3次元回転行列も，以下の2次元回転行列と全く同じ方法で導出できます．
【関連記事】
座標軸周りの回転
3次元回転行列（$x,y,z$軸周り）
\begin{aligned}
\begin{cases}
\, x\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
1&0&0\\
0&\cos\theta&-\sin\theta\\
0&\sin\theta&\cos\theta
\end{pmatrix} \\[20pt]
\, y\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
\cos\theta&0&\sin\theta\\
0&1&0\\
-\sin\theta&0&\cos\theta
\end{pmatrix} \\[20pt]
\, z\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
\cos\theta&-\sin\theta&0\\
\sin\theta&\cos\theta&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}
\end{cases}
\end{aligned}
\begin{cases}
\, x\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
1&0&0\\
0&\cos\theta&-\sin\theta\\
0&\sin\theta&\cos\theta
\end{pmatrix} \\[20pt]
\, y\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
\cos\theta&0&\sin\theta\\
0&1&0\\
-\sin\theta&0&\cos\theta
\end{pmatrix} \\[20pt]
\, z\text{軸回り:} &
\begin{pmatrix}
\cos\theta&-\sin\theta&0\\
\sin\theta&\cos\theta&0\\
0&0&1
\end{pmatrix}
\end{cases}
\end{aligned}
$z$軸周りに$\theta$回転させる場合を考えると，単位ベクトルはそれぞれ以下のように変換されます：
\begin{aligned}
\begin{pmatrix}
1\\
0\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{blue}{
\begin{pmatrix}
\cos\theta\\
\sin\theta\\
0
\end{pmatrix}
},\\
%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
1\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{red}{
\begin{pmatrix}
-\sin\theta\\
\cos\theta\\
0
\end{pmatrix}
},\\
%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{green}{
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
}.
\end{aligned}
\begin{pmatrix}
1\\
0\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{blue}{
\begin{pmatrix}
\cos\theta\\
\sin\theta\\
0
\end{pmatrix}
},\\
%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
1\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{red}{
\begin{pmatrix}
-\sin\theta\\
\cos\theta\\
0
\end{pmatrix}
},\\
%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{green}{
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
}.
\end{aligned}
したがって，$z$軸周りに$\theta$回転させる3次元回転行列がわかります：
\begin{aligned}
\begin{pmatrix}
\textcolor{blue}{\cos\theta}&\textcolor{red}{-\sin\theta}&\textcolor{green}{0}\\
\textcolor{blue}{\sin\theta}&\textcolor{red}{\cos\theta}&\textcolor{green}{0}\\
\textcolor{blue}{0}&\textcolor{red}{0}&\textcolor{green}{1}
\end{pmatrix}
\end{aligned}
\begin{pmatrix}
\textcolor{blue}{\cos\theta}&\textcolor{red}{-\sin\theta}&\textcolor{green}{0}\\
\textcolor{blue}{\sin\theta}&\textcolor{red}{\cos\theta}&\textcolor{green}{0}\\
\textcolor{blue}{0}&\textcolor{red}{0}&\textcolor{green}{1}
\end{pmatrix}
\end{aligned}
$x$軸，$y$軸周りの回転行列も同じ方法で導出できます．//
任意軸周りの回転（ロドリゲスの回転公式）
任意の軸周りの3次元回転行列（ロドリゲスの回転公式）を導いてみましょう．ベクトル$\boldsymbol{n}$の周りに角度$\theta$回転させる行列は次で与えられます：ロドリゲスの回転公式（隠れている場合はスクロールで表示）
\begin{aligned}
\begin{pmatrix}
\textcolor{blue}{ \cos\theta+n_x^2(1-\cos\theta)}&\textcolor{red}{n_x n_y(1-\cos\theta)-n_z\sin\theta}&\textcolor{green}{n_z n_x(1-\cos\theta)+n_y\sin\theta}\\
\textcolor{blue}{ n_x n_y(1-\cos\theta)+n_z\sin\theta}&\textcolor{red}{ \cos\theta+n_y^2(1-\cos\theta)}&\textcolor{green}{n_y n_z(1-\cos\theta)-n_x\sin\theta}\\
\textcolor{blue}{ n_z n_x(1-\cos\theta)-n_y\sin\theta}&\textcolor{red}{ n_y n_z(1-\cos\theta)+n_x\sin\theta}&\textcolor{green}{\cos\theta+n_z^2(1-\cos\theta)}
\end{pmatrix}
\end{aligned}
\begin{pmatrix}
\textcolor{blue}{ \cos\theta+n_x^2(1-\cos\theta)}&\textcolor{red}{n_x n_y(1-\cos\theta)-n_z\sin\theta}&\textcolor{green}{n_z n_x(1-\cos\theta)+n_y\sin\theta}\\
\textcolor{blue}{ n_x n_y(1-\cos\theta)+n_z\sin\theta}&\textcolor{red}{ \cos\theta+n_y^2(1-\cos\theta)}&\textcolor{green}{n_y n_z(1-\cos\theta)-n_x\sin\theta}\\
\textcolor{blue}{ n_z n_x(1-\cos\theta)-n_y\sin\theta}&\textcolor{red}{ n_y n_z(1-\cos\theta)+n_x\sin\theta}&\textcolor{green}{\cos\theta+n_z^2(1-\cos\theta)}
\end{pmatrix}
\end{aligned}
\begin{aligned}
\boldsymbol{r}^\prime
=& (\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}
