Maths - Matrix algebra - Inverse 4×4

Prerequisites

The concepts are explained here:

 

4 dimensional inverse

public final void invert(Matrix4d m1) {
   m00 = m12*m23*m31 - m13*m22*m31 + m13*m21*m32 - m11*m23*m32 - m12*m21*m33 + m11*m22*m33;
   m01 = m03*m22*m31 - m02*m23*m31 - m03*m21*m32 + m01*m23*m32 + m02*m21*m33 - m01*m22*m33;
   m02 = m02*m13*m31 - m03*m12*m31 + m03*m11*m32 - m01*m13*m32 - m02*m11*m33 + m01*m12*m33;
   m03 = m03*m12*m21 - m02*m13*m21 - m03*m11*m22 + m01*m13*m22 + m02*m11*m23 - m01*m12*m23;
   m10 = m13*m22*m30 - m12*m23*m30 - m13*m20*m32 + m10*m23*m32 + m12*m20*m33 - m10*m22*m33;
   m11 = m02*m23*m30 - m03*m22*m30 + m03*m20*m32 - m00*m23*m32 - m02*m20*m33 + m00*m22*m33;
   m12 = m03*m12*m30 - m02*m13*m30 - m03*m10*m32 + m00*m13*m32 + m02*m10*m33 - m00*m12*m33;
   m13 = m02*m13*m20 - m03*m12*m20 + m03*m10*m22 - m00*m13*m22 - m02*m10*m23 + m00*m12*m23;
   m20 = m11*m23*m30 - m13*m21*m30 + m13*m20*m31 - m10*m23*m31 - m11*m20*m33 + m10*m21*m33;
   m21 = m03*m21*m30 - m01*m23*m30 - m03*m20*m31 + m00*m23*m31 + m01*m20*m33 - m00*m21*m33;
   m22 = m01*m13*m30 - m03*m11*m30 + m03*m10*m31 - m00*m13*m31 - m01*m10*m33 + m00*m11*m33;
   m23 = m03*m11*m20 - m01*m13*m20 - m03*m10*m21 + m00*m13*m21 + m01*m10*m23 - m00*m11*m23;
   m30 = m12*m21*m30 - m11*m22*m30 - m12*m20*m31 + m10*m22*m31 + m11*m20*m32 - m10*m21*m32;
   m31 = m01*m22*m30 - m02*m21*m30 + m02*m20*m31 - m00*m22*m31 - m01*m20*m32 + m00*m21*m32;
   m32 = m02*m11*m30 - m01*m12*m30 - m02*m10*m31 + m00*m12*m31 + m01*m10*m32 - m00*m11*m32;
   m33 = m01*m12*m20 - m02*m11*m20 + m02*m10*m21 - m00*m12*m21 - m01*m10*m22 + m00*m11*m22;
   scale(1/m1.determinant());
}



   public double determinant() {
   double value;
   value =
   m03*m12*m21*m30 - m02*m13*m21*m30 - m03*m11*m22*m30 + m01*m13*m22*m30+
   m02*m11*m23*m30 - m01*m12*m23*m30 - m03*m12*m20*m31 + m02*m13*m20*m31+
   m03*m10*m22*m31 - m00*m13*m22*m31 - m02*m10*m23*m31 + m00*m12*m23*m31+
   m03*m11*m20*m32 - m01*m13*m20*m32 - m03*m10*m21*m32 + m00*m13*m21*m32+
   m01*m10*m23*m32 - m00*m11*m23*m32 - m02*m11*m20*m33 + m01*m12*m20*m33+
   m02*m10*m21*m33 - m00*m12*m21*m33 - m01*m10*m22*m33 + m00*m11*m22*m33;
   return value;
   }

Speed Optimisation

The above program is valid for a general 4×4 matrix which will work in all circumstances but when the matrix is being used to represent a combined rotation and translation (as described on this page) then the matrix carries a lot of redundant information. So if we want to speed up the code on this page then, for this case only, we can take advantage of this redundant information.

So for a combined rotation and translation then we should be able to combine these but with some compensation for the rotation of the translation direction.

