ロドリゲスの回転公式 (Rodrigues' rotation formula)

3次元空間において,原点 O を通る任意の回転軸(軸方向の単位ベクトルを n とする)の周りに,位置ベクトル r を角 θ だけ回転させた位置ベクトル r′ は次式で表される.

r′ = r cosθ + ( 1−cosθ ) ( r ⋅ n )  n + ( n × r )  sinθ

この式を ロドリゲスの回転公式 (Rodrigues' rotation formula) という.上式を変形した以下の形式もよく用いられる.

r′ = r + ( n × r )  sinθ + ( 1−cosθ ) n× ( n×r )

        ⇒  ロドリゲスの回転公式の表現行列

【 導出 】

図のように,回転軸方向の単位ベクトル n に垂直な回転面の中心を O′ とし,位置ベクトル r , r′ の終点を P , P′ とする.回転面において O′P と垂直になるよう O′Q をとると, P , P′ , Q は同じ円周上の点なので,

O′P′ → = O′P →  cosθ + O′Q →  sinθ

となる.したがって,以下の表記

OO′ → = ( r ⋅ n )  n
O′P → = OP → − OO′ → = r − ( r ⋅ n )  n
O′Q → = n × O′P → = n × { r − ( r ⋅ n )  n } = n × r

を用いると

r′ = OP′ → = OO′ → + O′P′ → = ( r ⋅ n )  n + { r − ( r ⋅ n )  n }  cosθ + ( n × r )  sinθ
r′ = r cosθ + ( 1−cosθ ) ( r ⋅ n )  n + ( n × r )  sinθ

が得られる.また,上式下段の右辺第2項目について,ベクトル3重積の公式より

n× ( n×r ) = ( n⋅r )n − ( n⋅n )r = ( r⋅n )n −r

  ⇒   ( r⋅n )n = n× ( n×r ) +r

なので,

r′ = r cosθ + ( 1−cosθ ) n× ( n×r ) +r + ( n × r )  sinθ r′ = r + ( n × r )  sinθ + ( 1−cosθ ) n× ( n×r )

という形式も得られる.つまり P から P′ への変位ベクトル PP′ → は

PP′ → = r′ −r = ( n × r )  sinθ + ( 1−cosθ ) n× ( n×r )

となる.


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