Matriz de rotación en 2d y sistemas de coordenadas
Summary
TLDREn este video, se explica cómo se forma una matriz de rotación en dos dimensiones. Se comienza definiendo sistemas de coordenadas y referencias, utilizando letras para identificarlos. Se detalla cómo localizar un punto en el espacio utilizando vectores de posición y cómo representar estos vectores por medio de sus componentes en relación con los vectores unitarios. A continuación, se construye la matriz de rotación, encontrando la rotación de los ejes unitarios de una trama con respecto a otra, utilizando funciones trigonométricas para determinar las componentes del vector unitario rotado. Finalmente, se presenta la matriz de rotación en dos dimensiones, que describe cómo se ha girado una trama con respecto a otra.
Takeaways
- 📚 Se define un sistema de coordenadas como un marco de referencia que contiene ejes 'x' y 'y', y se identifica con una letra, como 'A'.
- 📍 Para localizar un punto en el espacio, se utiliza un vector posición que parte del origen hasta el punto de interés, representado como p con respecto a la trama o sistema de coordenadas.
- 📈 Los vectores se representan por medio de sus componentes en los ejes, acompañados de sus vectores unitarios correspondientes, como 'i' para 'x' y 'j' para 'y'.
- 📝 En el caso de tres dimensiones, se incluye también el eje 'z' con su vector unitario 'k', y se representa un vector posición como un vector de datos con tres componentes.
- 🔄 Para obtener una matriz de rotación en dos dimensiones, se definen las relaciones entre los vectores unitarios de dos tramas, 'A' y 'B', tras una rotación de ángulo 'teta'.
- 📐 Se utilizan funciones trigonométricas para encontrar las componentes proyectadas de los vectores unitarios de una trama con respecto a los ejes de otra trama.
- 📈 La matriz de rotación 'R' es una representación de cómo se ha rotado una trama 'B' con respecto a otra trama 'A', y está formada por las componentes proyectadas de los vectores unitarios.
- 🧩 La matriz de rotación en dos dimensiones se compone de los componentes 'cos(teta)' y 'sen(teta)' para la rotación del eje 'x' de 'B' con respecto a 'A', y '-sen(teta)' y 'cos(teta)' para el eje 'y'.
- 🔍 La proyección de un vector unitario sobre otro se calcula mediante el producto punto, y se utiliza para determinar las componentes del vector proyectado.
- 📘 La matriz de rotación resultante es crucial para entender la transformación de un sistema de coordenadas tras una rotación en el plano.
Q & A
¿Qué es un sistema de coordenadas y cómo se identifica?
-Un sistema de coordenadas es un marco de referencia utilizado para ubicar puntos en un espacio. Se identifica generalmente mediante una letra asociada, como 'a', para distinguirlo de otros sistemas de referencia o tramas.
Cómo se representa la localización de un punto en un sistema de coordenadas?
-Para localizar un punto en un sistema de coordenadas, se utiliza un vector posición que va desde el origen del sistema hasta el punto de interés, representando las coordenadas en x e y.
¿Qué es un vector unitario y cómo se relaciona con las componentes de un vector?
-Un vector unitario es un vector con magnitud igual a 1, utilizado para representar la dirección de los ejes en un sistema de coordenadas. Las componentes de un vector se relacionan con los vectores unitarios correspondientes a través de multiplicaciones que definen su dirección y magnitud en el espacio.
¿Cómo se representa un vector en términos de sus componentes en un sistema de coordenadas tridimensional?
-Un vector en un sistema de coordenadas tridimensional se representa por medio de sus componentes en x, y y z, junto con sus vectores unitarios correspondientes, usualmente representados por i, j y k.
¿Qué es una matriz de rotación y cómo se relaciona con los vectores unitarios de un sistema de coordenadas?
-Una matriz de rotación es una matriz matemática que describe cómo se rota un sistema de coordenadas con respecto a otro. Se relaciona con los vectores unitarios al definir la transformación de estos vectores bajo la rotación.
