Duální čtveřice - Dual quaternion

Pamětní deska na Broomově mostě (Dublin) připomínající Hamiltonův vynález čtveřic

v matematika, duální čtveřice jsou 8-dimenzionální skutečný algebra isomorfní s tenzorový produkt z čtveřice a duální čísla. Mohou tedy být konstruovány stejným způsobem jako čtveřice, kromě použití duální čísla namísto reálná čísla jako koeficienty. Ve formě může být zastoupen dvojí čtveřice A + εB, kde A a B jsou obyčejné čtveřice a ε je dvojitá jednotka, která splňuje ε2 = 0 a dojíždí s každým prvkem algebry. Na rozdíl od čtveřic duální čtveřice netvoří a divize algebra.

v mechanika, duální čtveřice jsou použity jako a číselný systém reprezentovat tuhé transformace ve třech rozměrech.[1] Vzhledem k tomu, že prostor duálních čtveřic je 8-dimenzionální a rigidní transformace má šest skutečných stupňů volnosti, tři pro překlady a tři pro rotace, v této aplikaci se používají duální čtveřice splňující dvě algebraická omezení.

Podobně jako mohou být rotace v 3D prostoru reprezentovány čtveřicemi jednotkové délky, tuhé pohyby ve 3D prostoru mohou být reprezentovány duálními čtveřicemi jednotkové délky. Tato skutečnost se využívá teoreticky kinematika (viz McCarthy[2]) a v aplikacích pro 3D počítačová grafika, robotika a počítačové vidění.[3]

Dějiny

W. R. Hamilton představen čtveřice[4][5] v roce 1843 a do roku 1873 W. K. Clifford získal široké zobecnění těchto čísel, které nazýval biquaternions,[6][7] což je příklad toho, co se nyní nazývá a Cliffordova algebra.[2]

V roce 1898 Alexander McAulay použitý Ω s Ω2 = 0 pro vygenerování algebry duální čtveřice.[8] Jeho terminologie „octonions“ se však nedržela jako dnešní octonions jsou další algebra.

V Rusku, Aleksandr Kotelnikov[9] vyvinul duální vektory a duální čtveřice pro použití při studiu mechaniky.

V roce 1891 Eduardova studie si uvědomil, že tohle asociativní algebra byl ideální pro popis skupiny pohybů trojrozměrný prostor. Myšlenku dále rozvinul Geometrie der Dynamen v roce 1901.[10] B. L. van der Waerden nazval strukturu „Study biquaternions“, jednu ze tří osmrozměrných algeber označovaných jako biquaternions.

Vzorce

Aby bylo možné popsat operace s duálními čtveřicemi, je užitečné nejprve zvážit čtveřice.[11]

Čtvrtek je lineární kombinace základních prvků 1, i, j, a k. Hamiltonovo pravidlo produktu pro i, j, a k je často psáno jako

Vypočítat i ( já j k ) = −j k = −i, získat j k = i, a ( já j k ) k = −já j = −k nebo já j = k. Nyní proto j ( j k ) = j i = −k, vidíme, že tento produkt poskytuje já j = −j i, který spojuje čtveřice s vlastnostmi determinantů.

Pohodlným způsobem práce s produktem čtveřice je napsat čtveřici jako součet skaláru a vektoru, tj. A = A0 + A, kde A0 je skutečné číslo a A = A1 i + A2 j + A3 k je trojrozměrný vektor. K definici kvaternionového součinu lze nyní použít vektorovou tečku a křížové operace A = A0 + A a C = C0 + C tak jako

Dvojitý čtveřice je obvykle popisována jako čtveřice s dvojími čísly jako koeficienty. A dvojí číslo je objednaný pár A = ( A, b ). Dvě duální čísla se přidávají po částech a vynásobí se pravidlem - = ( A, b ) ( C, d ) = (a c, a d + před naším letopočtem). Dvojitá čísla jsou často psána ve formě A = A + εb, kde ε je dvojitá jednotka, se kterou dojíždí i, j, k a má majetek ε2 = 0.

