《机器人与数字人:基于MATLAB的建模与控制》——2.5节外代数简介

2.5外代数简介
外代数最早由赫尔曼瘙簚格拉斯曼在1844年提出,随后庞加莱、嘉当以及达布等许多伟大的数学家对其进行了进一步研究和发展[19, 20, 21]。针对微分几何中的多变量微分,它提供了一种有用的计算和概念工具,揭示了许多数学关系的重要实质是斜对称本质,尤其是微分和积分。
定义5令x1,…,xm为瘙綆n空间中的m个向量(m≤n),对于任何i,j=1,…,m,如果以下条件成立,那么xi∧xj称为楔积或者外积。
1斜对称:xi∧xj=-xj∧xi。
2分配律:对于任意两个常量a1和a2,有(a1xi+a2xj)∧xk=a1xi∧xk+a2xj∧xk。
3结合律:xi∧(xj∧xk)=(xi∧xj)∧xk。
定义的第一个斜对称性条件表明,若有两个相同向量,则总有xi∧xi=0。不失一般性,令瘙綆3中的三个独立的三维变量分别为x1、x2和x3,选择其中任意两个求楔积,所有的组合构成二阶多变量空间Λ2(R3)的基元:

{x1∧x2,x2∧x3,x1∧x3}
如果每次仅选三个向量中的一个,那么基元变为{x1, x2, x3},且外积Λ1(瘙綆3)不存在。而如果同时选择这三个向量,那么一维空间Λ3(瘙綆3)的基元为x1∧x2∧x3。因此,在n维线性空间瘙綆n中,k阶多维向量空间Λk(瘙綆n)的维度为其组合的总数
n
k=n!k!(n-k)!
因此,楔积或者外积与叉积是完全不同的,尽管它们都是斜对称的。
这种外积运算具有很重要的应用价值。首先,令基元为{e1,e2,e3}的三维空间中的三个非平行向量分别给定为u=u1e1+u2e2+u3e3、v=v1e1+v2e2+v3e3和w=w1e1+w2e2+w3e3。这里,用协变式来表示向量u、v和w,与工程应用中的传统符号相匹配。那么
u∧v∧w=∑3i,j,k=1uivjwk(ei∧ej∧ek)
基于楔积规则,展开上述求和公式,注意到e1∧e3∧e2=-e1∧e2∧e3, e3∧e1∧e2=-e1∧e3∧e2=e1∧e2∧e3,依次类推,立即意识到在求和公式左边,最终仅有一个公因式e1∧e2∧e3,这是Λ3(瘙綆3)的基元,其相关系数如下:
u1v2w3+u2v3w1+u3v1w2-u1v3w2-u2v1w3-u3v2w1
这个系数恰好等于以下由三个向量u、v和w组成的3×3增广矩阵V的行列式:
V=u1u2u3
v1v2v3
w1w2w3
时间: 2024-09-19 17:26:23

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《机器人与数字人:基于MATLAB的建模与控制》——导读

目 录 前言第1章机器人和数字人建模概述1.1机器人的发展历程: 过去.现在和未来1.2数字人建模:历史.成就和新挑战1.3借助机器人分析方法进行数字人建模第2章数学基础2.1向量.坐标变换和空间描述2.2李群和李代数2.3指数映射和k过程2.4对偶数.对偶向量及代数形式2.5外代数简介习题第3章刚体运动的表示3.1平移和旋转3.2线速度和角速度参考文献

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3.2线速度和角速度 为了求得给定的3×1位置向量p∈瘙綆3所表示平移运动的瞬时速度,即通常的刚体运动的线速度,可以简单地对位置向量p按时间求导,即v=.但是在求导之前,需要先完成一些准备工作,必须先把位置向量p投影到一个固定的基础坐标系上,而不能是移动的坐标系上.也就是说,如果pi当前投影到一个非固定坐标系i上,那么必须找到坐标系i相对于基础坐标系的方向矩阵Rib,在计算线速度vb=b之前,需要先求pb=Ribpi.原因很明显,vb=b=ibpi+Ribi≠Ribi,除非Rib是常数矩阵,然

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