¿Cómo se calcula la proyección de un vector unitario en otro vector unitario durante una rotación?
-La proyección de un vector unitario sobre otro se calcula utilizando el producto punto entre los vectores y las funciones trigonométricas, como el coseno y el seno, para determinar las componentes en las direcciones de los ejes rotados.
¿Cómo se definen las ecuaciones para la rotación de los ejes unitarios durante una transformación de rotación?
-Las ecuaciones para la rotación de los ejes unitarios se definen a través de la proyección de estos vectores en los ejes del sistema de coordenadas original, utilizando trigonometría para hallar las componentes resultantes.
¿Cuáles son los componentes de la matriz de rotación en dos dimensiones y cómo se deducen?
-Los componentes de la matriz de rotación en dos dimensiones son las proyecciones de los vectores unitarios del sistema rotado sobre los ejes del sistema original, y se deducen a través de las funciones trigonométricas del ángulo de rotación.
¿Cómo se construye la matriz de rotación para un sistema de coordenadas bidimensional?
-Para construir la matriz de rotación en dos dimensiones, se sustituyen las componentes calculadas de los vectores unitarios rotados en las filas correspondientes de la matriz, donde cada fila representa un eje del sistema de coordenadas original.
¿Qué información se puede obtener de la matriz de rotación y cómo se interpreta?
-La matriz de rotación proporciona información sobre cómo se ha transformado un sistema de coordenadas durante una rotación. Se interpreta como las nuevas direcciones y magnitudes de los vectores unitarios del sistema rotado con respecto al sistema original.
¿Cómo se relaciona el ángulo de rotación con la construcción de la matriz de rotación?
-El ángulo de rotación es un parámetro fundamental en la construcción de la matriz de rotación, ya que determina las componentes de los vectores unitarios tras la rotación, y por ende, los valores dentro de la matriz.
Outlines
📚 Introducción a las matrices de rotación en dos dimensiones
El primer párrafo introduce el tema de las matrices de rotación en dos dimensiones. Se definen conceptos básicos como sistemas de coordenadas, referencias y vectores de posición. Se explica cómo se identifican los sistemas de coordenadas mediante letras y cómo se localiza un punto en el espacio utilizando vectores de posición que parten del origen hasta el punto de interés. Además, se menciona la importancia de los vectores unitarios y cómo se representan los vectores en función de sus componentes en un espacio tridimensional y bidimensional.
📐 Proyección y cálculo de vectores unitarios en dos dimensiones
En el segundo párrafo, se profundiza en el cálculo de la rotación de vectores unitarios en dos dimensiones. Se describe el proceso de proyección de estos vectores unitarios sobre los ejes de un sistema de coordenadas de referencia, utilizando funciones trigonométricas como el coseno y el seno para determinar las componentes de los vectores unitarios tras la rotación. Se calculan las componentes de los vectores unitarios 'i' y 'j' de un sistema de coordenadas rotado con respecto al sistema original, empleando el ángulo de rotación 'teta'.
🔍 Detallando la construcción de la matriz de rotación
El tercer párrafo se enfoca en la construcción de la matriz de rotación a partir de las componentes proyectadas de los vectores unitarios. Se presentan las ecuaciones que definen la rotación del eje 'x' y 'y' del sistema de coordenadas rotado con respecto al sistema original. Se utiliza el concepto de proyección para encontrar las componentes de los vectores unitarios en los ejes de referencia y se resaltan los pasos para llegar a las fórmulas que definen la rotación de los ejes.
📘 Conclusión: La matriz de rotación en dos dimensiones
El último párrafo sintetiza la información presentada en los párrafos anteriores y concluye con la representación final de la matriz de rotación en dos dimensiones. Se reitera el proceso de sustitución de las componentes calculadas en las ecuaciones para formar la matriz de rotación. Se enfatiza que esta matriz describe cómo se ha rotado el sistema de coordenadas 'b' con respecto al sistema de coordenadas 'a', y se presenta la matriz en su forma final.