Výsledkem je, že duální čtveřice lze zapsat jako uspořádanou dvojici čtveřic ( A, B ). Dva duální čtveřice se přidávají po částech a vynásobí se pravidlem,

Je vhodné napsat duální čtveřice jako součet duálního skaláru a duálního vektoru, A = A0 + A, kde A0 = ( A, b ) a A = ( A, B ) je duální vektor, který definuje a šroub. Tento zápis nám umožňuje napsat součin dvou duálních čtveřic jako

Přidání

Přidání duálních čtveřic je definováno po částech tak, že dané,

a

pak

Násobení

Násobení dvou duálních čtveřic vyplývá z pravidel násobení pro jednotky čtveřice i, j, k a komutativní násobení duální jednotkou ε. Zejména vzhledem k tomu

a

pak

Všimněte si, že neexistuje BD termín, protože to vyžaduje definice dvojích čísel ε2 = 0.

To nám dává tabulku násobení (všimněte si, že pořadí násobení je sloupec řádků krát):

Násobilka pro duální čtveřice jednotek
(Řádek x sloupec)1ijkεεiεjεk
11ijkεεiεjεk
ii−1kjεi−εεk−εj
jjk−1iεj−εk−εεi
kkji−1εkεj−εi−ε
εεεiεjεk0000
εiεi−εεk−εj0000
εjεj−εk−εεi0000
εkεkεj−εi−ε0000

Sdružené

Konjugát dvojího čtveřice je rozšíření konjugátu čtveřice, to znamená

Stejně jako u čtveřic, konjugát produktu duálních čtveřic, G = ÂĈ, je produktem jejich konjugátů v opačném pořadí,

Je užitečné zavést funkce Sc (∗) a Vec (∗), které vybírají skalární a vektorovou část čtveřice nebo duální skalární a duální vektorovou část duálního čtveřice. Zejména pokud A = A0 + A, pak

To umožňuje definici konjugátu A tak jako

nebo,

Produkt dvojitého čtveřice se svým konjugátem poskytuje

Jedná se o duální skalár, který je velikost na druhou dvojí čtveřice.

Konjugát dvojího čísla

Druhý typ konjugátu dvojího čtveřice je dán konjugátem dvojího čísla daným

Konjugáty čtveřice a dvojího počtu lze kombinovat do třetí formy konjugátu dané

V kontextu duálních čtveřic lze termín „konjugát“ použít k označení konjugátu čtveřice, konjugátu s dvojím počtem nebo obojího.

Norma

The norma dvojí čtveřice |A| se počítá pomocí konjugátu k výpočtu |A| = AA*. Toto je dvojí číslo zvané velikost dvojí čtveřice. Duální čtveřice s |A| = 1 jsou jednotkové duální čtveřice.

Duální čtveřice o velikosti 1 se používají k reprezentaci prostorových euklidovských posunů. Všimněte si, že požadavek, že AA* = 1, zavádí dvě algebraická omezení na komponenty A, to je

Inverzní

Li p + ε q je dvojí čtveřice a p není nula, pak je inverzní duální čtveřice dána vztahem

p−1 (1 - ε q p−1).

Tedy prvky podprostoru {ε q: q ∈ H} nemají inverze. Tento podprostor se nazývá ideál v teorii prstenů. Stává se to jedinečný maximální ideál kruhu dvojitých čísel.

The skupina jednotek prstenu dvojitého čísla pak sestává z čísel, která nejsou v ideálu. Duální čísla tvoří a místní prsten protože existuje jedinečný maximální ideál. Skupina jednotek je a Lež skupina a lze je studovat pomocí exponenciální mapování. Duální čtveřice byly použity k vystavení transformací v Euklidovská skupina. Typický prvek lze zapsat jako a šroubová transformace.

Duální čtveřice a prostorové posuny

Výhoda formulace dvojí čtveřice složení dvou prostorových posunů DB = ([RB], b) a DA = ([RA],A) spočívá v tom, že výsledný duální čtveřice přináší přímo osa šroubu a dvojí úhel složeného posunutí DC = DBDA.

