SLAM十四讲第二次作业-深蓝学院

本文深入探讨了矩阵的QR分解、Cholesky分解及其应用,通过代码实例展示了如何求解线性方程组。同时,文章详细解析了四元数的数学性质,包括其在旋转表示中的应用及与矩阵之间的转换。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

在这里插入图片描述

  1. r(A)=n:矩阵A的秩等于未知数的个数。
  2. ⾼斯消元法:通过用初等行变换将增广矩阵化为行阶梯阵,然后通过回代求解线性方程组的解。原理是将方程组中每个方程含有的未知数的个数降到最低,并且最下面的方程含有的未知数的个数最少。
  3. QR分解:把矩阵分解成一个列向量正交矩阵与一个上三角矩阵的积。原理是将矩阵每个列作为一个基本单元,将其化为正交的基向量与在这个基向量上的投影长度的积。
  4. Cholesky 分解:将一个对称正定矩阵分解成一个下三角矩阵与其共轭转置之乘积。
  5. 代码见:eigenMatrix.cpp与CMakeLists.txt
    eigenMatrix.cpp文件
/*求解 A * x = B 这个方程*/

#include <iostream>
#include <Eigen/Core>
#include <Eigen/Dense>
#include <Eigen/Cholesky>

using namespace std;
using namespace Eigen;

#define MATRIX_SIZE 100

int main( int argc,char** argv )
{
    MatrixXd A_pre = MatrixXd::Random( MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE );
    MatrixXd A = A_pre.transpose()*A_pre ;                  //使得A为正定对称矩阵,才能使得cholesky分解成功
    VectorXd B = VectorXd::Random( MATRIX_SIZE );
    VectorXd x = A.colPivHouseholderQr().solve(B);          //调用QR分解求解
    VectorXd y = A.llt().solve(B);                          //调用cholesky分解求解

    cout <<"A*x=B方程的解为\n"<< x << endl;
    cout <<"A*y=B方程的解为\n"<< y << endl;
}

CMaleLists.txt文件

cmake_minimum_required( VERSION 2.8 )
project( useEigen )

set( CMAKE_BUILD_TYPE "Release" )
set( CMAKE_CXX_FLAGS "-O3" )

# 添加Eigen头文件
include_directories( "/usr/include/eigen3" )

add_executable( eigen eigenMatrix.cpp )

在这里插入图片描述
代码见:useGeometry.cpp与CMakeLists.txt

useGeometry.cpp文件

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <Eigen/Core>
#include <Eigen/Geometry>

using namespace std;
using namespace Eigen;

int main(int arcg,char** argv)
{
    Quaterniond q1 = Quaterniond(0.55,0.3,0.2,0.2).normalized();   //定义并归一化四元数
    Quaterniond q2 = Quaterniond(-0.1,0.3,-0.7,0.2).normalized();
    Vector3d t1 ,t2,p1,p,p2;
    t1 << 0.7,1.1,0.2;
    t2 << -0.1,0.4,0.8;
    p1 << 0.5,-0.1,0.2;
  

    Isometry3d T_cw1 = Isometry3d::Identity();
    T_cw1.rotate ( q1 );
    T_cw1.pretranslate ( t1 );

    Isometry3d T_cw2 = Isometry3d::Identity();
    T_cw2.rotate ( q2 );
    T_cw2.pretranslate ( t2 );



    p = T_cw1.inverse() *p1;   //不能用转置,因为这里不是纯旋转,见书42页
    p2 = T_cw2 *p ;

    cout<<"p2 = "<<p2.transpose()<<endl;
}

CMakeLists.txt文件

cmake_minimum_required( VERSION 2.8 )
project( geometry )

# 添加Eigen头文件
include_directories( "/usr/include/eigen3" )

add_executable( eigenGeometry eigenGeometry.cpp )

