矩阵基础与变换

article/2025/9/14 21:40:59

矩阵基础

矩阵的基本概念

由 m × n 个数aij排成的m行n列的数表称为m行n列的矩阵,简称m × n矩阵(引用百度百科)。记作:

这m×n 个数称为矩阵A的元素,简称为元,数aij位于矩阵A的第i行第j列。

矩阵的加法

同型矩阵之间才可以进行相加。减法同理,就是对应元素相减。

单位矩阵

一个矩阵,从左上角到右下角的对角线(称为主对角线)上的元素均为1。除此以外全都为0,称为单位矩阵,通常记为E。

任何矩阵与单位矩阵相乘都等于本身。

  

矩阵的转置

把矩阵A的行和列互相交换所产生的矩阵称为A的转置矩阵这一过程称为矩阵的转置。

逆矩阵

设A是一个n阶矩阵,若存在另一个n阶矩阵B,使得: AB=BA=E ,则称方阵A可逆,并称方阵B是A的逆矩阵,B=A-1 

矩阵乘法

两个矩阵相乘在三维变换中极为重要。

两个矩阵的乘法仅当第一个矩阵A的列数和另一个矩阵B的行数相等时才能定义。

比如一个4×4矩阵和4×1矩阵相乘得到的是一个4×1矩阵。

 

矩阵的乘法满足以下运算律:

结合律:   (AB)C=A(BC) 

左分配律:(A+B)C=AC+BC

右分配律:C(A+B)=CA+CB

矩阵不满足交换律 ,也就是AB != BA,这个在后面介绍的矩阵变换后会有直观的感受。 

在三维开发中经常用到矩阵和矢量相乘,点和向量都可以用一个列矩阵来表示。

比如将一个空间中的点P(x,y,z)左乘一个3✖3的矩阵得到新的坐标P1(x',y',z')。

 

 

 变换

平移变换

平移(translation)变换是把空间中一个点沿着给定的方向移动固定的距离,设位移向量d,点P移动后P1,则 P1=P+d;

如果用齐次坐标(homogeneous coordinate)表示点和向量(关于齐次坐标请看:齐次坐标icon-default.png?t=M3K6https://blog.csdn.net/alzzw/article/details/124682378?spm=1001.2014.3001.5501),

设点P(x,y,z,1),点P1(x',y',z',1),向量d=(tx,ty,tz,0),则

x'=x+tx

y'=y+ty

z'=z+tz

表示成矩阵形式如下:

平移变换矩阵即为:

旋转

点在空间直角坐标系中的旋转如图所示。A(x,y,z)绕Z轴旋转角后至A'(x',y',z'),则A与A之间的关系为:

用矩阵表示,绕Z轴旋转的变换矩阵为:

 

 绕X轴旋转的变换矩阵为:

 

绕Y轴变换的矩阵 


http://chatgpt.dhexx.cn/article/1TYD1fQY.shtml

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