Kvaternioiden algebraa ja sovellus rotaatioissa



Samankaltaiset tiedostot
H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

Lineaariset Lien ryhmät / Ratkaisu 1 D 355 klo ja D 381 klo b 0 1

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Induktio kaavan pituuden suhteen

Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

a b 1 c b n c n

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

Analyysi I. Visa Latvala. 3. joulukuuta 2004

Kvaterniot. Anna-Kaisa Markkanen. Matematiikan pro gradu -tutkielma

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Kompleksiluvut ja kvaterniot kiertoina

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

Insinöörimatematiikka D

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Matematiikan tukikurssi

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Ennakkotehtävän ratkaisu

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

KOMPLEKSIANALYYSIN KURSSI SYKSY 2012

Johdatus matematiikkaan

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

Tekijät: Hellevi Kupila, Katja Leinonen, Tuomo Talala, Hanna Tuhkanen, Pekka Vaaraniemi

Matriisipotenssi. Koska matriisikertolasku on liitännäinen (sulkuja ei tarvita; ks. lause 2), voidaan asettaa seuraava määritelmä: ja A 0 = I n.

Insinöörimatematiikka D

Matriisilaskenta. Harjoitusten 3 ratkaisut (Kevät 2019) 1. Olkoot AB = ja 2. Osoitetaan, että matriisi B on matriisin A käänteismatriisi.

2.1.4 har:linyryhmat03. Octavella. Katso ensin esimerkit???? esim:yroctave01 Octaven antamat vastausehdotukset.

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Algebran perusteet. 44 ϕ(105) = (105). Näin ollen

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

Pistetulo eli skalaaritulo

Algebra I, harjoitus 5,

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

renkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1B. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

Kolmannen asteen yhtälön ratkaisukaava

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

Lukujoukot luonnollisista luvuista reaalilukuihin

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Tässä dokumentissa on ensimmäisten harjoitusten malliratkaisut MATLABskripteinä. Voit kokeilla itse niiden ajamista ja toimintaa MATLABissa.

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Matriisit, kertausta. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matematiikka B2 - TUDI

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Kompleksiluvuista ja kvaternioista

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9. Matriisien peruskäsitteet Yksinkertaiset laskutoimitukset Transponointi Matriisitulo

1 Cli ordin algebra. Cli ordin algebron tai geometristen algebrojen tarkoitus on määritellä geometrinen tulo vektoriavaruudessa esim avaruudessa R n :

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

jonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Insinöörimatematiikka D

1 Algebralliset perusteet

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO

1. LINEAARISET YHTÄLÖRYHMÄT JA MATRIISIT. 1.1 Lineaariset yhtälöryhmät

Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Algebran ja lukuteorian harjoitustehtäviä. 1. Tutki, ovatko seuraavat relaatiot ekvivalenssirelaatioita joukon N kaikkien osajoukkojen

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Kompleksiluvut 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

3 Skalaari ja vektori

Käänteismatriisi 1 / 14

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1A. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

9.2 Lineaarikuvaus Olkoon A kuvaus (funktio) vektoriavaruudesta V vektoriavaruuteen U: jos nyt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Funktiot ja raja-arvo P, 5op

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Transkriptio:

TAMPEREEN YLIOPISTO Kandidaattitutkielma Anjuli Pullinen Kvaternioiden algebraa ja sovellus rotaatioissa Informaatiotieteiden yksikkö Matematiikka Maaliskuu 16

Sisältö 1 Johdanto 3 Kvaternioiden algebrallisia ominaisuuksia.1 Tarvittavien käsitteiden määritelmiä.................. Kvaterniot on vinokunta....................... 6 3 Kvaterniot rotaatioissa 1 3.1 Rotaatio vektoriesitysmuodon tulona................. 1 3. Rotaatio matriisitulona........................ 13 Lähteet 16