在这里插入图片描述

  1. 证明
    设某个单位正交基(e1,e2,e3)(e_1,e_2,e_3)(e1,e2,e3)经过一次旋转变成了(f1,f2,f3)(f_1,f_2,f_3)(f1,f2,f3),那么旋转矩阵
    R=[e1Te2Te3T]⋅[f1f2f3]∵[e1Te2Te3T]⋅[e1e2e3]=I∴RT⋅R=[f1Tf2Tf3T]⋅[e1e2e3]⋅[e1Te2Te3T]⋅[f1f2f3]=[f1Tf2Tf3T]⋅I⋅[f1f2f3]=I∴RT⋅R=IR = \begin{bmatrix} e_1^T \\ e_2^T \\ e_3^T \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} f_1 &amp; f_2 &amp;f_3 \end{bmatrix} \\ \because \begin{bmatrix} e_1^T \\ e_2^T \\ e_3^T \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} e_1&amp; e_2 &amp;e_3 \end{bmatrix} = I \\ \begin{aligned}\therefore R^T \cdot R &amp;= \begin{bmatrix} f_1^T \\ f_2^T \\ f_3^T \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} e_1 &amp; e_2 &amp; e_3 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} e_1^T \\ e_2^T \\ e_3^T \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} f_1 &amp; f_2 &amp;f_3 \end{bmatrix} \\ &amp;= \begin{bmatrix} f_1^T \\ f_2^T \\ f_3^T \end{bmatrix} \cdot I \cdot \begin{bmatrix} f_1 &amp; f_2 &amp;f_3 \end{bmatrix} \\ &amp;= I \end{aligned} \\ \therefore R^T \cdot R=IR=e1Te2Te3T[f1f2f3]e1Te2Te3T[e1e2e3]=IRTR=f1Tf2Tf3T[e1e2e3]e1Te2Te3T[f1f2f3]=f1Tf2Tf3TI[f1f2f3]=IRTR=I
    ∣R∣=∣e1Te2Te3T∣⋅∣f1f2f3∣=1∴detR=±1\begin{aligned} |R| &amp;= \begin{vmatrix} e_1^T \\ e_2^T \\ e_3^T \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix} f_1 &amp; f_2 &amp;f_3 \end{vmatrix} \\ &amp;=1 \\ \therefore detR = \pm 1 \end{aligned}RdetR=±1=e1Te2Te3Tf1f2f3=1
    又因为单位正交基的模为+1,
    ∴detR=+1\therefore detR = +1detR=+1
    所以RTR=IR^TR=IRTR=I,且detR=+1detR=+1detR=+1
  2. 证明
    四元数由四个数组成,有一个实部和三个虚部,形如:q=q0+q1i+q2j+q3kq=q_0+q_1i+q_2j+q_3kq=q0+q1i+q2j+q3k。那么上述的ε=[q1,q2,q3]T∈R3\varepsilon = [ q_1,q_2,q_3]^T \in \mathbb{R}^3ε=[q1,q2,q3]TR3η=q0∈R\eta = q_0 \in \mathbb{R}η=q0R
    所以ε\varepsilonεη\etaη的维度分别为 3和1。
  3. 证明(一定要注意四元数实部与虚部的顺序,这里实部在最后)
    q1=[x1,y1,z1,w1],q2=[x2,y2,z2,w2]q_1=[x_1,y_1,z_1,w_1],q_2=[x_2,y_2,z_2,w_2]q1=[x1,y1,z1,w1],q2=[x2,y2,z2,w2],其中w1,w2w_1,w_2w1,w2为实部
    q1⋅q2=(w1x2+x1w2+y1z2−z1y2)i+(w1y2−x1z2+y1w2+z1x2)j+(w1z2+x1y2−y1x2+z1w2)k+w1w2−x1x2−y1y2−z1z2\begin{aligned} q_1\cdot q_2 &amp;=(w_1x_2+x_1w_2+y_1z_2-z_1y_2)i \\&amp;+(w_1y_2-x_1z_2+y_1w_2+z_1x_2) j \\&amp;+(w_1z_2+x_1y_2-y_1x_2+z_1w_2) k \\&amp;+w_1w_2-x_1x_2-y_1y_2-z_1z_2 \end{aligned}q1q2=(w1x2+x1w2+y1z2z1y2)i+(w1y2x1z2+y1w2+z1x2)j+(w1z2+x1y2y1x2+z1w2)k+w1w2x1x2y1y2z1z2
    q1+q2=[w1−z1y1x1z1w1−x1y1−y1x1w1z1−x1−y1−z1w1][x2y2z2w2]=[w1x2+x1w2+y1z2−z1y2w1y2−x1z2+y1w2+z1x2w1z2+x1y2−y1x2+z1w2w1w2−x1x2−y1y2−z1z2]=(w1x2+x1w2+y1z2−z1y2)i+(w1y2−x1z2+y1w2+z1x2)j+(w1z2+x1y2−y1x2+z1w2)k+w1w2−x1x2−y1y2−z1z2=q1⋅q2\begin{aligned} q_1^+q_2 &amp;= \begin{bmatrix} w_1 &amp; -z_1 &amp; y_1 &amp; x_1 \\z_1 &amp; w_1 &amp; -x_1 &amp; y_1\\-y_1 &amp; x_1 &amp; w_1 &amp; z_1 \\ -x_1 &amp; -y_1 &amp; -z_1 &amp; w_1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_2 \\ y_2 \\z_2 \\w_2 \end{bmatrix} \\ &amp;= \begin{bmatrix} w_1x_2+x_1w_2+y_1z_2-z_1y_2 \\ w_1y_2-x_1z_2+y_1w_2+z_1x_2 \\ w_1z_2+x_1y_2-y_1x_2+z_1w_2 \\ w_1w_2-x_1x_2-y_1y_2-z_1z_2 \end{bmatrix} \\&amp;=(w_1x_2+x_1w_2+y_1z_2-z_1y_2)i \\&amp;+(w_1y_2-x_1z_2+y_1w_2+z_1x_2) j \\&amp;+(w_1z_2+x_1y_2-y_1x_2+z_1w_2) k \\&amp;+w_1w_2-x_1x_2-y_1y_2-z_1z_2 \\ &amp;= q_1\cdot q_2 \end{aligned}q1+q2=w1z1y1x1z1w1x1y1y1x1w1z1x1y1z1w1x2y2z2w2=w1x2+x1w2+y1z2z1y2w1y2x1z2+y1w2+z1x2w1z2+x1y2y1x2+z1w2w1w2x1x2y1y2z1z2=(w1x2+x1w2+y1z2z1y2)i+(w1y2x1z2+y1w2+z1x2)j+(w1z2+x1y2y1x2+z1w2)k+w1w2x1x2y1y2z1z2=q1q2
    所以:q1⋅q2=q1+q2q_1 \cdot q_2 = q_1^+q_2q1q2=q1+q2
    同理可证:q1⋅q2=q2⊕q1q_1 \cdot q_2 = q_2^ \oplus q_1q1q2=q2q1