Mindmap
Keywords
💡Matriz de rotación
💡Sistema de coordenadas
💡Vector de posición
💡Tramas
💡Ángulo de rotación
💡Vector unitario
💡Producto punto
💡Proyección de vectores
💡Funciones trigonométricas
💡Matriz de rotación 2D
Highlights
Introducción al concepto de sistemas de coordenadas y referencias en dos y tres dimensiones.
Importancia de identificar sistemas de coordenadas con una letra para diferenciación.
Explicación de cómo localizar un punto en un sistema de coordenadas utilizando vectores de posición.
Descripción de la representación de vectores en términos de sus componentes y vectores unitarios.
Construcción de vectores de elementos a partir de la representación de vectores en espacio tridimensional.
Método para obtener la matriz de rotación en dos dimensiones.
Definición de la rotación de un sistema de coordenadas utilizando ángulos y vectores unitarios.
Proceso de proyección de vectores unitarios y su análisis trigonométrico para obtener componentes.
Cálculo de la componente en x del vector unitario y utilizando la función coseno.
Determinación de la componente en y del vector unitario utilizando la función seno.
Formación de la matriz de rotación a partir de las componentes proyectadas del vector unitario.
Representación de la matriz de rotación en forma de columna para la rotación del eje x.
Análisis de la rotación del eje y en relación con el eje x y su representación en la matriz.
Integración de las ecuaciones de proyección en la matriz de rotación para completar el modelo.
Conclusión del proceso de creación de la matriz de rotación en dos dimensiones.
Transcripts
saludos a todos y bienvenidos en esta
ocasión vamos a ver cómo se conforma una
matriz de rotación en dos dimensiones
antes de comenzar vamos a definir
algunas cosas cuando nosotros vamos a
trabajar en un sistema de coordenadas o
un sistema de referencia a este
generalmente se le va a asociar una
letra ya que vamos a estar trabajando
con diversos sistemas diversas tramas
entonces tenemos que identificarlos por
medio de una letra por lo tanto este
sistema de coordenadas lo voy a nombrar
con la letra a y generalmente nuestro
sistema de coordenadas va a estar dentro
de llaves bien si nombramos sistema de
coordenadas el sistema de referencia o
bien una trama nos estamos refiriendo a
lo mismo a un sistema el cual contenga
xy o bien x y y ceta es el espacio en
donde vamos a estar trabajando cuando
nosotros necesitamos localizar un punto
en este espacio lo podemos localizar de
la siguiente manera en donde tendríamos
un punto y este punto simplemente
tendría coordenadas en x y coordenadas
en ye si nosotros lo que haremos
a una trama para trabajar con este punto
entonces lo vamos a relacionar por medio
de un vector posición este vector
posición generalmente va a ir desde el
origen de nuestro sistema de coordenadas
hasta nuestro punto por lo tanto aquí ya
tendríamos un vector y ahora sí estamos
relacionando este punto o esta
coordenada por medio de un vector
posición vamos a indicar nuestro punto y
vamos a colocar la trama a la cual está
haciendo referencia generalmente se
puede trabajar de esta manera sin
embargo en muchos textos la posición de
este súper índice puede estar del lado
derecho en esta ocasión para estos
ejemplos vamos a trabajarlo de esta
manera indicando que es p con respecto a
la trama o al sistema de coordenadas
y de la misma manera si tenemos por
ejemplo un sistema de referencia en tres
dimensiones un sistema de coordenadas en
tres dimensiones a este lo podemos
nombrar por ejemplo ve de esta manera y
nuevamente si nosotros queremos
localizar un punto en este espacio lo
podemos realizar por medio de un vector
de posición siempre desde el origen
hasta nuestra coordenada teniendo
nuestro punto p en este caso nosotros
vamos a indicar que este punto está con
respecto a la trama o al sistema b