1 Johdanto Vuonna 183 irlantilainen matemaatikko sir William Rowan Hamilton oli yrittänyt jo yli vuosikymmenen ajan kehittää kolmiulotteiseen avaruuteen R 3 samankaltaista algebrallista rakennetta kuin kompleksiluvut ovat kaksiulotteisessa avaruudessa R. Saman ongelman kanssa olivat kamppailleet myös mm. matemaatikot Gauss, Grassman ja Möbius. Kolmiosainen, imaginääriyksiköitä sisältävä luku a + bi + c j ei ollut osoittautunut toimivaksi ratkaisuksi. Vihdoin lokakuussa 183 Hamilton koki suuren oivalluksen: kompleksilukuja mukaileva, kolmiulotteisen avaruuden ilmiöitä kuvaava luku löytyisikin avaruudesta R. Hintana oli kuitenkin se, että eräästä kompleksilukujen algebrallisesta ominaisuudesta oli luovuttava. Nimittäin kvaternioiden kertolasku ei ole vaihdannainen. Kvaternioista tuli matematiikan historian ensimmäinen vinokunta, jonka kertolasku ei kommutoi. Sittemmin muitakin vastaavia rakenteita on löytynyt - esimerkiksi oktoniot, jotka löytyvät avaruudesta R 8 ja laajentavat edelleen kvaternioiden lukujoukkoa. Lähdin laatimaan tutkielmaani kvaternioista, sillä olen työskennellyt pelialalla ja kohdannut tuolloin kvaterniot kolmiulotteisen avaruuden rotaatioiden yhteydessä, jotka ovatkin kvaternioiden tunnetuin sovellus. Esittelen tutkielmassani kvaternioiden algebrallisia ominaisuuksia sekä niiden sovellusta kolmiulotteisen avaruuden rotaatioissa. Kvaterniot on mahdollista esittää monilla eri tavoilla, jotka ovat keskenään isomorfisia, ja kvaternioiden kertolaskun tuloksen voi tuottaa monen eri algoritmin avulla. Esittelen tutkielmassani kolme erilaista esitystapaa kvaternioille. 3

Kvaternioiden algebrallisia ominaisuuksia.1 Tarvittavien käsitteiden määritelmiä Tässä alaluvussa määrittelemme kvaternioiden lukujoukon sekä yhteen- ja kertolaskuoperaatiot kvaternioiden joukossa. Näiden jälkeen määrittelemme vielä eräitä kvaternioiden erikoistapauksia, joita tarvitsemme toisessa luvussa, kun sovellamme kvaternioita rotaatioissa. Määritelmä.1. (vrt. [1, s. 53]) Määrittelemme kvaternion lukuna q, joka toteuttaa seuraavat ehdot. 1. q = a + bi + c j + dk, a, b, c, d R,. i = j = k = i jk = 1. Merkitsemme kvaternioiden lukujoukkoa H:lla: H = {a + bi + c j + dk a, b, c, d R} Merkitsemme etenkin rotaatioiden yhteydessä kvaterniota q = a + bi + c j + dk myös q = [s, v]:llä, missä s = a ja v = (b, c, d) R 3. Myöhemmin, kun olemme määritelleet yhteen- ja kertolaskuoperaatiot kvaternioiden joukossa, osoitamme, että struktuurit (H, +, ) ja ({[a, v] a R, v R 3 }, +, ) ovat isomorfiset. Kutsumme lukua a kvaternion reaaliosaksi ja lukua bi + c j + dk sen imaginääriosaksi. Imaginääriosaa voimme kutsua myös vektoriosaksi, kun merkitsemme sitä järjestetyllä kolmikolla (b, c, d) R 3. Huomautus 1. Voimme käyttää erilaisia esitystapoja kvaternioille. Tässä luvussa käytämme lähinnä yllä esitettyä muotoa q = a + bi + c j + dk. Kutsumme tätä esitysmuotoa kvaternion imaginääriesitykseksi, koska se sisältää imaginääriyksiköitä, joita muut käyttämämme esitysmuodot eivät sisällä. Luvussa 3 tutustumme tarkemmin kvaternioiden muihin esitysmuotoihin. Määritelmä.. Olkoot q 1 = a 1 + b 1 i + c 1 j + d 1 k H ja q = a + b i + c j + d k H