Obecně platí, že duální čtveřice spojená s prostorovým posunem D = ([A], d) je konstruován z jeho osa šroubu S = (SPROTI) a dvojí úhel (φd) kde φ je rotace kolem a d snímek podél této osy, který definuje posunutíD. Přidružený dvojí čtveřice je dána vztahem,

Nechte složení posunutí DB s D.A být posunutí DC = DBDA. Osa šroubu a dvojitý úhel D.C se získá z produktu duálních čtveřic DA a D.B, dána

To znamená složené posunutí DC= DBDA má přidružený duální čtveřice daný

Chcete-li získat, rozšiřte tento produkt

Vydělte obě strany této rovnice identitou

získat

Tohle je Rodrigues „vzorec pro osu šroubu složeného posunutí definovaný jako osy šroubů obou posunů. Tento vzorec odvodil v roce 1840.[12]

Tři osy šroubů A, B a C tvoří a prostorový trojúhelník a dvojí úhly v těchto vrcholy mezi běžnými normálkami, které tvoří strany tohoto trojúhelníku, přímo souvisí s dvojím úhlem tří prostorových posunů.

Maticová forma násobení dvojích čtveřic

Maticová reprezentace produktu čtveřice je vhodná pro programování výpočtů čtveřice pomocí maticové algebry, což platí i pro operace s duálními čtveřicemi.

Produkt kvaternionu AC je lineární transformace operátorem A složek kvaternionu C, proto existuje maticová reprezentace A operující na vektoru vytvořeném ze složek C.

Sestavte součásti čtveřice C = c0 + C do pole C = (C.1, C.2, C.3, c0). Všimněte si, že komponenty vektorové části čtveřice jsou uvedeny jako první a skalární jsou uvedeny jako poslední. Toto je libovolná volba, ale jakmile je tato konvence vybrána, musíme se jí řídit.

Produkt čtveřice AC lze nyní představovat jako produkt matice

Produkt AC lze také zobrazit jako operaci C na komponentách A, v takovém případě máme

Produkt dvojí čtveřice ÂĈ = (A, B) (C, D) = (AC, AD + BC) lze formulovat jako maticovou operaci následujícím způsobem. Sestavte komponenty Ĉ do osmirozměrného pole Ĉ = (C1, C.2, C.3, c0, D1, D2, D3, d0), pak ÂĈ je dáno maticovým součinem 8x8

Jak jsme viděli pro čtveřice, na produkt ÂĈ lze pohlížet jako na operaci Ĉ na vektoru souřadnic Â, což znamená, že ÂĈ lze také formulovat jako,

Více o prostorových posunech

Duální čtveřice posunutí D = ([A], d) lze sestrojit ze čtveřice S = cos (φ / 2) + sin (φ / 2)S který definuje rotaci [A] a vektorový čtveřice vytvořený z vektoru překladu d, dané D = d1i + d2j + d3k. Použitím této notace je duální čtveřice pro posun D = ([A], d) je dána

Nechte Plückerovy souřadnice čáry ve směru X skrz bod p v pohybujícím se těle a jeho souřadnice v pevném rámu, který je ve směru X skrz bod P být dán,

Pak duální čtveřice posunutí tohoto těla transformuje Plückerovy souřadnice v pohybujícím se rámu na Plückerovy souřadnice v pevném rámu podle vzorce

Pomocí maticové formy produktu dvojí čtveřice se to stane,

Tento výpočet lze snadno spravovat pomocí maticových operací.

Duální čtveřice a 4 × 4 homogenní transformace

Mohlo by být užitečné, zejména při tuhém pohybu těla, představovat dvojí čtveřice jako homogenní matice. Jak je uvedeno výše, duální čtveřice lze psát jako: kde r a d jsou oba čtveřice. The r čtveřice je známá jako skutečná nebo rotační část a čtveřice je známá jako duální nebo posunovací část.

Rotační část může být dána

kde je úhel otáčení ve směru daném jednotkovým vektorem . Posuvnou část lze zapsat jako

.

Ekvivalent duálního čtveřice 3D vektoru je

a jeho transformace je dána[13]

.

Tyto duální čtveřice (nebo vlastně jejich transformace na 3D vektorech) mohou být reprezentovány homogenní transformační maticí

kde 3 × 3 ortogonální matice je dána

Pro 3D vektor

transformace pomocí T je dána vztahem

Napojení na Cliffordské algebry

Kromě toho, že je tenzorovým produktem dvou Cliffordových algeber, čtveřic a duální čísla, duální čtveřice mají dvě další formulace, pokud jde o Cliffordovy algebry.

