Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Бесконечно малая матрица вращения или матрица дифференциального вращения — это матрица, представляющая бесконечно малое вращение. В то время как матрица вращения является ортогональной матрицей, представляющей элемент специальной ортогональной группы, дифференциал вращения является кососимметричной матрицей в тангентном пространстве (специальной ортогональной алгебры Ли), которая сама по себе не является матрицей вращения. Бесконечно малая матрица вращения имеет вид
An infinitesimal rotation matrix or differential rotation matrix is a matrix representing an infinitely small rotation. While a rotation matrix is an orthogonal matrix representing an element of (the special orthogonal group), the differential of a rotation is a skew symmetric matrix in the tangent space (the special orthogonal Lie algebra), which is not itself a rotation matrix. An infinitesimal rotation matrix has the form
где — единичная матрица, — величина, стремящаяся к нулю, и
where is the identity matrix, is vanishingly small, and
Например, если представляет бесконечно малое трехмерное вращение вокруг оси x, то это является базисным элементом
For example, if representing an infinitesimal three dimensional rotation about the x axis, a basis element of
Правила вычисления для бесконечно малых матриц вращения обычны, за исключением того, что бесконечно малые второго порядка обычно отбрасываются. При этих правилах эти матрицы не удовлетворяют всем тем же свойствам, что и обычные конечные матрицы вращения при стандартном обращении с бесконечно малыми величинами. Оказывается, порядок, в котором применяются бесконечно малые вращения, не имеет значения.
The computation rules for infinitesimal rotation matrices are as usual except that infinitesimals of second order are routinely dropped. With these rules, these matrices do not satisfy all the same properties as ordinary finite rotation matrices under the usual treatment of infinitesimals. It turns out that the order in which infinitesimal rotations are applied is irrelevant.
Генераторы вращения
Предположим, мы задаём ось вращения единичным вектором [x, y, z], и предположим, что у нас есть бесконечно малое вращение на угол Δθ вокруг этого вектора. Разлагая матрицу вращения как бесконечную сумму и используя приближение первого порядка, матрица вращения ΔR представляется как:
Suppose we specify an axis of rotation by a unit vector [x, y, z], and suppose we have an infinitely small rotation of angle Δθ about that vector. Expanding the rotation matrix as an infinite addition, and taking the first order approach, the rotation matrix ΔR is represented as:
Конечное вращение на угол θ вокруг этой оси можно рассматривать как последовательность малых вращений вокруг той же оси. Приближая Δθ как θ/N, где N – большое число, вращение на угол θ вокруг оси можно представить как:
A finite rotation through angle θ about this axis may be seen as a succession of small rotations about the same axis. Approximating Δθ as θ/N, where N is a large number, a rotation of θ about the axis may be represented as:
Можно заметить, что теорема Эйлера по сути утверждает, что все вращения могут быть представлены в этой форме. Произведение Aθ является "генератором" данного вращения, представляя собой вектор (x, y, z), связанный с матрицей A. Это показывает, что матрица вращения и представление оси-угла связаны экспоненциальной функцией. Можно вывести простое выражение для генератора G. Начинаем с произвольной плоскости, определяемой парой перпендикулярных единичных векторов a и b. В этой плоскости можно выбрать произвольный вектор x с перпендикулярным ему вектором y. Затем находим y через x и, подставляя в выражение для вращения в плоскости, получаем матрицу вращения R, которая включает генератор 1 = G = baᵀ − abᵀ. Чтобы включить в вращение векторы, лежащие вне плоскости, необходимо модифицировать вышеуказанное выражение для R, добавив два оператора проекции, которые разделяют пространство. Эту модифицированную матрицу вращения можно переписать в виде экспоненциальной функции. Анализ часто проще проводить с точки зрения этих генераторов, чем с использованием полной матрицы вращения. Анализ с точки зрения генераторов известен как алгебра Ли группы вращений.
It can be seen that Euler's theorem essentially states that all rotations may be represented in this form. The product Aθ is the "generator" of the particular rotation, being the vector (x, y, z) associated with the matrix A. This shows that the rotation matrix and the axis angle format are related by the exponential function. One can derive a simple expression for the generator G. One starts with an arbitrary plane defined by a pair of perpendicular unit vectors a and b. In this plane one can choose an arbitrary vector x with perpendicular y. One then solves for y in terms of x and substituting into an expression for a rotation in a plane yields the rotation matrix R, which includes the generator 1=G = baT − abT. To include vectors outside the plane in the rotation one needs to modify the above expression for R by including two projection operators that partition the space. This modified rotation matrix can be rewritten as an exponential function. Analysis is often easier in terms of these generators, rather than the full rotation matrix. Analysis in terms of the generators is known as the Lie algebra of the rotation group.