Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Pobegailo

.pdf
Скачиваний:
178
Добавлен:
29.02.2016
Размер:
11 Мб
Скачать
☆

принадлежащий R4 , может рассматриваться как вектор конечного поворота. В этом случае параметры соответствующего поворота могут быть определены следующим образом:

cos

ϕ = q ,

sin

ϕ =

 

q2

+q2

+q2 ,

 

2

 

0

 

2

 

1

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =

q1

 

,

n =

 

q2

,

n

=

q3

.

 

 

 

 

1

sin

ϕ

 

2

 

sin

ϕ

 

3

 

sin

ϕ

 

2

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты q0 , q1, q2 и q3 единичного вектора q R4 называются па-

раметрами Эйлера (Euler) соответствующего поворота. Очевидно, что параметры Родригеса и Эйлера одного и того же поворота связаны следующим образом:

r =

q1

,

r = q2

,

r =

q3

.

 

 

1

q0

 

2

q0

 

3

q0

 

 

 

 

 

Подстановка этих значений в формулу (4.12) дает следующую структуру собственно ортогональной матрицы, элементы которой выражены через параметры Эйлера:

q2

+ q2

− q2

− q2

2(q q + q )

 

2(q q + q )

 

 

 

 

0

1

2

3

1

2

3

 

1

3

2

 

 

 

R(q) =

 

2(q2q1 − q3 )

q02 − q12 + q22 − q32

 

2(q2q3 − q1)

 

,

(4.13)

 

 

2(q q − q )

2(q q + q )

q2 −q2 −q2 + q2

 

 

 

 

3

1

2

3

2

1

0

1

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

учитывая, что

q02 + q12 + q22 +q32 =1.

Обратно, рассмотрим собственно ортогональную матрицу

r11

r12

r13

 

R = r

r

r

 

21

22

23

 

r

r

r

 

31

32

33

 

и определим параметры Эйлера поворота, который описывает эта матрица. Из формулы (4.13) видно, что

r11 + r22 + r33 = 3q02 − q12 − q22 − q32 = 4q02 −1.

Отсюда следует, что

q = 1

r

+r

+ r +1.

0

2

11

22

33

 

 

 

 

100

Тогда остальные параметры Эйлера могут быть определены из недиагональных элементов матрицы R следующим образом:

q1 = r32 −4 r23 , q2 = r13 −4 r31 , q3 = r12 −4 r21 .

Пример. Найдем параметры Эйлера из собственно ортогональной матрицы

 

2 / 2

− 2 / 2

0

 

2 / 2

 

 

R =

2 / 2 0 ,

 

0

0

 

 

1

 

 

 

 

используя полученные в этом разделе формулы. Получим

 

q = 1

r + r +r +1 =

2 + 2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

11

22

33

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q =

r32 −r23

 

= 0,

q =

r13 − r31

 

= 0,

q =

r12 −r21

= −

2

.

 

 

 

 

 

1

4

 

 

 

2

 

4

 

 

3

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Композиция векторов конечных поворотов

Произвольный поворот R(n,ϕ) может быть представлен вектором конечного поворота

r = tan(ϕ/ 2)n = sin(ϕ/ 2)n , cos(ϕ/ 2)

который принадлежит проективному пространству RP3 . Следовательно, этот же поворот R(n,ϕ) может быть также представлен вектором одно-

родных координат

q = cos(ϕ/ 2) +sin(ϕ/ 2)n,

который принадлежит векторному пространству R4 и удовлетворяет условию

q q = cos2 (ϕ/ 2) +sin2 (ϕ/ 2)(n n) =1.

Из этого условия следует, что вектор конечного поворота q принадлежит единичной сфере S3, которая описана каноническим уравнением

w2 + x2 + y2 + z2 =1,

101

где (w, x, y, z) однородные координаты точки P R4. Кроме того, оче-

видно, что вектор конечного поворота q соответствует единичному кватерниону q с теми же координатами. Следовательно, проективное про-

странство RP3 диффеоморфно единичной сфере S3, у которой отождествлены противоположные точки, так как кватернионы q и (−q) описы-

вают один и тот же поворот.

Определим композицию векторов конечных поворотов. Для этого используем следующее представление вектора конечного поворота q(n,ϕ),

используя однородные координаты:

q = cos(ϕ/ 2)(1+r).

