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所以假设你有一个由
给出的粒子系统pos = [x1, y1, z1,
x2, y2, z2,
.
.
xn, yn , zn]
我想旋转系统,使第一个粒子移动到原点,即 x1 = 0 , y1 =0 , z1=0,第二个粒子移动到 z 轴,即新坐标 x2 = 0, y2 = 0, z2 = new z2, 最后第三个粒子移动到yz平面,即x3=0, y3 = new y3, z3 = new z3。重要的是所有粒子之间的距离必须保持不变。
我尝试使用 Givens Rotation用于将我上面指定的坐标归零,但此方法会改变粒子之间的距离。我正在用 Fortran 90 编码。
添加:这是一个我称之为约束的子程序。我尝试通过构建一些旋转矩阵来旋转系统,如上所述。正如预期的那样,我得到了我想要的零。但是当我在调用约束后测量粒子之间的距离时,它们与调用它之前不一样(实际上我所做的是我计算系统的能量,它在平移和旋转下是不变的,因为它只取决于粒子分离)
SUBROUTINE constraint(pos)
REAL(KIND=dp), DIMENSION(np,3), INTENT(INOUT) :: pos
REAL(KIND=dp) :: r1, r2
REAL(KIND=dp), DIMENSION(3,3) :: rotMatrix
!------------------
! Translating the whole system so that the first particle at the origin
IF(pos(1,1) .NE. 0.0d0) THEN
pos(:,1) = pos(:,1) - pos(1,1)
END IF
IF(pos(1,2) .NE. 0.0d0) THEN
pos(:,2) = pos(:,2) - pos(1,2)
END IF
IF(pos(1,3) .NE. 0.0d0) THEN
pos(:,3) = pos(:,3) - pos(1,3)
END IF
! First rotation: Roates the whole system so that the second particle is on
! the z-axis
IF(pos(2,1) .NE. 0.0d0 .OR. pos(2,2) .NE. 0.0d0) THEN
r1 = NORM2(pos(2,:))
r2 = NORM2(pos(2,1:2))
r2 = r2*r2
rotMatrix(1,1) = ( pos(2,2)*pos(2,2) + ( pos(2,1) * pos(2,1) * pos(2,3) ) /r1 ) / r2
rotMatrix(1,2) = pos(2,1)* pos(2,2) * (-1.0d0 + pos(2,3)/r1) / r2
rotMatrix(1,3) = - pos(2,1) / r1
rotMatrix(2,1) = rotMatrix(1,2)
rotMatrix(2,2) = ( pos(2,1)*pos(2,1) + ( pos(2,2) * pos(2,2) * pos(2,3) ) /r1 ) / r2
rotMatrix(2,3) = - pos(2,2) / r1
rotMatrix(3,1) = pos(2,1) / r1
rotMatrix(3,2) = pos(2,2) / r1
rotMatrix(3,3) = pos(2,3) / r1
pos = MATMUL( pos, TRANSPOSE(rotMatrix) )
END IF
! Second rotation: Roates the whole system around the z-axis so that the
! third particle is on the zy-plane
! the z-axis
IF( pos(3,1) .NE. 0.0d0 ) THEN
r1 = NORM2(pos(3,1:2))
rotMatrix(1,1) = pos(3,2) / r1
rotMatrix(1,2) = - pos(3,1) / r1
rotMatrix(1,3) = 0.0d0
rotMatrix(2,1) = pos(3,1) / r1
rotMatrix(2,2) = - pos(3,2) / r1
rotMatrix(2,3) = 0.0d0
rotMatrix(3,1) = 0.0d0
rotMatrix(3,2) = 0.0d0
rotMatrix(3,3) = 1.0d0
pos = MATMUL( pos, TRANSPOSE(rotMatrix) )
END IF
END SUBROUTINE constraint
最佳答案
在我写答案时,您已经包含了您的代码,它似乎是基于刚体旋转的。因为我下面的代码也是基于刚体旋转的,所以就不详细解释了;所以请在必要时比较这两个代码(仅供引用,在我的例子中,我执行顺序 Rz -> Ry -> Rz 旋转,由欧拉角定义)。
program rotation
implicit none
integer, parameter :: N = 10, x=1, y=2, z=3
real, parameter :: pi = acos(-1.0)
real :: pos( 3, N ), alpha, beta, gamma, phi, ref( 3 ), rot(3,3)
integer i
!> Initial coordinates.
do i = 1, N
phi = 2.0 * pi / N * (i - 1)
pos( :, i ) = [ cos( phi ), sin( phi ), 0. ] &
* ( 3.0 + 2.0 * mod(i,2) ) * 0.55
enddo
pos(2,:) = pos(2,:) + 5.0
!> Translate the system such that pos(:,1) = 0.
ref(:) = pos( :, 1 )
do i = 1, N
pos( :, i ) = pos( :, i ) - ref(:)
enddo
!> Get the polar coordinates of pos(:, 2).
beta = acos( pos( z, 2 ) / norm2( pos(:, 2) ) ) !! in [0,pi]
alpha = atan2( pos( y, 2 ), pos( x, 2 ) ) !! in [-pi,pi]
!> Apply Rz( -alpha ).
pos = matmul( get_Rz( -alpha ), pos )
!> Apply Ry( -beta ).
pos = matmul( get_Ry( -beta ), pos )
!> Get the azimuthal angle of pos(:, 3).
gamma = atan2( pos( y, 3 ), pos( x, 3 ) )
!> Apply Rz( -gamma + pi/2 ).
pos = matmul( get_Rz( -gamma + pi/2 ), pos )
!> Result.
print *, "new coord:"
do i = 1, N
print "(3f10.5)", pos( :, i )
enddo
rot = matmul( get_Rz( -gamma + pi/2 ), &
matmul( get_Ry( -beta ), get_Rz( -alpha ) ) )
print *, "full rotational matrix (to be applied after translation):"
do i = 1, 3
print "(3f10.5)", rot( i, : )
enddo
contains
function get_Rz( ang ) result( R )
real :: ang, R(3,3)
R( 1, : ) = [ cos( ang ), -sin( ang ), 0. ]
R( 2, : ) = [ sin( ang ), cos( ang ), 0. ]
R( 3, : ) = [ 0., 0., 1. ]
endfunction
function get_Ry( ang ) result( R )
real :: ang, R(3,3)
R( 1, : ) = [ cos( ang ), 0., sin( ang ) ]
R( 2, : ) = [ 0., 1., 0. ]
R( 3, : ) = [ -sin( ang ), 0., cos( ang ) ]
endfunction
endprogram
编辑
根据笛卡尔坐标重写旋转矩阵给出
!> Apply Ry( -beta ) * Rz( -alpha ).
p(:) = pos( :, 2 )
r1 = norm2( p(:) )
L = norm2( p( 1:2 ) )
Lr = L * r1
rot( 1, : ) = [ p(z)*p(x) / Lr, p(z)*p(y) / Lr, - L / r1 ]
rot( 2, : ) = [ - p(y) / L, p(x) / L, 0. ]
rot( 3, : ) = [ p(x) / r1, p(y) / r1, p(z) / r1 ]
pos = matmul( rot, pos )
!> Apply Rz( -gamma + pi/2 ).
p(:) = pos( :, 3 )
L = norm2( p( 1:2 ) )
rot( 1, : ) = [ p(y) / L, p(x) / L, 0. ]
rot( 2, : ) = [ -p(x) / L, p(y) / L, 0. ]
rot( 3, : ) = [ 0., 0., 1. ]
pos = matmul( rot, pos )
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