kvaternioita. Määrittelemme kvaternioiden q 1 ja q summan seuraavasti. q 1 + q = (a 1 + a ) + (b 1 + b )i + (c 1 + c ) j + (d 1 + d )k. Määrittelemme kvaternioiden q 1 ja q tulon seuraavasti. q 1 q = (a 1 a b 1 b c 1 c d 1 d ) + (a 1 b + b 1 a + c 1 d d 1 c )i + (a 1 c + c 1 a + d 1 b b 1 d ) j + (a 1 d + d 1 a + b 1 c c 1 b )k. Merkitsemme tuloa q 1 q myös lyhyemmin q 1 q :lla. Huomautus. Kvaternioiden yhteen- ja kertolaskuoperaatioiden idea on samanlainen kuin kompleksilukujen yhteen- ja kertolaskun idea. Kvaternioiden q 1 = a 1 + b 1 i + c 1 j + d 1 k ja q = a + b i + c j + d k tulon muistisääntönä toimii ajatus reaalisesta tulosta q 1 q, jossa i, j ja k ovat reaalisia muuttujia. Kun olemme kirjoittaneet tämän tulon auki, korvaamme muuttujien i, j ja k väliset kertolaskut seuraavilla laskusäännöillä: i = j = k = 1, i j = k, jk = i, ki = j, ji = k, k j = i, ik = j. Tuloa auki kirjoiettaessa tulee muistaa, etteivät muuttujien i, j ja k väliset tulot ole vaihdannaisia, eli meidän on säilytettävä tulokaavassa näiden muuttujien keskinäinen järjestys. Ne eivät siis käyttäydykään aivan kuten reaaliset muuttujat. Näiden yllä määriteltyjen laskusääntöjen paikkansapitävyyttäkään emme tietenkään voi määrittää ennen kuin olemme määrittäneet kertolaskun. Voimme upottaa joukon R joukkoon H injektiokuvauksella f : R H, f (a) = a + i + j + k. Kuvaus f säilyttää laskusäännöt, sillä f (a) + f (b) = f (a + b) ja f (a) f (b) = f (ab) aina, kun a, b R. Täten struktuurit (R, +, ) ja ({q q = a+i+ j+k H}, +, ) ovat isomorfiset. Tästedes samaistamme suoraan reaaliluvun a sellaisen kvaternion kanssa, jonka reaaliosa = a ja jonka imäginääriosa =. Voimme upottaa myös joukon R 3 joukkoon H injektiokuvauksella f : R 3 H, f (v) = [, v]. Myös tämä kuvaus säilyttää laskusäännöt, joten struktuurit (R 3, +, ) ja ({q q = [, v] H}, +, ) ovat isomorfiset. Tästedes samaistamme suoraan vektorin v R 3 sellaisen kvaternion kanssa, jonka reaaliosa = ja jonka vektoriosa = v. Määritelmä.3. (vrt. [1, s. 58] Kutsumme puhtaaksi kvaternioksi sellaista kvaterniota p, jonka reaaliosa on yhtä kuin nolla, eli p = xi + y j + zk = [, v]. 5

Määritelmä.. (vrt. [1, s. 6] Olkoon q = a + bi + c j + dk H kvaternio. Määrittelemme kvaternion q pituuden q seuraavasti. q = a + b + c + d. Määritelmä.5. (ks. [1, s. 6] Olkoon q = a + bi + c j + dk H kvaternio. Kutsumme kvaterniota q yksikkökvaternioksi (engl. unit-norm quaternion), jos sen pituus on yksi. Siis q on yksikkökvaternio, jos a + b + c + d = 1.. Kvaterniot on vinokunta Tässä alaluvussa todistamme struktuurin (H, +) triviaalisti Abelin ryhmäksi ja struktuurin (H, +, ) renkaaksi. Sen jälkeen osoitamme, että struktuuri (H, +, ) ei ole kunta. Lopuksi määrittelemme vinokunnan ja toteamme struktuurin (H, +, ) olevan vinokunta. Oletamme ryhmän ja renkaan määritelmät tunnetuiksi. Lause.1. Struktuuri (H, +, ) on Abelin ryhmä. Todistus. Määritelmästä. näemme selvästi, että yhteenlaskuoperaatio q 1 + q on suljettu joukossa H. Näemme myös selvästi, että on olemassa neutraalialkio = + i + j + k H. Myös yhteenlaskun liitännäisyys on selvää reaalilukujen liitännäisyyden nojalla. Jokaiselle luvulle q = a + bi + c j + dk H on myös selvästi olemassa vasta-alkio q = a + ( b)i + ( c) j + ( d)k H. Lisäksi kvaternioiden yhteenlasku on selvästi vaihdannainen reaalilukujen yhteenlaskun vaihdannaisuuden nojalla. Näin ollen kvaternioiden joukko varustettuna yhteenlaskuoperaatiolla on Abelin ryhmä. Lause.. Struktuuri (H, +, ) on rengas. Todistus. Näemme selvästi määritelmästä., että kvaternioiden kertolasku on suljettu operaatio ryhmässä H. Näemme myös selvästi, että kvaternioille q 1, q ja q 3 pätee kertolaskun liitännäisyyslaki q 1 (q q 3 ) = (q 1 q )q 3 reaalilukujen kertolaskun liitännäisyyden nojalla. 6

