向量,基,坐标空间,坐标变换
算是线性代数的一个应用,先列个提纲,后面充实内容。1.线性空间内,任意向量用基表示,规范正交基最好,非正交的系,这个没读到东西,能想到施密特正交化。
2.坐标变换,广义理解,从一个线性空间转换到另一个线性空间,就是基基互换;说的再方便操作一点,当前基投影至参考基,加规范条件后,单位向量,凑一下,就是计算夹角余弦,就能随手写了。
3.变换实例,就是平移,旋转,齐次,等效。
4.矩阵列乘向量,基的线性组合。
向量(3,4)其实就是(3,4)点乘(r1,r2),R1,R2就是基,原坐标的R1=(1,0),R2=(0,1)。坐标系改变,基也改变 感觉张量的曲线坐标变换,就是线性代数坐标变换的扩展。 暂讨论三维,线性空间内,任意向量可以用基表示。
对于笛卡尔坐标系,最简单的正交基,x, y, z, 三个主轴的方向向量,规范化,就取单位方向向量,线性代数后面章节喜欢用列向量。
终点坐标减去起点坐标,就是向量坐标形式。依次拆开,用选好的正交基做基础,x, y, z三个数字做组合系数,很容易写出任意一个向量。 坐标变换,先看二维坐标系,假设Z轴垂直纸面向外,绕z轴逆时针旋转θ角。
在旋转前,一个坐标空间,假设沿主轴方向确定基,那么它有自己的一组规范正交基;旋转后,另外一个坐标空间,假设也是沿主轴方向确定基,那么它也有自己的一组规范正交基。
这就提出一个问题:在新(旧)坐标系内的一个向量或者点坐标,在旧(新)坐标系下的坐标值是多少。
首先,这问题有个什么意思,为什么要去研究它,吃饱了撑的吗?举一个例子,小滑块沿斜面运动的模型,外力沿水平方向,要沿斜面平行方向和垂直斜面方向分解。
水平方向算旧坐标系,斜面平行方向和斜面垂直方向组成的坐标系算新系。
于是,坐标转换的过程,就是当前坐标系向目标坐标系的投影过程。
再把向量或者矢量拆开看,有数值,有方向,那么解决了方向的问题后,作为标量的数值,只要代入,数乘就可以了。
所以,最简单的,就是考虑单位向量,既然要考虑单位向量,那么最方便的莫过于直接考虑坐标系的基,反正它可以表示坐标系内其他所有向量。
回到物块斜面模型,水平的基往斜面的基方向投影,=x*cosθ,式中x=1。
既然作为基,都是单位向量,那也甭投了,乘来乘去,模值都是1,再者θ角也不是什么神秘东西,就是俩基的夹角,就是旋转角,索性直接按夹角余弦算得了,不烧那脑筋。
于是,表示了x,也得有y,这一写,线性代数一整理,旋转矩阵就出来了。
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