Кіріспе
Математикада үш өлшемдегі арнайы ортогональды топ, әйтпесе айналу тобы SO(3) деп аталады, және ол көпқырлылықтың табиғи мысалы болып табылады. SO(3) тобындағы әртүрлі кескін карталары бәсекелес координаттық жүйелерді құрады: осы жағдайда айналуды сипаттау үшін ең қолайлы параметрлер жиынтығы деп айтуға болмайды. Үш еркіндік дәрежесі бар, сондықтан SO(3) тобының өлшемі үшке тең. Көптеген қолданыстарда осы координаттық жүйелердің бірі қолданылады, сондықтан бір жүйеден екіншісіне қалай ауысу туралы сұрақ туындайды.
Айналу кеңістігі
Геометрияда айналу тобы — композиция операциясы бойынша үш өлшемді Евклид кеңістігі R3-тің бастауына қатысты барлық айналулардың тобы. Анықтама бойынша, бастауына қатысты айналу — векторлардың ұзындығын сақтайтын (яғни изометрия), және кеңістіктің бағытын (яғни қолдануын) сақтайтын сызықтық түрлендіру. Бағытты кері қайтаратын ұзындықты сақтайтын түрлендіру дұрыс емес айналу деп аталады. Үш өлшемді Евклид кеңістігіндегі әрбір дұрыс емес айналу — бұл айналу, одан кейін бастауынан өтетін жазықтықтағы бейнелеу. Екі айналуды қосу нәтижесінде тағы бір айналу пайда болады; әрбір айналудың бірегей кері айналуы бар; және тождестік түрлендіру айналудың анықтамасын қанағаттандырады. Жоғарыда аталған қасиеттеріне байланысты, барлық айналулар жиыны композиция бойынша топ құрайды. Сонымен қатар, айналу тобының топтық операциялары тегіс болатын табиғи көпқырлы құрылымы бар; сондықтан ол, шын мәнінде, Ли тобы болып табылады. Айналу тобы көбінесе төменде түсіндірілген себептерге байланысты SO(3) деп белгіленеді. Айналу кеңістігі айналу операторларының және +1 детерминанты бар ортонормальды матрицалар жиынымен изоморфты. Ол сондай-ақ кватерниондар жиынымен және олардың ішкі көбейтіндісімен, сондай-ақ айналу векторлары жиынымен тығыз байланысты (бірақ мұндағы қатынасты сипаттау қиын, егжей-тегжейлі мәліметтер төменде келтірілген), олардың эквивалентті матрицаларының көбейтіндісімен берілген өзгеше ішкі құрамы бар. Айналу векторларының белгіленуі Эйлердің айналу теоремасынан туындайды, онда үш өлшемдегі кез келген айналуды қандай да бір ось маңындағы қандай да бір бұрышпен айналу арқылы сипаттауға болады. Осыны ескере отырып, біз осы айналулардың бірінің осін екі бұрышпен анықтай аламыз, ал айналу бұрышын вектордың радиусымен анықтай аламыз. Бұл векторлар 3D кеңістікте ерекше топологиясы бар шарды білдіреді. Бұл 3D қатты шар 4D дискінің бетімен тең, ол да 3D әртүрлілік болып табылады. Бұл теңдікті жүзеге асыру үшін, біз айналуды осы 4D кіріктірілген бетпен қалай бейнелейтінімізді анықтауымыз керек.
Гиперсфераны елестету
Ғарышты үш өлшемді сфера S3 ретінде қарастыру қызықты, ол 4 өлшемді Евклид кеңістігіндегі дискінің шекарасы. Мұны істеу үшін біз айналуды осы 4D бетімен қалай бейнелеуді анықтауымыз керек. Радиусты айналу бұрышын анықтау үшін пайдаланудың тәсілі тікелей емес. Оны солтүстік полюсі анықталған сферадағы ендік шеңберлерімен байланыстыруға болады және былай түсіндіріледі: Үш өлшемді кеңістіктегі сфераның солтүстік полюсінен бастап, біз солтүстік полюсіндегі нүктені сәйкестік айналуын бейнелеу үшін анықтаймыз. Сәйкестік айналу жағдайында айналу осі анықталмайды, ал айналу бұрышы (нөл) маңызды емес. Өзінің осі xy жазықтығында және өте кішкентай айналу бұрышы бар айналуды xy жазықтығына параллель және солтүстік полюске өте жақын сфера арқылы қиып көрсетуге болады. Бұл қиылыспен анықталатын шеңбер өте кішкентай болады, ол айналудың кішкентай бұрышына сәйкес келеді. Айналу бұрыштары ұлғайған сайын, қиылыс оңтүстікке қарай жылжиды, ал шеңберлер шардың экваторына жеткенше ұлғаяды, бұл 180 градус бұрышты айналуға сәйкес келеді. Оңтүстікке қарай жалғаса берсек, шеңберлердің радиусы енді кішірейе бастайды (жағымсыз сан ретінде қарастырылған айналу бұрышының абсолюттік мәніне сәйкес келеді). Соңында, оңтүстік полюске жеткенде, шеңберлер тағы да сәйкестік айналуға дейін қысқарады, ол сондай-ақ оңтүстік полюс нүктесі ретінде көрсетілген. Осы визуализация арқылы мұндай айналулардың бірқатар ерекшеліктері мен олардың бейнелеулерін көруге болады. Айналу кеңістігі үздіксіз, әрбір айналудың дерлік бірдей айналулардың көршілес аймағы бар, және бұл көршілес аймақ қысқарған сайын жазық бола бастайды.