(4.14)

Тогда композиция векторов конечных поворотов q1

и q2 может быть оп-

ределена, используя умножение соответствующих кватернионов, следующим образом:

q= q1q2 = cos(ϕ1 / 2)(1+ r1)cos(ϕ2 / 2)(1+ r2 ) =

=cos(ϕ1 / 2)cos(ϕ2 / 2)(1+ r1 r2 + r1 + r2 + r1 ×r2 ).

Сравнение последнего равенства с равенством (4.14) показывает, что

cos(ϕ/ 2) = cos(ϕ1 / 2)cos(ϕ2 / 2)(1+ r1 r2 ),

(4.15)

cos(ϕ/ 2)r = cos(ϕ1 / 2)cos(ϕ2 / 2)(r1 +r2 +r1 × r2 ).

В свою очередь из этого равенства следует, что

r = cos(ϕ1 / 2)cos(ϕ2 / 2)(r1 +r2 +r1 × r2 ) . cos(ϕ/ 2)

Наконец, подставив значение cos(ϕ/ 2) из равенства (4.15) в последнее

равенство, получим, что композиция векторов конечных поворотов задается следующим выражением:

r =

r1 +r2 +r1 × r2

.

(4.16)

 

 

1+ r r

 

1

2

 

 

Представим композицию векторов конечных поворотов как действие некоторого преобразования на вектор конечного поворота. Для этой цели

рассмотрим два произвольных вектора конечных поворотов p,r R4 ,

представленные в однородных координатах. Представим композицию этих векторов, используя кватернионы

q = pr.

(4.17)

Как было показано в разделе 2.1, каждый кватернион может быть представлен квадратной матрицей четвертого порядка. Используем это пред-

102

ставление для вектора конечного поворота r, который отождествлен с единичным кватернионом. Получим

r0 R = −r1−r2−r3

r1 r2 r0 −r3 r3 r0 −r2 r1

r3 r2 . −r1 r0

Можно проверить, что матрица R удовлетворяет условиям

RT R = I, det R =1.

Отсюда следует, матрица R является ортогональной. Подставив это значение в равенство (4.17) вместо вектора конечного поворота r, получим выражение

q = pR.

(4.18)

Из формулы (4.18) следует, что композиция векторов конечных поворотов p и r соответствует некоторому повороту вектора p в пространстве

R4 и этот поворот описывается собственно ортогональной матрицей R.

4.6. Касательные векторы

Обозначим через so(3, R) множество кососимметричных матриц третьего порядка. Очевидно, что множество so(3, R) вместе с операциями

сложения матриц и умножения матрицы на действительное число образует линейное пространство. Покажем, что это линейное пространство трехмерно. Для этого определим матрицы

 

0 0 0

 

 

0

0

1

 

 

0 −1

0

K1 =

 

0

 

,

K2 =

 

0

0

 

,

K3 =

 

0

 

0

−1

 

0

1

0 .

 

0

1

0

 

 

−1 0

0

 

 

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, что эти матрицы линейно независимы и являются кососимметричными. Теперь рассмотрим произвольную кососимметричную матрицу

0

−l3

l2

 

L = l

0

−l

 

 

3

l

1

 

−l

0

 

 

2

1

 

 

103

из so(3, R) . Эта матрица может быть представлена линейной комбинацией матриц K1, K2 и K3 следующим образом:

L = l1K1 +l2 K2 +l3K3.

Отсюда следует, что матрицы K1, K2 и K3 образуют базис линейного пространства so(3, R) и, следовательно, это линейное пространство трех-

мерно.

Экспонентой квадратной матрицы X называется формальный степенной ряд

 

X

 

X

2

 

X

3

 

∞

X

k

 

exp X = I +

+

 

+

 

+

= ∑

 

.

1!

2!

3!

k!

 

 

 

 

k =0

 

В матричном анализе показано, что этот ряд сходится для любой квадратной матрицы X. Покажем, что экспонента exp L от произвольной ко-

сосимметричной матрицы L из линейного пространства so(3, R) является собственно ортогональной матрицей из группы SO(3, R) . Для этой цели

введем два типа матриц, которые определены ниже. Обозначим через

 

n2

 

n n

n n

 

 

1

 

1

2

1

3

 

M = n2n1

n22

n2n3

 

n n

n n

n2

 

 

 

3

1

3

2

3

 

 

 

 

 

симметричную матрицу, элементы которой удовлетворяют равенству

n12 +n22 + n32 =1.

Симметричные матрицы подобной структуры будут называться нормализованными симметричными матрицами. В следующих теоремах доказаны некоторые свойства нормализованных симметричных матриц, которые будут использоваться при определении структуры матрицы exp L.

