: 平面直角坐標(biāo)系是由法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾創(chuàng)立的,它是一種用于描述平面內(nèi)物體位置的坐標(biāo)系。
平面直角坐標(biāo)系由兩個(gè)互相垂直的數(shù)軸組成,通常稱為x軸和y軸。x軸水平放置,y軸垂直放置,它們相交于原點(diǎn)。x軸和y軸的正方向分別指向右方和上方。
通過平面直角坐標(biāo)系,我們可以將平面內(nèi)的任意一點(diǎn)定位,方法是給定該點(diǎn)在x軸和y軸上的坐標(biāo)值。反過來,我們也可以根據(jù)給定的坐標(biāo)值,在平面直角坐標(biāo)系上找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。
平面直角坐標(biāo)系在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,它是描述幾何圖形、分析物體運(yùn)動(dòng)、研究物理學(xué)規(guī)律等的基礎(chǔ)工具。
平面直角坐標(biāo)系 勒內(nèi)·笛卡爾創(chuàng)立的坐標(biāo)系
在同一個(gè)平面上互相垂直且有公共原點(diǎn)的兩條數(shù)軸構(gòu)成平面直角坐標(biāo)系,簡稱直角坐標(biāo)系(Rectangular Coordinates) 。 通常,兩條數(shù)軸分別置于水平位置與垂直位置,取向右與向上的方向分別為兩條數(shù)軸的正方向。水平的數(shù)軸叫做x軸(x-axis)或橫軸,垂直的數(shù)軸叫做y軸(y-axis)或縱軸,x軸y軸統(tǒng)稱為坐標(biāo)軸,它們的公共原點(diǎn)O稱為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(origin),以點(diǎn)O為原點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)系記作平面直角坐標(biāo)系xOy。
基本信息
外文名
Plane Rectangular Coordinate System
發(fā)展歷程 坐標(biāo)的思想是法國數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家 笛卡爾 所創(chuàng)立的。 傳說:
有一天,笛卡爾(Descartes 1596—1650,法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家)生病臥床,但他頭腦一直沒有休息,在反復(fù)思考一個(gè)問題:幾何圖形是直觀的,而代數(shù)方程則比較抽象,能不能用幾何圖形來表示方程呢?這里,關(guān)鍵是如何把組成幾何的圖形的點(diǎn)和滿足方程的每一組“數(shù)”掛上鉤。他就拼命琢磨。通過什么樣的辦法、才能把“點(diǎn)”和“數(shù)”聯(lián)系起來。突然,他看見屋頂角上的一只蜘蛛,拉著絲垂了下來,一會(huì)兒,蜘蛛又順著絲爬上去,在上邊左右拉絲。蜘蛛的“表演”,使笛卡爾思路豁然開朗。他想,可以把蜘蛛看做一個(gè)點(diǎn),它在屋子里可以上、下、左、右運(yùn)動(dòng),能不能把蜘蛛的每個(gè)位置用一組數(shù)確定下來呢?他又想,屋子里相鄰的兩面墻與地面交出了三條直線,如果把地面上的墻角作為起點(diǎn),把交出來的三條線作為三根數(shù)軸,那么空間中任意一點(diǎn)的位置,不是都可以用這三根數(shù)軸上找到的有順序的三個(gè)數(shù)來表示嗎?反過來,任意給一組三個(gè)有順序的數(shù),例如3、2、1,也可以用空間中的一個(gè)點(diǎn) P來表示它們。同樣,用一組數(shù)(a, b)可以表示平面上的一個(gè)點(diǎn),平面上的一個(gè)點(diǎn)也可以用一組二個(gè)有順序的數(shù)來表示。于是在蜘蛛的啟示下,笛卡爾創(chuàng)建了直角坐標(biāo)系。
