Dönme düzlemi - Plane of rotation

İçinde geometri, bir dönme düzlemi açıklamak veya görselleştirmek için kullanılan soyut bir nesnedir rotasyonlar boşlukta. İçinde üç boyut bu bir alternatif dönme ekseni, ancak dönüş ekseninden farklı olarak başka boyutlarda da kullanılabilir, örneğin iki, dört veya daha fazla boyut.

Matematiksel olarak bu tür düzlemler birkaç yolla tanımlanabilir. Açısından tanımlanabilirler yüzeyleri ve dönme açıları. İle ilişkilendirilebilirler bivektörler itibaren geometrik cebir. İle ilgilidirler Özdeğerler ve özvektörler bir rotasyon matrisi. Ve özellikle boyutları diğer cebirsel ve geometrik özelliklerle ilişkilidir ve daha sonra diğer boyutlara genelleştirilebilir.

Dönme düzlemleri iki ve üç boyutta çok fazla kullanılmaz, çünkü iki boyutta yalnızca bir düzlem vardır, bu nedenle dönme düzleminin belirlenmesi önemsizdir ve nadiren yapılırken, üç boyutta dönme ekseni aynı amaca hizmet eder ve daha fazlasıdır. yerleşik yaklaşım. Bunların ana kullanımı, daha karmaşık rotasyonları tanımlamaktır. daha yüksek boyutlar, rotasyonları daha basit parçalara ayırmak için kullanılabilecekleri yer. Bu, kullanılarak yapılabilir geometrik cebir ile ilişkili rotasyon düzlemleri ile basit bivektörler cebirde.[1]

Tanımlar

uçak

Bu makale için tümü yüzeyleri uçaklar Menşei yani içerirler sıfır vektör. Böyle bir uçak nboyutlu uzay iki boyutlu doğrusal alt uzay alanın. Düzlemde bulunan herhangi iki sıfır olmayan ve paralel olmayan vektör tarafından, yani herhangi iki vektör tarafından tamamen belirtilir. a ve b, öyle ki

nerede dış ürün dış cebir veya geometrik cebir (üç boyutta Çapraz ürün kullanılabilir). Daha doğrusu, miktar ab ile belirtilen düzlemle ilişkili ayırıcıdır a ve bve büyüklüğü var |a| |b| günah φ, nerede φ vektörler arasındaki açıdır; dolayısıyla vektörlerin sıfırdan farklı olması ve paralel olmaması gerekliliği.[2]

Eğer çiftçi ab yazılmış B, sonra bir noktanın ilişkili düzlemde yer alması koşulu B basitçe[3]

Bu, tüm boyutlar için geçerlidir ve düzlemde tanım olarak alınabilir. Özellikle dış cephe ürün özelliklerinden her ikisinden de memnun a ve bve böylece formun herhangi bir vektörüyle

ile λ ve μ gerçek sayılar. Gibi λ ve μ tüm gerçek sayıları kapsıyor, c tüm düzlem boyunca değişir, bu nedenle bu, düzlemin başka bir tanımı olarak alınabilir.

Dönme düzlemi

Bir dönme düzlemi belirli bir rotasyon olan bir uçak haritalandı rotasyonla kendine. Düzlem sabit değildir, ancak düzlemdeki tüm vektörler, döndürme ile aynı düzlemdeki diğer vektörlerle eşlenir. Düzlemin kendisine olan bu dönüşümü, her zaman başlangıç ​​noktası etrafında bir açı olan bir rotasyondur. dönüş açısı uçak için.

