1. 개요
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座標系 / coordinate system, coordinates
좌표계는 기하학에서 숫자나 기호를 써서 위치를 표기하는 방식을 뜻한다. 이때의 위치를 지정하는 숫자나 기호는 좌표라 불린다. 필요에 따라 무수히 많은 임의의 좌표계를 만들 수 있으나, 과학에서 크게 유용한 2차원 좌표계는 두 가지, 3차원에서는 가장 유명한 세 가지이며, 각각의 특성이 있어서 용도에 적합한 것이 사용되곤 한다.
한국 교육과정상, 여기서 열거된 좌표계 중 데카르트 좌표계를 제외한 나머지(극좌표계, 원통좌표계, 구면좌표계)는 대학 미적분학, 공업수학, 전자기학에서 배운다. 그리고 복소평면은 전기전자공학과에서 페이저를 이용하여 교류 전원 회로를 분석할 때 사용한다.
좌표축의 정의역이 양의 실수 전체의 집합일 경우 로그 스케일 적용이 가능하다.[1]
2. 학문적으로 유용한 좌표계
우리말 '직교'에 대응하는 영단어는 'orthogonal'인데, 직교좌표계(orthogonal coordinate system)는 '단순히 세 개의 좌표축(내지 좌표축과 평행한 단위벡터들)이 항상 서로 직교하는 좌표계(이때 좌표축이 고정되어 있다는 보장은 없다.)'를 총칭하는 말이므로 혼동에 주의해야 한다.[2] 데카르트 좌표계는 고정된 좌표축을 사용한다. 당장 밑에 소개되는 극좌표계나 구좌표계만 봐도, 어떤 점에서든 각 성분들의 변화 방향이 모두 서로 직각임을 볼 수 있다.2.1. 데카르트 좌표계
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의 [[데카르트 좌표계#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
{{{#!if 문서명 = 문서명 != null ? 문서명 : calleeTitle
의 [[데카르트 좌표계#|]] 부분을}}} 참고하십시오.2.2. 극좌표계
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의 [[극좌표계#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
{{{#!if 문서명 = 문서명 != null ? 문서명 : calleeTitle
의 [[극좌표계#|]] 부분을}}} 참고하십시오.2.3. 원통좌표계
圓筒座標系 / cylindrical coordinate system극좌표계의 또 다른 확장판으로 원통좌표계가 있다. 교재에 따라 원기둥좌표계라고 서술해놓은 경우도 있다. 극좌표에 데카르트 좌표계의 상하 방향인 [math(z)]축을 추가한 것이다.
2.3.1. 유체역학
2.3.2. 미술
원통좌표계의 대표적인 예로 HSV 색좌표가 있다. 색도가 극좌표이고 명도, 채도는 데카르트 좌표.2.4. 구면좌표계
球座標系 / spherical coordinate system2차원(평면)용인 극좌표계를 3차원으로 확장시킨 좌표계로서 구면좌표계가 있다. 서로 수직으로 만나는 세 평면을 가정하고 이때의 두 평면이 교차하면서 만들어내는 직선들을 [math(x)]축, [math(y)]축, [math(z)]축이라 할 때, 원점에서의 거리([math(\rho)]), 방위각[3][4]([math(\theta)]), 천정각[5][6]([math(\phi)])의 세 수치를 이용해서 위치를 표현한다. 단, 물리학에서는 [math(\rho)]를 [math(r)]로 표기하고 [math(\phi)]와 [math(\theta)]의 역할을 맞바꾸어 사용한다. 즉, [math(x)]축과의 사잇각이 [math(\phi)], [math(z)]축과의 사잇각이 [math(\theta)]가 되는 식. 구면좌표계는 다음과 같은 간단한 대입을 통해 3차원 데카르트 좌표계로 변환할 수 있다. 원활한 이해를 돕기 위해 아래 수식은 그림과 일치하는 좌표계로 나타냈음을 참고하자.