Olkoon q = a + bi + c j + dk H kvaternio. Luku 1 = 1 + i + j + k H. Nyt 1q = 1 a + (1 b)i + (1 c) j + (1 d)k = a + bi + c j + dk = q = q1. Siis kvaternioiden ryhmästä löytyy kertolaskun neutraalialkio 1. Enää on todettava osittelulakien voimassaolo yhteen- ja kertolaskun suhteen. Tämä tulos onkin kvaternioiden tapauksessa hieman monimutkaisempi, joten käymme sen läpi vaihe vaiheelta. Olkoot q 1 = a 1 + b 1 i + c 1 j + d 1 k H, q = a + b i + c j + d k H ja q 3 = a 3 + b 3 i + c 3 j + d 3 k H kvaternioita. q 1 (q + q 3 ) = q 1 ((a + a 3 ) + (b + b 3 )i + (b + b 3 ) j + (c + c 3 )k) = (a 1 (a + a 3 ) b 1 (b + b 3 ) c 1 (c + c 3 ) d 1 (d + d 3 )) + (a 1 (b + b 3 ) + b 1 (a + a 3 ) + c 1 (d + d 3 ) d 1 (c + c 3 ))i + (a 1 (c + c 3 ) + c 1 (a + a 3 ) + d 1 (b + b 3 ) b 1 (d + d 3 ) j + (a 1 (d + d 3 ) + d 1 (a + a 3 ) + b 1 (c + c 3 ) c 1 (b + b 3 )k = ((a 1 a + a 1 a 3 ) (b 1 b + b 1 b 3 ) (c 1 c + c 1 c 3 ) (d 1 d + d 1 d 3 )) + ((a 1 b + a 1 b 3 ) + (b 1 a + b 1 a 3 ) + (c 1 d + c 1 d3) (d 1 c + d 1 c 3 ))i + ((a 1 c + a 1 c 3 ) + (c 1 a + c 1 a 3 ) + (d 1 b + d 1 b 3 ) (b 1 d + b 1 d 3 )) j + ((a 1 d + a 1 d 3 ) + (d 1 a + d 1 a 3 ) + (b 1 c + b 1 c 3 ) (c 1 b + c 1 b 3 )k = (a 1 a b 1 b c 1 c d 1 d ) + (a 1 a 3 b 1 b 3 c 1 c 3 d 1 d 3 ) + (a 1 b + b 1 a + c 1 d d 1 c )i + (a 1 b 3 + b 1 a 3 + c 1 d 3 d 1 c 3 )i + (a 1 c + c 1 a + d 1 b b 1 d ) j + (a 1 c 3 + c 1 a 3 + d 1 b 3 b 1 d 3 ) j + (a 1 d + d 1 a + b 1 c c 1 b )k + (a 1 d 3 + d 1 a 3 + b 1 c 3 c 1 b 3 )k = (a 1 a b 1 b c 1 c d 1 d ) + (a 1 b + b 1 a + c 1 d d 1 c )i + (a 1 c + c 1 a + d 1 b b 1 d ) j + (a 1 d + d 1 a + b 1 c c 1 b )k + (a 1 a 3 b 1 b 3 c 1 c 3 d 1 d 3 ) + (a 1 b 3 + b 1 a 3 + c 1 d 3 d 1 c 3 )i + (a 1 c 3 + c 1 a 3 + d 1 b 3 b 1 d 3 ) j + (a 1 d 3 + d 1 a 3 + b 1 c 3 c 1 b 3 )k = q 1 q + q 1 q 3. Sen nojalla, että kvaternioiden yhteen- ja kertolasku ovat suljettuja ja liitännäisiä, sekä yhteenlaskun nolla-alkion, käänteisalkion ja vaihdannaisuuden sekä kertolas- 7