+\left[\boldsymbol{r}-(\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right]\cos\theta \\
&+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{r}\right)\sin\theta\\
=&\boldsymbol{r}\cos\theta
+\boldsymbol{n}(\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\left(1-\cos\theta\right) \\
&+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{r}\right)\sin\theta
\end{aligned}
となります．この式で$\boldsymbol{r}=\boldsymbol{e}_x,\boldsymbol{e}_y,\boldsymbol{e}_z$とすれば，単位ベクトルを回転させたベクトルを求めることができます．\boldsymbol{r}^\prime
=& (\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}
+\left[\boldsymbol{r}-(\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right]\cos\theta \\
&+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{r}\right)\sin\theta\\
=&\boldsymbol{r}\cos\theta
+\boldsymbol{n}(\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{n})\left(1-\cos\theta\right) \\
&+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{r}\right)\sin\theta
\end{aligned}
ここでは，計算方法の一例を示します．上式の各項は
\begin{aligned}
(\boldsymbol{e}_i\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}
&=n_i\boldsymbol{n}\\
\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{e}_l\right)_i
&=\sum_{j,k=1}^3\epsilon_{ijk}n_j\left(\boldsymbol{e}_l\right)_k
=\sum_{j=1}^3\epsilon_{ijl}n_j
\end{aligned}
を用いて計算することができます（$\epsilon_{ijk}$は完全反対称テンソル（レビ・チビタ記号））．したがって，$\boldsymbol{r}=\boldsymbol{e}_l$を回転させたベクトルの$i$成分は(\boldsymbol{e}_i\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n}
&=n_i\boldsymbol{n}\\
\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{e}_l\right)_i
&=\sum_{j,k=1}^3\epsilon_{ijk}n_j\left(\boldsymbol{e}_l\right)_k
=\sum_{j=1}^3\epsilon_{ijl}n_j
\end{aligned}
\begin{aligned}
&\left[\boldsymbol{e}_l\cos\theta
+\boldsymbol{n}n_l\left(1-\cos\theta\right)
+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{e}_l\right)\sin\theta
\right]_i \\
&=\delta_{il}\cos\theta
+n_in_l\left(1-\cos\theta\right) \\
&\qquad +\sum_{j=1}^3\epsilon_{ijl}n_j \sin\theta
\end{aligned}
となります．これを$\boldsymbol{r}=\boldsymbol{e}_x,\boldsymbol{e}_y,\boldsymbol{e}_z$に対して具体的に書き下せば&\left[\boldsymbol{e}_l\cos\theta
+\boldsymbol{n}n_l\left(1-\cos\theta\right)
+\left(\boldsymbol{n}\times\boldsymbol{e}_l\right)\sin\theta
\right]_i \\
&=\delta_{il}\cos\theta
+n_in_l\left(1-\cos\theta\right) \\
&\qquad +\sum_{j=1}^3\epsilon_{ijl}n_j \sin\theta
\end{aligned}
\begin{aligned}
\begin{pmatrix}
1\\
0\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{blue}{
\begin{pmatrix}
\cos\theta+n_x^2(1-\cos\theta)\\
n_x n_y(1-\cos\theta)+n_z\sin\theta\\
n_z n_x(1-\cos\theta)-n_y\sin\theta
\end{pmatrix}
}\\
%%%%%%%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
1\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{red}{
\begin{pmatrix}
n_x n_y(1-\cos\theta)-n_z\sin\theta\\\
\cos\theta+n_y^2(1-\cos\theta)\\
n_y n_z(1-\cos\theta)+n_x\sin\theta
\end{pmatrix}
}\\
%%%%%%%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{green}{
\begin{pmatrix}
n_z n_x(1-\cos\theta)+n_y\sin\theta\\
n_y n_z(1-\cos\theta)-n_x\sin\theta\\
\cos\theta+n_z^2(1-\cos\theta)
\end{pmatrix}
}.
\end{aligned}
\begin{pmatrix}
1\\
0\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{blue}{
\begin{pmatrix}
\cos\theta+n_x^2(1-\cos\theta)\\
n_x n_y(1-\cos\theta)+n_z\sin\theta\\
n_z n_x(1-\cos\theta)-n_y\sin\theta
\end{pmatrix}
}\\
%%%%%%%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
1\\
0
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{red}{
\begin{pmatrix}
n_x n_y(1-\cos\theta)-n_z\sin\theta\\\
\cos\theta+n_y^2(1-\cos\theta)\\
n_y n_z(1-\cos\theta)+n_x\sin\theta
\end{pmatrix}
}\\
%%%%%%%%%%%%%%
\begin{pmatrix}
0\\
0\\
1
\end{pmatrix}
%
&\overset{\theta\text{回転}}{\longrightarrow}
%
\textcolor{green}{
\begin{pmatrix}
n_z n_x(1-\cos\theta)+n_y\sin\theta\\
n_y n_z(1-\cos\theta)-n_x\sin\theta\\
\cos\theta+n_z^2(1-\cos\theta)
\end{pmatrix}
}.
\end{aligned}
こうして計算したベクトルを順に並べると「ロドリゲスの回転公式」が得られます．//
