HTML clipboard
四元數(shù)記法
一個四元數(shù)包含一個標(biāo)量和一個3D向量分量，經(jīng)常記標(biāo)量分量為w，記向量分量為單一的 v 或分開的x、y、z。兩種記法分別如下:
[w v ]
[w, (x, y, z)]
在某些情況下，用 v 這樣的短記法更方便，但在另一些情況下，"擴(kuò)展"的記法會更清楚。
也可以將四元數(shù)豎著寫，有時這會使等式的格式一目了然，"行"或"列"四元數(shù)沒有明顯的區(qū)別。
四元數(shù)和復(fù)數(shù)
復(fù)數(shù)對(a, b)定義了數(shù)a+bi，i是所謂的虛數(shù)，滿足i2 = -1：a稱作實(shí)部，b稱作虛部。任意實(shí)數(shù)k都能表示為復(fù)數(shù)(k,
0)=k + 0i。
復(fù)數(shù)能夠相加、相減、相乘，如公式10.1所示:
通過使虛部變負(fù)，還能夠計算復(fù)數(shù)的共軛，記法如公式10.2：
還能夠計算復(fù)數(shù)的模。這個運(yùn)算的記法和解釋與實(shí)數(shù)的絕對值類似，實(shí)際上，如果將實(shí)數(shù)表示成復(fù)數(shù)，它們將產(chǎn)生相同的結(jié)果。公式10.3是計算復(fù)數(shù)大小的公式：
復(fù)數(shù)集存在于一個2D平面上，可以認(rèn)為這個平面有兩個軸：實(shí)軸和虛軸。這樣，就能將復(fù)數(shù)（x,
y）解釋為2D向量。用這種方法解釋復(fù)數(shù)時，它們能用來表達(dá)平面中的旋轉(zhuǎn)。看看復(fù)數(shù)p繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ的情況，如圖10.9所示：
為進(jìn)行這個旋轉(zhuǎn)，引入第二個復(fù)數(shù) q = (cosθ, sinθ)。現(xiàn)在，旋轉(zhuǎn)后的復(fù)數(shù)p'能用復(fù)數(shù)乘法計算出來：
p = x + yi
q = cosθ + i sinθ
p' = pq = (x + yi)(cosθ + i sinθ) = (xcosθ - ysinθ) + (xsinθ + ycosθ)i
引入復(fù)數(shù)q和用2x2旋轉(zhuǎn)矩陣達(dá)到的效果是一樣的，但復(fù)數(shù)提供了另一種有趣的記法。
四元數(shù)擴(kuò)展了復(fù)數(shù)系統(tǒng)，它使用三個虛部i, j, k。它們的關(guān)系如下：
一個四元數(shù)[w, (x, y, z)]定義了復(fù)數(shù)
w+xi+yj+zk，很多標(biāo)準(zhǔn)復(fù)數(shù)的性質(zhì)都能應(yīng)用到四元數(shù)上。更重要的是，和復(fù)數(shù)能用來旋轉(zhuǎn)2D中的向量類似，四元數(shù)也能用來旋轉(zhuǎn)3D中的向量。
四元數(shù)和軸-角對
歐拉證明了一個旋轉(zhuǎn)序列等價于單個旋轉(zhuǎn)。因此，3D中的任意角位移都能表示為繞單一軸的單一旋轉(zhuǎn)（這里的軸是一般意義上的旋轉(zhuǎn)軸，不要和笛卡爾坐標(biāo)軸混淆。顯然，旋轉(zhuǎn)軸的方向是任意的）。當(dāng)一個方位用這種形式來描述時稱作軸-角描述法（實(shí)際上，能將軸-角形式作為描述方位的第四種表達(dá)方式。但是，軸-角對很少用到，經(jīng)常被歐拉角或四元數(shù)替代）。
設(shè) n 為旋轉(zhuǎn)軸，對于旋轉(zhuǎn)軸來說長度并不重要，將 n 定義為單位長度會比較方便。根據(jù)左手或右手法則， n 的方向定義了哪邊將被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)"正"方向。設(shè)θ為繞軸旋轉(zhuǎn)的量，因此，軸-角對（ n ,
