玩游戏时角色站在地图 (128, 76) 的位置,或者老师让你在方格纸上描出点 (3, 2),背后用的都是笛卡尔坐标系。它是数学里最常用的定位方法,也叫直角坐标系,由十七世纪法国数学家笛卡尔提出,把几何图形和代数运算连在了一起。
基本结构:两根轴加一个原点
平面上画一条横轴叫 x 轴,一条竖轴叫 y 轴,两轴互相垂直,交点叫原点 O。平面上任意一点用一对有序数 (x, y) 表示:第一个数是沿横轴的偏移,第二个是沿纵轴的偏移。比如 (3, 2) 就是从原点向右走 3 个单位,再向上走 2 个单位。
四个象限的符号规律
两根轴把平面切成四块,按逆时针方向叫第一到第四象限。符号有规律:第一象限全为正;第二象限 x 负 y 正;第三象限全为负;第四象限 x 正 y 负。落在轴上的点不属于任何象限,比如 (0, 5) 就在 y 轴上。
三维版本
描述空间中的点,再加一根竖直的 z 轴,写成 (x, y, z) 三个数。3D 建模、游戏引擎、数控机床的刀路计算,用的都是这种三维直角坐标。比如描述房间里一个悬空点,可以说成长 3 米、宽 2 米、高 1.5 米的位置。
日常和编程里的影子
- 手机和电脑屏幕:左上角通常算原点,窗口和按钮按坐标摆放,注意屏幕坐标系的 y 轴朝下,跟数学课本正好相反,写绘图代码容易踩这个坑
- 电子表格:单元格按行列编号,本质就是网格坐标
- 图表和函数图像:曲线上的每个点靠坐标轴定位
- 地图导航:经纬度加上投影换算,落到平面坐标上显示
有个流传很广的故事,说笛卡尔卧床时盯着天花板上的苍蝇,想到用两堵墙的距离确定位置。故事真假难考,思路是对的:用一组互相垂直的基准线,把位置变成数字。判断很简单,只要涉及定位、绘图、距离计算,几乎都绕不开这套坐标系。