有關旋轉矩的證明

1. 設有旋轉矩陣RR,證明RTR=IR^TR=IdetR=±1det R = \pm1

證明:假設有兩組正交集(e1,e2,e3)(e_1, e_2, e_3)(e1,e2,e3)(e'_1, e'_2, e'_3),以及在這兩組正交集下的座標a=(a1,a2,a3)a = (a_1, a_2, a_3)a=(a1,a2,a3)a' = (a'_1, a'_2, a'_3);

根據座標系的定義:

[e1,e2,e3][a1a2a3]=[e1,e2,e3][a1a2a3][e_1, e_2, e_3]\left[\begin{array}{c}a_1\\ a_2\\ a_3\\ \end{array}\right] = [e'_1, e'_2, e'_3]\left[\begin{array}{c}a'_1\\ a'_2\\ a'_3\\ \end{array}\right]

[a1a2a3]=[e1Te1e1Te2e1Te3e2Te1e2Te2e2Te3e3Te1e3Te2e3Te3][a1a2a3]Ra(1)\left[\begin{array}{c}a_1\\ a_2\\ a_3\\ \end{array} \right] = \left[\begin{array}{ccc} e_1^Te'_1 & e_1^Te'_2 & e_1^Te'_3 \\ e_2^Te'_1 & e_2^Te'_2 & e_2^Te'_3 \\ e_3^Te'_1 & e_3^Te'_2 & e_3^Te'_3 \\ \end{array}\right] \left[\begin{array}{c} a'_1 \\ a'_2 \\ a'_3 \\ \end{array}\right] \doteq Ra' \tag{1}

其中RR爲旋轉矩陣,RTRR^TR爲:
RTR=[e1Te1e2Te1e3Te1e1Te2e2Te2e3Te2e1Te3e2Te3e3Te3][e1Te1e1Te2e1Te3e2Te1e2Te2e2Te3e3Te1e3Te2e3Te3]=I(2) R^TR = \left[\begin{array}{ccc} e^T_1e'_1 & e^T_2e'_1 & e^T_3e'_1 \\ e^T_1e'_2 & e^T_2e'_2 & e^T_3e'_2 \\ e^T_1e'_3 & e^T_2e'_3 & e^T_3e'_3 \\ \end{array}\right] \left[\begin{array}{ccc} e_1^Te'_1 & e_1^Te'_2 & e_1^Te'_3 \\ e_2^Te'_1 & e_2^Te'_2 & e_2^Te'_3 \\ e_3^Te'_1 & e_3^Te'_2 & e_3^Te'_3 \\ \end{array}\right] = I \tag{2}
其中

(e1Te1)×(e1Te1)+(e2Te1)×(e2Te1)+(e3Te1)×(e3Te1)=(e1)T(e1e1T+e2e2T+e3e3T)e1=(e1)Te1=1(e^T_1e'_1)\times(e^T_1e'_1) + (e^T_2e'_1)\times(e^T_2e'_1)+(e^T_3e'_1)\times(e^T_3e'_1) \\ = (e'_1)^T(e_1e^T_1 + e_2e^T_2+e_3e^T_3)e'_1 = (e_1')^Te'_1 = 1

由於1=det(I)=det(RTR)=det(RT)det(R)=(det(R))21 = det(I)=det(R^TR)=det(R^T)det(R)=(det(R))^2, 所以det(R)=±1det(R)=\pm1.

2. 有關四元數的證明

設四元數表示爲q=(ε,η)q=(\varepsilon, \eta),其中ε\varepsilon爲虛部,η\eta爲實部。
定義元算++\oplus爲:

q+=[η1+ε×εεTη],q=[η1ε×εεTη]q^+=\left[\begin{array}{cc} \eta\mathbf{1}+\varepsilon^\times & \varepsilon \\ -\varepsilon^T & \eta\\ \end{array} \right], q^\oplus= \left[\begin{array}{cc} \eta\mathbf{1}-\varepsilon^\times & \varepsilon \\ -\varepsilon^T & \eta\\ \end{array} \right]

則:

q1+q2=[η11+ε1×ε1ε1Tη1][ε2,η2]T=[η1ε2+ε1×ε2+ε1η2,ε1Tε2+η1η2]T=q1q2\begin{array}{lcl} q_1^+q_2 & = & \left[\begin{array}{cc} \eta_1\mathbf{1}+\varepsilon_1^\times & \varepsilon_1 \\ -\varepsilon_1^T & \eta_1\\ \end{array} \right][\varepsilon_2, \eta_2]^T\\ & = & [\eta_1\varepsilon_2+\varepsilon_1^\times\varepsilon_2+\varepsilon_1\eta_2, -\varepsilon_1^T\varepsilon_2+\eta_1\eta_2]^T \\ & = & q_1q_2 \\ \end{array}

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章