Beginning at the north pole of a sphere in three dimensional space, we specify the point at the north pole to represent the identity rotation. In the case of the identity rotation, no axis of rotation is defined, and the angle of rotation (zero) is irrelevant. A rotation with its axis contained in the xy plane and a very small rotation angle can be specified by a slice through the sphere parallel to the xy plane and very near the north pole. The circle defined by this slice will be very small, corresponding to the small angle of the rotation. As the rotation angles become larger, the slice moves southward, and the circles become larger until the equator of the sphere is reached, which will correspond to a rotation angle of 180 degrees. Continuing southward, the radii of the circles now become smaller (corresponding to the absolute value of the angle of the rotation considered as a negative number). Finally, as the south pole is reached, the circles shrink once more to the identity rotation, which is also specified as the point at the south pole. Notice that a number of characteristics of such rotations and their representations can be seen by this visualization. The space of rotations is continuous, each rotation has a neighborhood of rotations which are nearly the same, and this neighborhood becomes flat as the neighborhood shrinks.
Атаулары
Сонымен қатар, әрбір айналу шардың ортасынан өтетін түзудің қарама-қарсы ұштарында орналасқан, шар бетіндегі екі антиподальді нүкте арқылы көрсетіледі. Бұл әрбір айналуды белгілі бір ось төңірегіндегі айналу ретінде немесе, эквивалентті түрде, қарама-қарсы бағыттағы ось төңірегіндегі теріс айналу ретінде көрсетуге болатынын көрсетеді (осыны «қос жабын» деп атайды). Шеңбермен көрсетілген айналу бұрышының «ені» сол айналудың бұрышының жартысына тең болады, себебі нүкте солтүстік полюстен оңтүстік полюске жылғанда, ені 0-ден 180 градусқа дейін, ал айналу бұрышы 0-ден 360 градусқа дейін өзгереді. (Нүктенің «бойлық» координатасы белгілі бір айналу осін көрсетеді.) Дегенмен, мұндай айналулар жиыны композиция бойынша жабық емес екенін ескеру қажет. Екі тізбектелген айналудың осьтері xy жазықтығында жатса, нәтижесіндегі айналудың осі міндетті түрде xy жазықтығында жатпайды, сондықтан оны шар бетіндегі нүкте ретінде көрсету мүмкін емес. Бұл 3 өлшемді кеңістіктегі жалпы айналуға қатысты емес, себебі олар композиция бойынша жабық жиынды құрайды. Бұл көріністі 3 өлшемді кеңістіктегі жалпы айналуға кеңейтуге болады. Белгісіз айналу нүкте болып табылады, ал белгілі бір ось төңірегіндегі кішкентай бұрышты айналу кішкентай радиусы бар шар бетіндегі нүкте ретінде көрсетілуі мүмкін. Айналу бұрышы артқан сайын, шар да үлкейеді, айналу бұрышы 180 градусқа жеткенше, бұл сәтте шар кішірейе бастайды, бұрыш 360 градусқа жақындағанда нүктеге айналады (немесе теріс бағыттан 0 градусқа). Бұл кеңейіп, жиырылатын шарлар жиыны төрт өлшемді кеңістіктегі гиперсфераны (3-сфера) білдіреді. Жоғарыдағы қарапайым мысал сияқты, гиперсферадағы нүкте ретінде көрсетілген әрбір айналу осы гиперсферадағы өзінің антиподальді нүктесімен сәйкес келеді. Гиперсферадағы «ені» айналу бұрышының жартысына тең болады, ал кез келген нүктенің айналасы «жазық» болады (яғни 3D Евклид кеңістігіндегі нүктелер кеңістігімен көрсетіледі), себебі айналасы кішірейеді. Бұл қасиет бірлік кватерниондар жиынымен сәйкес келеді: Жалпы кватернион төрт өлшемді кеңістіктегі нүктені көрсетеді, бірақ оны бірлік шамасымен шектегенде, гиперсфера бетіне тең үш өлшемді кеңістік пайда болады. Бірлік кватернионның шамасы бірлікке тең болады, бұл бірлік радиусы бар гиперсфераға сәйкес келеді. Бірлік кватернионның векторлық бөлігі айналу осіне сәйкес келетін 2-сфераның радиусын көрсетеді, ал оның шамасы айналу бұрышының жартысының синусына тең. Әрбір айналу қарама-қарсы таңбалы екі бірлік кватернионмен көрсетіледі және, үш өлшемді кеңістіктегі айналу кеңістігіндегідей, екі бірлік кватернионның кватерниондық көбейтіндісі бірлік кватернионды береді. Сонымен қатар, бірлік кватерниондар кеңістігі берілген бірлік кватернионның кез келген инфинитезимальді айналасында «жазық» болады.
