Alternative Koordinatensysteme

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Alternative Koordinatensysteme

Alternative Koordinatensysteme wie Polarkoordinaten, Zylinderkoordinaten und Kugelkoordinaten vereinfachen Geometrie, Symmetrien und Integrale, wenn die kartesische Darstellung unhandlich ist.

Polar-, Zylinder- und Kugelkoordinaten

In 2D:

x=rcos⁡φ,y=rsin⁡φ.x=r\cos\varphi,\qquad y=r\sin\varphi.

In 3D (Zylinder):

x=rcos⁡φ,y=rsin⁡φ,z=z.x=r\cos\varphi,\quad y=r\sin\varphi,\quad z=z.

In 3D (Kugel):

x=ρsin⁡θcos⁡φ,y=ρsin⁡θsin⁡φ,z=ρcos⁡θ.x=\rho\sin\theta\cos\varphi,\quad y=\rho\sin\theta\sin\varphi,\quad z=\rho\cos\theta.

Maßfaktoren für Integrale

Koordinatentransformationen ändern das Volumenelement über den Jacobi-Faktor:

  • Polar: dA=r dr dφdA=r\,dr\,d\varphi
  • Zylinder: dV=r dr dφ dzdV=r\,dr\,d\varphi\,dz
  • Kugel: dV=ρ2sin⁡θ dρ dθ dφdV=\rho^2\sin\theta\,d\rho\,d\theta\,d\varphi

Damit werden Rotations- und Radialsymmetrien rechnerisch explizit nutzbar.

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