Mer om geometriska transformationer

Relevanta dokument
Inledning. CTH/GU LABORATION 4 MVE /2017 Matematiska vetenskaper

Transformationer i R 2 och R 3

Geometriska transformationer

Homogena koordinater och datorgrafik

Linjära ekvationssystem

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Svar till tentan. Del A. Prov i matematik Linj. alg. o geom

Linjära avbildningar. Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. x 1 x 2. x = R n = x n

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna

October 9, Innehållsregister

Några geometriska konstruktioner i R 3

SF1624 Algebra och geometri

Vektorgeometri för gymnasister

1 Vektorer i koordinatsystem

LINJÄRA AVBILDNINGAR

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

Matematik med Matlab för I Inledning. 1 Programmering i MATLAB

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

ax + y + 4z = a x + y + (a 1)z = 1. 2x + 2y + az = 2 Ange dessutom samtliga lösningar då det finns oändligt många.

Frågorna 1 till 6 ska svaras med ett kryss för varje korrekt påstående. Varje uppgift ger 1 poäng. Använd bifogat formulär för dessa 6 frågor.

Linjära avbildningar. Definition 1 En avbildning mellan två vektorrum, F : V U, kallas linjär om. EX. Speglingar, rotationer, projektioner i R 3.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

LÖSNINGAR LINJÄR ALGEBRA LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK

Vektorgeometri för gymnasister

(a) Bestäm för vilka värden på den reella konstanten c som ekvationssystemet är lösbart. (b) Lös ekvationssystemet för dessa värden på c.

1 Ortogonalitet. 1.1 Skalär produkt. Man kan tala om vinkel mellan vektorer.

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) Måndagen den 13 juni 2005

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Veckoblad 3, Linjär algebra IT, VT2010

Facit/lösningsförslag

Minsta-kvadratmetoden

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

1 som går genom punkten (1, 3) och är parallell med vektorn.

Vektorgeometri. En vektor v kan representeras genom pilar från en fotpunkt A till en spets B.

Vektorgeometri för gymnasister

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

Veckoblad 1, Linjär algebra IT, VT2010

ax + y + 2z = 3 ay = b 3 (b 3) z = 0 har (a) entydig lösning, (b) oändligt många lösningar och (c) ingen lösning.

KOKBOKEN 1. Håkan Strömberg KTH STH

SF1624 Algebra och geometri

Lösningar till MVE021 Linjär algebra för I

KTH, Matematik. Övningar till Kapitel , 6.6 och Matrisframställningen A γ av en rotation R γ : R 2 R 2 med vinkeln γ är

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. t 2

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

Parametriserade kurvor

Vektorgeometri för gymnasister

Räta linjer i 3D-rummet: Låt L vara den räta linjen genom som är parallell med

TMV142/186 Linjär algebra Z/TD

z = 4 + 3t P R = (5 + 2t, 4 + 2t, 4 + 3t) (1, 1, 3) = (4 + 2t, 3 + 2t, 1 + 3t)

6.1 Skalärprodukt, norm och ortogonalitet. TMV141 Linjär algebra E VT 2011 Vecka 6. Lärmål 6.1. Skalärprodukt. Viktiga begrepp

Detta cosinusvärde för vinklar i [0, π] motsvarar α = π 4.

4x az = 0 2ax + y = 0 ax + y + z = 0

Att beräkna:: Avstånd

SF1624 Algebra och geometri

MATEMATIK GU. LLMA60 MATEMATIK FÖR LÄRARE, GYMNASIET Analys, ht Block 5, översikt

A = (3 p) (b) Bestäm alla lösningar till Ax = [ 5 3 ] T.. (3 p)

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Styf. Exempeltenta med lösningar Programmen EI, IT, K, X Linjär algebra juni 2004

Linjär algebra på 2 45 minuter

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK

x + y + z + 2w = 0 (a) Finn alla lösningar till ekvationssystemet y + z+ 2w = 0 (2p)

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Linnea Hietala MVE480 Linjär algebra S

Isometrier och ortogonala matriser

Modul 1: Komplexa tal och Polynomekvationer

SF1624 Algebra och geometri

1. (a) Bestäm alla värden på c som gör att matrisen A(c) saknar invers: c 1

SF1624 Algebra och geometri Bedömningskriterier till tentamen Fredagen den 22 oktober, 2010

SF1624 Algebra och geometri Tentamen med lösningsförslag onsdag, 11 januari 2017

LYCKA TILL! kl 8 13

Linjär algebra på några minuter

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag med bedömningskriterier till kontrollskrivning 2 Fredagen den 28 januari, 2011

Vektorgeometri för gymnasister

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Vektorerna är parallella med planet omm de är vinkelräta mot planets normal, dvs mot

17. Övningar ÖVNINGAR Låt F och G vara avbildningar på rummet, som i basen e = {e 1,e 2,e 3 } ges av. x 1 x 2 2x 2 + 3x 3 2x 1 x 3

