<< 2.2. Skalyary, vektory, tenzory | Oglavlenie | 2.4. Osnovnye formuly sfericheskoi >>
2.3. Sfericheskaya sistema koordinat
Dlya resheniya mnogih zadach okazyvaetsya udobnee vmesto dekartovoi sistemy ispol'zovat' krivolineinye sistemy koordinat. V obshem sluchae ispol'zuyutsya tri funkcii , , dlya opredeleniya polozheniya tela v prostranstve. Koordinatnaya setka sostoit iz peresekayushihsya krivyh vmesto setki pryamyh linii v dekartovoi sisteme. Esli funkcii vybrany podhodyashim obrazom, to polozhenie ob'ekta mozhet byt' odnoznachno opredeleno s pomosh'yu krivolineinyh koordinat vmesto dekartovyh koordinat .
K takim sistemam otnositsya i sfericheskaya sistema koordinat, shiroko ispol'zuemaya ne tol'ko v astronomii, no i drugih naukah. Sfericheskie koordinaty (sm. ris. 2.5): -- radius-vektor ob'ekta, -- polyarnoe rasstoyanie, kotoroe inogda nazyvayut koshirotoi, i -- dolgota svyazany s dekartovymi koordinatami uravneniyami:
Polyarnoe rasstoyanie izmenyaetsya ot do , dolgota -- ot do .
Sistema uravnenii (2.20) predstavlyaet preobrazovanie mezhdu sfericheskoi i dekartovoi sistemami koordinat. Sledovatel'no, funkcii ravny:
Vernemsya k ris. 2.5. Cherez proizvol'no vybrannye tochki i provedem bol'shoi krug. Polyusy oboznachim kak i . Provedem teper' cherez polyusy i tochku bol'shoi krug (analogichno provedem bol'shoi krug cherez tochku ). Oboznachim cherez central'nyi ugol mezhdu napravleniem na tochku i napravleniem na proizvol'nuyu tochku , lezhashuyu na sfere v ploskosti bol'shogo kruga . Provedem cherez tochku ploskost', parallel'nuyu bol'shomu krugu . Poluchennaya ploskost' yavlyaetsya malym krugom, i radius okruzhnosti raven, esli :
Vvedem dekartovu sistemu koordinat: os' napravim vdol' radiusa , os' -- vdol' radiusa . Oboznachim edinichnye vektory osei i kak i , sootvetstvenno. Napravlenie osi zadadim edinichnym vektorom soglasno uravneniyu:
Vektornoe proizvedenie (2.22) vektorov i opredelyaet pravuyu dekartovu sistemu koordinat .
Oboznachim cherez dvugrannyi ugol mezhdu ploskostyami i . Chisla nazyvayutsya sfericheskimi koordinatami tochki . Pri dostatochno znat' dve koordinaty dlya opredeleniya polozheniya tochki na sfere. V sleduyushei glave budut opredeleny razlichnye sistemy sfericheskih koordinat. V kazhdoi iz nih koordinaty imeyut raznye nazvaniya i mogut oboznachat'sya drugimi bukvami.
Pust' tochka lezhit na sfere i yavlyaetsya tochkoi peresecheniya bol'shogo kruga i malogo kruga (ris. 2.5). Naidem dlinu dugi . Tak kak central'nyi ugol raven , to
Rassmotrim bolee podrobno vopros preobrazovaniya koordinat vektora v krivolineinyh koordinatah.
V krivolineinoi sisteme koordinat v otlichie ot dekartovoi vozmozhny dva sposoba vybora bazisnoi troiki vektorov: 1) bazisnye vektory yavlyayutsya kasatel'nymi v tochke k krivym , , ; oboznachim ih kak , , i 2) bazisnye vektory perpendikulyarny v tochke k poverhnostyam, zadavaemym funkciyami , t.e. , , ; oboznachim ih kak , , . Eshe odnim otlichiem ot dekartovoi sistemy yavlyaetsya to, chto napravlenie, a takzhe dlina bazisnyh vektorov mozhet razlichat'sya v raznyh tochkah prostranstva.
V sluchae sfericheskih koordinat poverhnost', zadavaemaya uravneniem , est' sfera radiusa , uravnenie opredelyaet malyi krug, a -- ploskost' meridiana. Peresecheniya etih ploskostei so sferoi yavlyayutsya okruzhnostyami. Tak kak krivye , , takzhe yavlyayutsya okruzhnostyami, to v sluchae sfericheskih koordinat obe bazisnye troiki sovpadayut. V obshem sluchae eto ne tak.
Dva vybora bazisnyh troek dayut vozmozhnost' naiti proekcii vektora kak na osi , , , tak i na osi , , :
indeksy summirovaniya mogut oboznachat'sya lyubymi bukvami.
Chisla nazyvayutsya kontravariantnymi, a -- kovariantnymi proekciyami vektora .
Dlya bazisnyh vektorov spravedlivy sootnosheniya:
Simvol nazyvaetsya simvolom Kronekera2.2.
Skalyarnoe proizvedenie v krivolineinyh koordinatah zapisyvaetsya v vide
Dlya togo, chtoby poluchit' yavnoe vyrazhenie kovariantnyh i kontravariantnyh koordinat vektora, umnozhim skalyarno pervoe iz uravnenii (2.24) na , a vtoroe -- na . Uchityvaya opredelenie (2.25), naidem:
Znachit,
Ispol'zuya formuly (2.26), perepishem (2.24) v vide:
Sootnosheniya spravedlivy dlya lyubogo vektora . Esli vmesto v (2.27) podstavit' bazisnye vektory, to poluchim:
Vvodya oboznacheniya
perepishem sootnosheniya (2.28) takim obrazom:
Dlya postroeniya bazisnoi troiki po vektoram neobhodimo znat' matricu s elementami ; i, naoborot, dlya postroeniya bazisa po bazisu -- matricu s elementami . Eti matricy vzaimno obratny, t.e.