recordemos que cuando nosotros estamos
ubicando un vector en un espacio éste lo
podemos representar por medio de sus
componentes es decir podemos indicar que
éste tiene componentes en x en y en z y
cada una de estas componentes estaría
relacionada con respecto a la trama
de la misma manera estarían acompañados
cada una de estas componentes con cada
uno de sus vectores unitarios para el
caso de x el vector unitario y para el
caso de y el vector unitario jota y para
el caso de z el vector unitario k una
vez que tenemos cada una de estas
componentes nosotros podemos conformar
nuestro vector posición con respecto a
la trama b por otra parte como vamos a
estar trabajando con matrices es
necesario conformar un vector de
elementos a partir de nuestra
representación por lo tanto para el caso
de tres dimensiones nosotros estaríamos
indicando que tenemos el vector p con
respecto a la trama b y éste va a ser
igual a la componente en x con respecto
a b la componente en ye y la componente
en zeta
por lo tanto este sería nuestro vector
posición con respecto a la trama b en el
caso de dos dimensiones pues nuevamente
tendríamos cada una de sus componentes
para el caso sería la componente en x
del del vector p con respecto a más la
componente n del vector p con respecto
aa y éstos acompañados por sus unitarios
y para x y j para ye representándolo por
medio de un vector de datos entonces
tendríamos que con respecto a
representado de la siguiente manera
en donde tendríamos para el caso de dos
dimensiones un vector de dos filas por
una columna y en el caso de tres
dimensiones tendríamos un vector de tres
filas por una columna ahora sí vamos a
obtener la matriz de rotación en dos
dimensiones
bien entonces vamos a obtener la matriz
de rotación en dos dimensiones para lo
cual ya tengo dibujado nuevamente una
nueva trama nombrada como para esto
vamos a tener una nueva trama esta trama
va a ser la trama b y esta trama va a
ser relativa con respecto a la trama es
decir en este caso la trama es nuestra
trama absoluta y la trama b es nuestra
relativa vamos a obtener las ecuaciones
que nos definen cómo ha girado o cómo ha
rotado esta trama ve con respecto a la
trama y vamos a formar nuestra matriz la
matriz que conforma cada uno de esos
elementos la cual nos indicaría la
rotación de be con respecto a para esto
vamos a trabajar con los vectores
unitarios recordemos que para cada trama
cada uno de los ejes cuenta con los
vectores unitarios en este caso en dos
dimensiones tendríamos para la trama a
el unitario y para xy el unitario j para
y correspondiente a la trama a y en el
caso de la trama b o el sistema de
coordenadas b tendríamos el unitario y
con respecto a b y j con respecto a b
como su nombre lo indica cada uno de
ellos tiene una magnitud igual a 1 y
bueno de la misma manera recordemos que
cuando tenemos alguna magnitud de algún
vector y lo multiplicamos por estos
vectores unitarios pues simplemente
tendríamos el sentido de ese vector bien
ahora vamos a encontrar la rotación de v
con respecto a y si nosotros estamos
girando la trama ve que inicialmente
estaba en la misma posición que la trama
podemos indicar que ésta ha girado un
ángulo de teta grados este ángulo que se
encuentra desfasado aquí también se
encuentra aquí por lo tanto aquí también
tenemos tk grados bien vamos a
representar cómo se encuentra esta
matriz e indicamos que es una matriz de
rotación generalmente con la letra r y
sería la matriz de rotación b con
respecto a la trama a ésta estaría
conformada por una rotación del vector
unitario y de b es decir estaríamos
buscando o estaríamos definiendo cómo se
encuentra rotado este eje x y también
estaríamos encontrando cómo se giró este
eje y debe con respecto aa por lo tanto
como estamos trabajando con los
unitarios decimos que vamos a definir
cómo está rotado idv con respecto aa