Теорема 1. Для любой нормализованной симметричной матрицы M справедливо равенство

M k = M

(4.19)

при любом k N.

Доказательство. Рассмотрим произвольную нормализованную симметричную матрицу M. Докажем равенство (4.19), используя метод математической индукции. Покажем, что равенство (4.19) справедливо при условии k = 2.

104

Получим

 

 

 

 

 

 

n2

n n n n

 

n2

 

 

n n n n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1 2

 

1 3

 

 

1

 

 

1 2

 

1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

M 2

=

n2n1

n22

 

n2n3

n2n1

 

n22

 

n2n3

 

=

 

 

 

 

 

 

 

n n n n

 

n2

n n n n

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 1

3 2

 

 

3

 

 

3 1

 

3 2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

(n2 + n2

+ n2 )

n n (n2

+ n2

+ n2 )

n n (n2 + n2

+ n3 )

 

 

1

 

1

2

 

3

 

1

2

1

 

2

 

3

 

1

3

1

2

3

 

 

= n2n1(n12 + n22 +n32 )

 

n22 (n12 +n22 + n32 )

 

n2n3 (n12 + n22 + n32 )

=

n n (n2 + n2

+ n2 ) n n (n2

+ n2

+n2 )

n2

(n2 +n2

+ n2 )

 

 

 

3

1

1

2

3

 

3

2

1

 

2

 

3

 

3

 

1

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

n n

n n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

2

 

1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= n2n1

 

n22

n2n3

 

= M.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n n

 

n n

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

 

3

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, показали, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 2 = M.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.20)

Теперь предположим, равенство (4.19) справедливо для некоторого произвольного натурального числа (k −1) , т. е.

 

M k−1 = M.

 

(4.21)

Тогда из равенств (4.20) и (4.21) следует, что

 

M k = M k−1M = MM = M 2 = M.

Теорема доказана.

 

 

 

 

Обозначим через

 

 

 

 

 

0

−n3

n2

 

K =

n

0

−n

 

 

3

n

1

 

−n

0

 

 

2

1

 

 

произвольную кососимметричную матрицу, элементы которой удовлетворяют равенству

n12 +n22 + n32 =1.

Такие кососимметричные матрицы будут называться нормализованными кососимметричными матрицами. В следующей теореме доказывается одно из свойств кососимметричных нормализованных матриц, которое будет использовано в дальнейшем при определении структуры матрицы exp L.

105

Теорема 2. Для любой нормализованной кососимметричной матрицы K справедливо равенство

K 2k = (−1)k (I − M )

(4.22)

при любом k N.

Доказательство. Рассмотрим произвольную нормализованную кососимметричную матрицу K. Докажем равенство (4.22), используя метод математической индукции. Покажем, что равенство (4.22) выполняется при условии k =1. Получим

0 −n3

n2

0 −n3

n2

 

 

K 2 =

n

 

0 −n

 

n

 

0 −n

 

=

 

3

 

n

1

3

n

 

1

 

 

−n

 

0

 

−n

 

0

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

−n2

−n2

n n

 

 

n n

 

 

 

 

 

 

2

 

3

1

2

 

 

1

3

 

 

 

 

= n2n1

 

−n12 − n32

 

n2n3

 

=

 

 

 

 

n n

 

n n

 

−n2 − n2

 

 

 

 

 

 

3

1

 

3

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n2

−1

n n

n n

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

2

1

3

 

 

 

 

 

 

 

= n2n1

 

n22 −1

n2n3

= −(I − M ).

 

 

n n

 

n n

n2 −1

 

 

 

 

 

 

 

3

1

 

3

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, показали, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K 2 = −(I − M ).

 

 

 

 

(4.23)

Теперь предположим, что равенство (4.22) справедливо для некоторого произвольного натурального числа (k −1) , т. е.

K 2k−2 = (−1)k−1(I − M ).

(4.24)

Тогда, используя теорему 1, из равенств (4.23) и (4.24) следует, что

K 2k = K 2k −2 K 2 = (−1)k−1(I − M )(−1)(I − M ) = = (−1)k (I − 2M + M ) = (−1)k (I − M ).

Теорема доказана.

Теорема 3. Для любой нормализованной кососимметричной матрицы K справедливо равенство

K 2k+1 = (−1)k K

(4.25)

при любом k N.