Hariç her dönüş Kimlik rotasyon (matris ile kimlik matrisi ) en az bir rotasyon düzlemine ve en fazla

rotasyon düzlemleri, nerede n boyuttur. Sekiz boyuta kadar maksimum düzlem sayısı bu tabloda gösterilmektedir:

Boyut2345678
Uçak sayısı1122334

Bir rotasyonun birden fazla rotasyon düzlemi olduğunda bunlar her zaman dikey sadece ortak kökenle birbirlerine. Bu, uçakların yerinde olduğunu söylemekten daha güçlü bir durumdur. doğru açılar; bunun yerine düzlemlerin ortak sıfır olmayan vektörleri olmadığı ve bir düzlemdeki her vektörün diğer düzlemdeki her vektörle ortogonal olduğu anlamına gelir. Bu yalnızca dört veya daha fazla boyutta olabilir. İki boyutta yalnızca bir düzlem varken, üç boyutta tüm düzlemlerin ortak en az bir sıfır olmayan vektörü vardır. kesişme çizgisi.[4]

Üçten fazla boyutta rotasyon düzlemleri her zaman benzersiz değildir. Örneğin, negatif kimlik matrisi dört boyutta ( merkezi ters çevirme ),

başlangıç ​​noktasından geçen her düzlemin bir açı boyunca bir dönüş düzlemi olduğu dört boyutlu bir dönüşü açıklar π, yani herhangi bir ortogonal düzlem çifti dönüşü oluşturur. Ancak genel bir rotasyon için, en azından teorik olarak, her birinde noktaların bir açıyla döndürüldüğü benzersiz bir dikey düzlemler kümesi tanımlamak mümkündür, böylece düzlemler ve açılar kümesi dönüşü tam olarak karakterize eder.[5]

İkili boyutlar

İçinde iki boyutlu uzay sadece bir dönme düzlemi vardır, uzayın kendisinin düzlemi. İçinde Kartezyen koordinat sistemi Kartezyen düzlem Karışık sayılar o karmaşık düzlem. Bu nedenle herhangi bir dönüş, tüm düzlemdedir, yani uzayın yalnızca Menşei sabit. Tamamen işaretli dönüş açısıyla, örneğin aralıkta belirtilir -π -e π. Yani açı ise θ karmaşık düzlemdeki dönüş şu şekilde verilir: Euler formülü:

Kartezyen düzlemdeki dönüş, 2 × 2 rotasyon matrisi:[6]

Üç boyut

Üç boyutlu bir döndürme, bir dönme ekseni boyunca zeksen ve bir dönme düzlemi xy-uçak

İçinde üç boyutlu uzay Sonsuz sayıda rotasyon düzlemi vardır, bunlardan sadece biri herhangi bir rotasyona dahil olur. Yani, genel bir rotasyon için, onunla bağlantılı olan veya rotasyonun içinde gerçekleştiği kesin olarak bir düzlem vardır. Tek istisna, hiçbir rotasyonun gerçekleşmediği, kimlik matrisine karşılık gelen önemsiz rotasyondur.

Üç boyuttaki herhangi bir dönüşte her zaman sabit bir eksen, dönme ekseni vardır. Dönme, bu eksene, dönüşün kendi etrafında döndüğü açı verilerek tanımlanabilir; bu eksen açısı bir rotasyonun temsili. Dönme düzlemi bu eksene dik düzlemdir, dolayısıyla eksen bir yüzey normal uçağın. Dönüş daha sonra bu düzlemi eksen etrafında dönerken aynı açı boyunca döndürür, yani düzlemdeki her şey başlangıç ​​noktası etrafında aynı açıyla döner.

Şemada bir örnek gösterilmektedir, burada döndürme zeksen. Dönme düzlemi, xy-düzlem, yani o uçaktaki her şey dönerek uçakta tutulur. Bu, aşağıdaki gibi bir matrisle tanımlanabilir, dönüş bir açı boyunca olur θ (eksen hakkında veya düzlemde):

Dünya, eksenini ve dönüş düzlemini gösteriyor. eğimli düzleme ve dikine göre Dünyanın yörüngesi

Başka bir örnek de Dünyanın dönüşü. Dönme ekseni, Kuzey Kutbu ve Güney Kutbu ve dönme düzlemi, içinden geçen düzlemdir. ekvator arasında Kuzey ve Güney Yarım küreler. Diğer örnekler, a gibi mekanik cihazları içerir. jiroskop veya volan hangi mağaza dönme enerjisi kütle olarak genellikle dönme düzlemi boyunca.