Vektorgeometri för gymnasister

A = x

e = (e 1, e 2, e 3 ), kan en godtycklig linjär

Linjär Algebra, Föreläsning 2

29 november, 2016, Föreläsning 21. Ortonormala baser (ON-baser) Gram-Schmidt s ortogonaliseringsprocess

Linjär algebra med MATLAB

x 1 x 2 T (X) = T ( x 3 x 4 x 5

Analys o Linjär algebra. Lektion 7.. p.1/65

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Version Linjär algebra kapiltet från ett ODE-kompendium. Mikael Forsberg

Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

===================================================

Lite Linjär Algebra 2017

Affina avbildningar och vektorgrafik

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

Del 1: Godkäntdelen. TMV142 Linjär algebra Z

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 1

Övningar. c) Om någon vektor i R n kan skrivas som linjär kombination av v 1,..., v m på precis ett sätt så. m = n.

Lösningsforslag till tentamen i SF1624 den 22/ e x e y e z = 5e x 10e z = 5(1, 0, 2). 1 1 a a + 2 2a 4

Mer om analytisk geometri

Transkript:

CTH/GU LABORATION 4 TMV141-1/13 Matematiska vetenskaper 1 Inledning Mer om geometriska transformationer Vi fortsätter med geometriska transformationer och ser på ortogonal (vinkelrät) projektion samt spegling. Avslutningsvis skall vi även se på rotation runt sned axel i R 3, förra laborationen roterade vi bara runt koordinataxlarna. Men allra först ser vi kort hur man beräknar skalärprodukt, norm och liknande i Matlab. Skalärprodukt och norm i Matlab Skalärprodukten mellan två vektorer u och v ges av u v = u T v = u 1 v 1 + u v + u 3 v 3 och normen, som motsvarar absolutbelopp, ges av u = u 1 + u + u3 n ( u = u u) Med Matlab beräknar vi skalärprodukt och norm med funktionerna dot och norm enligt >> dot(u,v) >> norm(u) Vinkeln φ mellan två vektorer u och v ges av och beräknas i Matlab med φ = arccos >> phi=acos(dot(u,v)/(norm(u)*norm(v))) u v u v Vi påminner oss om att vektorerna u och v är ortogonala eller vinkelräta mot varandra om u v =, vilket ofta betecknas u v. En enhetsvektor är en vektor u med u = 1. Vill vi bestämma en enhetsvektor u med samma riktning som vektorn v så ges den av u = 1 v och i Matlab skulle vi skriva v >> u=v/norm(v) Avståndet mellan två vektorer u och v ges av u v = (u 1 v 1 ) + (u v ) + (u 3 v 3 ) och beräknas med >> norm(u-v) Dessa beräkningar görs på samma sätt för vektorer i R n, oavsett om n =, 3, eller större. 1

Även om vi inte använder den nu, så nämner vi kryssprodukten i R 3 som ges av u v = (u v 3 u 3 v, u 3 v 1 u 1 v 3, u 1 v u v 1 ) vilket är en vektor i R 3 och beräknas med funktionen cross enligt >> cross(u,v) 3 Ortogonal projektion och spegling Vi skall bestämma ortogonala eller vinkelräta projektionen på planet ax + by + cz = d Planet har en normalvektor n = (a, b, c). I bilden har vi ritat en enhetsnormal n och projektionen ˆx längs normalen av en punkt x, dvs. den vinkelräta projektionen på planet. Vi gör ansatsen ˆx = x + αn där α skall bestämmas så att ˆx ligger på planet. Ekvationen för planet kan skrivas och sätter vi in ansatsen får vi och därmed n ˆx = d n ˆx = n (x + αn) = n x + α = d α = d n x För speglingen av x r av punkten x i planet gäller med samma val av α. x r = x + αn Nu skall vi i Matlab rita planet ax + by + cz = d, för a = 1, b = 1, c = 4 och d = 1. Eftersom c så kan vi lösa ut z, i annat fall får vi modifiera koden

