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数理杂记

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数理杂记

∇\nabla 运算规则推导

defφ,ϕ为标量函数,f,g为矢量函数\boldsymbol{def}\quad \varphi, \phi 为标量函数, \boldsymbol{f},\boldsymbol{g} 为矢量函数

注意由 ∇\nabla 算符的微分性和矢量性,可像正常求导一样写出下一步,在进行矢量运算

∇(φϕ)=∇(φcϕ)+∇(φϕc)=φ∇ϕ+ϕ∇φ\begin{align} \nabla (\varphi \phi)&=\nabla (\varphi_c \phi)+\nabla(\varphi\phi_c) \\&=\varphi\nabla\phi+\phi\nabla\varphi \end{align} ∇⋅(φf)=∇⋅(φcf)+∇⋅(φfc)=φ∇⋅f+∇φ⋅f\begin{align} \nabla \cdot(\varphi \boldsymbol{f})&=\nabla \cdot(\varphi_c \boldsymbol{f})+\nabla \cdot(\varphi \boldsymbol{f}_c) \\&=\varphi \nabla \cdot \boldsymbol{f}+\nabla \varphi \cdot \boldsymbol{f} \end{align} ∇×(φf)=∇×(φcf)+∇×(φfc)=φ∇×f+∇φ×f\begin{align} \nabla \times (\varphi \boldsymbol{f})&=\nabla \times (\varphi_c \boldsymbol{f})+\nabla \times (\varphi \boldsymbol{f}_c) \\&=\varphi \nabla\times \boldsymbol{f}+\nabla \varphi\times \boldsymbol{f} \end{align} ∇⋅(f×g)=∇⋅(fc×g)+∇⋅(f×gc)=−fc⋅(∇×g)+gc(∇×f)=−f⋅(∇×g)+g⋅(∇×f)\begin{align} \nabla \cdot (\boldsymbol{f}\times \boldsymbol{g})&=\nabla\cdot(\boldsymbol{f}_c\times \boldsymbol{g})+\nabla\cdot(\boldsymbol{f}\times \boldsymbol{g}_c)\\&=-\boldsymbol{f}_c\cdot(\nabla\times \boldsymbol{g})+\boldsymbol{g}_c(\nabla\times \boldsymbol{f})\\&=-\boldsymbol{f}\cdot(\nabla\times \boldsymbol{g})+\boldsymbol{g}\cdot(\nabla\times \boldsymbol{f}) \end{align}

注意 这个式子第二步化简是用混合积的轮换对称性,将 ∇\nabla 作用在该作用的地方,不要出现 ∇\nabla 作用在最右边,如 f⋅(g×∇)\boldsymbol{f}\cdot(\boldsymbol{g}\times \nabla)

∇×(f×g)=∇×(fc×g)+∇×(f×gc)=(∇⋅g)fc−(fc⋅∇)g+(gc⋅∇)f−(∇⋅f)gc=(∇⋅g)f−(f⋅∇)g+(g⋅∇)f−(∇⋅f)g\begin{align} \nabla\times (\boldsymbol{f}\times \boldsymbol{g})&=\nabla \times (\boldsymbol{f}_c\times \boldsymbol{g})+\nabla\times (\boldsymbol{f}\times \boldsymbol{g}_c)\\&=(\nabla \cdot\boldsymbol{g})\boldsymbol{f}_c-(\boldsymbol{f}_c\cdot\nabla)\boldsymbol{g}+(\boldsymbol{g}_c\cdot\nabla)\boldsymbol{f}-(\nabla\cdot \boldsymbol{f})\boldsymbol{g}_c\\&= (\nabla \cdot\boldsymbol{g})\boldsymbol{f}-(\boldsymbol{f}\cdot\nabla)\boldsymbol{g}+(\boldsymbol{g}\cdot\nabla)\boldsymbol{f}-(\nabla\cdot \boldsymbol{f})\boldsymbol{g} \end{align}

