Tekislikda va fazoda orientatsiya. Qutb, silindrik va sferik kordinatalar sistemasi

1.2-§. Tekislikda qutb kordinatalar sistemasi.
Qutb koordinatalar sistemasi.
Geometriyada affin va to’g’ri burchakli dekart koordinatalar sistemasi bilan bir qatorda qutb koordinatalar sistemasi ham qaraladi. Ko’plab tadqiqotlarda va egri chiziqning muhim sinflarini o’rganishda qutb koordinatalar sistemasi qo’l kelmoqda.
S hu sistema bilan tanishaylik. Yo’nalishli tekislikda 0 nuqta va bu nuqtadan chiquvchi OP nur va OP nurda yotuvchi birlik vektor olamiz (32- chizma).
Hosil bo’lgan geometrik obraz qutb koordinatalar sistemasi deyiladi va ko’rinishda belgilanadi.
O nuqtani qutb boshi, OP nur esa qutb o’qi deyiladi.
Tekislikda qutb koordinatalar sistemasi va ixtiyoriy N nuqta berilgan bo’lsin, bu nuqtaning tekislikdagi vaziyatini ma’lum tartibda olingan ikkita son:

1. 
   OE birlik kesmada o’lchangan masofa (33 - chizma).
   
2. 
   OP nur ON nurning ustiga tushishi uchun burilishi kerak bo’lgan yo’nalishli burchak bilan to’liq aniqlanadi.
   

ni N nuqtaning qutb radiusi, ni N nuqtaning qutb burchagi deyiladi. Ularni birgalikda N nuqtaning qutb koordinatalari deyiladi va ko’rinishda yoziladi. O nuqta uchun , - aniqlanmagan.
Agar o’zgarsa, tekislikni har bir nuqtasi qutb koordinatalar bilan ta’minlanadi.
Qutb koordinatalar sistemasini yasash uchun oriyetirlangan tekislikda Biror O nuqta olamiz va bu nuqtadan chiquvchi Ox o’qi kabi nur yasaymiz.

Bu nurni qutb o’qi va berilgan O nuqtani qutb boshi deymiz. Yana bitta nurni qutb boshidan qo’yib va uni (radianda o’lchanadi) burchakka borib yuqoridagi rasmdagi figurani hosil qilamiz. Qutb koordinatalar sistemasida nuqtaning vaziyati sonlar jufti bilan aniqlanadi. Bunda burchak qutb o’qiga nisbatan xosil qilgan burchag. Qutb boshining koordinatalari , qutb o’qi nuqtalari uchun esa , Bunda xam xuddi trigonometriyadagi kabi soat miliga qarshi burish musbat soat mili bo’yicha burish esa manfiy bo’ladi. Bu yerda nuqtaninig vaziyatini aniqlovchi burchak bir qiymatli aniqlanmaydi, bu burchakning va (bunda n butun son) qiymatlari xam shu nuqtani beradi.
Agar qutb koordinatalardagi ikkita va nuqta quyidagi chizmadagidek berilgan bo’lsa bu nuqtalar orasidagi d masofani topish uchun kosinuslar teoremasidan foydalanamiz: ¹

1-misol. . 33- chizmada berilgan nuqtalar tasvirlangan.

Ravshanki, har qanday juft haqiqiy sonlar uchun tekislikning bitta nuqtasi mavjud bo’lib, bu sonlar shu nuqtaning koordinatalari bo’ladi. Ammo bir nuqtaning o’ziga cheksiz ko’p sonlar mos keladi. Chunki, N nuqtaning koordinatalari bo’lsa, (bu yerda k=0, 1…). Juftlari ham shu N nuqtaning koordinatalari bo’ladi, chunki ON nur OP qutb o’qini burchak qadar burishdan hosil bo’ladi deb faraz qilinsa, u holda OP nurni qadar burishdan ham o’sha nurning o’zini hosil qilish mumkin.

N nuqtaning qutb burchagi qabul qilishi mumkin bo’lgan qiymatlar orasidan tengsizlikni qanoatlantiradigan qiymatini N nuqta qutb burchaginig bosh qiymati deyiladi. ON nur OP nurga qarama-qarshi yo’nalgan bo’lsa, 180⁰ ga ikki yo’nalishda burish mumkin, bu vaqtda qutb burchagining bosh qiymati uchun qabul qilinadi.

Nuqtaning qutb va dekart koordinatalari orasidagi bog’lanish.

Tekislikda qutb koordinatalar sistemasi berilgan. Koordinatalar boshi qutb boshi bilan, absissalar o’qining musbat qismi qutb o’qi bilan ustma-ust tushadigan musbat yo’nalishli (О, ) dekart reperini kiritamiz (34-chizma).
Tekislikdagi N nuqtaning qutb koordinatalar dekart koordinatalari x, y bo’lsin.
To’g’ri burchakli ONN₁ uchburchakdan

Nuqtaning qutb koordinatalari ma’lum bo’lsa, uning dekart koordinatalari formuladan topiladi.


Agar N nuqtaning dekart koordinatalari ma’lum bo’lsa, uning qutb koordinatalarini ushbu

formuladan topiladi.
Eslatma. N nuqtaning dekart koordinatalaridan qutb koordinatalariga o’tishda formula qutb burchagini qiymatini to’liq aniqlamaydi, chunki buning uchun yana ning miqdori musbat yoki manfiy ekanligini ham bilish kerak. Odatda bu N nuqtaning qaysi chorakda joylashishiga qarab aniqlanadi. Masalan, formulada bo’lsa, tg = 1 bo’lib, =45⁰. Lekin, bo’lganda ham tg = 1 bo’lib, emas, bo’lishi kerak, chunki (-3; -3) nuqta uchinchi chorakda joylashgan burchakning qiymati va ishorasini cos , sin ga qarab aniqlash qulayroq.
Qutb koordinatalar sistemasida ikki nuqta orasidagi masofa.
Qutb koordinatalari bilan va nuqtalar orasidagi masofani hisoblash formulasini chiqaraylik.
Tekislikdagi N₁ va N₂ nuqtalarning dekart koordinatalari va bo’lsin formulaga ko’ra
va
U holda
(18.1)
qutb koordinatalari bilan berilgan ikki nuqta orasidagi masofani hisoblash formulasi.