Вы здесь

Описание направлений и поворотов в трёхмерном пространстве. VI

 

Приведённые ниже текст является частью книги «Первый шаг в квантовую реальность».

Чтобы скачать полный текст, пройдите по ссылке.

 

Назад    Вперёд

13. Угол между двумя направлениями.

Если даны единичные векторы, задающие два направления через декартовы координаты: x1, y1, z1, r1 = 1 и  x2, y2, z2, r2 = 1, то косинус угла между ними вычисляется по формуле (см 13. Угол между направлениями):

 

cosα = x1 · x2 + y1 · y2 + z1 · z2 .

 

Теперь запишем то же самое в сферических координатах:

 

                x1 = sinθ1 cosφ1,      y1 = sinθ1 sinφ1  ,      z1 = cosθ1,

                x2 = sinθ2 cosφ2,      y2 = sinθ2 sinφ2,       z2 = cosθ2.

 

Поэтому

 

cosα = cosθ1 cosθ2 + sinθ1 sinθ2 cos(φ1 φ2).

 

Пусть теперь даны два чисто мнимых (векторных) кватерниона с теми же самыми декартовыми координатами, что и выше.

 

p1 = x1i + y1j + z1kr1 = 1, 

p2 = x2i + y2j + z2kr2 = 1.

 

Перемножая эти два кватерниона, убедимся, что действительная (скалярная) часть произведения не зависит от порядка сомножителей и равна:

 

Re(p1 p2) = Re(p2 p1) = – (x1 · x2 + y1 · y2, + z1 · z2).

 

Отсюда

      cosα  = – Re(p1 p2) = – Re(p2 p1) = x1 · x2 + y1 · y2, + z1 · z=

= cosθ1 cosθ2 + sinθ1 sinθ2 cos(φ1 φ2).

 

Теперь выразим угол между направлениями через половинные углы. Пусть два направления заданы матрицами вида

 

,

 

а индексами 1 и 2 будем указывать номер направления.

Вычислим сначала самое простое выражение, которое только можно составить из таких матриц, d2d1:

 

d2d1 = cosθ1/2 · cosθ2/2 + sinθ1/2 · sinθ2/2 · exp i(φ1φ2),

 

здесь eхp — ещё одно общепринятое обозначение показательной функции с основанием е ≈  2,718…

Угол между двумя направлениями является действительным числом, а d2d1 — число комплексное. Простейшее действительное число, которое можно составить, исходя из d2d1, имеет следующий вид:

 

(d2d1) · (d2d1)* = (d2d1) · (d2d1) = (d2d1)(d1d2) =

[cosθ1/2 · cosθ2/2 + sinθ1/2 · sinθ2/2 · exp i(φ1φ2)][cosθ1/2 · cosθ2/2 + sinθ1/2 · sinθ2/2 · exp –i(φ1φ2)].

 

Продолжаем вычисления:

 

(d2d1)(d1d2) = cos2θ1/2 · cos2θ2/2 + cosθ1/2 · cosθ2/2· sinθ1/2 · sinθ2/2·[exp i(φ1φ2) + exp–i (φ1φ2)] + sin2θ1/2 · sin2θ2/2 =

{(1 + cosθ1)(1 + cosθ2) + sinθ1 · sinθ2 · [cos(φ1φ2) + i sin(φ1φ2) + cos(φ1φ2) – isin(φ1φ2)] +  (1 – cosθ1) (1 – cosθ2)}/4 =

{1 + cosθ1 · cosθ2 + sinθ1 sinθ2 cos(φ1 φ2)}/2 = (1 + cosα)/2 = cos2α/2 .

 

И, в конце концов, убеждаемся, что угол α не зависит от того, какое направление принимается первым, а какое вторым.

Итак,

 

cos2α/2 = (d2d1)(d1d2), = d2П1d2,

 

или

 

cos2α/2 = (d1d2)(d2d1), = d1П2d1.

 

Здесь П1 и П2  матрицы проектирования для первого и второго направления соответственно. 

Назад    Вперёд

©   А. А. Дмитриевский.