注意 上面最后一个式子前两项由 ∇×(fc×g)\nabla \times (\boldsymbol{f}_c\times \boldsymbol{g}) 展开,后两项由 ∇×(f×gc)\nabla\times (\boldsymbol{f}\times \boldsymbol{g}_c) 展开

下面化简如下式子 ∇(f⋅g)\nabla(\boldsymbol{f}\cdot \boldsymbol{g}),需要有一个引例

由矢量运算可知

A×(B×C)=(A⋅C)B−(A⋅B)C\boldsymbol{A}\times (\boldsymbol{B}\times \boldsymbol{C})=(\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{C})\boldsymbol{B}-(\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{B})\boldsymbol{C}

那么就有

B(A⋅C)=A×(B×C)+(A⋅B)C\boldsymbol{B}(\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{C})=\boldsymbol{A}\times (\boldsymbol{B}\times \boldsymbol{C})+(\boldsymbol{A}\cdot \boldsymbol{B})\boldsymbol{C}

将上式 C=∇\boldsymbol{C}=\nabla即可得到下述式子

∇(f⋅g)=∇(fc⋅g)+∇(f⋅gc)=fc×(∇×g)+(fc⋅∇)g+gc×(∇×f)+(g⋅∇)f=f×(∇×g)+(f⋅∇)g+g×(∇×f)+(g⋅∇)f\begin{align} \nabla(\boldsymbol{f}\cdot\boldsymbol{g})&=\nabla(\boldsymbol{f}_c\cdot \boldsymbol{g})+\nabla(\boldsymbol{f}\cdot \boldsymbol{g}_c)\\&=\boldsymbol{f}_c\times (\nabla\times \boldsymbol{g})+(\boldsymbol{f}_c\cdot \nabla)\boldsymbol{g}+\boldsymbol{g}_c\times (\nabla\times \boldsymbol{f})+(\boldsymbol{g}\cdot \nabla)\boldsymbol{f}\\&=\boldsymbol{f}\times (\nabla\times \boldsymbol{g})+(\boldsymbol{f}\cdot \nabla)\boldsymbol{g}+\boldsymbol{g}\times (\nabla\times \boldsymbol{f})+(\boldsymbol{g}\cdot \nabla)\boldsymbol{f} \end{align}

球坐标系与直角坐标系的变换

坐标变换

直角系到球坐标系

x=rsin⁡θcos⁡ϕy=rsin⁡θsin⁡ϕz=rcos⁡θ\begin{align} x&=r\sin \theta \cos \phi \\ y&=r \sin \theta \sin \phi \\ z&=r \cos \theta \end{align}

球坐标系到直角坐标系

r=x2+y2+z2θ=arccos⁡zx2+y2+z2ϕ=arctan⁡yx\begin{align} r&=\sqrt{x^2+y^2+z^2} \\ \theta &=\arccos \frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} \\ \phi &= \arctan \frac{y}{x} \end{align}

基矢变换

写出 (r^,θ^,ϕ^)(\boldsymbol{\hat{r}},\boldsymbol{\hat{\theta}},\boldsymbol{\hat{\phi}}) 在 (x^,y^,z^)(\boldsymbol{\hat{x}},\boldsymbol{\hat{y}},\boldsymbol{\hat{z}}) 下的坐标

r^=(1,θ,ϕ)θ^=(1,θ+π2,ϕ)ϕ^=(1,π2,ϕ+π2)\begin{align} \boldsymbol{\hat{r}}&=(1,\theta,\phi) \\ \boldsymbol{\hat{\theta}}&=(1,\theta+\frac{\pi}{2},\phi) \\ \boldsymbol{\hat{\phi}}&=(1,\frac{\pi}{2},\phi+\frac{\pi}{2}) \end{align}

由此,可以由坐标变换写出 (r^,θ^,ϕ^)(\boldsymbol{\hat{r}},\boldsymbol{\hat{\theta}},\boldsymbol{\hat{\phi}}) 到 (x^,y^,z^)(\boldsymbol{\hat{x}},\boldsymbol{\hat{y}},\boldsymbol{\hat{z}}) 的变换矩阵