kun ykkösalkion ja osittelulakien voimassaolon nojalla päättelemme, että struktuuri (H, +, ) on rengas. Lause.3. Struktuuri (H, +, ) ei ole kunta. Todistus. Olkoot q 1 = i = + 1i + j + k ja q = j = + i + 1j + k H kvaternioita. Määritelmän. nojalla saamme i j = + i + j + 1k = k mutta ji = + i + j + ( 1)k = k. Täten kertolasku ei ole vaihdannainen kaikille lukujoukon H alkioille eikä struktuuri (H, +, ) siten ole kunta. Huomautus 3. Samoin saamme loputkin imaginääriyksiköiden keskinäisen kertomisen laskusäännöt. jk = i, k j = i, ki = j, ik = j. Näitä laskusääntöjähän käytimme kvaternioiden tulokaavan muistisäännössä huomautuksessa, ennen kuin vielä pystyimme ottamaan kantaa laskusääntöjen paikkansapitävyyteen. Määritelmä.6. (vrt. [, s. 98]) Rengas (R, +, ) on vinokunta, jos jokaiselle renkaan nollasta poikkeavalle alkiolle a R (a ) on olemassa kertolaskun suhteen käänteisalkio a 1 R, joka toteuttaa ehdon a a 1 = a 1 a = 1. Ennen kuin toteamme käänteisalkion olemassaolon, otamme käyttöön liittoluvun määritelmän ja todistamme erään siihen liittyvän aputuloksen. Määritelmä.7. (vrt. [1, s. 61]) Olkoon q = a + bi + c j + dk H kvaternio. Määrittelemme luvun q liittoluvun q seuraavasti. q = a bi c j dk. Lause.. Olkoon q = a+bi+c j+dk H kvaternio. Nyt q q = qq = a +b +c +d. 8

Todistus. (vrt. [1, s. 61]) Olkoon q = a + bi + c j + dk H kvaternio. Nyt q q = (a b c d ) + (a( b) + ba + c( d) d( c))i + (a( c) + ca + d( b) b( d)) j + (a( d) + da + b( c) c( b))k = (a + b + c + d ) + i + j + k = a + b + c + d. Samoin voimme osoittaa, että qq = a + b + c + d. Lause.5. Olkoon q = a + bi + c j + dk H, q olemassa käänteiskvaternio q 1, joka toteuttaa ehdon kvaternio. Kvaterniolla q on Kvaternion q käänteiskvaternio on qq 1 = q 1 q = 1. q 1 = q q. Todistus. (vrt. [1, s. 65-66]) Olkoon q = a + bi + c j + dk H, q kvaternio. Nyt q q q = q q q = a + b + c + d a + b + c + d = 1. Vastaavasti Siis kvaternio q q q = qq q = a + b + c + d a + b + c + d = 1. q q on kvaternion q käänteiskvaternio, jota merkitsemme q 1 :llä. Lause.6. Struktuuri (H, +, ) on vinokunta. Todistus. Lauseiden. ja.5 nojalla struktuuri (H, +, ) on vinokunta. 9

