Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Funkts_analiz.pdf
Скачиваний:
160
Добавлен:
09.05.2015
Размер:
761 Кб
Скачать
☆

42

Глава 4. Преобразование координат

§ 1. Замена базиса

Нетрудно заметить, что если в n-мерном пространстве имеется два базиса e1,e2,...,en и e1′,e′2,...,e′n , то координаты произвольного вектора в

одном базисе будут отличаться от координат того же вектора в другом базисе. Выясним, как связаны координаты произвольного вектора x относительно базиса e1,e2,...,en с координатами этого вектора относительно базиса

e1′,e′2,...,e′n . Не уменьшая общности, рассмотрим трехмерный случай. Обозна-

чив через

x , x , x

и

x′, x′

, x′ координаты вектора x относительно базисов

 

1

2

3

 

1

2

 

3

 

 

 

e1,e2,e3 и e1′,e′2,e′3 соответственно, сможем написать

 

 

 

 

 

 

 

 

x = x1e1 +x2e2 +x3e3 ;

(4.1)

 

 

 

 

 

 

 

′

′ ′

′ ′

′ ′

(4.2)

 

 

 

 

 

 

 

x

= x1e1

+x2e2

+x3e3 .

Для каждого из ортов e1′,e′2,e′3 имеют место следующие разложения в

базисе e1,e2,e3

e1′ =τ11e1 +τ21e2 +τ31e3;

 

 

 

 

e′2 =τ12e1 +τ22e2 +τ32e3;

 

 

 

(4.3)

 

 

 

 

e′3 =τ13e1 +τ23e2 +τ33e3,

 

 

 

 

где τ

ij

i, j=1,2,3

– координаты вектора e′

в базисе e ,e

2

,e

3

.

 

(

)

j

1

 

 

43

Подставляя (4.3) в (4.2), получим

x=(τ11x1′+τ12x2′+τ13x3′)e1 +(τ21x1′+τ22x2′+τ23x3′)e2 +

+(τ31x1′+τ32 x2′ +τ33x3′)e3 (4.4)

Сравнивая теперь (4.1) с (4.4) и учитывая единственность разложения вектора x в базисе e1,e2,e3 , получим формулы, выражающие его координаты

относительно базиса e1,e2,e3 через координаты относительно базиса e1′,e′2,e′3

x1=τ11x1′+τ12x2′+τ13x3′;

 

x2 =τ21x1′+τ22x2′ +τ23x3′;

(4.5)

x3 =τ31x1′+τ32x2′ +τ33x3′.

 

Если ввести в рассмотрение одностолбцовые матрицы

 

 

 

x1

 

, X′=

 

x1′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X =

 

x

 

 

x′

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

x3′

 

 

 

 

и матрицу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T =

 

 

τ11

τ12

τ13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ21

τ22

τ23

 

 

 

,

 

 

 

τ31

τ32

τ33

 

 

 

 

то систему (4.5) можно заменить одним матричным равенством.

′

(4.6)

X =T X .

44

Матрицу T называют матрицей поворота координатной системы. Итак, координаты вектора x относительно базиса e1,e2,e3 линейно выражаются с

помощью формулы (4.5) через его координаты относительно базиса e1′,e′2,e′3 .

Матрица системы (4.5) совпадает с матрицей, получающейся в результате транспонирования матрицы перехода от базиса e1′,e′2,e′3 к базису e1,e2,e3

[см. равенства (4.3)].

§2. Ортогональные преобразования

Вевклидовом пространстве наибольший интерес представляет случай,

когда каждый из базисов e1,e2,...,en и e1′,e′2,...,e′n ортонормированный.

Ограничиваясь по-прежнему трехмерным случаем, будем считать базисы e1,e2,e3 и e1′,e′2,e′3 ортонормированными. Так как векторы e1′,e′2,e′3

единичные и взаимно ортогональные, то имеют место 6 равенств

e1′ e1′

=e′2 e′2 =e′3 e′3 =1,e1′ e′2 =e1′ e′3 =e′2 e′3 =0 .

(4.7)

Подставляя

(4.3) в (4.7) и учитывая, что векторы e1,e2,e3

тоже

единичные и взаимно ортогональные, получим

τ112 +τ212 +τ312 =1; τ11τ12 +τ21τ22 +τ31τ32 =0 ;

τ2

+τ2

+τ2

=1; τ τ

 

+τ

τ

23

+τ τ

33

=0;

(4.8)

12

22

32

11 13

 

21

31

 

 

τ2

+τ2

+τ2

=1; τ τ

13

+τ

τ

23

+τ τ

33

=0.

 

13

23

33

12

 

22

32

 

 

 

Определение. Всякая матрица T, элементы которой удовлетворяют

соотношениям (4.8), называется ортогональной, а соответствующее

45

преобразование – ортогональным преобразованием.

Можно показать, что при ортогональном преобразовании сохраняются длины векторов и углы между ними. Докажем, что если матрица T

ортогональная, то обратная для нее T−1 и транспонированная TT совпадают,

т.е.

 

T−1 =TT .

(4.9)

Для доказательства вычислим произведение TT T

TT T=

 

 

 

τ11

τ21

τ31

 

 

 

 

 

 

 

τ11

τ12

τ13

 

 

 

=E.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ12

τ22

τ32

 

 

 

 

 

 

τ21

τ22

τ23

 

 

 

(4.10)

 

 

 

 

τ13

τ23

τ33

 

 

 

 

 

 

 

τ31

τ32

τ33

 

 

 

 

 

Умножая обе части матричного равенства TT T=E справа на T−1, получим (4.9). Справедливо утверждение, обратное доказанному. Иногда условие (4.9) берут за определение ортогональной матрицы. Учитывая, что определитель произведения квадратных матриц равен произведению их определителей, можем, используя (4.10), написать

detTT detT =detE.

Но так как detTT =detT, а detE=1, то предыдущее равенство можно записать в виде

(detT)2 =1,

откуда следует

detT=±1.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]