background image

Olsztyn, 27th May, 2013 

University of Warmia and Mazury in Olsztyn 
Faculty of Geodesy and Land Management 
Department of Satellite Geodesy and Navigation 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ESSAY 

Elementary rotation matrices in 3D space. 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Daria Bruniecka 

Geodesy and Satellite Navigation  

1st year M.Sc. studies 

 
 
 
 
 
 

background image

Elementary rotation matrices in 3D space 

a.  Generated by modulo function 
b.  Prove that and check relation 

( ) =

( ) =

(− ); = , ,  

 

The elementary 3D rotation matrices are constructed to perform rotations individually about 
the three coordinate axes.

  

 
Rotation about 

z-axis

 (x, y, z = 1,2,3)  

'

'

 

Z = Z’ 

- the angle of elementary rotation about z-axis 

 
 
 

 

From Oxyz to Ox’y’z’ we have R

3

 (+

From Ox’y’z’ to Oxyz we have R

3

 (-

 

From above figure we have: 

z

z

y

x

'

'

sin

'

'

cos

'

     

'

sin

cos

z

z

y

x

 

We calculate: 

sin

cos

sin

sin

cos

cos

)

sin

sin

cos

(cos

)

cos(

'

cos

'

y

x

x

 
Therefore: 

0

sin

cos

'

z

y

x

x

 

sin

cos

cos

sin

)

sin

cos

cos

(sin

)

sin(

'

sin

'

y

 

0

cos

sin

'

z

y

x

y

 

And 

1

0

0

'

z

y

x

z

 

From the point of view of matrix calculations we have: 

1

0

0

0

cos

sin

0

sin

cos

)

(

3

R

 

- for polar distances 

- for polar angles 

background image

Analogical considerations give us: 
Rotation about 

x-axis

 (x, y, z = 1,2,3)  

 

'

'

 

X = X’ 

- the angle of elementary rotation about x-axis 

 

 

From Oxyz to Ox’y’z’ we have R

1

 (+

From Ox’y’z’ to Oxyz we have R

1

 (-

 

From above figure we have: 

'

sin

'

'

cos

'

'

z

y

x

x

            

sin

cos

'

z

y

x

x

 

We calculate: 

sin

sin

cos

cos

sin

sin

cos

cos

)

cos(

'

cos

'

y

 

Therefore: 

sin

cos

0

'

z

y

x

y

 

And 

cos

sin

0

'

sin

cos

cos

sin

)

sin

cos

cos

(sin

)

sin(

'

sin

'

z

y

x

z

z

0

0

1

'

z

y

x

x

 

The elementary rotation about x: 

cos

sin

0

sin

cos

0

0

0

1

)

(

1

R

 

 
 
 
 
 
 
 

- for polar distances 

- for polar angles 

background image

Analogical considerations give us: 
Rotation about 

y-axis

 (x, y, z = 1,2,3)  

 

'

'

 

Y = Y’ 

- the angle of elementary rotation about y-axis 

 

From Oxyz to Ox’y’z’ we have R

1

 (+

From Ox’y’z’ to Oxyz we have R

1

 (-

From above figure we have: 

'

cos

'

'

'

sin

'

z

y

y

x

         

cos

'

sin

z

y

y

x

 

We calculate:

sin

0

cos

'

sin

cos

cos

sin

sin

cos

cos

sin

)

sin(

'

sin

'

z

y

x

x

x

 

cos

0

sin

'

sin

sin

cos

cos

)

sin

sin

cos

(cos

)

cos(

'

cos

'

z

y

x

z

z

 

And:  

0

1

0

'

z

y

x

y

 

The elementary rotation about y: 

cos

0

sin

0

1

0

sin

0

cos

)

(

2

R

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- for polar distances 

- for polar angles 

background image

Elementary rotation matrices in 3D space 

a)  Generated by modulo function 

 

Common looking on elementary rotations: 
Subroutine: (i, α, A

3x3

); 

 i = 1, 2, 3 = x, y, z    

 

 
 
MOD(A,P) computes the remainder of the division of A by P 
 
j = mod(i, 3) + 1 
k = mod(j, 3) + 1 

( , ) = −

 , ∈

 

For i -th row 
A (i,i)=1 

 

A(i,j)=0  

 

A(i,k)=0 

For j -th row 
A (j,i)=0 

 

A(j,j)= 

cos

   

A(j,k)= 

sin

 

For k-th row  
A(k,i)=0 

 

A(k,j)= -A(j,k)   

A(k,k)=A(j,j) 

 

1)  for x-azis: 

 
i = 1 
j = mod (1,3) + 1 = 2 
k = mod (2,3) +1 = 3 
 
For 1

st

 (i) row: 

0

)

3

,

1

(

)

,

(

0

)

2

,

1

(

)

,

(

1

)

1

,

1

(

)

,

(

A

k

i

A

A

j

i

A

A

i

i

A

          

 
For 2

nd

 (j) row: 

sin

)

3

,

2

(

)

,

(

cos

)

2

,

2

(

)

,

(

0

)

1

,

2

(

)

,

(

A

k

j

A

A

j

j

A

A

i

j

A

      

 
For 3

rd

 (k) row: 

cos

)

2

,

2

(

)

3

,

3

(

)

,

(

)

,

(

sin

)

3

,

2

(

)

2

,

3

(

)

,

(

)

,

(

0

)

1

,

3

(

)