Herhangi bir üç boyutlu rotasyonda, rotasyon düzlemi benzersiz bir şekilde tanımlanır. Dönme açısı ile birlikte dönüşü tam olarak tanımlar. Veya sürekli dönen bir nesnede, dönme hızı gibi dönme özellikleri, dönme düzlemi olarak tanımlanabilir. Bu, bir dönme eksenine diktir ve bu nedenle bir dönme ekseniyle tanımlanır ve onu tanımlar, bu nedenle bir dönme düzlemi açısından bir dönmenin herhangi bir açıklaması, bir dönme ekseni olarak tanımlanabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Ancak, dönme ekseninin aksine, düzlem diğer boyutlara, özellikle daha yüksek boyutlara genelleşir.[7]

Dört boyut

Genel bir rotasyon dört boyutlu uzay tek bir sabit noktası vardır, başlangıç ​​noktası. Bu nedenle dört boyutta bir dönme ekseni kullanılamaz. Ancak rotasyon düzlemleri kullanılabilir ve dört boyuttaki önemsiz olmayan her rotasyonun bir veya iki rotasyon düzlemi vardır.

Basit rotasyonlar

Yalnızca bir dönüş düzlemine sahip bir dönüş, basit rotasyon. Basit bir rotasyonda sabit bir düzlem vardır ve rotasyonun bu düzlem etrafında gerçekleştiği söylenebilir, böylece dönerken noktalar bu düzlemden mesafelerini değiştirmez. Dönme düzlemi bu düzleme diktir ve dönüşün bu düzlemde gerçekleştiği söylenebilir.

Örneğin, aşağıdaki matris, xy-düzlem: o düzlemdeki ve yalnızca o düzlemdeki noktalar değişmez. Dönme düzlemi, zw-düzlem, bu düzlemdeki noktalar bir açıyla döndürülür θ. Genel bir nokta yalnızca zw-düzlem, yani etrafında döner xy-düzlem sadece değiştirilerek z ve w koordinatlar.

İki ve üç boyutta tüm dönüşler basittir, çünkü sadece bir dönüş düzlemine sahiptirler. Sadece dört ve daha fazla boyutta basit dönüşler olmayan dönüşler vardır. Özellikle dört boyutta çift ve izoklinik rotasyonlar da vardır.

Çift dönüş

İçinde çift ​​dönüş iki dönme düzlemi vardır, sabit düzlemler yoktur ve tek sabit nokta başlangıç ​​noktasıdır. Döndürmenin, içlerindeki noktalar düzlemler içinde döndürüldüğü için her iki dönme düzleminde de gerçekleştiği söylenebilir. Bu düzlemler ortogonaldir, yani ortak vektörleri yoktur, bu nedenle bir düzlemdeki her vektör, diğer düzlemdeki her vektöre dik açıdadır. İki döndürme düzlemi dört boyutlu uzayı kapsar, bu nedenle uzaydaki her nokta düzlemlerin her birinde birer tane olmak üzere iki nokta ile belirtilebilir.

Çift dönüş, her dönüş düzlemi için bir tane olmak üzere iki dönüş açısına sahiptir. Dönüş, iki düzlem ve sıfır olmayan iki açı verilerek belirlenir, α ve β (herhangi bir açı sıfırsa, dönüş basittir). İlk düzlemdeki noktaların dönüşü α, ikinci düzlemdeki noktalar içinden dönerken β. Diğer tüm noktalar arasında bir açı ile döner α ve βyani bir anlamda rotasyon miktarını birlikte belirlerler. Genel bir çift dönüş için, dönme düzlemleri ve açılar benzersizdir ve genel bir dönüş verildiğinde bunlar hesaplanabilir. Örneğin bir rotasyon α içinde xy- uçak ve β içinde zw-düzlem matris ile verilir

İzoklinik rotasyonlar

Bir projeksiyonu tesseract izoklinik rotasyon ile.

