Rotazione (matematica)
In matematica, e in particolare in geometria, una rotazione è una trasformazione del piano o dello spazio euclideo che sposta gli oggetti in modo rigido e che lascia fisso almeno un punto, nel caso del piano, o una retta, nel caso dello spazio. I punti che restano fissi nella trasformazione formano più in generale un sottospazio: quando questo insieme è un punto o una retta, si chiama rispettivamente il centro e l'asse della rotazione.
Più precisamente, una rotazione è una isometria di uno spazio euclideo che ne preserva l'orientazione, ed è descritta da una matrice ortogonale speciale.
Qualunque sia il numero delle dimensioni dello spazio di rotazione, gli elementi della rotazione sono:
- il verso (orario-antiorario);
- l'ampiezza dell'angolo di rotazione;
- il centro di rotazione (il punto attorno a cui avviene il movimento rotatorio).
Due dimensioni
In due dimensioni, una rotazione è una trasformazione , la quale supposta antioraria dipende da un angolo , e che trasforma il vettore in
Usando la moltiplicazione di matrici la rotazione antioraria può essere descritta così:
La matrice quadrata presente in questa espressione è una matrice ortogonale speciale di rango . Questa trasformazione è chiamata rotazione antioraria di angolo intorno all'origine.
La matrice che descrive la rotazione è spesso chiamata matrice di rotazione di angolo .
Dimostrazione
Le formule di rotazione possono essere ottenute ragionando nel modo seguente. Sia un punto qualsiasi e siano e le sue coordinate polari. Si ha
il punto , immagine di in una rotazione antioraria di un angolo , ha coordinate polari . Le sue coordinate cartesiane sono perciò date dal sistema precedente, ove si ponga al posto di :
applicando le formule di addizione di seno e coseno e tenendo conto anche delle formule iniziali, si ottengono le formule di rotazione, infatti:
Nel piano complesso
Una rotazione si esprime in modo più conciso interpretando il piano come piano complesso: una rotazione equivale al prodotto per un numero complesso di modulo unitario.
In questo modo, ad esempio, la rotazione di angolo , con centro nell'origine, si scrive come
L'insieme dei numeri complessi con modulo unitario è algebricamente chiuso rispetto al prodotto, formando così un gruppo abeliano, chiamato il gruppo circolare: l'interpretazione complessa delle rotazioni del piano può essere allora espressa come il fatto che il gruppo circolare e il gruppo ortogonale speciale sono isomorfi.
Tre dimensioni
In tre dimensioni, una rotazione è determinata da un asse, dato da una retta passante per l'origine, e da un angolo di rotazione. Per evitare ambiguità, si fissa una direzione dell'asse, e si considera la rotazione di angolo effettuata in senso antiorario rispetto all'asse orientato. La rotazione è descritta nel modo più sintetico scrivendo i vettori dello spazio in coordinate rispetto ad una base ortonormale , dove è il vettore di lunghezza uno contenuto in e avente direzione giusta. La rotazione intorno all'asse trasforma il vettore di coordinate in:
Una rotazione generale in 3 dimensioni può essere espressa come una composizione di 3 rotazioni intorno a tre assi indipendenti, come ad esempio gli assi [1]. Quindi dati tre angoli , che indicano rispettivamente di quanto si deve ruotare intorno a ognuno degli assi, la matrice di rotazione risulta:
Senza cambiare base, la rotazione di un angolo intorno ad un asse determinato dal versore (ossia un vettore di modulo unitario) è descritta dalla matrice seguente:
Ponendo oppure oppure si ottiene rispettivamente la rotazione attorno all'asse all'asse e all'asse
Tale matrice è stata ottenuta scrivendo la matrice associata alla trasformazione lineare (rispetto alle basi canoniche nel dominio e codominio) della formula di Rodrigues.
In molte applicazioni risulta conveniente usare l'algebra dei quaternioni per effettuare rotazioni nello spazio tridimensionale.
Dimensione arbitraria
In uno spazio euclideo di dimensione arbitraria, una rotazione è una trasformazione lineare dello spazio in sé che è anche una isometria, e che mantiene l'orientazione dello spazio. Le matrici che realizzano queste trasformazioni sono le matrici ortogonali speciali.
Note
- ^ (EN) Weisstein, Eric W., Rotation Matrix, su mathworld.wolfram.com. URL consultato il 17 marzo 2018.
Voci correlate
- Angoli di Eulero
- Asse angolo
- Rotazioni spaziali con i quaternioni
- Formula di Rodrigues
- Isometria
- Matrice ortogonale
- Spinore
- Omotetia
- Traslazione (geometria)
- Riflessione (geometria)
Altri progetti
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Collegamenti esterni
- (EN) rotation, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.