,

(

A

A

j

j

A

k

k

A

A

A

k

j

A

j

k

A

A

i

k

A

       

 

cos

sin

0

sin

cos

0

0

0

1

)

(

1

R

 

 
 
 
 
 

given (input)

 

output 

background image

2)  for y-azis: 

i = 2 
j = mod (2,3) + 1 = 3 
k = mod (3,3) +1 = 1 
 
For 1

st

 (k) row: 

sin

)

1

,

3

(

)

3

,

1

(

)

,

(

)

,

(

0

)

2

,

1

(

)

,

(

cos

)

3

,

3

(

)

1

,

1

(

)

,

(

)

,

(

A

A

k

j

A

j

k

A

A

i

k

A

A

A

j

j

A

k

k

A

         

 
For 2

nd

 (i) row: 

0

)

3

,

2

(

)

,

(

1

)

2

,

2

(

)

,

(

0

)

1

,

2

(

)

,

(

A

j

i

A

A

i

i

A

A

k

i

A

            

 
For 3

rd

 (j) row: 

cos

)

3

,

3

(

)

,

(

0

)

2

,

3

(

)

,

(

sin

)

1

,

3

(

)

,

(

A

j

j

A

A

i

j

A

A

k

j

A

         

cos

0

sin

0

1

0

sin

0

cos

)

(

2

R

 

3)  for z-azis: 

i = 3 
j = mod (3,3) + 1 = 1 
k = mod (1,3) +1 = 2 
 
For 1

st

 (j) row: 

0

)

3

,

1

(

)

,

(

sin

)

2

,

1

(

)

,

(

cos

)

1

,

1

(

)

,

(

A

i

j

A

A

k

j

A

A

j

j

A

     

 
For 2

nd

 (k) row:       

0

)

3

,

2

(

)

,

(

cos

)

1

,

1

(

)

2

,

2

(

)

,

(

)

,

(

sin

)

2

,

1

(

)

1

,

2

(

)

,

(

)

,

(

A

i

k

A

A

A

j

j

A

k

k

A

A

A

k

j

A

j

k

A

 

 
For 3

rd

 (i) row: 

1

)

3

,

3

(

)

,

(

0

)

2

,

3

(

)

,

(

0

)

1

,

3

(

)

,

(

A

i

i

A

A

k

i

A

A

j

i

A

         

 

1

0

0

0

cos

sin

0

sin

cos

)

(

3

R

 

background image

Elementary rotation matrices in 3D space  

b)  Prove that and check relation 

( ) =

( ) =

(− ); = , ,  

For i=1, x-axis: 

R

1

(+β)=

1

0

0

0
0 −

 

The inverse matrix: 

( ) =

1

det

( )

 

det R

1

(+β) - determinant of a matrix 

M - matrix of cofactors  

det R

1

(+β)= 

1

0

0

0
0 −

= cos

2

β+ sin

2

β=1 

M

11

=

(−1)

= cos

2

β+ sin

2

β=1     M

12

=

(−1)

0
0

=0   M

13

=

(−1)

0
0 −

=0 

M

21

=

(−1)

3

0

0

=0                  M

22

= (−1)

4

1

0

0

=cos     M

23

=

(−1)

5

1

0

0 −

=sinβ 

M

31

=

(−1)

0

0

=0                M

32

=

(−1)

5

1

0

0

= −sinβ      M

33

=

(−1)

1

0

0

=cosβ 

M=

1

0

0

0
0 −

 

The inverse matrix is as follows:

( ) =

1

det

( )

=

1

0

0

0

0

 

Transposed matrix is as follows: 

( ) = 

1

0

0

0

0

 

It is known that:  

sin(− ) = − sin( )   and 

 

cos(− ) = cos ( ) 

So: 

(− ) =

1

0

0

0

0

 

To sum up the proof: 

( ) =

( ) =

(− ) 

background image

For i=2, y-axis: 

R

2

(γ)=

0 −

0

1

0

0

 

det R

2

(γ)=

0 −

0

1

0

0

= cos

2

γ+ sin

2

γ=1 

M

11

=

1

0

0

= cosγ                           M

12

=

0

0

=0                         M

13

=

0

1
0

= −

 

M

21

=

0 −
0

=0                               M

22

=

= 1                           M

23

=

0
0

=0 

M

31

=

0

1

0

=sinγ                         M

32

=

0

0

=0                            M

33

=

0

0

1

=cosγ 

M=

0 −

0

1

0

0

 

( ) =

1

det

( )

=

0

0

1

0

0

 

( ) =

0

0

1

0

0

 

(− ) = 

0

0

1

0

0

 

To sum up the proof: 

( ) =

( ) =

(− ) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

For i=3, z-axis: 

R

3

(α)=

0

0

0

0

1

 

Det R

3

(

)= 

0

0

0

0

1

= cos

2

α+ sin

2

α=1 

M

11

=

0

0

1

= cosα                          M

12

=(-1)

3

0

0

1

=

              M

13

=

0

0

=0 

M

21

=(-1)

3

0

0

1

= −

              M

22

=

0

0

1

=cos                           M

23

=

0

0

=0 

M

31

=

0
0

=0                                 M

32

=

0

0

=0                             M

33

=

= 1 

M=

0

0

0

0

1

 

( ) =

1

det

( )

=

0
0

0

0

1

 

( ) =

0
0

0

0

1

 

(− ) = 

0
0

0

0

1

 

To sum up the proof: 

( ) =

( ) =

(− )