| [math(\begin{cases} x = r\sin\underline\theta \cos\underline\varphi \\ y = r\sin\underline\theta \sin\underline\varphi \\ z = r\cos\underline\theta \end{cases} )] |
| |
| < 물리학에서 주로 사용하는 구면좌표계. 중심으로부터의 거리 [math(r)], [math(z)]축과 이루는 각도 [math(\theta)], [math(x)]축과 이루는 각도 [math(\phi)]를 이용해서 위치를 표시. > |
구면좌표계 상에 벡터를 표시할 경우 다음과 같은 3개의 기본벡터의 결합으로 나타낼 수 있다.
| [math(\begin{cases} \bm{\hat\rho} = (\sin\underline\phi \cos\underline\theta){\bf\hat x} + (\sin\underline\phi \sin\underline\theta){\bf\hat y} + (\cos\underline\phi){\bf\hat z} \\ \bm{\hat\phi} = (\cos\underline\phi \cos\underline\theta){\bf\hat x} + (\cos\underline\phi \sin\underline\theta){\bf\hat y} - (\sin\underline\phi){\bf\hat z} \\ \bm{\hat\theta} = - (\sin\underline\theta){\bf\hat x} + (\cos\underline\theta){\bf\hat y} \end{cases})] |
지구상의 위치를 나타낼 때 쓰이는 지리 좌표계, 즉 위도/경도로 위치를 표시하는 방식이 구면좌표계의 특수한 형태다. 지리 좌표계가 구면좌표에 기반을 둔 것은 지구가 공 모양과 비슷한 것과 연관이 있다.[8] 물론 지구 반지름이 워낙 크므로, 구면좌표계에서의 거리 요소는 사용되지 않고 높이가 필요시 따로 지표로부터의 높이를 명시한다. 참고로 항상 지리 좌표계가 쓰이는 것은 아니고, 특수한 좌표계가 쓰이기도 한다. 예를 들어 군대에서는 격자를 이용해 표현하는 군사좌표라는 좌표계도 사용된다.
대학교 과정의 수학, 물리학에서는 학을 뗄 정도로 상당하게 쓰인다. 슈뢰딩거 방정식, 폐곡선, 폐곡면, 곡률 등. 왜인지 고등학교 수학에서는 등장하지 않지만 지구과학Ⅱ(2015 개정 교육과정)에서는 천구 좌표계가 간접적으로 응용되는 감이 있다. 심지어 2009 개정 교육과정에서는 지구과학Ⅰ으로 잠시 내려온 적도 있었다.
2.5. 동차 좌표
- 동차 좌표[9], 혹은 사영 좌표[10]라 불리는 좌표계는 특정 입체가 평면에 투영된 모습을 다룰 때 많이 쓰인다. 평면 위의 한 점을 [math((x,\,y,\,z))]로 나타낸다. 좌표의 비율이 의미가 있고 실제 값은 중요치 않을 경우, 또는 [math(x)], [math(y)], [math(z)] 등 축의 요소뿐만 아니라 상수항의 요소도 필요한 경우 등에 사용한다. 가장 대표적인 활용 예시가 로봇공학이다.
2.6. 카메라 좌표계
- 카메라의 입장에서의 좌표계이다. 카메라 좌표계 참고.
2.7. 기타 여러 가지 좌표계
- 일반화 좌표계(generalized coordinate system)라는 것도 있다. 이것은 점의 위치를 표현하는 함수에 넘겨질 인자들을 나열함으로 좌표를 구성하는 좌표계다. 주로 물리학의 라그랑주 역학, 해밀턴 역학에서 주로 쓰인다. 공간 자체가 변형하는 상황을 다루는 일반 상대성 이론의 기술에 있어 필수인 좌표계이기도 하다. 이처럼 좌표축이 여러 가지로 확장되며, 서로 직교하지 않으며 곡선으로 진행하는 축이 도입되기도 한다. 이쯤되면 흔히 생각하는 모든 좌표값이 0인 원점은 없으며, 단위벡터의 설정방법도 여러 가지가 되며, 미분(정확히는 그레이디언트 관련) 등의 벡터/텐서연산이 직교좌표계와는 비교도 못하게 복잡해진다.