éste sería el unitario y y también
tendríamos que definir cómo se encuentra
rotado jdb con respecto aa ahora
definamos cada una de estas ecuaciones
que nos indican la rotación de cada eje
por lo tanto para definir y debe con
respecto a lo que nosotros tenemos que
hacer es encontrar la proyección de este
vector unitario y con respecto a este
vector recordemos que la operación que
nos define la proyección de un vector
con respecto a otro nos lo proporciona
el producto punto entre dos vectores
pero en este momento como estamos
trabajando en dos dimensiones pues
simplemente lo que podemos hacer es
proyectar cada uno de estos vectores y
encontrar sus componentes por lo tanto
vamos a encontrar las componentes del
vector
y como se encuentra proyectado con
respecto aa así es que una vez
proyectado cada una de esas componentes
nosotros encontramos este triángulo
rectángulo en donde nosotros tendríamos
algo como esto que sería nuestro vector
la magnitud de nuestro unitario su
proyección en x y su proyección en ye y
este sería nuestro ángulo teta este
sería nuestro vector y debe la magnitud
de idv y aquí tendríamos la proyección
de idv en la parte x y también
tendríamos aquí su proyección de idv en
su componente en y por lo tanto vamos a
obtener cada una de ellas así es que
definiendo la proyección de idv con
respecto a tendríamos lo siguiente
tendríamos que y debe con respecto a
sería igual a la suma primero la parte
en x que sería y debe en x + y debe su
componente en g
así es que definiendo la componente y
deben xy la componente i deben y vamos a
utilizar las funciones trigonométricas
para encontrarlo por lo tanto nosotros
sabemos que si queremos localizar la
parte adyacente que es la parte que está
junto al ángulo vamos a utilizar la
función coseno de esta manera podemos
definir directamente que el coseno
escribiéndolo completo del ángulo que es
igual al cateto sobre la hipotenusa
ahora sustituyendo valores pues
simplemente sabemos que el coseno del
ángulo es igual al adyacente que es y
debe la componente en x y divx sobre la
hipotenusa la hipotenusa sabemos que es
el unitario y debe como nosotros
queremos saber el valor de itv que es la
componente en x es simplemente el
unitario y de b lo despejamos y quedaría
multiplicando al coseno por lo tanto la
componente i debe de x sería igual a idv
por el coste no de teta y bueno
simplemente como nosotros ya sabemos que
los unitarios cualquier unitario tiene
el valor de 1 pues simplemente esto
sería igual a 1 lo que finalmente nos
daría como resultado la componente idv
en x que sería igual al coseno de teta
esto sería el proceso completo que se va
realizando y nuevamente para encontrar
en este caso a la componente de y sé que
tengo que utilizar la función seno ya
que es el cateto opuesto nuevamente voy
a escribir la función completa e ir
sustituyendo y
así es que tengo el seno del ángulo que
esto va a ser igual al opuesto sobre la
hipotenusa sustituyendo los valores de
acuerdo a esto yo tengo el seno de teta
que es mi ángulo y esto va a ser igual
al opuesto que es la componente y debe
ser ya y debe y sobre la hipotenusa que
es el unitario y debe nuevamente pues
aquí despejamos y debe ya que
necesitamos la componente de idv y así
es que nos quedaría de la siguiente
manera y de beni y esto sería igual a el
unitario y debe x el seno del ángulo y
nuevamente recordemos que cualquier
unitario vale 1 esto vale 1 así es que
finalmente tenemos un y debe en yale la
componente en jake sería igual al seno
de que está bien en esta ocasión como es
la primera ocasión que se está
realizando esto luego quise realizar
desde el inicio para recordar como
encontramos cada una de las componentes
de un vector así es que una vez ya
obtenido cada una de esas componentes lo
podemos sustituir directamente en
nuestra ecuación y obtener como está
proyectado y debe con respecto a es
