Dalam matematika, Kuaternion adalah perluasan dari bilangan-bilangan kompleks yang tidak komutatif, dan diterapkan dalam mekanika tiga dimensi. Kuaternion ditemukan oleh ahli matematika dan astronomi Inggris, William Rowan Hamilton, yang memperpanjang aritmetika kompleks nomor ke kuaternion.
Segera setelah itu penemuan Hamilton, matematikawan JermanHermann Grassmann mulai menyelidiki vektor. Meskipun karakter abstrak, fisikawan Amerika JW Gibbs diakui dalam aljabar vektor sistem utilitas besar bagi fisikawan, seperti Hamilton mengakui kegunaan kuaternion. Pengaruh luas dari pendekatan abstrak yang dipimpin George Boole untuk menulis Hukum Thought (1854), perawatan aljabar dasar logika.
Sebagai himpunan, kuaternion, berlambang H, sama dengan R4 yang merupakan ruang vektor bilangan riil empat dimensi. H memiliki tiga macam operasi: pertambahan, perkalian skalar dan perkalian kuaternion. Elemen-elemen kuaternion ditandakan sebagai 1, i, j dan k (i, j dan k adalah komponen imaginer), dan dapat ditulis sebagai kombinasi linear, a + bi + cj + dk (a, b, c, dan d adalah bilangan riil).
Kuaternion bisa dituliskan sebagai di mana adalah vektor 3 bilangan imaginer, .
Perkalian elemen dasar
sunting
Persamaan elemen kuaternion i, j, dan k adalah:
Karena
jika dua sisi dikalikan dengan k, maka
Persamaan-persamaan yang lainnya juga bisa didapatkan dengan tahap aljabar:
Persamaan-persamaan ini lalu bisa ditampilkan dengan tabel di bawah ini:
Perkalian kuaternion
×
1
i
j
k
1
1
i
j
k
i
i
−1
k
−j
j
j
−k
−1
i
k
k
j
−i
−1
Pertambahan
sunting
Pengurangan
sunting
Perkalian
sunting
Bila kuaternion dituliskan dengan bentuk , maka:
Pembagian
sunting
di mana
Konjugat
sunting
Suatu kuaternion p = a + bi + cj + dk memiliki konjugat p*, dan didapatkan dengan rumus berikut:
Persamaan-persamaan konjugasi kuaternion adalah:
Satuan
sunting
Dengan fungsi Norma , bila , maka:
di mana
Bentuk matriks
sunting
Kuaternion, seperti bilangan kompleks, bisa ditulis dalam bentuk matriks, yaitu matriks kompleks 2x2 atau matriks riil 4x4.
Bentuk matriks kompleks 2x2 untuk kuaternion a + bi + cj + dk adalah:
Bentuk matriks riil 4x4 untuk kuaternion a + bi + cj + dk adalah:
Selain itu juga terdapat bentuk matriks 3x3 yang digunakan dalam grafika komputer. Berikut adalah bentuk matriks kolom-utama (column-major) yang digunakan di OpenGL. (Matriks baris-utama (row-major) yang digunakan di DirectX sama dengan transposa matriks kolom-utama)
Fungsi
sunting
Norma
sunting
Dan juga,
Kebalikan
sunting
Dan juga,
Pemilihan riil
sunting
Meskipun tertetap sangat sederhana, fungsi yang hasilnya adalah bagiannya bilangan riil kuaternion ini memiliki kegunaannya tersendiri.
Dan juga,
Skalar
sunting
Dari kuaternion
Maka:
Signum
sunting
Argumen
sunting
Pangkat dan Logaritma
sunting
Fungsi ekponensial:
Logaritma natural:
Pangkat:
Trigonometri
sunting
Fungsi trigonometris
sunting
Fungsi hiperbolik
sunting
Fungsi hiperbolik invers
sunting
Satuan
sunting
Kuaternion satuan:
Pangkat
sunting
Logaritma
sunting
Kalkulus
sunting
Penerapan
sunting
Rotasi vektor grafika 3D
sunting
Fungsi rotasi vektor dapat menggunakan operasi kuaternion daripada operasi matriks riil 4x4, dengan rumus:
di mana
dan A adalah posisi benda yang dirotasikan, v adalah vektor poros rotasi, dan α adalah sudut rotasi berlawanan arah jarum jam.
Finkelstein, David, Josef M. Jauch, Samuel Schiminovich, and David Speiser (1962), "Foundations of quaternion quantum mechanics". J. Mathematical Phys. 3, pp. 207–220, MathSciNet.
Du Val, Patrick (1964), "Homographies, quaternions, and rotations". Oxford, Clarendon Press (Oxford mathematical monographs). LCCN 64056979 //r81
Crowe, Michael J. (1967), A History of Vector Analysis: The Evolution of the Idea of a Vectorial System, University of Notre Dame Press. Surveys the major and minor vector systems of the 19th century (Hamilton, Möbius, Bellavitis, Clifford, Grassmann, Tait, Peirce, Maxwell, Macfarlane, MacAuley, Gibbs, Heaviside).
Altmann, Simon L. (1986), "Rotations, quaternions, and double groups". Oxford [Oxfordshire]: Clarendon Press ; New York: Oxford University Press. LCCN 85013615 ISBN 0-19-855372-2
Altmann, Simon L. (1989), "Hamilton, Rodrigues, and the Quaternion Scandal". Mathematics Magazine. Vol. 62, No. 5. p. 291–308, Dec. 1989.
Adler, Stephen L. (1995), "Quaternionic quantum mechanics and quantum fields". New York: Oxford University Press. International series of monographs on physics (Oxford, England) 88. LCCN 94006306 ISBN 0-19-506643-X
Ward, J. P. (1997), "Quaternions and Cayley Numbers: Algebra and Applications", Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-7923-4513-4
Kantor, I. L. and Solodnikov, A. S. (1989), "Hypercomplex numbers, an elementary introduction to algebras", Springer-Verlag, New York, ISBN 0-387-96980-2
Gürlebeck, Klaus and Sprössig, Wolfgang (1997), "Quaternionic and Clifford calculus for physicists and engineers". Chichester ; New York: Wiley (Mathematical methods in practice; v. 1). LCCN 98169958 ISBN 0-471-96200-7
Kuipers, Jack (2002), "Quaternions and Rotation Sequences: A Primer With Applications to Orbits, Aerospace, and Virtual Reality" (reprint edition), Princeton University Press. ISBN 0-691-10298-8
Vince, John A. (2008), Geometric Algebra for Computer Graphics, Springer, ISBN 978-1-84628-996-5.
For molecules that can be regarded as classical rigid bodies molecular dynamics computer simulation employs quaternions. They were first introduced for this purpose by D.J. Evans, (1977), "On the Representation of Orientation Space", Mol. Phys., vol 34, p 317.