deixei $\mathbf a$ e $\mathbf b$ser vetores 3D. Encontre um $3\times3$ matriz $\mathbf R$ de tal modo que $\mathbf {Ra} = \mathbf a_{\bot \mathbf b}$.

Question

Olá, como o título diz, estou tentando encontrar isso.

deixei $\mathbf a$ e $\mathbf b$ser vetores 3D. Encontre um$3\times3$ matriz $\mathbf R$ de tal modo que $\mathbf {Ra} = \mathbf a_{\bot \mathbf b}$.

de acordo com meus exercícios, a resposta é

$$ R = \frac{1}{b^2} \begin{bmatrix} b^2_y+b^2_z & -b_xb_y & -b_xb_z \\ -b_xb_y & b^2_x+b^2_z & -b_yb_z \\ -b_xb_z & -b_yb_z & b^2_x+b^2_y \\ \end{bmatrix} $$

Não consegui chegar a esta solução e consegui ir tão longe quanto

$$ a_{\bot b} = a - a_{||b} = a - \frac{a\cdot b}{b^2}b $$ e eu posso substituir $ a_{||b} $ por sua expressão como um produto de matriz $$ a_{||b} = \frac{1}{b^2}bb^{\mathrm T}a $$ e este é um produto externo, então se torna $$a_{\bot b} = \frac{1}{b^2}\begin{bmatrix} b^2_x & b_xb_y & b_xb_z \\ b_xb_y & b^2_y & b_yb_z \\ b_xb_z & b_yb_z & b^2_z+b^2_y \\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \\ \end{bmatrix}$$

a partir disso eu posso obter $$ Ra = a - \frac{1}{b^2}\begin{bmatrix} b^2_x & b_xb_y & b_xb_z \\ b_xb_y & b^2_y & b_yb_z \\ b_xb_z & b_yb_z & b^2_z+b^2_y \\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} a_x \\ a_y \\ a_z \\ \end{bmatrix} $$ Isso é o máximo que consegui chegar e não tenho certeza dos passos necessários para levar a última equação à primeira.

Obrigado por qualquer insight que alguém possa fornecer.

Answer 1

As últimas etapas serão $$ \begin{align*} Ra &= a - \frac{1}{b^2}\begin{bmatrix}b_x^2 & b_xb_y & b_xb_z\\ b_xb_y & b_y^2 & b_yb_z\\ b_xb_z & b_yb_z & b_z^2\end{bmatrix}a\\ &= \frac{1}{b^2}\Bigg(b^2I - \begin{bmatrix}b_x^2 & b_xb_y & b_xb_z\\ b_xb_y & b_y^2 & b_yb_z\\ b_xb_z & b_yb_z & b_z^2\end{bmatrix}\Bigg)a \\ \end{align*}$$ Notar que $b^2 = b_x^2 + b_y^2 + b_z^2$. então$$\begin{align*} Ra &= \frac{1}{b^2}\Bigg(\begin{bmatrix}b_x^2 + b_y^2 + b_z^2& 0 & 0\\ 0 & b_x^2 + b_y^2 + b_z^2 & 0\\ 0 & 0 & b_x^2 + b_y^2 + b_z^2\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}b_x^2 & b_xb_y & b_xb_z\\ b_xb_y & b_y^2 & b_yb_z\\ b_xb_z & b_yb_z & b_z^2\end{bmatrix}\Bigg)a \\ &= \frac{1}{b^2}\begin{bmatrix}b_y^2 + b_z^2 & -b_xb_y & -b_xb_z\\ -b_xb_y & b_x^2 + b_z^2 & -b_yb_z\\ -b_xb_z & -b_yb_z & b_x^2 + b_y^2\end{bmatrix}a\end{align*} $$ Conseqüentemente $$ R = \frac{1}{b^2}\begin{bmatrix}b_y^2 + b_z^2 & -b_xb_y & -b_xb_z\\ -b_xb_y & b_x^2 + b_z^2 & -b_yb_z\\ -b_xb_z & -b_yb_z & b_x^2 + b_y^2\end{bmatrix}$$