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我記得上大學時,我的數學老師是個個子矮小的廖教授,紡大教授,這麼多年過去了,他給我們講課時那自信滿滿的樣子,我就會不自覺的露出笑容,即便如此,當年教授給我們的知識也很多被遺忘了,知識就是這樣,長期不用了,就會遺忘了,只有不停的去使用,你才是它的主人,一旦撒手,它就是你的主人,它認識你,你不認識它!
就比如我現在心心念唸的去追尋的四維時空轉換問題,其實當初大學老師都教過我們了。只是那些書都在我原來的房間樓梯間裡發黴了!
現在回想起來,真不能怪我,知識用來方恨少,提筆欲書坎坷多!
下面我們就來回顧一下四元數的前世今生:
四元數(aternions)是一種擴充套件了複數系統的數系,由愛爾蘭數學家威廉·羅恩·哈密頓(willia rowan hailton)在1843年提出。四元數可以用來表示三維空間中的旋轉,這在計算機圖形學、機器人學和航空航天工程等領域非常有用。
一個四元數可以寫成以下形式:
[ q = a + bi + cj + dk ]
其中,(a)、(b)、(c)、(d) 是實數,而 (i)、(j)、(k) 是四元數的三個虛部單位。這三個虛部單位滿足以下乘法規則:
[ i2 = j2 = k2 = ijk = -1 ]
[ ij = k, \ad ji = -k ]
[ jk = i, \ad kj = -i ]
[ ki = j, \ad ik = -j ]
這些規則表明四元數的乘法不滿足交換律,即一般情況下 (pq eq qp)。
四元數的一個重要應用是表示三維空間中的旋轉。特別是,一個單位四元數可以表示一個旋轉軸和一個旋轉角度。給定一個單位四元數 (q = a + bi + cj + dk),其中 (a2 + b2 + c2 + d2 = 1),它可以用來表示圍繞軸 ((\theta, u)) 的旋轉,其中 (\theta) 是旋轉角度,(u = (b, c, d)) 是旋轉軸的方向向量,(a = \s(\theta/2))。
使用四元數進行旋轉的優勢在於避免了萬向節鎖(gibal lock)的問題,並且在數值上更加穩定。此外,四元數的插值(如球面線性插值,slerp)提供了平滑的旋轉路徑,這在動畫和實時渲染中非常有用。
四元數在現代技術中的應用包括但不限於:
計算機圖形學中的三維模型旋轉
航空航天工程中的姿態控制
機器人學中的運動規劃
虛擬現實和增強現實中的頭部追蹤
遊戲開發中的角色和物體的旋轉
四元數的概念雖然相對複雜,但由於其在處理旋轉時的效率和穩定性,它們在需要高效、準確地處理旋轉操作的領域中得到了廣泛的應用。
接下來我們把它擴充套件到一般的五元數和55的矩陣中按標準矩陣運演算法則運算,來找出其規律!
在數學中,五元數(tenions)並不是一個像四元數(aternions)那樣廣為人知且有明確定義的代數結構。四元數是由威廉·羅恩·哈密頓(willia rowan hailton)在1843年提出的,它們構成一個四維的超複數系統,具有特定的乘法規則。然而,對於五元數或其他更高維度的超複數系統,並沒有一個統一的定義或者廣泛接受的乘法規則。
如果我們試圖構造一個五元數系統,我們可以考慮一個形如 ( q = a + bi + cj + dk + el ) 的表示式,其中 ( a, b, c, d, e ) 是實數,而 ( i, j, k, l ) 是五個虛部單位。但是,為了使這個系統成為一個代數,我們需要定義這些虛部單位之間的乘法規則,並且這些規則需要保證乘法的封閉性(即任意兩個五元數的乘積仍然是五元數)。
在四元數中,虛部單位 ( i, j, k ) 的乘法規則是精心設計的,以滿足特定的代數性質,例如無零因子(non-zero divirs)和結合律(asciativity)。然而,當我們嘗試擴充套件到五元數時,要保持這些性質變得非常困難。實際上,如果要求乘法結合律,那麼這樣的五元數系