Matice přechodu

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Matice přechodu pro otočení soustavy souřadnic.

Matice přechodu mezi dvěma bázemi vektorového prostoru je nástroj pro snadný převod souřadnic vektorů nebo bodů z jedné souřadné soustavy do druhé. Ve spojení s inverzní maticí se používá k vyjádření lineárního zobrazení v jiné soustavě souřadnic. Toto usnadňuje například modelování fyzikálních polí v ortotropních materiálech.

Transformace souřadnic[editovat | editovat zdroj]

Budeme uvažovat dvě soustavy souřadnic pro vektory ve vektorovém prostoru. Jsou-li a souřadnice téhož vektoru ve dvou různých souřadných soustavách a , je možné pomocí matice přechodu pro přechod od báze k psát . Matice má tedy ve sloupcích souřadnice vektorů báze vyjádřené v bázi .

Příklad[editovat | editovat zdroj]

Matice přechodu je ilustrována na obrázku. Soustava má osy vodorovně a svisle, odpovídá šedé mřížce. Soustava je pootočená proti směru hodinových ručiček a znázorněna modrou mřížkou. Počátek je pro obě soustavy ve středu obrázku a proto můžeme místo vektorů pracovat i s body. Jednotkové vektory soustavy jsou znázorněny červenou a zelenou barvou. Matice přechodu je matice, jejíž sloupce jsou souřadnice těchto vektorů v šedé soustavě a je v obrázku vlevo nahoře. Vektor je součtem trojnásobku prvního a dvojnásobku druhého bázového vektoru soustavy . To definuje souřadnice vektoru v soustavě . Souřadnice v soustavě je možné najít po dosazení souřadnic vektorů a v bázi do vztahu . Protože souřadnice vektorů a tvoří sloupce matice přechodu, odpovídá tento zápis maticovému součinu zapsanému v levém dolním rohu obrázku.

Transformace lineárního zobrazení[editovat | editovat zdroj]

Má-li zobrazení v bázi matici , platí pro vzor a obraz vztah . V bázi poté platí a matice je maticí téhož zobrazení v soustavě . V technicky významných případech je transformace realizována pootočením a v takovém případě je matice přechodu ortogonální a její inverzní matice je rovna matici transponované .

Využití matice přechodu ve fyzice a v technické praxi[editovat | editovat zdroj]

Transformace je výhodná zejména pokud bázi nové soustavy souřadnic tvoří vlastní vektory zobrazení. V takové bázi je matice zobrazení diagonální a mimodiagonální prvky se neuplatní. Srovnej obecnou difuzní rovnici, ve které vystupuje i smíšená druhá derivace a matematickou formulaci rovnice vedení tepla, kde se již předpokládá vhodná volba soustavy souřadnic, všechny druhé derivace jsou podle jedné proměnné a smíšené derivace se nevyskytují.

V technické praxi v konstitutivních zákonech pro ortotropní materiály bývá obvyklé tabelovat hodnoty pro vlastní směry materiálu a pro případné výpočty v jiných souřadných soustavách se příslušné veličiny přepočítají pomocí matice přechodu. Kromě přímého přístupu pomocí matice transformace je možné využít i další inženýrské techniky produkující jinými prostředky stejné výsledky, například použití směrových kosinů (každá komponenta matice přechodu vyjadřuje kosinus úhlu mezi jednou osou staré a jednou osou nové soustavy souřadnic) nebo Mohrovy kružnice. Například pro dřevo stačí určit tři součinitele vedení tepla v axiálním, radiálním a tangenciálním směru. Pokud materiál modelujeme v souřadné soustavě mající osy v těchto směrech, je matice součinitele tepelné vodivosti diagonální. Pokud je nutné studovat materiál v jiné souřadné soustavě, například kvůli geometrickým vlastnostem, přepočet do jiné soustavy realizuje právě matice přechodu.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]