Calculator

The following calculator allows you to calculate the inverse for a 4×4 matrix. Enter the values into the matrix and then press "calc inverse " to display the result:

Code - 4 dimensional inverse

public final void invert(Matrix4d m1) {
   m00 = m12*m23*m31 - m13*m22*m31 + m13*m21*m32 - m11*m23*m32 - m12*m21*m33 + m11*m22*m33;
   m01 = m03*m22*m31 - m02*m23*m31 - m03*m21*m32 + m01*m23*m32 + m02*m21*m33 - m01*m22*m33;
   m02 = m02*m13*m31 - m03*m12*m31 + m03*m11*m32 - m01*m13*m32 - m02*m11*m33 + m01*m12*m33;
   m03 = m03*m12*m21 - m02*m13*m21 - m03*m11*m22 + m01*m13*m22 + m02*m11*m23 - m01*m12*m23;
   m10 = m13*m22*m30 - m12*m23*m30 - m13*m20*m32 + m10*m23*m32 + m12*m20*m33 - m10*m22*m33;
   m11 = m02*m23*m30 - m03*m22*m30 + m03*m20*m32 - m00*m23*m32 - m02*m20*m33 + m00*m22*m33;
   m12 = m03*m12*m30 - m02*m13*m30 - m03*m10*m32 + m00*m13*m32 + m02*m10*m33 - m00*m12*m33;
   m13 = m02*m13*m20 - m03*m12*m20 + m03*m10*m22 - m00*m13*m22 - m02*m10*m23 + m00*m12*m23;
   m20 = m11*m23*m30 - m13*m21*m30 + m13*m20*m31 - m10*m23*m31 - m11*m20*m33 + m10*m21*m33;
   m21 = m03*m21*m30 - m01*m23*m30 - m03*m20*m31 + m00*m23*m31 + m01*m20*m33 - m00*m21*m33;
   m22 = m01*m13*m30 - m03*m11*m30 + m03*m10*m31 - m00*m13*m31 - m01*m10*m33 + m00*m11*m33;
   m23 = m03*m11*m20 - m01*m13*m20 - m03*m10*m21 + m00*m13*m21 + m01*m10*m23 - m00*m11*m23;
   m30 = m12*m21*m30 - m11*m22*m30 - m12*m20*m31 + m10*m22*m31 + m11*m20*m32 - m10*m21*m32;
   m31 = m01*m22*m30 - m02*m21*m30 + m02*m20*m31 - m00*m22*m31 - m01*m20*m32 + m00*m21*m32;
   m32 = m02*m11*m30 - m01*m12*m30 - m02*m10*m31 + m00*m12*m31 + m01*m10*m32 - m00*m11*m32;
   m33 = m01*m12*m20 - m02*m11*m20 + m02*m10*m21 - m00*m12*m21 - m01*m10*m22 + m00*m11*m22;
   scale(1/m1.determinant());
}



   public double determinant() {
   double value;
   value =
   m03*m12*m21*m30 - m02*m13*m21*m30 - m03*m11*m22*m30 + m01*m13*m22*m30+
   m02*m11*m23*m30 - m01*m12*m23*m30 - m03*m12*m20*m31 + m02*m13*m20*m31+
   m03*m10*m22*m31 - m00*m13*m22*m31 - m02*m10*m23*m31 + m00*m12*m23*m31+
   m03*m11*m20*m32 - m01*m13*m20*m32 - m03*m10*m21*m32 + m00*m13*m21*m32+
   m01*m10*m23*m32 - m00*m11*m23*m32 - m02*m11*m20*m33 + m01*m12*m20*m33+
   m02*m10*m21*m33 - m00*m12*m21*m33 - m01*m10*m22*m33 + m00*m11*m22*m33;
   return value;
   } 

Further Information


metadata block
see also:
Correspondence about this page

Book Shop - Further reading.

Where I can, I have put links to Amazon for books that are relevant to the subject, click on the appropriate country flag to get more details of the book or to buy it from them.

cover Developing Games in Java

Other Math Books

Terminology and Notation

Specific to this page here:

 

This site may have errors. Don't use for critical systems.

Copyright (c) 1998-2014 Martin John Baker - All rights reserved - privacy policy.