坐標(biāo)系 在平面“二維”內(nèi)畫兩條互相垂直,并且有公共原點(diǎn)的數(shù)軸,簡稱直角坐標(biāo)系。平書局面直角坐標(biāo)系有兩個(gè)坐標(biāo)軸,其中橫軸為x軸(x-axis),取向右方向?yàn)檎较?;縱軸為y軸(y-axis),取向上為正方向。坐標(biāo)系所在平面叫做坐標(biāo)平面,兩坐標(biāo)軸的公共原點(diǎn)叫做平面直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)。x軸y軸將坐標(biāo)平面分成了四個(gè)象限(quadrant),右上方的部分叫做 第一象限 ,其他三個(gè)部分按逆時(shí)針方向依次叫做 第二象限 、 第三象限 和 第四象限 。象限以數(shù)軸為界,橫軸、縱軸上的點(diǎn)及原點(diǎn)不在任何一個(gè)象限內(nèi)。一般情況下,x軸y軸取相同的單位長 度,但在特殊的情況下,也可以取不同的單位長度。
點(diǎn)的坐標(biāo) 在直角坐標(biāo)系中,對(duì)于平面上的任意一點(diǎn),都有唯一的一個(gè) 有序數(shù)對(duì) (即點(diǎn)的坐標(biāo) coordinates)與它對(duì)應(yīng);反過來,對(duì)于任意一個(gè)有序數(shù)對(duì),都有平面上唯一的一點(diǎn)與它對(duì)應(yīng)。 對(duì)于平面內(nèi)任意一點(diǎn)C,過點(diǎn)C分別向x軸、y軸作垂線, 垂足 在x軸、y軸上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)a,b分別叫做點(diǎn)C的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo),有序數(shù)對(duì)(ordered pair)(a,b)叫做點(diǎn)C的坐標(biāo)。一個(gè)點(diǎn)在不同的象限或坐標(biāo)軸上,點(diǎn)的坐標(biāo)不一樣。 特殊位置的點(diǎn)的坐標(biāo)的特點(diǎn):
1.x軸上的點(diǎn)的縱坐標(biāo)為零;y軸上的點(diǎn)的橫坐標(biāo)為零。
2.在任意的兩點(diǎn)中,如果兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同,則兩點(diǎn)的連線平行于縱軸(兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)不為零);如果兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相同,則兩點(diǎn)的連線平行于橫軸(兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)不為零)。
3.點(diǎn)到軸及原點(diǎn)的距離:點(diǎn)到x軸的距離為|y|;點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離為|x|;點(diǎn)到原點(diǎn)的距離為x的平方加y的平方的 算術(shù)平方根 。
象限 第一象限 還可以寫成 Ⅰ,第二象限 還可以寫成 Ⅱ,第三象限 還可以寫成 Ⅲ,第四象限 也可以寫成 Ⅳ 。
.第一、三象限角平分線上的點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)相等;第二、四象限 角平分線 上的點(diǎn)橫、縱坐標(biāo) 互為相反數(shù) 。
對(duì)稱點(diǎn) 1.關(guān)于x軸成軸對(duì)稱的點(diǎn)的坐標(biāo),橫坐標(biāo)相同,縱坐標(biāo)互為相反數(shù)。(橫同縱反)
2.關(guān)于y軸成軸對(duì)稱的點(diǎn)的坐標(biāo),縱坐標(biāo)相同,橫坐標(biāo)互為相反數(shù)。(橫反縱同)
