¿Por qué necesitamos sistemas de coordenadas distintos al sistema de coordenadas rectangular?

La elección del sistema de coordenadas se basa en el problema que uno está estudiando. Ciertos problemas se resuelven fácilmente mediante el uso de sistemas de coordenadas rectangulares, mientras que otros no.

Como un ejemplo simple, consideremos un círculo de radio [matemática] a [/ matemática] centrado en el origen

En el sistema de coordenadas rectangulares, su ecuación es [matemática] x ^ 2 + y ^ 2 = a ^ 2 [/ matemática]. Pero su ecuación en coordenadas polares es [matemática] r = a [/ matemática]. La compacidad de la ecuación en coordenadas polares se puede ver claramente.

Además, ciertas funciones son fácilmente expresables y analizadas o trazadas usando [math] r = f (\ theta) [/ math] en lugar de [math] y = f (x) [/ math] descripción. Las espirales son el mejor ejemplo. La espiral de Archimedean se describe por [math] r = \ theta [/ math]. Lo mismo en coordenadas rectangulares sería una función implícita [matemáticas] yx \ tan {(\ sqrt {x ^ 2 + y ^ 2})} = 0 [/ matemáticas]

La siguiente respuesta también sería relevante en este contexto.

La respuesta de Thiruvali Sadagoapan Shrinivaasan a ¿Por qué se prefiere el sistema de coordenadas cartesianas sobre los sistemas de coordenadas polares y de cilindro?

Esta respuesta se basa en mi experiencia con la electrodinámica de David J. Griffiths.

Otros sistemas de coordenadas como esféricos, cilíndricos son extremadamente fáciles de usar en los problemas en los que tiene que lidiar con objetos esféricos o cilíndricos (no solo objetos, puede mostrar campos eléctricos, potenciales).

Me pregunto qué tan difícil sería resolver la mayoría de los problemas de electrodinámica sin usarlos.

Esa es la única razón.

Los diferentes tipos de curvas son mucho más fáciles de expresar en otros sistemas de coordenadas. Por ejemplo, en coordenadas polares, un círculo se puede expresar como una constante, en lugar de una suma de cuadrados.

Además, podemos usar cambios en los sistemas de coordenadas para distorsionar las formas en formas más manejables. Podemos estar integrando sobre una especie de área en forma de paralelogramo. Debido a que las esquinas de un área de este tipo podrían estar en mal estado, esto requeriría que tomemos dos o tres integrales separadas para evaluar todo.

Pero si primero cambiamos las coordenadas para que el área se convierta en un cuadrado de nivel, la integración se vuelve mucho, mucho más fácil.