在数学中,极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中任意位置可由一个夹角和一段相对原点—极点的距离来表示。极坐标系的应用领域十分广泛,包括数学、物理、工程、航海、航空以及机器人领域。在两点间的关系用夹角和距离很容易表示时,极坐标系便显得尤为有用;而在平面直角坐标系中,这样的关系就只能使用三角函数来表示。对于很多类型的曲线,极坐标方程是最简单的表达形式,甚至对于某些曲线来说,只有极坐标方程能够表示。
正如所有的二维坐标系,极坐标系也有两个坐标轴:半径坐标)和角坐标、极角或方位角 。 坐标表示与极点的距离,坐标表示按逆时针方向坐标距离0°射线(有时也称作极轴)的角度,极轴就是在平面直角坐标系中的x轴正方向。
比如,极坐标中的(3, π/3)表示了一个距离极点3个单位长度、和极轴夹角为π/3弧度的点。(−3, 4π/3)和(3, π/3)表示了同一点,因为该点的半径为在夹角射线反向延长线上距离极点3个单位长度的地方(4π/3 − π = π/3)。
极坐标系中一个重要的特性是,平面直角坐标中的任意一点,可以在极坐标系中有无限种表达形式。通常来说,点(r, θ)可以任意表示为(r, θ ±2nπ)或(−r, θ ± (2n+ 1)π),这里n是任意整数。如果某一点的r坐标为0,那么无论θ取何值,该点的位置都落在了极点上。
极坐标系中的角度通常表示为角度或者弧度,一个周角等于2π弧度。在国际单位制中,平面角的辅助单位是弧度。
函数:用极坐标系描述的曲线方程称作极坐标方程,通常表示为r为自变量θ的函数。
对称:极坐标方程经常会表现出不同的对称形式,如果r(−θ) =r(θ),则曲线关于极点(0、π)对称,如果r(π−θ) = r(θ),则曲线关于极点(π/2,3π/2)对称,如果r(θ−α) = r(θ),则曲线相当于从极点逆时针方向旋转α。
过极点的射线方程是:θ=φ。其中φ为射线的倾斜角。若m为直角坐标系的射线的斜率,则有φ = arctanm。任何不经过极点的直线都会与某条射线垂直。这些在点(r0, φ)处的直线与射线θ = φ垂直。
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