Аффинные и декартовы системы координат на плоскости и в пространстве. Радиус-вектор точки и деление отрезка

Аффинная система координат задаётся началом \(O\) и базисом \(E=(e_1,\ldots,e_n)\) пространства свободных векторов. Координаты точки \(M\) — это координаты её радиус-вектора \(r=\overrightarrow{OM}\) в базисе \(E\). На плоскости нужны два независимых базисных вектора, в пространстве — три.1

В курсе различаются прямоугольные и косоугольные декартовы системы координат. В прямоугольной системе базис ортонормирован; в косоугольной базис остаётся линейно независимым, но его векторы могут иметь разные длины и не обязаны быть ортогональны. Для точек \(A,B\) выполняется \(\overrightarrow{AB}=r_B-r_A\). Если точка \(M\) делит отрезок \(AB\) в отношении \(AM:MB=\alpha:\beta\), то \(r_M=(\beta r_A+\alpha r_B)/(\alpha+\beta)\); та же формула действует покоординатно.1

Что важно запомнить
  • Аффинный репер = начало координат + базис пространства направлений.
  • Координаты точки — координаты её радиус-вектора относительно выбранного начала.
  • \(\overrightarrow{AB}=r_B-r_A\).
  • Прямоугольная декартова система использует ортонормированный базис.
  • При \(AM:MB=\alpha:\beta\): \(r_M=(\beta r_A+\alpha r_B)/(\alpha+\beta)\).
  • Для середины отрезка \(r_M=(r_A+r_B)/2\).

Аффинная система координат

Пусть \(A\) — аффинное пространство, а \(V\) — связанное с ним векторное пространство. Выберем точку \(O\) и базис \(E=(e_1,\ldots,e_n)\) в \(V\). Пара \(OE\) называется аффинной системой координат, или аффинным репером. Для точки \(M\) радиус-вектором относительно \(O\) является

\[r=\overrightarrow{OM}.\]

Координатами точки \(M\) называют координаты этого вектора в базисе \(E\). Поэтому смена начала координат меняет радиус-вектор точки, а смена базиса меняет его координатный столбец.1

Декартовы координаты

В двумерном случае репер содержит два линейно независимых базисных вектора, в трёхмерном — три. В курсе используются как прямоугольные декартовы, так и косоугольные декартовы системы координат. В прямоугольной системе базис ортонормирован. В косоугольной системе базисные векторы остаются линейно независимыми, но могут иметь разные длины и образовывать непрямые углы.1

Для двух точек \(A\) и \(B\)

\[\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{OB}-\overrightarrow{OA}=r_B-r_A.\]

Деление отрезка

Пусть \(M\) лежит внутри \(AB\) и

\[\frac{|AM|}{|MB|}=\frac{\alpha}{\beta},\qquad \alpha,\beta>0.\]

Тогда

\[r_M=\frac{\beta r_A+\alpha r_B}{\alpha+\beta}.\]

Если \(A=(x_1,y_1,z_1)\), \(B=(x_2,y_2,z_2)\), то, например,

\[x_M=\frac{\beta x_1+\alpha x_2}{\alpha+\beta},\]

и аналогично для остальных координат. При \(\alpha=\beta\) получаем формулу середины отрезка.1

Для внешнего деления используют направленные отношения: та же аффинная формула сохраняется при знаковых коэффициентах разных знаков, если \(\alpha+\beta\ne0\). При такой записи выбранную ориентацию отрезка нужно фиксировать явно.1

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 16–18, 157–160.