(r^θ^ϕ^)=(sin⁡θcos⁡ϕsin⁡θsin⁡ϕcos⁡θcos⁡θcos⁡ϕcos⁡θsin⁡ϕ−sin⁡θ−sin⁡ϕcos⁡ϕ0)(x^y^z^)\begin{pmatrix} \boldsymbol{\hat{r}} \\ \boldsymbol{\hat{\theta}} \\ \boldsymbol{\hat{\phi}} \\\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \sin \theta \cos \phi & \sin \theta \sin \phi & \cos \theta \\ \cos \theta \cos \phi & \cos \theta \sin \phi & -\sin \theta \\ -\sin \phi & \cos \phi & 0 \\\end{pmatrix} \begin{pmatrix} \boldsymbol{\hat{x}} \\ \boldsymbol{\hat{y}} \\ \boldsymbol{\hat{z}} \\\end{pmatrix}

要求从 (x^,y^,z^)(\boldsymbol{\hat{x}},\boldsymbol{\hat{y}},\boldsymbol{\hat{z}}) 到 (r^,θ^,ϕ^)(\boldsymbol{\hat{r}},\boldsymbol{\hat{\theta}},\boldsymbol{\hat{\phi}}) 的变换,即求上述矩阵的逆

由于该矩阵式正交的,所以 A−1=ATA^{-1}=A^{\mathrm{T}} (通俗易懂:什么是正交矩阵)

则有

(x^y^z^)=(sin⁡θcos⁡ϕcos⁡θcos⁡ϕ−sin⁡ϕsin⁡θsin⁡ϕcos⁡θsin⁡ϕcos⁡ϕcos⁡θ−sin⁡θ0)(r^θ^ϕ^)\begin{pmatrix} \boldsymbol{\hat{x}} \\ \boldsymbol{\hat{y}} \\ \boldsymbol{\hat{z}} \\\end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \sin \theta \cos \phi & \cos \theta \cos \phi & -\sin \phi \\ \sin \theta \sin \phi & \cos \theta \sin \phi & \cos \phi \\ \cos \theta & -\sin \theta & 0 \\\end{pmatrix} \begin{pmatrix} \boldsymbol{\hat{r}} \\ \boldsymbol{\hat{\theta}} \\ \boldsymbol{\hat{\phi}} \\\end{pmatrix}

三维正交曲线坐标系 (u,v,w)(u,v,w) 的梯度、散度、旋度

前置内容

现在我们用 (u,v,w)(u,v,w) 来代替直角坐标系中的 (x,y,z)(x, y, z) 、球坐标系中的 (r,θ,ϕ)(r,\theta,\phi) 、柱坐标系的 (s,θ,z)(s,\theta,z) ,以得到普遍性的结果。其中这三个单位矢量正交,且 u^,v^,w^\boldsymbol{\hat{u}},\boldsymbol{\hat{v}},\boldsymbol{\hat{w}} 指坐标增加的方向。值得注意的是,这三个单位矢量都是位置的函数,因为其方向随坐标的变化而变化。由此,我们可以给出从 (u,v,w)(u,v,w) 到 (u+du,v+dv,w+dw)(u+\mathrm{d}u,v+\mathrm{d}v,w+\mathrm{d}w) 的无穷小位移

dl=fduu^+gdvv^+hdww^\mathrm{d}\boldsymbol{l}=f\mathrm{d}u \boldsymbol{\hat{u}}+g\mathrm{d}v \boldsymbol{\hat{v}}+h\mathrm{d}w \boldsymbol{\hat{w}}

其中 f,g,hf,g,h 是描述单位矢量随坐标变化的函数。

提示 例如,直角坐标系是 (1,1,1)(1,1,1) ,而球坐标系是 (1,r,rsin⁡θ)(1,r,r\sin \theta)

梯度

现在假设有一个标量场 t(u,v,w)t(u,v,w) ,当有一个点位移了一个 dl\mathrm{d}\boldsymbol{l} 时,标量场 tt 有变化

dt=∂t∂udu+∂t∂vdv+∂t∂wdw\mathrm{d}t=\frac{\partial t}{\partial u}\mathrm{d}u+\frac{\partial t}{\partial v}\mathrm{d}v+\frac{\partial t}{\partial w}\mathrm{d}w