Çift dönüşün özel bir durumu, açılar eşit olduğunda, yani α = β ≠ 0. Buna bir izoklinik rotasyon ve birkaç yönden genel bir çift dönüşten farklıdır. Örneğin bir izoklinik rotasyonda, sıfır olmayan tüm noktalar aynı açıda döner, α. En önemlisi, rotasyon düzlemleri benzersiz bir şekilde tanımlanmamıştır. Bunun yerine, dönme düzlemleri olarak değerlendirilebilecek sonsuz sayıda ortogonal düzlem çifti vardır. Örneğin herhangi bir nokta alınabilir ve ona dik olan düzlemle birlikte döndüğü düzlem, iki dönme düzlemi olarak kullanılabilir.[8]

Daha yüksek boyutlar

Daha önce belirtildiği gibi, maksimum rotasyon düzlemi sayısı n boyutlar

bu nedenle karmaşıklık dörtten fazla boyutla hızla artar ve rotasyonları yukarıdaki gibi kategorize etmek pratik olamayacak kadar karmaşık hale gelir, ancak bazı gözlemler yapılabilir.

Tüm boyutlarda basit rotasyonlar, tek bir rotasyon düzlemi ile rotasyonlar olarak tanımlanabilir. Basit bir dönüş n boyutlar yaklaşık (yani sabit bir mesafede) bir (n − 2)dönme düzlemine ortogonal olan boyutlu alt uzay.

Genel rotasyon basit değildir ve yukarıda verildiği gibi maksimum rotasyon düzlemi sayısına sahiptir. Genel durumda, bu düzlemlerdeki dönme açıları farklıdır ve düzlemler benzersiz şekilde tanımlanmıştır. Açılardan herhangi biri aynıysa, izoklinik rotasyonlu dört boyutta olduğu gibi düzlemler benzersiz değildir.

Eşit boyutlarda (n = 2, 4, 6...) kadar var n/2 dönme düzlemleri alanı kaplar, bu nedenle genel bir döndürme, tek sabit nokta olan başlangıç ​​noktası dışındaki tüm noktaları döndürür. Garip boyutlarda (n = 3, 5, 7, ...) var n − 1/2 düzlemler ve dönme açıları, bir düşük çift boyutla aynı. Bunlar alanı kapsamazlar, ancak dönmeyen bir çizgi bırakırlar - örneğin dönme ekseni üç boyutta, rotasyonların bu çizgi etrafında değil, ona ortogonal olan çoklu düzlemlerde gerçekleşmesi dışında.[1]

Matematiksel özellikler

Yukarıda verilen örnekler, düzlemler genellikle üç ve dört boyutta koordinat eksenlerine paralel olan açık ve basit dönüş örnekleri olarak seçilmiştir. Ancak genel durum bu değildir: düzlemler genellikle eksenlere paralel değildir ve matrisler basitçe yazılamaz. Tüm boyutlarda rotasyonlar, rotasyon düzlemleri ve bunlarla ilişkili açılarla tam olarak tanımlanır, bu yüzden onları belirlemek veya en azından matematiksel olarak tanımlamanın yollarını bulmak yararlıdır.

Düşünceler

Dönme oluşturan iki boyutta iki farklı yansıma.

Her basit rotasyon iki tarafından üretilebilir yansımalar. Yansımalar belirtilebilir n boyutlar vererek (n − 1)İki boyutlu bir yansıma bir doğru içindedir, üç boyutlu bir yansıma bir düzlemdedir ve bu böyle devam eder. Ancak bunu daha yüksek boyutlarda uygulamak giderek zorlaşıyor, bu nedenle aşağıdaki gibi vektörler kullanmak daha iyidir.