3 Kvaterniot rotaatioissa Tässä luvussa tarkastelemme kvaternioita niiden tunnetuimmassa sovelluksessa, joka on vektorien kiertäminen avaruudessa R 3. Rotaatioiden yhteydessä kvaternioita on erityisen käyttökelpoista tarkastella niiden vektoriesitysmuodossa tai matriisiesitysmuodossa. Seuraava alaluku käsitteleekin vektorien kiertoa avaruudessa R 3 kvaternioiden vektoriesityksen tulon avulla. Sitä seuraava alaluku puolestaan käsittelee vektorien kiertoa avaruudessa R 3 kvaterniotulon matriisiesityksen avulla. 3.1 Rotaatio vektoriesitysmuodon tulona Tässä luvussa osoitamme, että kvaternioiden tulo voidaan määritellä vektorien ristija pistetuloa hyödyntäen, kun kvaterniot on esitetty vektorimuodossa. Esitämme vektorin u θ-asteisen kierron yksikkövektorin ˆv ympäri eräänä kvaternioiden tulon erityistapauksena. Oletamme vektorien risti- ja pistetulon ja vektorien laskusäännöt sekä isomorfismin määritelmän tunnetuiksi. Esittelimme kvaternioiden vektoriesitysmuodon lyhyesti määritelmässä.1. Mainitsimme myös sen, että struktuurit ([s, v] s R, v R 3, +, ) ja (H, +, ) ovat isomorfiset. Nyt osoitamme tämän. Määritelmä 3.1. Määrittelemme yhteenlaskun ja kertolaskun joukossa H = {[s, v] s R, v R 3 } seuraavasti. Olkoot [s 1, v 1 ] H ja [s, v ] H järjestettyjä pareja. Tällöin niiden yhteen- ja kertolasku määritellään seuraavasti. [s 1, v 1 ] + [s, v ] = [s 1 + s, v 1 + v ]. [s 1, v 1 ] [s, v ] = [s 1 s v 1 v, s 1 v + s v 1 + v 1 v ]. Seuraavan lauseen nojalla voimme samaistaa kvaterniot niiden vektoriesityksen kanssa sekä käyttää kvaternioiden kertolaskutoimituksena määritelmässä 3.1 esitettyä kertolaskua. Lause 3.1. Struktuurit (H, +, ) ja ( H, +, ) ovat isomorfiset. 1

Todistus. (Vrt. [1, s. 5]). Olkoon f : H {[s, v] s R, v R 3 } : f (a + bi + c j + dk) = [a, (b, c, d)] kuvaus. Kuvaus f on triviaalisti bijektiivinen ja säilyttää selvästi yhteenlaskuoperaation. Lisäksi f (1) = [1, ] on struktuurin ( H, +, ) kertolaskun neutraalialkio. Näytämme toteen, että kuvaus f säilyttää kertolaskuoperaation eli että f (q 1 q ) = f (q 1 ) f (q ) q 1, q H. Olkoot q 1 = s 1 + x 1 i + y 1 j + z 1 k H ja q = s + x i + y j + z k H kvaternioita. Olkoot v 1 = (x 1, y 1, z 1 ) R 3 ja v = (x, y, z ) R 3 vektoreita. Nyt f (q 1 q ) = f (s 1 s x 1 x y 1 y z 1 z + (s 1 x + x 1 s + y 1 z z 1 y )i + (s 1 y + s y 1 + z 1 x x 1 z ) j + (s 1 z + z 1 s + x 1 y y 1 x )k) = [a 1 a b 1 b c 1 c d 1 d, (s 1 x + x 1 s + y 1 z z 1 y, s 1 y + s y 1 + z 1 x x 1 z, s 1 z + z 1 s + x 1 y y 1 x )] = [s 1 s (x 1, y 1, z 1 ) (x, y, z ), (s 1 x, s 1 y, s 1 z ) + (s x 1, s y 1, s z 1 ) + (x 1, y 1, z 1 ) (x, y, z )] = [s 1 + s v 1 v, s 1 v + s v 1 + v 1 v ] = [s 1, v 1 ] [s, v ] = f (s 1 + x 1 i + y 1 j + z 1 k) f (s + x i + y j + z k). Näin ollen kuvaus f säilyttää kertolaskuoperaation, ja struktuurit (H, +, ) ja ({[s, v] s R, v R 3 } ovat isomorfiset. Seuraavaksi määrittelemme kvaternioiden p ja q tulon avulla vektorin kierron yksikkövektorin ympäri. Määritelmä 3.. (Ks. [1, s. 98]) Olkoon u R 3 vektori, θ [, π] kulma ja ˆv R 3 yksikkövektori. Vektorin u kierto yksikkövektorin ˆv ympäri kulman θ verran on kvaternion qpq 1 vektoriosa u. q = [ cos ( 1 θ), sin ( 1 θ) ˆv ] H ja p = [, u ] H. Koska määritelmässä 3. on cos ( 1 θ) + sin ( 1 θ) = 1 ja ˆv = 1, 11