Velichiny i nazyvayutsya komponentami dvazhdy kontravariantnogo i kovariantnogo metricheskogo tenzora, sootvetstvenno.
Chto iz sebya predstavlyaet tenzor v matematike? Kak my videli, zadanie bazisnoi troiki opredelyaet sistemu koordinat, v kotoroi mozhno naiti koordinaty proizvol'nyh vektorov, t.e. ih proekcii na bazisnye vektory. No tak kak pri perehode v druguyu tochku prostranstva napravlenie i velichina bazisnyh vektorov mozhet menyat'sya, to neobhodimo reshit' zadachu o preobrazovanii proekcii proizvol'nyh vektorov iz odnoi bazisnoi troiki v druguyu. Eta zadacha reshaetsya metodami tenzornogo analiza. Tenzory predstavlyayut soboi sistemu velichin, preobrazuyushihsya po lineinomu zakonu pri perehode ot odnoi sistemy koordinat k drugoi. Sootnosheniya, zapisannye v tenzornoi forme, sohranyayut svoyu formu v lyuboi koordinatnoi sisteme.
Naidem teper' rasstoyanie mezhdu dvumya beskonechno blizkimi tochkami prostranstva. Dekartovy koordinaty vektora ravny . Dlya etogo, schitaya v formulah (2.20) funkciyami peremennyh naidem differencialy , , . Po pravilu vychisleniya differencialov funkcii mnogih peremennyh, snachala fiksiruem peremennye i nahodim izmenenie funkcii (chastnuyu proizvodnuyu ) v zavisimosti ot prirasheniya , zatem fiksiruem peremennye i i nahodim izmenenie funkcii v zavisimosti ot prirasheniya , i nakonec pri postoyannyh i nahodim chastnuyu proizvodnuyu . V rezul'tate poluchim:
Po opredeleniyu chastnye proizvodnye i dr. yavlyayutsya kasatel'nymi k funkciyam , t.e. predstavlyayut soboi komponenty bazisnyh vektorov , , vdol' napravlenii :
Sledovatel'no, differencial funkcii yavlyaetsya kontravariantnym vektorom. Pereoboznachiv beskonechno malye prirasheniya kak , , , naidem kvadrat rasstoyaniya mezhdu dvumya beskonechno blizkimi tochkami, kotoryi ravnyaetsya v dekartovoi sisteme koordinat
V bolee obshem vide s uchetom pravila summirovaniya vyrazhenie dlya kvadrata rasstoyaniya mezhdu dvumya tochkami prostranstva zapisyvaetsya v vide:
gde -- metricheskii tenzor. Zakon vychisleniya rasstoyaniya (2.33) nazyvaetsya metrikoi prostranstva.
Vybor toi ili inoi sistemy koordinat daet vozmozhnost' opredelit' polozhenie tela v prostranstve i uprostit' uravneniya dvizheniya tela, no ne opredelyaet svoistva samogo prostranstva. Zadanie metriki sovmestno s opredeleniem sistemy koordinat polnost'yu opisyvaet prostranstvo. Eto oznachaet, chto, znaya metricheskii tenzor, mozhno vychislit' rasstoyanie mezhdu dvumya tochkami. V sluchae evklidova prostranstva, kotoroe nazyvaetsya ploskim, rasstoyanie nahoditsya po formule (2.32) i metricheskii tenzor raven
V sluchae ploskogo prostranstva metricheskii tenzor yavlyaetsya diagonal'nym i simmetrichnym: . V obshem sluchae tenzor mozhet imet' nediagonal'nye elementy, kotorye zavisyat ot koordinat, no tenzor vsegda yavlyaetsya simmetrichnym, tak kak velichiny opredelyayutsya iz simmetrichnoi formy (2.33).
Esli prostranstvo ne yavlyaetsya ploskim, to dlya vychisleniya rasstoyanii uzhe nel'zya ispol'zovat' zakon Pifagora (2.32). V chastnosti, pri vychisleniyah na sfere (v krivom prostranstve) dlina dugi mezhdu dvumya tochkami ne ravna dline hordy (rasstoyaniyu v ploskom prostranstve).
Kvadrat elementa dliny v sfericheskoi sisteme koordinat legko naiti, vychisliv chastnye proizvodnye i t.d. i podstaviv ih v (2.32). Ispol'zuya uravneniya (2.20), nahodim, chto , i t.d. V rezul'tate posle privedeniya podobnyh chlenov poluchim, chto
Takim obrazom, svoistva geometrii v krivolineinoi sisteme koordinat opredelyayutsya komponentami metricheskogo tenzora. V dal'neishem my budem rassmatrivat' chetyrehmernoe prostranstvo-vremya dlya vychisleniya effektov teorii otnositel'nosti (izmeneniya hoda chasov, nahodyashihsya v gravitacionnom pole, otkloneniya lucha sveta). V chetyrehmernom prostranstve-vremeni imeetsya, sledovatel'no, 16 komponent tenzora, iz nih tol'ko 10 razlichny iz-za simmetrichnosti tenzora (chetyre s odinakovymi indeksami i s razlichnymi indeksami).
<< 2.2. Skalyary, vektory, tenzory | Oglavlenie | 2.4. Osnovnye formuly sfericheskoi >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni
Publikacii so slovami: astrometriya - sfericheskaya astronomiya - sistemy koordinat - shkaly vremeni | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |