罗德里格斯公式——旋转矩阵和旋转向量得变换关系

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### 旋转矩阵反对称矩阵相乘的意义 在三维空间中,旋转矩阵是一个特殊的正交矩阵,其行列式等于1。这种矩阵主要用于描述物体绕某个轴的旋转变换[^1]。 对于一个给定的角度θ单位向量\( \mathbf{n}=(n_x, n_y, n_z)^T\)定义的旋转轴,对应的旋转矩阵R可以通过罗德里格斯公式构建: \[ R(\theta,\mathbf{n})=I+\sin\theta[\mathbf{n}]_{×}+(1-\cos\theta)[\mathbf{n}]_{×}^{2}\] 其中 \( [\mathbf{n}]_× \) 是由向量 \( \mathbf{n} \) 构成的反对称矩阵: \[ [\mathbf{n}]_×=\begin{pmatrix} 0 & -n_z & n_y \\ n_z & 0 & -n_x\\ -n_y& n_x & 0 \end{pmatrix}\] 当旋转矩阵反对称矩阵相乘时,在某些情况下这可以被解释为一种复合操作,即先执行一次特定角度下的旋转再应用另一个基于相同方向矢量但不同参数设定的操作。然而更常见的是,这类运算出现在李群理论及其关联领域内,用来研究刚体运动学特性或是处理姿态估计等问题。 具体来说,如果我们将上述提到的标准形式下构造出来的两个特殊类型的矩阵——一个是代表固定坐标系到新坐标的转换关系;而另一个则来源于速度场或者角动量表达式的线性化近似,则它们之间的乘积能够提供有关瞬时转动速率的信息,并且有助于推导出更加复杂的动力学模型[^3]。 ```python import numpy as np def skew_symmetric_matrix(vector): """Generate a skew-symmetric matrix from the given vector.""" nx, ny, nz = vector return np.array([[0, -nz, ny], [nz, 0, -nx], [-ny, nx, 0]]) # Example usage with unit axis and angle pi/4 (in radians) angle = np.pi / 4 axis = np.array([0, 0, 1]) rotation_mat = ... # Define rotation matrix here using Rodrigues' formula or other methods. skew_mat = skew_symmetric_matrix(axis) resultant_matrix = np.dot(rotation_mat, skew_mat) print(resultant_matrix) ```
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