xmin=-; xmax=; ymin=-; ymax=; a=1; b=-1; c=4; d=1; X=[xmin xmax xmax xmin]; Y=[ymin ymin ymax ymax]; Z=(d-a*X-b*Y)/c; fill3(x,y,z, g, facealpha,.7) xlabel( x ), ylabel( y ) grid on Resultatet blir planet i figuren ovan. Egentligen är det ju bara en bit av planet, nämligen den del som ligger ovanför området x, y. Uppgift 1. Rita planet vi just tittade på. Bestäm en normalvektor och rita ut den som ett streck från en punkt på planet. Välj en punkt x, rita ut den, bestäm dess vinkelräta projektion ˆx på planet och rita ut även den. Slutligen rita också ut speglingen x r av x. Uppgift. Rita samma plan i en ny bild. I samma bild skall ni rita en tetraeder. Tetraedern skall vara så placerad att ingen av dess sidor skär planet. Rita därefter även speglingen av tetraedern i planet. 4 Rotation runt sned axel i R 3 Betrakta en punkt x = (x 1, x, x 3 ) i R 3. Antag vi vill rotera pukten runt en axel, vars riktning ges av en vektor v, med en vinkel φ. Rotationen skall göras medurs relativt riktningen på vektorn. Vi kan då via ett basbyte återföra denna rotation till en rotation runt x 1 -, x - eller x 3 -axeln. För dessa har vi redan sett på standardmatriserna i förra laborationen. Säg att vi vill återföra till en rotation runt x 1 -axeln. Vi normaliserar v, dvs. vi bildar v 1 = αv där skalfaktorn α väljs så att v 1 får enhetslängd. Därefter väljer vi två vektorer v och v 3, båda av enhetslängd, så att v och v 3 är vinkelräta mot v 1 och vinkelräta mot varandra. Vi skall helt enkelt se till att {v,v 3 } blir en ortogonalbas för nollrummet N(v1 T ). Denna bas kan vi lätt beräkna i Matlab med funktionen null. Nu bildar vi basbytesmatrisen P = [v 1 v v 3 ] och eftersom kolonnerna ortogonala och normerade så gäller P 1 = P T. Standardmatrisen för rotation runt axeln som ges av v blir där A v = PAP 1 = PAP T 1 A = cos(φ) sin(φ) sin(φ) cos(φ) är standardmatrisen för rotationen runt x 1 -axeln. Detaljerna ovan tar nog lite tid att förstå, vi utnyttjar både vektorrum och basbyte. Det hindrar inte att vi kan rotera i Matlab redan nu. Nedan ser vi en rotation av en punkt runt en viss axel, upprepad några gånger, sett från två olika betraktelsevinklar. 3

1 1 1 1 x x 1 x1 x Så här gjorde vi i Matlab phi=pi/15; A=[1 ; cos(phi) -sin(phi); sin(phi) cos(phi)]; v=[;;1]; v=v/norm(v); Z=null(v ); P=[v,Z]; Av=P*A*P ; x=[.8;.1; 1.]; plot3(x(1),x(),x(3), o ), hold on for i=1:3 x=av*x; plot3(x(1),x(),x(3), o ) end plot3([-v(1) v(1)],[-v() v()],[-v(3) v(3)], r, linewidth,3) box on, grid on, hold off axis equal, axis([- - - ]), axis vis3d Uppgift 3. Rotera, med en liten vinkel upprepade gånger, en punkt runt någon sned axel som ni själva väljer (dock inte samma punkt och axel som i exemplet). Uppgift 4. Rotera (på samma sätt som i förra uppgiften) en tetraeder runt någon sned axel som ni själva väljer. Se till att tetraederna är placerad i förhållande till axeln så att rotationen syns tydligt. Vidare får inte tetraedern deformeras under rotationen. 4

CTH/GU Uppföljning av LABORATION 4 TMV141-1/13 Matematiska vetenskaper 1 Målsättning Denna laborationen är en fortsättning på den förra. Vi utökar transformationerna med projektion coh spegling samt rotation runt godtycklig axel. Kommentarer och förklaringar Vi skall se lite mer på den ortogonala projektionen på ett plan ax + by + cz = d där a, b, c och d är konstanter. Om x är den punkt vi projicerar och ˆx är projektionen så gäller ˆx = x + αn, där n = (a, b, c) är en normalvektor till planet. Om d =, dvs. planet går genom origo, har vi Eftersom n x är en skalär så gäller ˆx = x α = d n x ˆx = x + αn = x n x n (n x) n = x 1 n (n x) Vidare gäller att n x = n T x, dvs. skalärprodukten kan beräknas genom att n T som är en radvektor matrismultipliceras med kolonnvektorn x och vi får ˆx = x 1 n (nt x) = x 1 ( (nnt )x = I 1 ) nnt x där vi utnyttjade att n (n T x) = (nn T )x. Observera att nn T är en matris (en s.k. ytterprodukt), medan n n = n T n är ett tal (skalärprodukt eller innerprodukt). Vi har kommit fram till ˆx = ( I 1 ) nnt x = Px Alltså en linjär avbildning med standardmatrisen P. För spegling gäller x r = ( I ) nnt x = Rx Alltså en linjär avbildning med standardmatrisen R. 5

Om d, dvs. planet går inte genom origo, har vi ˆx = x + αn = x + d n x n = ( I 1 nnt ) x + Detta är en affin avbildning som vi beskriver med (homogena koordinater) [ ] [ ] [ ] ˆx P βn x = ŵ T 1 w dvs. med hjälp av matrismultiplikation. Motsvarande gäller för spegling, då d. 3 Lärandemål Efter denna laboration skall du kunna projicera och spegla ett objekt i ett plan kunna rotera ett objekt runt en godtycklig axel d n = Px + βn 6