Drehungen mit den Eulerschen Winkeln Φ1,Φ2,Φ3
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Betrachten wir zwei kartesische Koordinatensysteme im R3. Das
eine nennen wir Σ, eine Basis sei <e1,e2,e3>. Das zweite nennen
wir Σ' und eine Basis sei <e1',e2',e3'>. Die Basis von Σ' sei
gegenüber der Basis von Σ gedreht, die Drehung werde durch die
sog. Eulerschen Winkel Φ1,Φ2,Φ3 wie folgt beschrieben:
1. Ausgehend von e1,e2,e3 werde eine Drehung um e3 in Richtung
e1-e2 um den Winkel Φ1 ausgeführt. Wir erhalten eine neue Basis
<e1',e2',e3'>. In Matrizenschreibweise:
┌ ┐ ┌ ┐ ┌ ┐
│ e1' │ │ cos(Φ1) sin(Φ1) 0 │ │ e1 │
│ │ │ │ │ │
│ e2' │ = │-sin(Φ1) cos(Φ1) 0 │ ∙ │ e2 │
│ │ │ │ │ │
│ e3' │ │ 0 0 1 │ │ e3 │
└ ┘ └ ┘ └ ┘ ,
ê' = A∙ê .
2. Ausgehend von e1',e2',e3' werde eine Drehung um e1' in Richtung
e2'-e3' um den Winkel Φ2 ausgeführt. Wir erhalten eine neue Basis
<e1", e2",e3">. In Matrizenschreibweise:
┌ ┐ ┌ ┐ ┌ ┐
│ e1" │ │ 1 0 0 │ │ e1' │
│ │ │ │ │ │
│ e2" │ = │ 0 cos(Φ2) sin(Φ2) │ ∙ │ e2' │
│ │ │ │ │ │
│ e3" │ │ 0 -sin(Φ2) cos(Φ2) │ │ e3' │
└ ┘ └ ┘ └ ┘ ,
ê" = B∙ê' .
3. Ausgehend von e1",e2",e3" werde eine Drehung um e3" in Richtung
e1"-e2" um den Winkel Φ3 ausgeführt. Wir erhalten eine neue Basis
<e1"', e21"',e3"'>. In Matrizenschreibweise:
┌ ┐ ┌ ┐ ┌ ┐
│ e1"' │ │ cos(Φ3) sin(Φ3) 0 │ │ e1" │
│ │ │ │ │ │
│ e2"' │ = │-sin(Φ3) cos(Φ3) 0 │ ∙ │ e2" │
│ │ │ │ │ │
│ e3"' │ │ 0 0 1 │ │ e3" │
└ ┘ └ ┘ └ ┘ ,
ê"' = C∙ê" .
Zusammenfassend können wir also schreiben:
ê"' = C∙B∙A∙ê = D∙ê .
Die Matrix D ist ausgeschrieben (sΦi bzw. cΦi stehen synonym für
sin(Φi) bzw. cos(Φi), i=1,2,3):
┌ ┐
│ cΦ1∙cΦ3-sΦ1∙cΦ2∙sΦ3 sΦ1∙cΦ3+cΦ1∙cΦ2∙sΦ3 sΦ2∙sΦ3 │
│ │
│ -cΦ1∙sΦ3-sΦ1∙cΦ2∙cΦ3 -sΦ1∙sΦ3+cΦ1∙cΦ2∙cΦ3 sΦ2∙cΦ3 │
│ │
│ sΦ1∙sΦ2 -cΦ1∙sΦ2 cΦ2 │
└ ┘ .
Betrachten wir einen beliebigen Vektor, die Komponenten-
darstellung bezüglich der Basis <e1,e2,e3> nennen wir X, die
bezüglich der Basis <e1"',e2"',e3"'> nennen wir X"'. Wir können
nun schreiben:
x1∙e1 + x2∙e2 + x3∙e3 │
│ ┌ ┐ ┌ ┐
T │ │x1│ │e1│
= X ∙ê │ X = │x2│ , ê = │e2│
│ │x3│ │e3│
T -1 │ └ ┘ └ ┘
= X ∙D ∙ê"' │
│ ┌ ┐ ┌ ┐
T │ │x1"'│ │e1"'│
= X"' ∙ê"' . │ X"' = │x2"'│ , ê"' = │e2"'│
│ │x3"'│ │e3"'│
│ └ ┘ └ ┘
Wir finden also:
T T -1
X"' = X ∙D bzw.
T T
X = X"' ∙D .
T -1
Transponieren wir die Gleichung und beachten wir, daß D = D
(weil D orthogonal und normiert ist), so erhalten wir:
T
X = D∙X"' oder X"' = D ∙X .
Ergebnis:
┌──────────────┐
│ ê"' = D ∙ ê │
│ │
│ T │
│ X"' = D ∙ X │
└──────────────┘