由梯度的定义可知,

dt=∇t⋅dl=(∇t)ufdu+(∇t)vgdv+(∇t)whdw\mathrm{d}t=\nabla t \cdot \mathrm{d}\boldsymbol{l}=(\nabla t)_u f\mathrm{d}u+(\nabla t)_v g\mathrm{d}v+(\nabla t)_w h\mathrm{d}w

其中 (∇t)u(\nabla t)_u 为 tt 的梯度在 u^\boldsymbol{\hat{u}} 方向的分量

对比前两式,我们可得

(∇t)u=1f∂t∂u,(∇t)v=1g∂t∂v,(∇t)w=1h∂t∂w(\nabla t)_u=\frac{1}{f}\frac{\partial t}{\partial u},\quad(\nabla t)_v=\frac{1}{g}\frac{\partial t}{\partial v},\quad(\nabla t)_w=\frac{1}{h}\frac{\partial t}{\partial w}

即梯度为

∇t=1f∂t∂uu^+1g∂t∂vv^+1h∂t∂ww^\nabla t=\frac{1}{f}\frac{\partial t}{\partial u}\boldsymbol{\hat{u}}+\frac{1}{g}\frac{\partial t}{\partial v}\boldsymbol{\hat{v}}+\frac{1}{h}\frac{\partial t}{\partial w}\boldsymbol{\hat{w}}

散度

现在假定有一个矢量场 A(u,v,w)=Auu^+Avv^+Aww^\boldsymbol{A}(u,v,w)=A_u \boldsymbol{\hat{u}}+A_v \boldsymbol{\hat{v}}+A_w \boldsymbol{\hat{w}}

由散度定理可得,

∮A⋅da=∫∇⋅Adτ\oint \boldsymbol{A}\cdot \mathrm{d}\boldsymbol{a}=\int \nabla \cdot \boldsymbol{A} \mathrm{d}\tau

有正交性可知,一无限小体元近似于一正方体。我们取一小体元及其表面分析,

小体元

小体元的三个边长为

dlu=fdudlv=gdvdlw=hdw\begin{align} \mathrm{d}l_u&=f\mathrm{d}u\\\mathrm{d}l_v&=g\mathrm{d}v\\\mathrm{d}l_w&=h\mathrm{d}w \end{align}

由此易知体元体积 dτ\mathrm{d}\tau

dτ=(fgh)dudvdw\mathrm{d}\tau=(fgh) \mathrm{d}u \mathrm{d}v \mathrm{d}w

和前面面元矢量

da=−(gh)dvdw\mathrm{d}\boldsymbol{a}=-(gh)\mathrm{d}v\mathrm{d}w

则前面的通量为

A⋅da=−(ghAu)dvdw\boldsymbol{A}\cdot \mathrm{d}\boldsymbol{a}=-(ghA_u)\mathrm{d}v\mathrm{d}w

由于 Au,g,hA_u,g,h 都是关于位置 (u,v,w)(u,v,w) 的函数,因此其前后面不一样,要一起算偏微分。前后两面的通量为

∂(ghAu)∂ududvdw=1fgh∂(ghAu)∂udτ\frac{\partial (ghA_u)}{\partial u}\mathrm{d}u \mathrm{d}v\mathrm{d}w=\frac{1}{fgh}\frac{\partial (ghA_u)}{\partial u}\mathrm{d}\tau

对左右、上下侧面做此操作,则可以得

∮A⋅da=∫1fgh(∂(ghAu)∂u+∂(fhAv)∂v+∂(fgAw)∂w)dτ\oint \boldsymbol{A}\cdot \mathrm{d}\boldsymbol{a}=\int \frac{1}{fgh}\left(\frac{\partial (ghA_u)}{\partial u}+\frac{\partial (fhA_v)}{\partial v}+\frac{\partial (fgA_w)}{\partial w} \right)\mathrm{d}\tau