3. 지구의 지점을 나타내는 좌표계
- 지리좌표
지구상의 한 점을 위도와 경도의 조합으로 나타내는 좌표체계. 구형인 지구를 동-서 360°, 남-북 180°로 분할한 형태의 구좌표계이다. 지구의 표면은 평면이 아닌 구체이므로 위도에 따라 경도 1°의 길이가 달라진다. 적도에서의 경도 1°가 가장 길고 남극점/북극점에서의 거리는 0 m이다. - 측지계: 지구와 비슷한 표준적인 타원체를 설정하고 그에 맞춰 위도, 경도를 나타내는 시스템.[11] 국가별로 다른 측지계를 쓰다가 GPS의 등장으로 범지구적 측정이 가능해지자 세계측지계가 제정됐다. 지구타원체 참고. 한국은 일본과 같은 동경측지계를 쓰다가 2000년대부터 세계측지계로 전환 중이다.[12]#
- UTM(universal transverse mercator)
- 군사좌표(MGRS; military grid reference system)
- 범지구격자참조체계(GARS; global area reference system)
- ECEF(Earth-centered, Earth-fixed)
3차원 직교좌표계의 형태로, 지구 중심점을 원점으로 하여 [math(x)], [math(y)], [math(z)]의 세 축으로 나타낸다. 단위는 일반적으로 1 m이다. GPS 등에서 사용된다.
4. 천구를 나타내기 위한 좌표계
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의 [[천구 좌표계#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
{{{#!if 문서명 = 문서명 != null ? 문서명 : calleeTitle
의 [[천구 좌표계#|]] 부분을}}} 참고하십시오.4.1. 관련 문서
[1] 로그는 해석적 연속으로 음의 실수에서도 정의할 수 있으나(양의 실수를 취한 값에 [math(i\pi)]가 더해진다), 일반적으로는 양의 실수만 고려한다.[2] 물론 고등학교 때까지는 데카르트 좌표계 외의 다른 좌표계를 다룰 일이 없기 때문에, 학생들이 '직교좌표계'라는 말을 듣고 다른 의미로 곡해할 일이 사실상 없으므로 크게 상관없는 일이기는 하다.[3] 일반적으로 azimuth, 강체 역학에서는 yaw[4] [math(xy)]평면에 정사영한 것이 해당 평면의 시초선과 이루는 각도. 편의상 [math(x)]축과 이루는 각도로 잡는다.[5] 일반적으로 altitude, 지평면을 시초면으로 하는 경우 elevation(고도각), 연직 축을 시초선으로 하는 경우 zenith(천정각), 강체 역학에서는 pitch[6] [math(z)]축과 이루는 각도[7] 즉 [math(\bf\hat x)], [math(\bf\hat y)]성분만을 취하고 각각을 [math(\sin\underline\phi)]로 나눈 것.[8] 다만 위도는 [math(\phi)]가 아니라 북반구 지점에서는 [math(\pi/2 - \phi)], 남반구 지점에서는 [math(\phi - \pi/2)] 형태다. 즉, 지구에서는 [math(z)]축과의 사잇각이 위도가 되는 게 아니라, [math(xy)]평면과의 사잇각이 위도가 되는 셈이다.[9] 同次 座標 / homogeneous coordinate system[10] 射影 座標 / projective coordinate system[11] 이전까지는 해수면을 기준으로 한 지오이드를 썼지만, 지역마다 중력과 해수면 높이가 다른 것이 밝혀져 지리좌표 기준으로 쓰지 않게 됐다.# 그래도 해발고도로는 아직 쓰인다.[12] 참고로 300~400 m 차이난다.