106

Доказательство. Рассмотрим произвольную нормализованную кососимметричную матрицу K. Докажем равенство (4.25), используя метод математической индукции. Покажем, что равенство (4.25) выполняется при условии k =1.

Принимая во внимание равенство (4.23) и учитывая, что

 

KM = 0,

(4.26)

получим

K 3 = KK 2 = K (M − I) = KM − K = −K.

Теперь предположим, что равенство (4.25) справедливо для некоторого произвольного натурального числа (k −1), т. е.

K 2k−1 = (−1)k−1 K.

(4.26)

Тогда из равенства (4.26), используя равенства (4.23) и (4.25), следует, что

K 2k+1 = K 2k−1K 2 = (−1)k−1 K (M − I) = = (−1)k −1 KM +(−1)k K = (−1)k K.

Теорема доказана.

Используя доказанные теоремы, определим структуру матрицы exp L. Получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

(L)

n

 

 

∞

 

(ϕK )

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

exp L = ∑

 

 

=

∑

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= I +

ϕK

 

(ϕK )2

 

 

(ϕK )3

 

 

(ϕK )4

 

(ϕK )5

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

=

 

 

 

 

1!

2!

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

4!

 

 

 

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

I +

ϕK

−

ϕ2 (I − M )

−

ϕ3K

+

 

ϕ4 (I − M )

+

ϕ5 K

− =

 

1!

 

2!

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

4!

 

 

 

5!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (1−

ϕ2

+

ϕ4

−

)I +(

ϕ

−

ϕ3

 

+

ϕ5

−

 

)K +(

ϕ2

−

ϕ4

+

ϕ6

− )M =

2!

4!

1!

3!

 

5!

 

2!

4!

6!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=cosϕI +sin ϕK +(1−cosϕ)M = R(n,ϕ).

Врезультате получили

exp(ϕK ) = R(n,ϕ).

Отсюда следует, что матрица exp L описывает поворот вокруг оси n на угол ϕ. Из последнего равенства также следует, что любая однопара-

107

метрическая подгруппа группы SO(3, R) может быть представлена следующим образом:

exp(tϕK ) = R(n,tϕ),

где t R параметр. Найдем касательную к однопараметрической подгруппе в точке ноль. Получим

Rt′(n,tϕ)

 

t=0 = ϕK.

(4.27)

 

 

 

Так как

R(n,tϕ) t=0 = I,

то из равенства (4.27) следует, что произвольный поворот R(n,ϕ) может

быть однозначно параметризован в окрестности единичной матрицы I вектором

l = ϕn

из R3 при условии, что угол поворота находится в пределах

−π < ϕ < π.

Этот вектор может рассматриваться как касательная к повороту в точке I. Из последнего ограничения следует, что данная параметризация локальна.

Пример. Рассмотрим собственно ортогональную матрицу

 

2 / 2

− 2 / 2

0

 

2 / 2

 

 

R =

2 / 2 0 .

 

0

0

 

 

1

 

 

 

 

В примере из раздела 2.4 было показано, что эта матрица представляет поворот R(z, π/ 4). Из равенства (4.27) следует, что этот поворот мо-

жет быть локально параметризован вектором l = π4 z = (0, 0, π/ 4).

Глава 5 СФЕРА S2

Данную главу можно рассматривать как предварительный материал, который содержит аналитические выражения, используемые в дальнейшем для моделирования сплайн-кривых на поверхности двумерной сферы. Цель этой главы дать геометрические определения окружностей, лежащих на поверхности двумерной сферы, а также привести аналитические выражения для построения таких окружностей.

5.1. Определение сферы S2

Рассмотрим произвольную точку P0 из евклидова аффинного пространства E3. Пусть вектор (x0 , y0 , z0 ) описывает координаты точки P0

относительно некоторой системы координат. Возьмем произвольное действительное число r и определим множество точек, координаты которых (x, y, z) удовлетворяют уравнению

(x − x0 )2 +( y − y0 )2 +(z − z0 )2 = r2.

Это множество точек называется двумерной сферой радиуса r с центром в точке P0 и обозначается через S 2. В дальнейшем будем предполагать, что начало системы координат находится в центре сферы S 2 . В этом случае двумерная сфера S 2 описывается уравнением

x2 + y2 + z2 = r2 ,

которое называется каноническим уравнением двумерной сферы в евкли-

довом аффинном пространстве E3 . Используя матричную нотацию, каноническое уравнение сферы может быть записано следующим образом:

pT Sp = r2 ,

где матрица

109