旋轉群
在經典力學與幾何學裏，所有環繞著三維歐幾里得空間的原點的旋轉，組成的群，定義為旋轉群。根據定義，環繞著原點的旋轉是一個保持向量長度，保持空間取向（遵守右手定則或左手定則）的線性變換。
兩個旋轉的複合等於一個旋轉。每一個旋轉都有一個獨特的逆旋轉；零角度的旋轉是單位元。旋轉運算滿足結合律．由於符合上述四個要求，所有旋轉的集合是一個群。更加地，旋轉群擁有一個天然的流形結構。對於這流形結構，旋轉群的運算是光滑的；所以，它是一個李群。旋轉群時常會用 SO(3) 來表示。
長度與角度编辑
除了保持長度（保長），旋轉也保持向量間的角度（保角）。原因是兩向量u和v的內積可寫作：
旋轉軸编辑
三維空間中非平凡的旋轉，皆繞著一個固定的「旋轉軸」，此旋轉軸是R3的特定一維線性子空間（參見：歐拉旋轉定理）。旋轉作用在與旋轉軸正交的二維平面，如同尋常的二維旋轉。既然二維旋轉皆可以旋轉角φ表示，則任意三維旋轉則可用旋轉軸搭配旋轉角來表示。
舉例來說，繞著正z軸旋轉φ角的逆時針旋轉為
給定R3中一單位向量n以及角度φ，設R(φ, n)代表繞n軸作角度φ的逆時針旋轉，則：
- R(0, n)為相等轉換（identity transformation），n任意單位向量；
- R(φ, n) = R(−φ, −n)；
- R(π + φ, n) = R(π − φ, −n)。
利用這些特性，參數為旋轉角φ（範圍： 0 ≤ φ ≤ π）與單位向量n的任意旋轉有如下性質：
- 若φ = 0，n可為任意單位向量；
- 若0 < φ < π，n為特定單位向量；
- 若φ = π，n為彼此反向的兩特定單位向量；亦即，旋轉R(π, ±n)是等價的。