niin kvaternio q on yksikkökvaternio. Lisäksi q 1 = q q = q cos ( 1 θ) + sin ( 1 θ) ˆv = q cos ( 1 θ) + sin ( 1 θ) = q 1 = [ cos ( 1 θ), sin ( 1 θ)]. Kun merkitsemme lukua cos ( 1 θ) s:llä ja lukua sin ( 1 θ) λ:lla, niin qpq 1 = [s, λ ˆv][, u][s, λ ˆv] = [ λ ˆv u, su + λ ˆv u][s, λ ˆv] (Vrt. [1, s. 98-99]) = [ λs ˆv u + λsu ˆv + λ ( ˆv u) ˆv, λ ( ˆv u) ˆv + s u + λs ˆv u λsu ˆv λ ( ˆv u) ˆv] = [λ ( ˆv u) ˆv, λ ( ˆv u) ˆv + s u + λs ˆv u λ ( ˆv u) ˆv] = [, λ ( ˆv u) ˆv + s u + λs ˆv u λ u + λ (u ˆv) ˆv] = [, λ ( ˆv u) ˆv + (s λ )u + λs ˆv u] = [, (1 cos θ)( ˆv u) ˆv + cos θu + sin θ ˆv u]. Emme tässä tutkielmassa osoita geometrisesti, että kyseessä todella on vektorin u kierto vektorin ˆv ympäri kulman θ verran avaruudessa R 3. Esimerkki 3.1. Olkoon u = (1,, 3) R 3 vektori, ˆv = (,, ) R3 yksikkövektori ja θ = π 3 [, π] kulma. Laskemme määritelmän 3. mukaisen vektorin u, joka on vektorin u kierto vektorin ˆv ympäri kulman θ verran. qpq 1 = [, ( 1 cos π ) (( 3,, ) ) ( (1,, 3),, ) + cos π 3 (1,, 3) + sin π ( 3,, ) ] (1,, 3) = [, ( 3 6, 6, 5 + 6)]. Näin ollen u = ( 3 6, 6, ) 5+ 6. 1

3. Rotaatio matriisitulona Oletamme tunnetuiksi matriisialgebran perusteet. Merkitsemme matriisin A transpoosia A T :llä ja joukon R n n identiteettimatriisia I n n :llä. Huomautus. (Ks. [1, s. 67].) Samoin kuin voimme samaistaa kvaternion q = a + bi + c j + dk järjestetyn parin [a, (b, c, d)] kanssa, voimme samaistaa kvaternion q = [s, (x, y, z)] matriisin Q 1 kanssa. Merkitsemme kvaterniota q nyt siis matriisilla s Q 1 = x y = q. z Lisäksi määrittelemme kaksi kuvausta l ja r, jotka kuvaavat kvaternion q -rotaatiomatriisille (vrt. [1, s. 1]). Määritelmä 3.3. (Vrt. [1, s. 1]) Olkoon q = [s, (x, y, z)] H kvaternio. Määrittelemme kuvaukset l : H R ja r : H R seuraavasti. s 1 x 1 y 1 z 1 s x y z l(q) = x 1 s 1 z 1 y 1 y 1 z 1 s 1 x ja r(q) = x s z y 1 y z s x z 1 y 1 x 1 s 1 z y x s Merkitsemme matriiseja l(q) = L(q):lla ja r(q) = R(q):lla. Voimme esittää kvaternioiden q 1 = [s 1, (x 1, y 1, z 1 )] ja q = [s, (x, y, z )] tulon matriisitulona L(q 1 )q, kun esitämme kvaternion q matriisimuodossa huomautuksen mukaisesti. Vastaavasti voimme esittää tulon q 1 q matriisitulona R(q )q 1, kun esitämme kvaternion q 1 matriisimuodossa. Tulot L(q 1 )q ja R(q )q 1 ovat 1 - matriiseja, jotka voimme edelleen tulkita kvaternioina. Seuraavaksi osoitamme, että edellä mainitut matriisitulot ovat yhtäpitäviä kvaterniotulon q 1 q kanssa. (Vrt. [1, s. 1].) Lause 3.. Olkoot q 1 = [s 1, (x 1, y 1, z 1 )] ja q = [s, (x, y, z )] H kvaternioita. Voimme ilmaista kvaterniotulon q 1 q matriisitulona L(q 1 )q tai matriisitulona R(q )q 1. 13