那么 A\boldsymbol{A} 的散度即为

∇⋅A=1fgh(∂(ghAu)∂u+∂(fhAv)∂v+∂(fgAw)∂w)\nabla \cdot \boldsymbol{A}=\frac{1}{fgh}\left(\frac{\partial (ghA_u)}{\partial u}+\frac{\partial (fhA_v)}{\partial v}+\frac{\partial (fgA_w)}{\partial w} \right)

旋度

电偶极子

电偶极子在 (r,θ)(r,\theta) 产生的电势、电场

φ=q4πε0(1r2+l24−rlcos⁡θ−1r2+l24+rlcos⁡θ)=q4πε0r(1+l2rcos⁡θ−1+l2rcos⁡θ)=q4πε0r⋅lcos⁡θr=p⋅r^4πε0r2\begin{align} \varphi&=\frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left(\frac{1}{\sqrt{r^2+\frac{l^2}{4}-rl\cos\theta}}-\frac{1}{\sqrt{r^2+\frac{l^2}{4}+rl\cos\theta}}\right) \\&=\frac{q}{4\pi \varepsilon_0r}\left(1+\frac{l}{2r}\cos\theta-1+\frac{l}{2r}\cos\theta \right)\\&=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r}\cdot \frac{l\cos\theta}{r}\\&=\frac{\boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{\hat{r}}}{4\pi\varepsilon_0r^2} \end{align} Er=−∂φ∂r=p⋅r^2πε0r3\boldsymbol{E_r}=-\frac{\partial \varphi}{\partial r} = \frac{\boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{\hat{r}}}{2\pi\varepsilon_0r^3} Eθ=−∂φr∂θ=psin⁡θ4πε0r3=(p×r^)×r^4πε0r3=(p⋅r^)r^−p4πε0r3\begin{align} \boldsymbol{E_\theta}&=-\frac{\partial \varphi}{r\partial \theta} \\ &=\frac{p \sin\theta}{4\pi\varepsilon_0r^3}\\ &=\frac{(\boldsymbol{p}\times \boldsymbol{\hat{r}})\times \boldsymbol{\hat{r}}}{4\pi\varepsilon_0r^3}=\frac{(\boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{\hat{r}})\boldsymbol{\hat{r}}-\boldsymbol{p}}{4\pi\varepsilon_0r^3} \end{align}

电偶极子在外场中能量、受力、受力矩

Ep=−qφ−+qφ−=q(φ+−φ−)=q(l⋅∇φ)=−p⋅E\begin{align} E_p&=-q\varphi_- +q\varphi_- \\&=q(\varphi_+ -\varphi_-)\\&=q(\boldsymbol{l}\cdot \nabla\varphi)\\&=-\boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{E} \end{align} F=−∇Ep=∇(p⋅E)=(p⋅∇)E+p×(∇×E)+(E⋅∇)p+E×(∇×p)=(p⋅∇)E\begin{align} \boldsymbol{F}&=-\nabla E_p \\&=\nabla(\boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{E})\\&=(\boldsymbol{p}\cdot \nabla)\boldsymbol{E}+\boldsymbol{p}\times (\nabla\times \boldsymbol{E})+(\boldsymbol{E}\cdot \nabla)\boldsymbol{p}+\boldsymbol{E}\times (\nabla\times \boldsymbol{p})\\&=(\boldsymbol{p}\cdot \nabla)\boldsymbol{E} \end{align}

可见,若外场均匀,则合外力为零

对于受到的力矩,可以先以偶极子中点为基点

注意 下面有一个矢量图,如果使用夜晚模式可能会导致观感变差

\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[->] (2,3) -- (3,3.5);
\draw[->] (3.5,0) -- (2.5,3.25);
\node[right] at (3,1.635) {$r$};
\node[below] at (3.5,0) {$O$};
\node[above] at (2.5,3.25) {$p$};
\node[left] at (2,3) {$-$};
\node[right] at (3,3.5) {$+$};
\end{tikzpicture}
\end{document}
M′=q(l2×E+)−q(−l2×E−)=q(l2×(E++E−))=p×E\begin{align} \boldsymbol{M'}&=q\left(\frac{\boldsymbol{l}}{2}\times \boldsymbol{E_+}\right)-q\left(\frac{-\boldsymbol{l}}{2}\times \boldsymbol{E_-} \right) \\&=q\left(\frac{\boldsymbol{l}}{2}\times (\boldsymbol{E_+}+\boldsymbol{E_-}) \right)\\&=\boldsymbol{p}\times \boldsymbol{E} \end{align}