Параметрілеудің проблемалары
Оларды жергілікті карталардан өзгеше пайдалануда проблемалар туындайды, себебі олардың көпмәнділігі мен ерекшеліктері бар. Яғни, картаның анықтамасында диффеоморфизмдермен ғана жұмыс істеуге ең басты назар аудару керек. Мұндай мәселелер сөзсіз, өйткені SO(3) нақты проективті кеңістік P3(R)-ге диффеоморфты, ол S3-тің антиподальді нүктелерді теңестіру арқылы алынған бөлігі, ал карталар R3-ті пайдаланып көптіктерді модельдеуге тырысады. Осыдан мысалы, Эйлер бұрыштары 3-торус табанында өзгеретін шама болып көрінеді, ал бірлік кватерниондар 3-сферада орналасады. Эйлер бұрыштары арқылы бейнелеудің бірегейлігі кейбір нүктелерде бұзылады (мысалы, gimbal lock), ал кватерниондық бейнелеу әрқашан екі еселі жамылғы болып табылады, онда q және −q бірдей айналысқа сәйкес келеді. Егер бұрышты симметриялық матрицаны қолдансақ, кез келген 3×3 бұрышты симметриялық матрица 3 параметрмен анықталады, сондықтан алғашқы көзқарас бойынша параметр кеңістігі R3 болады. Мұндай матрицаны экспоненталау нәтижесінде 1-детерминанты бар ортогональды 3×3 матрица, яғни айналу матрицасы шығады, бірақ бұл көптен бірге сәйкес келетін бейнелеу. Бұл жамылғы бейнелеу емес екенін ескеріңіз – ол шығу тегіне жақын жергілікті гомеоморфизм болып табылады, бірақ 180 градусқа айналғанда жамылғы емес. Бұл матрицаларды R3-тегі шығу тегінің айналасындағы шармен шектеуге болады, сонда айналу 180 градустан аспайды, және бұл бір-бірге сәйкес келеді, 180 градусқа айналудан басқа, ол S2 шекарасына сәйкес келеді, және олар антиподальді нүктелерді теңестіреді – бұл кесілген орналасқан жер. Шекараның осы теңестірілуімен 3-шар P3(R) болып табылады. Кейли трансформациясын қисық симметриялық матрицаға қолдануда да осыған ұқсас жағдай орын алады. Осьтік бұрыш S2 × S1 параметрлерін береді; егер біз бірлік векторды нақты айналу осімен алмастырсақ, сонда n және −n бірдей осьтік сызықты көрсетеді, осьтер жиыны P2(R) – нақты проективті жазықтық болады. Бірақ n және −n айналымдары θ-ның қарама-қарсы мәндерімен параметрленгендіктен, нәтиже P2(R) үстіндегі S1 шоғыры болып табылады, ол P3(R) болып шығады. Бөлшекті сызықтық түрлендірулер төрт кешенді параметрді қолданады: a, b, c және d, мұнда ad−bc нөлге тең емес. Барлық төрт параметрді бірдей кешенді санға көбейту параметрді өзгертпейді, сондықтан ad−bc=1 деп талап етуге болады. Бұл (a,b,c,d)-ді 1-детерминанты бар 2×2 кешенді матрица ретінде жазуды ұсынады, яғни SL(2,C) арнайы сызықтық тобының элементі ретінде. Бірақ мұндай матрицалардың барлығы айналуды тудырмайды: S2-дегі конформдық бейнелеулер де кіреді. Айналуды ғана алу үшін d-ның a-ның кешенді жұптасы, ал c-ның b-ның кешенді жұптасының теріс мәні деп талап етеміз. Содан кейін бізде екі кешенді сан бар: a және b, |a|2+|b|2=1 шартымен. Егер a+bj деп жазсақ, бұл бірлік ұзындығы бар кватернион болады. Соңында, R3 P3(R) емес болғандықтан, осы тәсілдердің әрқайсысында мәселе туындайды. Кейбір жағдайларда, белгілі бір параметрлер мәндері бірдей айналуға сәйкес келетінін есте ұстауымыз керек, және бұл мәселені жою үшін шекаралар қойылуы керек, бірақ R3-тегі осы аймақ арқылы өтетін жол шекарадан өткенде кенеттен басқа аймаққа секіруі керек. Gimbal lock – бұл картаның туындысы толық дәрежеде болмаған кезде туындайтын мәселе, бұл Эйлер бұрыштары және Tait–Bryan бұрыштары үшін орын алады, бірақ басқа таңдаулар үшін емес. Кватерниондық бейнелеуде мұндай мәселелер жоқ (ол әрқашан екіден бірге бейнелейді), бірақ оның бірлік ұзындығы шартымен 4 параметрі бар, бұл кейде қолда бар үш еркіндік дәрежесін көруді қиындатады.