Bir yansıma n boyutlar, dik bir vektörle belirtilir. (n − 1)boyutlu alt uzay. Basit rotasyonlar oluşturmak için yalnızca orijini sabitleyen yansımalara ihtiyaç vardır, bu nedenle vektörün bir konumu yoktur, sadece yönü vardır. Hangi yöne baktığı da önemli değil: sonucu değiştirmeden negatifiyle değiştirilebilir. benzer şekilde birim vektörler hesaplamaları basitleştirmek için kullanılabilir.

Yani bir (n − 1)-boyutlu uzay ona dik olan birim vektör tarafından verilir, m, Böylece:

ürünün geometrik ürün olduğu yer geometrik cebir.

Eğer x ′ farklı, farklı bir şekilde yansıtılır, (n − 1)birim vektör ile tanımlanan boyutsal uzay n ona dik, sonuç şudur:

Bu basit bir rotasyondur n boyutlar, aynı zamanda vektörler arasındaki açı olan alt uzaylar arasındaki açının iki katı m ve n. Geometrik cebir kullanılarak bunun bir dönüş olduğu ve tüm vektörleri beklendiği gibi döndürdüğü kontrol edilebilir.

Miktar mn bir rotor, ve nm tersidir

Böylece rotasyon yazılabilir

nerede R = mn rotor.

Dönme düzlemi, aşağıdakileri içeren düzlemdir m ve naksi takdirde yansımalar aynıdır ve dönüş gerçekleşmez. Her iki vektör de negatifiyle değiştirilebildiğinden, aralarındaki açı her zaman akut olabilir veya en fazla π/2. Rotasyon bitti iki defa vektörler arasındaki açı, kadar π veya yarım dönüş. Dönme duygusu, m doğru n: geometrik ürün değil değişmeli yani ürün nm ters döndürmedir n -e m.

Tersine, tüm basit dönüşler, istenen dönüş açısının yarısı ile ayrılmış dönüş düzleminde iki birim vektör tarafından iki yansımayla bu şekilde üretilebilir. Bunlar, daha genel rotasyonlar üretmek için oluşturulabilir. n yansımalar eğer boyut n eşittir n − 2 Eğer n tuhaftır, her dönme düzleminde iki vektör tarafından verilen yansıma çiftlerinin seçilmesi.[9][10]

Bivektörler

Bivektörler miktarları geometrik cebir, Clifford cebiri ve dış cebir, vektörler fikrini iki boyuta genelleyen. Vektörler doğrular için olduğu gibi, bivektörler de düzlemlere öyledir. Böylece her düzlem (herhangi bir boyutta) bir bivektörle ilişkilendirilebilir ve basit ayırıcı bir uçakla ilişkilidir. Bu, onları rotasyon düzlemlerini tanımlamak için uygun hale getirir.

Bir rotasyondaki her rotasyon düzleminin kendisiyle ilişkilendirilmiş basit bir bivektörü vardır. Bu, düzleme paraleldir ve düzlemdeki dönme açısına eşit büyüklüktedir. Bu ayırıcılar, tüm rotasyon için genellikle basit olmayan tek bir ayırıcı üretmek üzere toplanır. Bu bir rotor içinden üstel harita, bir nesneyi döndürmek için kullanılabilir.