θ）定義了一個角位移：繞 n 指定的軸旋轉(zhuǎn)θ角。
四元數(shù)能被解釋為角位移的軸-角對方式。然而， n 和θ不是直接存儲在四元數(shù)的四個數(shù)中，它們的確在四元數(shù)里，但不是那么直接。公式10.4列出了四元數(shù)中的數(shù)和 n ，θ的關(guān)系，兩種四元數(shù)加法都被使用了。
記住， q 的w分量和θ有關(guān)系，但它們不是一回事。同樣， v 和 n 也有關(guān)系但不完全相同。
負(fù)四元數(shù)
四元數(shù)能求負(fù)，做法很直接，將每個分量對變負(fù)，見公式10.5：
- q = -[w (x y z)] = [-w (-x -y -z)] = -[w v ]
= [-w - v ]
公式10.5 四元數(shù)求負(fù)
q 和- q 代表的實(shí)際角位移是相同的，很奇怪吧！如果我們將θ加上360度的倍數(shù)，不會改變 q 代表的角位移，但它使 q 的四個分量都變負(fù)了。因此，3D中的任意角位移都有兩種不同的四元數(shù)表示方法，它們互相為負(fù)。
單位四元數(shù)
幾何上，存在兩個"單位"四元數(shù)，它們代表沒有角位移，[1, 0 ]和[-1, 0 ]（注意粗體 0 ，它們代表零向量）。當(dāng)θ是360度的偶數(shù)倍時，有第一種形式，cos(θ/2)=1；θ是360度的奇數(shù)倍時，cos( θ /2)=-1。在兩種情況下，都有sin(θ/2)=0，所以 n 的值無關(guān)緊要。它的意義在于：
當(dāng)旋轉(zhuǎn)角θ是360度的整數(shù)倍時，方位并沒有改變，并且旋轉(zhuǎn)軸也是無關(guān)緊要的。
數(shù)學(xué)上，實(shí)際只有一個單位四元數(shù)：[1, 0 ]。用任意四元數(shù) q 乘以單位四元數(shù)[1,
0 ]，結(jié)果仍是 q 。任意四元數(shù) q 乘以另一個"幾何單位"[-1,
0 ]時得到- q 。幾何上，因?yàn)?strong> q 和- q 代表的角位移相同，可認(rèn)為結(jié)果是相同的。但在數(shù)學(xué)上， q 和- q 不相等，所以[-1,
0 ]并不是"真正"的單位四元數(shù)。
四元數(shù)的模
和復(fù)數(shù)一樣，四元數(shù)也有模。記法和公式都和向量類似，如公式10.6所示：
讓我們看看它的幾何意義，代入 θ 和 n ，可得到：
n 為單位向量，所以：
應(yīng)用三角公式sin2x + cos2x = 1，得到：
如果為了用四元數(shù)來表示方位，我們僅使用符合這個規(guī)則的單位四元數(shù)。
四元數(shù)共軛和逆
四元數(shù)的共軛記作 q *，可通過讓四元數(shù)的向量部分變負(fù)來獲得，見公式10.7：
四元數(shù)的逆記作 q ^-1，定義為四元數(shù)的共軛除以它的模，見公式10.8：
四元數(shù)的逆和實(shí)數(shù)的倒數(shù)有著有趣的對應(yīng)關(guān)系。對于實(shí)數(shù)a，它的逆a-1為1/a，從另一方面說，aa-1 = a-1a
= 1。四元數(shù)的逆也有著同樣的性質(zhì)，一個四元數(shù) q 乘以它的逆 q -1，即可得到單位四元數(shù)[1,
0 ]。
公式10.8是四元數(shù)逆的正式定義，但我們只使用單位四元數(shù)，所以四元數(shù)的逆和共軛是相等的。
共軛非常有趣，因?yàn)?strong> q 和 q *代表相反的角位移。很容易驗(yàn)證這種說法，使 v 變負(fù)，也就是使旋轉(zhuǎn)軸反向，它顛倒了我們所認(rèn)為的旋轉(zhuǎn)正方向。因此， q 繞軸旋轉(zhuǎn)θ角，而 q *沿相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。