3.關(guān)于原點(diǎn)成 中心對(duì)稱 的點(diǎn)的坐標(biāo),橫坐標(biāo)與橫坐標(biāo)互為相反數(shù),縱坐標(biāo)與縱坐標(biāo)互為相反數(shù)。(橫縱皆反)
點(diǎn)的符號(hào) 橫坐標(biāo) 縱坐標(biāo)
第一象限:(+,+)正正
第二象限:(-,+)負(fù)正
第三象限:(-,-)負(fù)負(fù)
第四象限:(+, -)正負(fù)
y軸正半軸:(0,+)
y軸負(fù)半軸: (0,-)
x軸上的點(diǎn)的縱坐標(biāo)為0,y軸上的點(diǎn)的橫坐標(biāo)為0。
原點(diǎn):(0,0)
注:以數(shù)對(duì)形式(x,y)表示的坐標(biāo)系中的點(diǎn)。如(2,-4),“2”是x軸坐標(biāo),“-4”是y軸坐標(biāo)。
1.第一象限中的點(diǎn)的橫坐標(biāo)(x)大于0,縱坐標(biāo)(y)大于0。
2.第二象限中的點(diǎn)的橫坐標(biāo)(x)小于0,縱坐標(biāo)(y)大于0。
3.第三象限中的點(diǎn)的橫坐標(biāo)(x)小于0,縱坐標(biāo)(y)小于0。
4.第四象限中的點(diǎn)的橫坐標(biāo)(x)大于0,縱坐標(biāo)(y)小于0。
各象限角平分線的點(diǎn)的特征:
一、三象限角平分線上的點(diǎn)p (a,b)橫縱坐標(biāo)相等,即 ; 二、四象限角平分線上的點(diǎn)p (a,b)橫縱坐標(biāo)相反,即 或 。
性質(zhì) 2. 一三象限角平分線上的點(diǎn)橫縱坐標(biāo)相等。
3.二四象限角平分線上的點(diǎn)橫縱坐標(biāo)互為相反數(shù)。
4.一點(diǎn)上下平移,橫坐標(biāo)不變,即平行于y軸的直線上的點(diǎn)橫坐標(biāo)相同。
5.y軸上的點(diǎn),橫坐標(biāo)都為0。
6.x軸上的點(diǎn),縱坐標(biāo)都為0。
7.坐標(biāo)軸上的點(diǎn)不屬于任何象限。
8.一個(gè)關(guān)于x軸對(duì)稱的點(diǎn)橫坐標(biāo)不變,縱坐標(biāo)變?yōu)樵鴺?biāo)的 相反數(shù) 。反之同樣成立。 11.與y軸做軸對(duì)稱變換時(shí),y不變,x變?yōu)橄喾磾?shù)。
12.與原點(diǎn)做軸對(duì)稱變換時(shí),y與x都變?yōu)橄喾磾?shù)。
高斯直角坐標(biāo) 為了方便工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工,我們需要把測(cè)區(qū)投影到平面上來,使測(cè)量計(jì)算和繪圖更加方便。而地理坐標(biāo)是球面坐標(biāo),當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大時(shí),要建平面坐標(biāo)系就不能忽略地球曲率的影響。把地球上的點(diǎn)位化算到平面上,稱為地圖投影。地圖投影的方法有很多,我國采用的是 高斯 ——克呂格投影(又稱高斯 正形投影 ),簡稱高斯投影。它是由德國數(shù)學(xué)家高斯提出的,由克呂格改進(jìn)的一種分帶投影方法。它成功解決了將橢球面轉(zhuǎn)換為平面的問題。
投影方法 高斯投影的方法是將地球按 經(jīng)線 劃分為帶,稱為 投影帶 。投影是從 首子午線 開始的,分6°帶和3°兩種。每隔6°劃分一帶的叫6°帶,每隔3°劃分一帶的叫3°帶。我國領(lǐng)土位于東經(jīng)72°∽136°之間,共包括了11個(gè)6°帶,即13∽23帶;22個(gè)3°投影帶即24∽45帶。 設(shè)想一個(gè)平面卷成橫圓柱套在地球外,如圖1-5(a)所示。通過高斯投影,將中央子午線的投影作為