Bivektörler, üslü harita aracılığıyla rotorlarla ilişkilidir (bivektörlere uygulanan rotorlar ve rotasyonlar kullanılarak) De Moivre formülü ). Özellikle herhangi bir bivektör verildiğinde B onunla ilişkili rotor

Bivektör basitse bu basit bir rotasyondur, aksi takdirde daha genel bir rotasyondur. Kare olduğunda

açının iki katı boyunca dönen bir rotor verir. Eğer B basittir, o zaman bu, ürün olarak iki yansıma tarafından üretilenle aynı döndürmedir mn vektörler arasındaki açının iki katı boyunca bir dönüş verir. Bunlar eşitlenebilir,

buradan, dönme düzlemi ile ilişkili ayırıcının aşağıdakileri içeren m ve n bu döner m -e n dır-dir

Bu, açıklanan basit rotasyonla ilişkili basit bir ayırıcıdır. Dört veya daha fazla boyuttaki daha genel rotasyonlar, yukarıdaki gibi hesaplanan, her rotasyon düzlemi için bir tane olmak üzere basit çift taşıyıcıların toplamlarıyla ilişkilidir.

Örnekler, yukarıda verilen dört boyuttaki iki dönüşü içerir. Basit rotasyon zwaçılı düzlem θ bivektör var e34θ, basit bir bivektör. Çift dönüş α ve β içinde xy- uçak ve zw- uçaklarda bölme var e12α + e34β, iki basit ayırıcının toplamı e12α ve e34β iki dönme düzlemine paralel olan ve dönme açılarına eşit büyüklüklere sahip olan.

Bir rotor verildiğinde, rotorun logaritması alınarak, rotorun logaritması alınarak, rotorun logaritması alınarak yeniden elde edilebilir, bu daha sonra dönme düzlemlerini belirlemek için basit ikiye bölünebilir, ancak pratikte en basit durumlar hariç hepsi için bu pratik olmayabilir. Ancak basit ikiye ayırıcılar göz önüne alındığında geometrik cebir, yukarıdaki gibi cebir kullanarak dönme düzlemlerini incelemek için yararlı bir araçtır.[1][11]

Özdeğerler ve öz düzlemler

Kullanarak belirli bir rotasyon için rotasyon düzlemleri özdeğerler. Genel bir rotasyon matrisi verildiğinde n boyutları onun karakteristik denklem bir (tek boyutlarda) veya sıfır (çift boyutlarda) gerçek köklere sahiptir. Diğer kökler karmaşık eşlenik çiftler halindedir.

böyle çiftler. Bunlar dönme düzlemlerine karşılık gelir, öz düzlemler matrisin cebirsel teknikler kullanılarak hesaplanabilir. Ek olarak argümanlar Karmaşık köklerin, dönme düzlemleri ile ilişkilendirilen iki kutupluların büyüklükleridir. Karakteristik denklemin biçimi düzlemlerle ilişkilidir, bu da yinelenen ikiye ayıran büyüklüklerin belirli geometrik yorumlara sahip olduğu ikiye ayırıcılar ile yinelenen kökler gibi cebirsel özelliklerini ilişkilendirmeyi mümkün kılar.[1][12]

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ a b c d Lounesto (2001) s. 222–223
  2. ^ Lounesto (2001) s. 38
  3. ^ Hestenes (1999) s. 48
  4. ^ Lounesto (2001) s. 222
  5. ^ Lounesto (2001) s. 87
  6. ^ Lounesto (2001) s. 27–28
  7. ^ Hestenes (1999) s. 280–284
  8. ^ Lounesto (2001) s. 83–89
  9. ^ Lounesto (2001) s. 57–58
  10. ^ Hestenes (1999) s. 278–280
  11. ^ Dorst, Doran, Lasenby (2002) s. 79–89
  12. ^ Dorst, Doran, Lasenby (2002) s. 145–154

Referanslar

  • Hestenes, David (1999). Klasik Mekanik İçin Yeni Temeller (2. baskı). Kluwer. ISBN  0-7923-5302-1.
  • Lounesto, Pertti (2001). Clifford cebirleri ve spinörleri. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-00551-7.
  • Dorst, Leo; Doran, Chris; Lasenby, Joan (2002). Geometrik cebirin bilgisayar bilimi ve mühendisliğinde uygulamaları. Birkhäuser. ISBN  0-8176-4267-6.