Systèmes de Coordonnées 3D

A partir de coordonnées cartésiennes $ (x,y,z) $, le changement de base/référentiel vers des coordonnées sphériques $ (\rho,\theta,\varphi) $ suit les équations : $$ \rho = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2} \\ \theta = \arccos \left( \frac{z}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}} \right) = \arccos \left( \frac{z}{\rho} \right) \\ \varphi = \arctan \left( \frac{y}{x} \right) $$

Exemple : Le point de l'espace en position $ (0,\sqrt{2},\sqrt{2}) $ en coordonnées cartésiennes est défini par les coordonnées sphériques $ \rho = 1 $, $ \theta = \pi/4 $ et $ \varphi = \pi/2 $

La conversion peut être vue comme deux conversions de coordonnées 2D cartésiennes vers polaires consécutives, d'abord une dans le plan $ xy $ pour convertir $ (x,y) $ en $ (R, \varphi) $ (avec $ R $ la projection de $ \rho $ sur le plan $ xy $, puis une seconde conversion dans le plan $ zR $ pour changer $ (z,R) $ en $ (\rho, \theta) $

NB : par convention, la valeur de $ \rho $ est positive, la valeur de $ \theta $ est comprise dans l'invervalle $ ] 0, \pi [ $ et la valeur de $ \varphi $ est comprise dans l'invervalle $ ] -\pi, \pi [ $

Si $ \rho = 0 $ alors les angles peuvent être définis par n'importe quels nombres réels de l'intervalle

A partir de coordonnées cartésiennes $ (x,y,z) $ le changement de base/référentiel vers des coordonnées cylindriques $ (r,\theta,z) $ suit les équations : $$ r = \sqrt{x^2 + y^2} \\ \theta = \arctan \left( \frac {y}{x} \right) \\ z = z $$

NB : par convention, la valeur de $ \rho $ est positive, la valeur de $ \theta $ est comprise dans l'invervalle $ ] -\pi, \pi [ $ et $ \varphi $ est un nombre réel

A partir de coordonnées sphériques $ (\rho,\theta,\varphi) $ le changement de base/référentiel vers des coordonnées cartésiennes $ (x,y,z) $ suit les équations : $$ x = \rho \sin\theta \cos\varphi \\ y = \rho \sin\theta \sin\varphi \\ z = \rho \cos\varphi $$

A partir de coordonnées sphériques $ (r,\theta,\varphi) $ le changement de base/référentiel vers des coordonnées cylindriques $ (r,\theta^*,z) $ suit les équations : $$ r = \rho \sin \theta \\ \theta^* = \varphi \\ z = \rho \cos \theta $$

A partir de coordonnées cylindriques $ (r,\theta,z) $ le changement de base/référentiel vers des coordonnées cartésiennes $ (x,y,z) $ suit les équations : $$ x = r \cos\theta \\ y = r \sin\theta \\ z = z $$

A partir de coordonnées cylindriques $ (r,\theta^*,z) $ le changement de base/référentiel vers des coordonnées sphériques $ (\rho,\theta,\varphi) $ suit les équations : $$ \rho = \sqrt{r^2 + z^2} \\ \theta = \arctan \left( \frac{r}{z} \right) = \arccos \left( \frac{z}{\sqrt{r^2 + z^2}} \right) \\ \varphi = \theta^* $$