Қолданбалар
Бұл ойлардың қандай да бір түрінде болмай қалмайтыны – қатты дененің кинематикасы. Бір адам үш өлшемді Евклид кеңістігінің Евклид тобындағы қисық идеясын анықтама ретінде қабылдауы мүмкін, ол бастапқы нүктеден (бастапқы позициядан) басталады. E(3) трансляциялық субтобы T – бұл SO(3) коэффициенті бар қалыпты субтобы, егер біз тек тікелей изометриялардың (кинематикада ақылға қонымды) E+(3) субтобын қарасақ. Трансляциялық бөлікті стандартты Ньютон кинематикасында масса орталығының қозғалысы мен қатты дененің масса орталығы бойынша айналуы қарастырылса, айналу бөлігінен ажыратуға болады. Сондықтан кез келген қатты дененің қозғалысы тікелей SO(3) -ке әкеледі, егер біз трансляциялық бөлігін алып тастасақ. Бұл сәйкестендірулер SO(3) байланысты екенін көрсетеді, бірақ жай ғана байланысты емес. Соңғысына қатысты, антиподальды беттік нүктелері анықталған шарда «солтүстік полюстен» тікелей ортасынан оңтүстік полюске дейін жүретін жолды қарастырайық. Бұл – жабық цикл, өйткені солтүстік және оңтүстік полюстер анықталған. Бұл циклді бір нүктеге дейін қысқартуға болмайды, өйткені циклді қалай деформацияласаңыз да, бастапқы және соңғы нүктелер антиподальды болуы керек, әйтпесе цикл «ашық болады». Айналулар тұрғысынан бұл цикл z осьінің айналасындағы айналулардың үздіксіз тізбегін білдіреді, бастапқы және соңғы айналу бірлік айналумен сәйкес келеді (яғни φ бұрышы арқылы айналулар сериясы, мұнда φ 0-ден 2π-ге дейін өзгереді). Таңғаларлық жайт, егер сіз жолды екі рет, яғни солтүстік полюстен оңтүстік полюске дейін және кері, солтүстік полюске дейін жүретін болсаңыз, φ 0-ден 4π-ге дейін өзгереді, сіз бір нүктеге дейін қысқартылатын жабық цикл аласыз: алдымен жолдарды үздіксіз шардың бетіне жылжытыңыз, солтүстік полюсті оңтүстік полюске екі рет жалғастыра отырып. Жолдың екінші жартысын жолды мүлдем өзгертпей, антиподальдық жағына айналдыруға болады. Енді біз шардың бетінде қарапайым жабық циклге иеміз, ол солтүстік полюсті үлкен шеңбер бойымен өзіне байланыстырады. Бұл шеңберді солтүстік полюске дейін қысқартуға болады. Балидің табақтармен жасалатын тәсілі және осыған ұқсас тәсілдер мұны іс жүзінде көрсетеді. Бұл аргумент жалпы жағдайда қолданылуы мүмкін және ол SO(3) негізгі тобының 2-реттік циклдік топ екенін көрсетеді. Физикалық қолданыстарда негізгі топтың тривиальды еместігі спиннерлер деп аталатын нысандардың болуына мүмкіндік береді және спин-статистика теоремасын дамытуда маңызды құрал болып табылады. SO(3) ғаламдық жабыны Spin(3) деп аталатын Лай тобы болып табылады. Spin(3) тобы SU(2) арнайы бірлік тобымен изоморфты; сонымен қатар S3 бірлік сферасымен дифеоморфты және бірлік кватерниондар тобы ретінде түсіндірілуі мүмкін (яғни абсолютті мәні 1-ге тең). Компьютерлік графикада жиі пайдаланылатын кватерниондар мен айналулар арасындағы байланыс кватерниондар және кеңістіктік айналулар арқылы түсіндіріледі. S3-тен SO(3)-ке дейінгі карта, S3-тің антиподальді нүктелерін анықтайтын карта, ядросы {±1} бар Лай топтарының сюръективті гомоморфизмі болып табылады. Топологиялық тұрғыдан алғанда, бұл карта екі есе бір жабын картасы болып табылады.