縱坐標(biāo)軸,用x表示,將赤道的投影作橫坐標(biāo)軸,用y表示,兩軸的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),由此構(gòu)成的平面直角坐標(biāo)系稱為 高斯平面直角坐標(biāo)系 ,如圖1-5(b) 所示。每一個(gè)投影帶都有一個(gè)獨(dú)立的高斯平面直角坐標(biāo)系,區(qū)分各帶坐標(biāo)系則利用相應(yīng)投影帶的帶號(hào)。在每一個(gè)投影帶內(nèi),y坐標(biāo)值都有正有負(fù),這對(duì)于計(jì)算和使用都不方便,為了使y坐標(biāo)都為正值,故將縱坐標(biāo)軸向西平移500㎞,并在y坐標(biāo)前加上投影帶的帶號(hào)。6°帶投影是從英國 格林尼治子午線 開始,自西向東,每隔經(jīng)差6°分為一帶,將地球分為60個(gè)帶,其編號(hào)分別為1,2,3,…60。任意帶的中央子午線經(jīng)度為Lo,它與投影帶號(hào)N的關(guān)系如下所示: 式中:N———6°帶的帶號(hào)
離 中央子午線 越遠(yuǎn),長度變形越大,在要求較小的 投影變形 時(shí),可采用3°投影帶。3°帶是在6°帶的基礎(chǔ)上劃分的,如圖所示。每3°為一帶,從東經(jīng)1°30′開始,共120帶,其中央子午線在奇數(shù)帶時(shí)與6°帶的中央子午線重合,每帶的中央子午線可用下面的工式計(jì)算: 式中:N′——3°帶的帶號(hào)。
為了避免y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值,3°帶的坐標(biāo)原點(diǎn)同6°帶一樣,向西移動(dòng)500㎞,并在y坐標(biāo)前加3°帶的帶號(hào)。
特點(diǎn) 應(yīng)當(dāng)注意的是,高斯投影沒有 角度變形 ,但有長度變形和面積變形,離中央子午線越遠(yuǎn),變形就越大。其主要特點(diǎn)有以下三點(diǎn): (1)投影后中央子午線為直線,長度不變形,其余經(jīng)線投影對(duì)稱并且凹向于中央子午線,離中央子午線越遠(yuǎn),變形越大。
(2)赤道的投影也為一直線,并與中央子午線正交,其余的經(jīng)緯投影為凸向赤道的對(duì)稱曲線。
(3)經(jīng)緯投影后仍然保持相互垂直的關(guān)系,投影后有角度無變形。
應(yīng)用 用直角坐標(biāo)原理在投影面上確定地面點(diǎn)平面位置的坐標(biāo)系:
與數(shù)學(xué)上的直角坐標(biāo)系不同的是,它的橫軸為Y軸,縱軸為X軸。在投影面上,由投影帶 中央經(jīng)線 的投影為調(diào)軸、 赤道投影 為橫軸(Y軸)以及它們的交點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系稱為 國家坐標(biāo)系 ,國家坐標(biāo)系(national coordinate system)是各國為進(jìn)行測(cè)繪和處理其成果,規(guī)定在全國范圍內(nèi)使用統(tǒng)一坐標(biāo)框架的坐標(biāo)系統(tǒng),又稱國家大地坐標(biāo)系。國家大地坐標(biāo)系是測(cè)制國家 基本比例尺地圖 的基礎(chǔ)。否則稱為獨(dú)立坐標(biāo)系。 坐標(biāo)方法的簡單應(yīng)用:
1.用坐標(biāo)表示地理位置。
2.用坐標(biāo)表示平移。
在測(cè)量學(xué)中使用的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng) ( rectangular plane coordinate system)包括高斯平面直角坐標(biāo)系和獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系。
通常選擇 :高斯投影平面(在高斯投影時(shí))或測(cè)區(qū)內(nèi)平均 水準(zhǔn)面 的切平面(在獨(dú)立地區(qū)測(cè)量時(shí))作為坐標(biāo)平面;縱坐標(biāo)軸為x軸,向上(向北)為正;橫坐標(biāo)軸為y軸,向右(向東)為正;角度( 方位角 )從x軸正向開始按順時(shí)針方向量取,象限也按順時(shí)針方向編號(hào)。