decir cómo está proyectado el eje x de
la trama b con respecto
x de la trama así es que sustituyendo
cada uno de estos valores puedo decir
que y debe con respecto a es igual a idv
en x que es justamente el coche no
detecta más y debe en la componente que
es el seno de t por lo tanto tengo más
el seno de teta bien y aquí yo tengo ya
mi primera actuación y con esto ya
encontramos cómo se encuentra ha rotado
el eje x con respecto a la trama y ahora
de la misma manera vamos a encontrar
cómo se encuentra proyectado el eje y
con respecto a la parte en x de la trama
y con respecto al eje de la trama
para esto nuevamente realizó la
proyección de este vector en cada uno de
los ejes para obtener cada uno de los
componentes y nuevamente de esto obtengo
este pequeño triángulo rectángulo en
donde tendría la hipotenusa y sus
catetos este sería mi ángulo teta de
esto yo sé que la hipotenusa sería el
unitario jdb por lo tanto a esto yo lo
puedo nombrar como j debe su componente
en x jdb su componente en y así es que
bien nuevamente ahora yo voy a encontrar
cómo se encuentra la proyección del
unitario j debe con respecto aa para
esto yo indicó que j debe con respecto
aa va a ser igual a la suma de sus
componentes lo que sería j debe la
componente en x + j debe en su
componente en que nuevamente realizando
un análisis trigonométrico de los
catetos que yo tengo aquí y ya
realizando lo de una forma un poco más
directa y más rápida yo sé que jdb en x
va a ser ahora el opuesto por lo tanto
voy a utilizar la función seno y como la
hipoteca vale 1 por lo tanto yo sé que
jbn x simplemente sería el seno de teta
como esta componente se encuentra en la
parte negativa del eje x agregó el signo
menos de la misma manera ahora voy a
encontrar jdb su componente en ye y
nuevamente yo sé que jota debe que es la
componente en yes el cateto adyacente
por lo tanto voy a utilizar la función
coseno tal y como lo hicimos aquí
despejando y como el unitario vale 1
pues simplemente yo sé que esto sería
igual al coste no de teta así es que
sustituyendo estos valores directamente
en esta expresión tendría que jdb con
respecto aa esto sería igual a menos el
seno de teta más el coseno de teta de
aquí yo tengo estas dos ecuaciones en
donde cada una de estas dos ecuaciones
las voy a sustituir directamente en esta
expresión que es mi matriz de rotación
recordemos que esta matriz me va a
definir cómo se encuentra rota da mi
trama ve con respecto a y para esto ya
sé cómo se encuentra ha rotado
xd ve con respecto a x de la idea y
también ya tengo cómo se encuentra ha
rotado el eje y debe con respecto a x de
ahí y con respecto a idea por lo tanto
voy a sustituir estos valores en esta
matriz primero tomando estas dos
ecuaciones y reescribiendo las aquí ya
como mis resultados obtenidos tendría yo
la primera ecuación que es y debe con
respecto a que sería igual al coche no
detecta más el seno de teta y la segunda
que sería jdb con respecto aa que sería
igual a menos el seno de teta más el
coseno dt está bien estas son mis dos
ecuaciones y ahora sí voy a formar mi
matriz de rotación la matriz de rotación
debe con respecto a queda de la
siguiente manera primero tengo que
sustituir y debe con respecto a lo cual
es la primera ecuación recordemos que
esta ecuación se representa en forma de
columna por lo tanto tendría primero
jose no detecta posteriormente tendría
el seno de eta esta fue la primera
ecuación ahora sustituyendo la segunda
ecuación en esta segunda posición de la
misma manera tendría el primero el menos
seno de teta y posteriormente tendría el
coseno dt está bien esto es lo que me
representa cómo se encuentra rota da la
matriz b con respecto a esta es nuestra
primera matriz de rotación en dos
dimensiones y bien por este vídeo ha
sido todo hasta luego
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