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每日一道JAVA算法题:四元数计算

我迷了鹿coding 206

前言:

如今兄弟们对“java中如何求一个数的n次方”都比较注意,你们都需要了解一些“java中如何求一个数的n次方”的相关文章。那么小编同时在网摘上搜集了一些关于“java中如何求一个数的n次方””的相关知识,希望小伙伴们能喜欢,各位老铁们一起来学习一下吧!

题目描述:

四元数是一种用来表示旋转的数学工具,它的基本定义为:$q = w + xi + yj + zk$,其中 $w, x, y, z$ 都是实数,而 $i, j, k$ 则是虚数单位,它们满足如下关系:

$$i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1$$

四元数可以表示为一个实部和一个向量的乘积:$q = w + \mathbf{v}$,其中 $\mathbf{v} = xi + yj + zk$ 是一个三维向量。旋转可以通过四元数乘法实现,假设有两个四元数 $p$ 和 $q$,它们的乘积定义为:

$$pq = (w_p w_q - \mathbf{v}_p\cdot\mathbf{v}_q, w_p\mathbf{v}_q + w_q\mathbf{v}_p + \mathbf{v}_p\times\mathbf{v}_q)$$

其中 $\cdot$ 表示向量点积,$\times$ 表示向量叉积。例如,对于四元数 $p = 1 + i + 2j + 3k$ 和 $q = 4 + 5i + 6j + 7k$,它们的乘积为:

$$pq = (-44 + 22i + 48j + 22k)$$

现在给定一个初始四元数 $q_0$ 和一组旋转四元数 $q_1, q_2, \dots, q_n$,请编写一个程序计算最终旋转后的四元数 $q_{final}$,其中:

$$q_{final} = q_n q_{n-1} \cdots q_2 q_1 q_0$$

你可以使用任何你觉得合适的数据结构和算法实现。

输入:

初始四元数 $q_0$ 的实部和向量部分的值旋转四元数 $q_1, q_2, \dots, q_n$ 的实部和向量部分的值

输出:

最终旋转后的四元数 $q_{final}$ 的实部和向量部分的值

示例:

输入:

q0 = (1, 0, 0, 0)q1 = (0.5, 0.5, 0.5, 0.5)q2 = (0.5, -0.5, -0.5, 0.5)q3 = (0.5, -0.5, 0.5, -0.5)q4 = (0.5, 0.5, -0.5, -0.5)

输出:

qfinal = (-0.5, -0.5, -0.5, -0.5)

说明:初始四元数为 $(1, 0, 0, 0)$,依次输入 $n$ 个旋转四元数,将它们依次乘到初始四元数上,最终得到的四元数就是旋转后的四元数。其中,四元数的乘法满足如下公式:

$$(w_1, x_1, y_1, z_1) \times (w_2, x_2, y_2, z_2) = (w_1 w_2 - x_1 x_2 - y_1 y_2 - z_1 z_2, w_1 x_2 + x_1 w_2 + y_1 z_2 - z_1 y_2, w_1 y_2 - x_1 z_2 + y_1 w_2 + z_1 x_2, w_1 z_2 + x_1 y_2 - y_1 x_2 + z_1 w_2)$$

其中,$(w, x, y, z)$ 表示一个四元数,$w$ 是实部,$(x, y, z)$ 是向量部分。

因此,我们可以通过定义一个 QuaternionRotation 类来表示四元数,并实现乘法和旋转的操作。具体代码如下:

import java.util.*;public class Quaternion {    private double w, x, y, z;    public Quaternion(double w, double x, double y, double z) {        this.w = w;        this.x = x;        this.y = y;        this.z = z;    }    public Quaternion multiply(Quaternion q) {        double w1 = w * q.w - x * q.x - y * q.y - z * q.z;        double x1 = w * q.x + x * q.w + y * q.z - z * q.y;        double y1 = w * q.y - x * q.z + y * q.w + z * q.x;        double z1 = w * q.z + x * q.y - y * q.x + z * q.w;        return new Quaternion(w1, x1, y1, z1);    }    public static void main(String[] args) {        Scanner scanner = new Scanner(System.in);        // 读取初始四元数        System.out.print("请输入初始四元数的实部和向量部分:");        double w0 = scanner.nextDouble();        double x0 = scanner.nextDouble();        double y0 = scanner.nextDouble();        double z0 = scanner.nextDouble();        Quaternion q0 = new Quaternion(w0, x0, y0, z0);        // 读取旋转四元数        System.out.print("请输入旋转四元数的个数:");        int n = scanner.nextInt();        Quaternion q = q0;        for (int i = 0; i < n; i++) {            System.out.print("请输入第" + (i+1) + "个旋转四元数的实部和向量部分:");            double w = scanner.nextDouble();            double x = scanner.nextDouble();            double y = scanner.nextDouble();            double z = scanner.nextDouble();            Quaternion q1 = new Quaternion(w, x, y, z);            q = q.multiply(q1);        }        // 输出最终旋转后的四元数        System.out.println("最终旋转后的四元数为:" + q.toString());    }    @Override    public String toString() {        return String.format("(%.2f, %.2f, %.2f, %.2f)", w, x, y, z);    }}

这段代码中,我们首先定义了一个名为 Quaternion 的类,它表示一个四元数,其中包含四个成员变量 w、x、y、z,分别表示四元数的实部和向量部分。

在 Quaternion 类中,我们定义了一个 multiply 方法,用于实现四元数乘法。它接受一个参数 q,表示要乘的另一个四元数,返回一个新的四元数,表示乘积。

在 main 方法中,我们首先读取初始四元数 q0,然后读取旋转四元数的个数 n,并依次读取 n 个旋转四元数,并将它们依次与初始四元数相乘,得到最终旋转后的四元数。

最后,我们使用 toString 方法将最终旋转后的四元数输出到控制台。

下面是一些示例输入和输出:

示例1:

输入:

输出:

示例2:

输入:

输出:

示例3:

输入:

输出:

这个算法题的解法并不是很复杂,但是需要一定的数学基础和理解。如果你想要深入了解四元数及其在计算机图形学中的应用,可以参考相关的教材和资料。

标签: #java中如何求一个数的n次方