Todistus. Olkoot q 1 = [s 1, (x 1, y 1, z 1 )] ja q = [s, (x, y, z )] H kvaternioita. Nyt s 1 x 1 y 1 z 1 L(q 1 )q = x 1 s 1 z 1 y 1 y 1 z 1 s 1 x 1 z 1 y 1 x 1 s 1 s x y z s 1 s x 1 x y 1 y z 1 z = x 1 s + s 1 x z 1 y + y 1 z y 1 s + z 1 x + s 1 y x 1 z z 1 s y 1 x + x 1 y + s 1 z = [s 1 s x 1 x y 1 y z 1 z, (x 1 s + s 1 x + y 1 z z 1 y, y 1 s + s 1 y + z 1 x x 1 z, z 1 s + s 1 z + x 1 y y 1 x )] = q 1 q. Vastaavasti saamme tulokseksi, että R(q )q 1 = q 1 q. Lause 3.3. Kun kvaternio q = [s, (x, y, z)] on yksikkökvaternio eli s +x +y +z = 1, sen kuva L(q) on ortogonaalinen matriisi. Todistus. (Ks. [1, s. 67-68]) Olkoon q = [s, (x, y, z)] H kvaternio ja L(q) sen kuva. Nyt matriisin L(q) transpoosi on s x y z L(q) T = x s z y y z s x ja z y x s 1 L(q)L(q) T = 1 1 = I = L(q) T L(q). 1 Täten matriisi L(q) on ortogonaalinen. Luvussa 3.1 havaitsimme, että vektorin u θ asteen kierto yksikkövektorin ˆv ympäri voidaan esittää tulona qpq 1, missä q = [s, ˆv] on yksikkökvaternio, jossa s + ˆv = 1, p = [, u] on puhdas kvaternio. Voimme esittää tulon qpq 1 matriisitulona R(q 1 )L(q)p (ks. [1, s. 1-15]). Laskemme seuraavaksi rotaatiomatriisien avulla saman kierron kuin laskimme esimerkissä 3.1 kvaternioiden vektoriesityksen avulla. 1

Esimerkki 3.. Olkoon u = (1,, 3) vektori, ˆv = (,, ) yksikkövektori ja θ = π 3 kulma. Laskemme vektorin u kierron vektorin ˆv ympäri kulman θ verran kvaternioiden matriisitulon avulla. Nyt q = [ sin ( 1 θ), cos ( 1 θ) ˆv ] on yksikkökvaternio ja p = [, u] on puhdas kvaternio. q = [ cos π 6, sin π ( 6,, )] [ 3 =, 1 (,, )] = [ 3, (,, )] ja p = [, (1,, 3)]. qpq 1 = R(q 1 )L(q)p = = 3 3 3 3 3 3 3 3 1 3 6 1 6 1 6 1 = 1 6 3 3 3 6 6 5+ 6. 1 3 Vektorin u π 3 asteen kierto vektorin ˆv ympäri on siis u = ( 3 6, 6, ) 5+ 6. 15

Lähteet [1] Vince, John. Quaternions for Computer Graphics. Springer-Verlag London Limited 11. [] Rowen, Louis. Algebra: Groups, Rings and Fields. A K Peters, Ltd 199. 16