Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 1 de Febrero, 2015, 18:32

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Ya estuvimos viendo rotaciones alrededor de un eje (en tres dimensiones), podemos ahora escribir:

A la izquierda tenemos multiplicar. A la derecha, tenemos sumar. Esto nos recuerda a lo que tenemos en exponenciación:

Aunque hay que tener cuidado: en la primera expresión de arriba, estamos multiplicando matrices, y en la segunda expresión, estamos operando con números, como exp(x) y el propio x.

Recordemos que

Eso es una rotación FINITA de ángulo dado theta, alrededor del eje z. ¿Cómo podemos expresar una rotación INFINITESIMAL, que sirva de base "generadora" para todas las rotaciones de ese eje?

Si calculamos la derivada por theta, en el valor 0, quedar:

Entonces, podemos usar esa derivada como el primer factor en su expresión en serie. Como aproximación podemos escribir:

Donde en segundo término de la derecha llega a ser la derivada encontrada multiplicada por delta theta, el incremente infinitesimal del ángulo  (hay que justificar el uso de i, la raíz de -1 imaginaria). Debería ser para eso:

Una rotación finita puede componerse (en principio) de sucesivas rotaciones infinitesimales (digo en principio, para mostrarlo formalmente hacia dónde vamos; dos rotaciones infinitesimales, si realmente son INFINITESIMALES, solo dan una rotación infinitesimal):

Tomando:

Para N rotaciones, si tomamos N tendiendo a infinito, queda:

En el desarrollo de arriba, operamos formalmente, PORQUE NO HAY DEFINICION DIRECTA de e elevado a matrices. Solamente porque Mz es una matriz que CONMUTA CONSIGO MISMA (como todas las matrices), podemos hacer esa ANALOGIA con respecto a la exponencial: lo que conocemos, es la exponencial de un número real, lo de arriba es "algo de magia" para expresar la exponencial de una matriz.

Con todo lo plausible que es la igualdad de arriba, hay que probar que:

Sea igual a lo que da el desarrollo infinito de la exponenciación:

Este desarrollo se expande a:

Las dos primeras matrices son la matriz desdoblada. Las potencias PARES de Mz son igual a la segunda matriz (con dos unos y un cero en la diagonal), y las potencias IMPARES de Mz son iguales a Mz.

Queda, reagrupando, y resolviendo los signos de i potencia:

Los dos desarrollos de potencias de theta son los desarrollos de coseno y seno en serie, queda:

Quedando al fin:

Como se quería probar.

En próximo post, revisaremos que condiciones cumple Mz, mencionaremos la expresión de Mx, Mz (que se pueden deducir como las de Mz), y veremos si Rz(theta) es unitaria.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia