herleitung Vektor um Winkel drehen

  • hallo!
    ich habe ein kleines Problem mit der herleitung der Vektordrehung um einen Winkel alpha. (2D). Bei wikipedia steht folgendes:

    Die Elemente der Drehmatrizen ergeben sich folgendermaßen: Bezeichnen wir mit p1 den Vektor vor der Rotation und mit p2 den Vektor nach der Rotation:

    p_{1} = \begin{pmatrix} x_{1} \\ y_{1} \end{pmatrix} \qquad p_{2} = \begin{pmatrix} x_{2} \\ y_{2} \end{pmatrix}.

    Für die Koordinaten x1 und y1 bedeutet dies:

    x1 = cosφ
    y1 = sinφ.

    Nach den Additionstheoremen ergibt sich damit für die neuen Koordinaten x2 und y2 nach einer Drehung um den Winkel α:

    \begin{align} x_{2} & = \cos (\phi+\alpha) = \cos \phi \cdot \cos \alpha - \sin \phi \cdot \sin \alpha \\ & = x_{1} \cos \alpha - y_{1} \sin \alpha \end{align}

    \begin{align} y_{2} & = \sin (\phi+\alpha) = \sin \phi \cdot \cos \alpha + \cos \phi \cdot \sin \alpha \\ & = y_{1} \cos \alpha + x_{1} \sin \alpha \end{align}

    und damit in Matrix-Schreibweise

    \begin{pmatrix} x_{2} \\ y_{2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_{1} \\ y_{1} \end{pmatrix}

    Quelle:
    http://de.wikipedia.org/wiki/Rotationsmatrix

    ich versteh alles, ist auch logisch, nur diesen schritt zur Matrixdarstellung ist mir unklar. kann mir das jemand schritt für schritt erklären?

    danke euch

  • Man macht einen sogenannten Koeffizienten-Vergleich:
    Wenn man den Vektor (x1/y1) mit der Drehmatrix multipliziert, geht das allgemein so:
    (a11 a12) (x1) .. (a11 * x1 + a12 * y1)
    (a21 a22) (y1) = (a21 * x1 + a22 * y1)
    Weil da aber (x2/y2) rauskommt, gelten folglich die Gleichungen
    x2 = a11 * x1 + a12 * y1 und
    y2 = a21 * x1 + a22 * y1 .
    Nach den Additionstheoremen kommt raus:
    x2 = cos(Alpha) * x1 - sin(Alpha) * y1 und
    y2 = sin(Alpha) * x1 + cos(Alpha) * y1 .
    Also ist a11=cos(Alpha) , a12=-sin(Alpha) , a21=sin(Alpha) und a22=cos(Alpha).

    Gruß Dörrby

  • Durch einen kleinen Trick kann man den Vektor p1=( cos(Phi) | sin(Phi) ) , der ja immer die Länge 1 hat, auf alle Vektoren verallgemeinern: Man definiert
    p1 = ( r*cos(Phi) | r*sin(Phi) )

    In diese Form kann man jeden zweidimensionalen Vektor umrechnen, denn das ist die Zylinderkoordinatendarstellung, z.B.:
    ( 4 | 3 ) = ( 5*cos(36,9°) | 5*sin(36,9°) )
    5 = Wurzel(4² + 3²) (Pythagoras) ; 36,9° = arctan(3/4)

    In der Matrixherleitung zieht sich der Faktor r in der ganzen Rechnung mit durch und steht nachher in p2, die Matrix bleibt so, d.h. dieser Vektor hat die gleiche Länge r wie p1, er ist nur gedreht worden, daher "Drehmatrix".

    Gruß Dörrby