Za prvé, duální čtveřice jsou izomorfní s Cliffordova algebra generované 3 prvky anticommuting i, j, e s i2 = j2 = -1 a e2 = 0. Pokud definujeme k = ij a ε = k, pak vztahy definující duální čtveřice jsou implikovány těmito a naopak. Zadruhé, duální čtveřice jsou izomorfní s sudou částí Cliffordovy algebry generované 4 anticommutingovými prvky s

Podrobnosti viz Cliffordské algebry: dvojí čtveřice.

Eponyma

Protože oba Eduardova studie a William Kingdon Clifford používal a psal o duálních čtveřicích, někdy autoři označují duální čtveřice jako „studijní biquaternions“ nebo „Cliffordské biquaternions“. Dopis eponym byl také použit k označení split-biquaternions. Přečtěte si níže uvedený článek Joe Rooneyho, kde najdete pohled na zastánce W.K. Cliffordovo tvrzení. Vzhledem k tomu, že tvrzení Clifforda a Study jsou sporná, je vhodné použít současné označení duální čtveřice vyhnout se konfliktu.

Viz také

Reference

Poznámky

  1. ^ V. Yang, Aplikace kvaternionové algebry a duálních čísel na analýzu prostorových mechanismů, Ph.Desis, Columbia University, 1963.
  2. ^ A b J. M. McCarthy, Úvod do teoretické kinematiky, s. 62–5, MIT Press 1990.
  3. ^ A. Torsello, E. Rodolà a A. Albarelli, Multiview registrace prostřednictvím difúze grafů duálních čtveřic, Proc. XXIV Conference IEEE on Computer Vision and Pattern Recognition, str. 2441-2448, červen 2011.
  4. ^ W. R. Hamilton, „O čtveřicích nebo o novém systému imaginářů v algebře,“ Phil. Mag. 18, splátky červenec 1844 - duben 1850, vyd. autor: D. E. Wilkins (2000)
  5. ^ W. R. Hamilton, Elements of Quaternions, Longmans, Green & Co., London, 1866
  6. ^ W. K. Clifford, „Předběžný náčrt bi-čtveřic, Proc. London Math. Soc., Sv. 4 (1873), str. 381–395
  7. ^ W. K. Clifford, Matematické papíry(ed. R. Tucker), London: Macmillan, 1882.
  8. ^ Alexander McAulay (1898) Octonions: vývoj Cliffordových Biquaternions, odkaz od Internetový archiv
  9. ^ A. P. Kotelnikov (1895) Přišroubujte kalkul a některé aplikace na geometrii a mechaniku, Annal. Imp. Univ. Kazaň
  10. ^ Eduardova studie (1901) Geometrie der Dynamen, Teubner, Lipsko
  11. ^ O. Bottema a B. Roth, Teoretická kinematika, North Holland Publ. Co., 1979
  12. ^ Rodrigues, O. (1840), Des lois géométriques qui régissent les déplacements d'un système solide dans l'espace, et la variation des coordonnées provenant de ses déplacements considérés indépendamment des causes qui peuvent les produire, Journal de Mathématiques Pures et Appliquées de Liouville 5, 380–440.
  13. ^ Duální čtveřice pro míchání tuhých transformací, str. 4.

Zdroje

  • V. Yang (1963) Aplikace kvaternionové algebry a duálních čísel na analýzu prostorových mechanismů, Doktorská práce, Columbia University.
  • V. Yang (1974) "Kalkul šroubů" v Základní otázky teorie designu, William R. Spillers, redaktor, Elsevier, strany 266 až 281.
  • J.M. McCarthy (1990) Úvod do teoretické kinematiky, str. 62–5, MIT lis ISBN  0-262-13252-4.
  • L. Kavan, S. Collins, C. O'Sullivan, J. Zara (2006) Duální čtveřice pro míchání tuhých transformací, Technická zpráva, Trinity College Dublin.
  • Joe Rooney William Kingdon Clifford, Katedra designu a inovací, Open University, Londýn.
  • Joe Rooney (2007) „William Kingdon Clifford“ ve filmu Marco Ceccarelli, Významné postavy v mechanismu a strojní věděSpringer.
  • Eduardova studie (1891) „Von Bewegungen und Umlegung“, Mathematische Annalen 39:520.

Další čtení

externí odkazy