四元数计算器

强大的四元数运算工具。

输入四元数分量,选择运算,立即获得结果。支持加法、减法、乘法等。

示例

通过这些示例了解常见的四元数运算。

两个四元数相加

四元数相加

两个四元数的分量逐项相加。

第一个四元数 (q1): w=1, x=2, y=3, z=4

第二个四元数 (q2): w=5, x=6, y=7, z=8

两个四元数相乘

四元数相乘

演示非交换乘法。

第一个四元数 (q1): w=0, x=1, y=0, z=0

第二个四元数 (q2): w=0, x=0, y=1, z=0

求共轭

求共轭

将四元数的向量部分取反。

第一个四元数 (q1): w=3, x=-1, y=2, z=5

求逆

求逆

计算逆四元数,常用于撤销旋转。

第一个四元数 (q1): w=1, x=1, y=1, z=1

其他标题
理解四元数:全面指南
深入了解四元数,从基础定义到其在3D图形、机器人等领域的强大应用。

什么是四元数?

  • 四维数系简介。
  • 四元数、复数与三维空间的关系。
  • 基本属性与记号。
四元数是一种扩展复数的数系。1843年由爱尔兰数学家哈密尔顿提出。四元数形式为 q = w + xi + yj + zk,其中 wxyz 为实数,ijk 为基本四元数单位。
核心属性
四元数单位遵循如下规则:i² = j² = k² = ijk = -1。由此可得 ij = kjk = iki = j 及其反交换式 ji = -kkj = -iik = -j。非交换性(ij ≠ ji)是四元数的关键特性,对3D旋转的正确表示至关重要。
四元数可视为标量部分(w)和向量部分(v = xi + yj + zk)的组合。这使其在三维空间中表示方向和旋转极为有用。

关键四元数恒等式

  • ij = k,但 ji = -k(非交换性)
  • i² = -1(类似复数)
  • 纯四元数的标量部分为零(w=0)。

四元数计算器使用指南

  • 如何输入四元数进行计算。
  • 每种运算的详细说明。
  • 不同运算结果的解读。
我们的计算器简化了复杂的四元数运算。请按以下步骤操作。
1. 选择运算类型
使用下拉菜单选择所需运算。注意“共轭”、“模”、“逆”和“归一化”为一元运算,仅需填写第一个四元数(q1)。
2. 输入四元数分量
为每个四元数输入四个分量(wxyz)。计算器支持整数和小数。
3. 计算并查看结果
点击“计算”按钮执行运算。结果会显示在下方。对于返回四元数的运算,将显示四个分量;对于“模”运算,将显示一个标量。

操作演示

  • 加法:q1和q2所有字段都需填写。
  • 共轭:只需填写q1字段。
  • 计算器会自动判断q2是否必填。

四元数的实际应用

  • 四元数为何在计算机图形学中不可或缺。
  • 其在机器人和航空航天工程中的作用。
  • 在物理和虚拟现实中的应用。
四元数不仅是数学趣题,更是现代技术的基石。
计算机图形与游戏开发
四元数最著名的应用是表示3D旋转。它们避免了欧拉角常见的“万向节锁”问题。四元数还可通过SLERP(球面线性插值)实现平滑高效的方向插值,这对动画至关重要。
机器人与无人机
在机器人领域,确定和控制机械臂、车辆或无人机的姿态至关重要。四元数为实时跟踪和操作姿态提供了高效可靠的方法。
航空航天与卫星导航
航天器和卫星的姿态必须精确控制。四元数被用于这些设备的姿态控制系统,确保其指向正确方向。

行业应用示例

  • 动画角色关节的旋转。
  • 控制四旋翼飞行器的飞行姿态。
  • 追踪虚拟现实头盔的方向。

常见误区与正确方法

  • 澄清四元数乘法的非交换性。
  • 理解单位四元数与一般四元数的区别。
  • 明确四元数如何编码旋转。
误区1:四元数乘法可交换
错误假设: 许多人认为 q1 * q2q2 * q1 相同。更正: 这是错误的。乘法顺序极其重要。对于旋转,q1 * q2 表示先应用q2旋转,再应用q1。顺序反了结果也不同。
误区2:任意四元数都表示纯旋转
错误假设: 任意四元数都能表示3D旋转。更正: 只有单位四元数(模为1的四元数)才表示纯3D旋转。非单位四元数表示旋转与缩放的组合。因此归一化操作很重要。
误区3:w分量就是旋转角度
错误假设: w分量直接表示角度。更正: 旋转信息编码在四个分量中。对于绕单位向量轴 (ax, ay, az) 旋转θ角,对应四元数为 q = cos(θ/2) + (ax*sin(θ/2))i + (ay*sin(θ/2))j + (az*sin(θ/2))k

数学推导与公式

  • 四元数乘法公式。
  • 四元数逆的推导。
  • 如何用四元数旋转向量。
四元数乘法
q1 = w1 + x1i + y1j + z1kq2 = w2 + x2i + y2j + z2k,则 q1 * q2 的结果为:w = w1w2 - x1x2 - y1y2 - z1z2x = w1x2 + x1w2 + y1z2 - z1y2y = w1y2 - x1z2 + y1w2 + z1x2z = w1z2 + x1y2 - y1x2 + z1w2
四元数逆
四元数q的逆为 q⁻¹ = q* / ||q||²,其中 q* 为共轭,||q|| 为模。共轭 q* = w - xi - yj - zk,模平方 ||q||² = w² + x² + y² + z²
向量旋转
用单位四元数q旋转向量v,先将v表示为纯四元数 p = 0 + v_x i + v_y j + v_z k。旋转后向量 v' 通过 p' = q * p * q⁻¹ 得到(单位四元数时逆等于共轭)。结果四元数p'的向量部分即为旋转后的v'。