旋轉平面

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旋轉面旋轉平面(英語:plane of rotation),是一個用於描述空間旋轉的抽像概念。

十維以下的旋轉平面數量如下表所示:

維數
旋轉平面 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5


旋轉平面主要用作描述四維空間及以上的旋轉,將高維旋轉分解為簡單的幾何代數描述。 [1]

數學上,旋轉平面可用多種方式描述。可用平面旋轉角度來描述,可用克利福德代數二重向量來描述。旋轉平面又與旋轉矩陣特徵值和特徵向量有關。


二維

二維空間只有一個旋轉平面,即空間本身的平面。在笛卡爾坐標系笛卡爾平面,在複數複平面。因此,任何旋轉都是整個平面空間的旋轉,僅原點保持固定。完全由帶符號的旋轉角度指定,例如在 -π 到 π 的範圍內。因此若角度為θ,復平面的旋轉則由以下歐拉公式給出:

笛卡爾平面的旋轉則由以下旋轉矩陣給出[6]

三維

旋轉軸沿z軸位於xy平面的三維旋轉平面
地球其自轉軸和自轉平面。

三維空間可以有無數個旋轉平面,但當旋轉平面有了一個,就不能第二個旋轉平面。

三維任何旋轉都總是只有一個固定的軸,即旋轉軸

這可以用如下矩陣來描述(旋轉角度為θ):

另一例子是地球自轉自轉軸北極南極的連線,自轉平面穿過北半球和南半球之間的赤道平面。

其它例子包括陀螺儀飛輪機械裝置,通常沿旋轉平面儲存大量旋轉動能

四維

一般四維旋轉英语Rotations in 4-dimensional Euclidean space只有一個固定點,即原點。因此,四個維度沒有旋轉軸。但是四維空間可以使用旋轉平面,並且在四個維度中的每個非平凡旋轉都可以有一至兩個旋轉平面。

簡單旋轉

僅具有一個旋轉平面的旋轉是簡單旋轉英语SO(4)#Simple rotations

簡單旋轉有一個固定的平面,因此點在旋轉時不會改變其與該平面的距離。旋轉平面與該平面正交,可以說旋轉發生在該平面內。


例如,下列矩陣固定 xy 平面:此平面中的點且僅在該平面中的點保持不變。旋轉平面是 zw 平面,該平面上的點旋轉角度 θ。一般點僅在 zw 平面內旋轉,即僅更改其 z 和 w 座標來繞 xy 平面旋轉。

在二維和三維,所有旋轉都是簡單旋轉,因為只有一個旋轉平面。只有在四維以上才存在不是簡單旋轉的旋轉。在四維也存在雙重旋轉和等斜旋轉。

雙重旋轉

雙旋轉英语SO(4)#Double rotations有兩個旋轉平面,沒有固定平面,唯一的固定點是原點。旋轉發生在兩旋轉平面中。這些平面是正交的,也就是說,它們沒有共同的向量,因此一個平面中的每個向量都與另一個平面中的每個向量成直角。兩個旋轉平面跨越四維空間,因此空間中的每個點都可以由兩個點指定,每個平面上一個。

雙旋轉有兩個旋轉角度,每個旋轉平面一個。雙重旋轉有兩個平面和兩個非零角度α、β(如果任一角度為零,則是簡單旋轉)。第一個平面的旋轉α點,第二個平面的旋轉β點。所有其他點都旋轉α和β之間的角度,因此在某種意義上是αβ共同決定了旋轉量。對於一般的雙旋轉,旋轉平面和角度是唯一的,並且給定一般的旋轉,它們可以被計算。例如,xy 平面中的 α 和 zw 平面中的 β 的旋轉由矩陣給出

等斜旋轉

超正方體等斜旋轉的投影。

雙旋轉的一個特殊情況是角度相等,即 α = β ≠ 0。

例如,在等斜旋轉英语SO(4)#Isoclinic rotations中所有非零點都會旋轉相同的角度 α。最重要的是,旋轉平面不是唯一標識的。相反,有無數對正交平面可以被視為旋轉平面。例如可以任意一點,它旋轉所在的平面以及與其正交的平面可以當作兩個旋轉平面。[8]

高維

旋轉平面數量公式:

另見

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Lounesto (2001) pp. 222–223
  2. ^ Lounesto (2001) p. 38
  3. ^ Hestenes (1999) p. 48
  4. ^ Lounesto (2001) p. 222
  5. ^ Lounesto (2001) p.87
  6. ^ Lounesto (2001) pp.27–28
  7. ^ Hestenes (1999) pp 280–284
  8. ^ Lounesto (2001) pp. 83–89
  9. ^ Lounesto (2001) p. 57–58
  10. ^ Hestenes (1999) p. 278–280
  11. ^ Dorst, Doran, Lasenby (2002) pp. 79–89
  12. ^ Dorst, Doran, Lasenby (2002) pp. 145–154

參考