再写成对任一点的形式

M=M′+r×F=p×E+r×(p⋅∇)E\begin{align} \boldsymbol{M}&=\boldsymbol{M'}+\boldsymbol{r}\times \boldsymbol{F} \\&=\boldsymbol{p}\times \boldsymbol{E}+\boldsymbol{r}\times (\boldsymbol{p}\cdot \nabla)\boldsymbol{E} \end{align}

其中 r\boldsymbol{r} 为偶极子相对于基点的位矢

可以看到的是,如果场是均匀的,那么其受外力矩就是 M=p×E\boldsymbol{M}=\boldsymbol{p}\times \boldsymbol{E}

四元数(quaternions)

定义

q=s+xi+yj+zkq=s+x i+y j+ z k

其中,i,j,ki,j,k 的运算规则同 R3\mathbb{R}^3 中单位向量 i,j,k\boldsymbol{i} ,\boldsymbol{j},\boldsymbol{k} ,即右手螺旋法则

由

i×j=kj×i=−k\begin{align} \boldsymbol{i} \times \boldsymbol{j}&=\boldsymbol{k} \\ \boldsymbol{j}\times \boldsymbol{i} &=-\boldsymbol{k} \end{align}

则同理有

ij=kji=−k\begin{align} i j&=k \\ j i&=-k \end{align}

同时规定 ijk=i2=j2=k2=−1ijk=i^2=j^2=k^2=-1

一个四元数可以记作 q=[s,v]q=[s,\boldsymbol{v}] ,即后面的纯“虚”部可以记作一个向量 v\boldsymbol{v}

运算法则

加法、减法、数乘

形同虚数,固略

乘法

现有两个四元数

q1=s1+x1i+y1j+z1kq2=s2+x2i+y2j+z2k\begin{align} q_1&=s_1+x_1i+y_1j +z_1k \\ q_2&=s_2+x_2i+y_2j+z_2k \end{align}

则

q1q2=s1s2+s2(x1i+y1j+z1k)+s1(x2i+y2j+z2k)−x1x2−y1y2−z1z2+x1y2k−y1x2k+y1z2i−z1x2i+z1x2j−x1z2j\begin{align} q_1q_2=&s_1s_2+s_2(x_1i+y_1j+z_1k)+s_1(x_2i+y_2j+z_2k)\\&-x_1x_2-y_1y_2-z_1z_2\\&+x_1y_2k-y_1x_2k+y_1z_2i-z_1x_2i+z_1x_2j-x_1z_2j \end{align}

最下面那个式子类似于叉乘,即

∣x1y1z1x2y2z2ijk∣\begin{vmatrix} x_1 & y_1 & z_1 \\ x_2 & y_2 & z_2 \\ i & j & k \\\end{vmatrix}

将实虚部分离,可以得到

q1q2=[s1s2−v1⋅v2,s1v2+s2v1+v1×v2]q_1q_2=[s_1s_2-\boldsymbol{v_1}\cdot \boldsymbol{v_2},s_1 \boldsymbol{v_2}+s_2 \boldsymbol{v_1}+\boldsymbol{v_1}\times \boldsymbol{v_2}]

由此可以看出,四元数乘法不满足交换律

数量积
q1⋅q2=s1s2+x1x2+y1y2+z1z2q_1\cdot q_2=s_1s_2+x_1x_2+y_1y_2+z_1z_2
共轭

若设 q=[s,v]q=[s,\boldsymbol{v}] ,则它的共轭为 q∗=[s,−v]q^*=[s,-\boldsymbol{v}]

