構(gòu)建四元數(shù)對(duì)象

四元數(shù)是一個(gè)代數(shù)概念，通常用于描述旋轉(zhuǎn)，特別是在3D建模和游戲中有廣泛的應(yīng)用。

下面就一步一步演示此對(duì)象的創(chuàng)建方法，特別要關(guān)注雙下劃線開(kāi)始和結(jié)束的那些特殊方法。

這是首先定義了__init__初始化方法，通過(guò)這個(gè)方法，在創(chuàng)建實(shí)例時(shí)將 分別定義為實(shí)數(shù)。

>>> q1 = Quaternion(1, 2, 3, 4)>>> q1<__main__.Quaternion at 0x7f4210f483c8>

貌似一個(gè)四元數(shù)對(duì)象定義了。但是，它沒(méi)有友好的輸出。接下來(lái)可以通過(guò)定義__repr__和__str__，讓它對(duì)機(jī)器或者開(kāi)發(fā)者都更友好。繼續(xù)在類(lèi)中增加如下方法：

對(duì)于這兩方法，在前面的《Python中的5對(duì)必知的魔法方法》中已經(jīng)有介紹，請(qǐng)參考。

>>> q1          # calls q1.__repr__Quaternion(1, 2, 3, 4)>>> print(q1)   # calls q1.__str__Q = 1.00 + 2.00i + 3.00j + 4.00k

實(shí)現(xiàn)代數(shù)運(yùn)算

上述類(lèi)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)例化了，但是，該對(duì)象還要參與計(jì)算，比如加、減法等。這類(lèi)運(yùn)算如何實(shí)現(xiàn)？

加法

__add__是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)象的加法運(yùn)算的特殊方法。這樣就可以使用+運(yùn)算符了：

>>> q1 = Quaternion(1, 2, 3, 4)>>> q2 = Quaternion(0, 1, 3, 5)>>> q1 + q2Quaternion(1, 3, 6, 9)

減法

類(lèi)似地，通過(guò)__sub__實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算，不過(guò)，這次用一行代碼實(shí)現(xiàn)。

有點(diǎn)酷。這里使用了實(shí)例對(duì)象的__dict__屬性，它以字典形式包含了實(shí)例的所有屬性，

乘法

乘法，如果了解一下線性代數(shù)，會(huì)感覺(jué)有點(diǎn)復(fù)雜。其中常見(jiàn)的一個(gè)是“點(diǎn)積”，自從Python3.5以后，用@符號(hào)調(diào)用__matmul__方法實(shí)現(xiàn)，對(duì)于四元數(shù)對(duì)象而言不能，就是元素與元素對(duì)應(yīng)相乘。

對(duì)于四元數(shù)而言——本質(zhì)就是向量，也可以說(shuō)是矩陣，其乘法就跟矩陣乘法類(lèi)似，比如，同樣不遵守互換率： 。

class Quaternion:    def __init__(self, w, x, y, z):        self.w = w        self.x = x        self.y = y        self.z = z        def __repr__(self):        return 'Quaternion({}, {}, {}, {})'.format(            self.w, self.x, self.y, self.z)    def __str__(self):        return 'Q = {:.2f} + {:.2f}i + {:.2f}j + {:.2f}k'.format(            self.w, self.x, self.y, self.z)        def __add__(self, other):        w = self.w + other.w        x = self.x + other.x        y = self.y + other.y        z = self.z + other.z        return Quaternion(w, x, y, z)            def __sub__(self, other):        return Quaternion(*list(map(lambda i, j: i - j, self.__dict__.values(), other.__dict__.values())))            def __mul__(self, other):        if isinstance(other, Quaternion):            w = self.w * other.w - self.x * other.x - self.y * other.y - self.z * other.z            x = self.w * other.x + self.x * other.w + self.y * other.z - self.z * other.y            y = self.w * other.y + self.y * other.w + self.z * other.x - self.x * other.z            z = self.w * other.z + self.z * other.w + self.x * other.y - self.y * other.x            return Quaternion(w, x, y, z)        elif isinstance(other, (int, float)):            return Quaternion(*[other * i for i in self.__dict__.values()])        else:            raise TypeError('Operation undefined.')

在__mul__方法中，如果other引用一個(gè)四元數(shù)對(duì)象，那么就會(huì)計(jì)算Hamilton積，并返回一個(gè)新的對(duì)象；如果other是一個(gè)標(biāo)量（比如整數(shù)），就會(huì)與四元數(shù)對(duì)象中的每個(gè)元素相乘。

如前所述，四元數(shù)的乘法不遵循交換律，但是，如果執(zhí)行2 * q1這樣的操作，按照上面的方式，會(huì)報(bào)錯(cuò)——在上面的__mul__方法中解決了q1 * 2的運(yùn)算，而一般我們認(rèn)為這兩個(gè)計(jì)算是相同的。為此，定義了·rmul·來(lái)解決此問(wèn)題：

相等

比較兩個(gè)四元數(shù)是否相等，可以通過(guò)定義__eq__方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

class Quaternion:    def __init__(self, w, x, y, z):        self.w = w        self.x = x        self.y = y        self.z = z        def __repr__(self):        return 'Quaternion({}, {}, {}, {})'.format(            self.w, self.x, self.y, self.z)    def __str__(self):        return 'Q = {:.2f} + {:.2f}i + {:.2f}j + {:.2f}k'.format(            self.w, self.x, self.y, self.z)        def __add__(self, other):        w = self.w + other.w        x = self.x + other.x        y = self.y + other.y        z = self.z + other.z        return Quaternion(w, x, y, z)            def __sub__(self, other):        return Quaternion(*list(map(lambda i, j: i - j, self.__dict__.values(), other.__dict__.values())))            def __mul__(self, other):        if isinstance(other, Quaternion):            w = self.w * other.w - self.x * other.x - self.y * other.y - self.z * other.z            x = self.w * other.x + self.x * other.w + self.y * other.z - self.z * other.y            y = self.w * other.y + self.y * other.w + self.z * other.x - self.x * other.z            z = self.w * other.z + self.z * other.w + self.x * other.y - self.y * other.x            return Quaternion(w, x, y, z)        elif isinstance(other, (int, float)):            return Quaternion(*[other * i for i in self.__dict__.values()])        else:            raise TypeError('Operation undefined.')                def __rmul__(self, other):        if isinstance(other, (int, float)):            return self.__mul__(other)        else:            raise TypeError('Operation undefined.')                def __eq__(self, other):        r = list(map(lambda i, j: abs(i) == abs(j), self.__dict__.values(), other.__dict__.values()))        return sum(r) == len(r) 

其他運(yùn)算

下面的方法，也可以接續(xù)到前面的類(lèi)中，不過(guò)就不是特殊放方法了。

用這些方法實(shí)現(xiàn)了各自常見(jiàn)的操作。

通過(guò)本文的這個(gè)示例，可以更深刻理解雙下劃線的方法為編程帶來(lái)的便捷。