Anar al contingut

Cuaterniones i rotació en l'espai

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Els cuaterniones unitaris proporcionen una notació matemàtica per a representar les orientacions i les rotacions d'objectes en tres dimensions. Comparats en els ànguls de Euler, són més simples de compondre i eviten el problema del bloqueig del cardán. Comparats en les matrius de rotació, són més eficients i més estables numèricament. Els cuarteniones són útils en aplicacions de gràfics per computadora, robòtica, navegació i mecànica orbital de satèlits.

Introducció

Es recorda la versió geomètrica del producte de dos cuaterniones, q=(a,u) i q′=(a′,u′), a on a i a′ són les parts reals, u i u′ són les parts imaginàries, també vistes com vectores de l'espai tridimensional ℝ3:

qq′=aa′−uu′,au′+a′u+u×u′

A on uu′ designa el producte escalar, i u×u′, el producte vectorial. Notarem q¯ el cuaternión conjugat de q: q¯=(a,−u).

Per a permanéixer en l'espai tridimensional, fa falta fer desaparéixer les parts reals. Prengam a=a′=0.

Llavors qq′=(0,u)(0,u′)=(−uu′,u×u′).

Be és sabut que el producte vectorial està relacionat en la rotació en l'espai. Per lo tant, a pur de productes, deu ser possible expressar qualsevol rotació tridimensional. L'objectiu és obtindre una fòrmula pareguda a l'expressió complexa de la rotació en el pla:

z′=wz, en w=eiθ quan es gira al voltant de l'orige, i z′=w(z−c)+c si es trencada al voltant del punt c.

Descobrint la fòrmula

Prengam l'eixemple més senzill: ¿Cóm expressar analíticamente la rotació al voltant d'eix dels x(O,i) en un àngul de 90 graus?

El vector i deu tindre un paper. Mirem a la multiplicació per i per l'esquerra: ij=k (com i×j=k) i ik=−j (com i×k=−j).

Sembla per lo tant que la funció f:q→iq és la resposta a la pregunta. En el pla (j,k) eixa funció trencada de 90 graus. ¿Pero qué passa en el restant de l'espai?, f(i)=ii=−1 i f(1)=i. Per linealidad, nos donem conte que fa girar el pla (1,i) de 90 graus també, i açò ¡no ho volem! El punt i té que permanéixer immòvil, i la funció f no té que enviar ni un punt de l'espai usual iR+jR+kR en la quarta dimensió (ací, en 1R).

Com sabem que la multiplicació no és conmutativa en ℍ, cos dels cuaterniones, mirem al producte per la dreta, per i:

g:q→qi. q(j)=ji=−k; q(k)=ki=j lo que correspon a la rotació inversa en el pla (j,k). Pero g(1)=i i g(i)=−1 dona la mateixa rotació paràsita que f sobre (i,j). Si prenem la funció oposta (i inversa): h=−g:q→−qi=q(−i) nos donem conte que h té la mateixa acció sobre el pla (j,k) que f pero l'acció oposta sobre (1,i). Llavors f i h es compensen en (1,i), pero s'acumulen en (j,k), i la funció composta m=foh(=hof):q→iq(−i) deixa el pla (1,i) quet, pero gira el pla (j,k) dos voltes de 90 graus, o siga de 180 graus:

m(j)=ij(−i)=−iji=−ki=−j i m(k)=−k

Hem obtingut per lo tant una rotació al voltant d'eix (O,i), pero en un àngul doble de lo desijat. N'hi ha prou en dividir els ànguls de f i h per dos per a obtindre la fòrmula.

i=eiπ2=cos⁡π2+isen⁡π2=cos⁡90∘+isen⁡90∘

El número que correspon al mig àngul és

eiπ4=1+i2=w

i la funció que realisa la rotació demanada és r:q→wqw¯.

Este raciocinio es generalisa a qualsevol eix de rotació, i no solament als tres eixos (O,i) (O, j) i (O, k). Si es vol girar al voltant de l'eix (O,o) a on o és un vector unitari, cal considerar el pla (1, o) i un atre pla perpendicular (ortogonal) en ℍ, i amprar el número:

cos⁡θ2+usen⁡θ2

Vore també

Referències