模
∣q∣=s2+x2+y2+z2=s2+v2\begin{align} |q|&=\sqrt{s^2+x^2+y^2+z^2} \\&=\sqrt{s^2+\boldsymbol{v}^2} \end{align}

另

qq∗=q∗q=∣q∣2qq^*=q^*q=|q|^2
单位四元数
q^=q∣q∣\hat{q}=\frac{q}{|q|}
求逆

定义 qq−1=1qq^{-1}=1 ,则有下面推导

qq−1=1q∗qq−1=q∗∣q∣2q−1=q∗q−1=q∗∣q∣2\begin{align} qq^{-1}&=1 \\ q^*qq^{-1}&=q^*\\ |q|^2q^{-1}&=q^*\\ q^{-1}&=\frac{q^*}{|q|^2} \end{align}

三维旋转

类比于二维向量旋转,我们希望构造一个单位四元数 qq 使得一个三维空间中的一个向量 p\boldsymbol{p} 绕轴 v^\boldsymbol{\hat{v}} 旋转 θ\theta 角到 p′\boldsymbol{p'} ,即表达式为 p′=qpp'=q p (这里 p,p′\boldsymbol{p},\boldsymbol{p'} 都已被换成对应的四元数,其中实部为零)

然而事实上,这并不正确,因为

p′=qp=[cos⁡θ,sin⁡θv^][0,p]=[−sin⁡θp⋅v^,cos⁡θp+sin⁡θv^×p]\begin{align} p'&=qp \\&=[\cos\theta,\sin \theta \boldsymbol{\hat{v}}][0,\boldsymbol{p}]\\&=[-\sin \theta \boldsymbol{p}\cdot \boldsymbol{\hat{v}},\cos\theta \boldsymbol{p}+\sin \theta \boldsymbol{\hat{v}}\times \boldsymbol{p}] \end{align}

如果 p⊥̸v^\boldsymbol{p}\not\perp \boldsymbol{\hat{v}} 则 Re(p′)≠0Re(p')\not=0 ,则 p′p' 不为纯四元数,且 ∣p′∣≠∣p∣|p'|\not=|p|

事实上可以证明,若 p\boldsymbol{p} 绕轴 v^\boldsymbol{\hat{v}} 旋转 2θ2\theta 到 p′\boldsymbol{p'} ,则需如下

p′=qpq−1q−1=q∗=[cos⁡θ,sin⁡θv^]\begin{align} p'&=qpq^{-1} \\ q^{-1}&=q^{*}=[\cos\theta,\sin \theta \boldsymbol{\hat{v}}] \end{align}

参考文献

Understanding Quaternions

tikz画图练习

\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[->] (0.5,5)--(5.5,5);
\draw[->] (0.5,1)--(5.5,1);
\draw[->] (0,1.5)--(0,4.5);
\draw[->] (6,1.5)--(6,4.5);
\node at (0,1) {$U^{**}$};
\node at (0,5) {$U$};
\node at (6,5) {$V$};
\node at (6,1) {$V^{**}$};
\node[above] at (3,5) {$\varphi$};
\node[below] at (3,1) {$\varphi^{**}$};
\node[left] at (0,3) {$\eta_U$};
\node[left] at (6,3) {$\eta_V$};
\node[right] at (0,3) {$\sim$};
\node[right] at (6,3) {$\sim$};
\end{tikzpicture}
\end{document}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[->] (0.5,5)--(5.5,5);
\draw[->] (0.5,1)--(5.5,1);
\draw[->] (0,4.5)--(0,1.5);
\draw[->] (6,4.5)--(6,1.5);
\node at (0,1) {$U^{**}$};
\node at (0,5) {$U$};
\node at (6,5) {$V$};
\node at (6,1) {$V^{**}$};
\node[above] at (3,5) {$\varphi$};
\node[below] at (3,1) {$\varphi^{**}$};
\node[left] at (0,3) {$\eta_U$};
\node[left] at (6,3) {$\eta_V$};
\node[right] at (0,3) {$\sim$};
\node[right] at (6,3) {$\sim$};
\end{tikzpicture}
\end{document}