证明方法二:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
证明

如上图,VrotV_{rot}Vrot是由VVV通过旋转得到,旋转轴是K,旋转的角度为θ\thetaθ,用旋转矩阵R表示该旋转,即为:Vrot=R⋅VV_{rot} = R \cdot VVrot=RV, 且KKK为单位向量,∣∣K⃗∣∣=1||\vec{K} || =1K=1,
V=V⊥+V∥V=V_\perp + V_\parallelV=V+V,
V⊥=V−V∥=−K×(K×V)V_\perp = V-V_\parallel = -K \times (K \times V)V=VV=K×(K×V)
V∥=(K⋅V)⋅K=KKTVV_\parallel = (K \cdot V) \cdot K = K K^T VV=(KV)K=KKTV,
则垂直分量和平行分量各自的旋转分量为:
V∥rot=V∥V_{\parallel rot} = V_\parallelVrot=V
V⊥rot=cosθV⊥+sinθK×VV_{\perp rot} = cos\theta V_\perp+sin\theta K \times VVrot=cosθV+sinθK×V
∴Vrot=V∥rot+V⊥rot=V∥+cosθV⊥+sinθK×V=V∥+cosθ(V−V∥)+sinθK×V=cosθV+(1−cosθ)V∥+sinθK×V=cosθV+(1−cosθ)KKTV+sinθK×V=R⋅V\begin{aligned}\therefore V_{rot} &amp;= V_{\parallel rot} + V_{\perp rot} \\&amp;= V_\parallel + cos\theta V_\perp +sin\theta K\times V \\&amp;=V_\parallel + cos\theta(V-V_\parallel) + sin\theta K \times V \\&amp;= cos\theta V + (1-cos\theta)V_\parallel +sin\theta K \times V \\&amp;= cos\theta V+ (1-cos\theta) K K^T V + sin\theta K^\times V \\&amp;=R \cdot V \end{aligned}Vrot=Vrot+Vrot=V+cosθV+sinθK×V=V+cosθ(VV)+sinθK×V=cosθV+(1cosθ)V+sinθK×V=cosθV+(1cosθ)KKTV+sinθK×V=RV
∴R=cosθI+(1−cosθ)KKT+sinθK×\therefore R = cos\theta I + (1-cos\theta) K K^T + sin\theta K^\timesR=cosθI+(1cosθ)KKT+sinθK×
∴R=cosθI+(1−cosθ)nnT+sinθn×\therefore R = cos\theta I + (1-cos\theta)nn^T +sin\theta n^\timesR=cosθI+(1cosθ)nnT+sinθn×

在这里插入图片描述

证明
(1)p′p^{&#x27;}p的实部为0
假定点p的坐标为p(x,y,z)p(x,y,z)p(x,y,z),则用四元数表示为:p=[0,x,y,z]=xi+yj+zkp=[0,x,y,z]=xi+yj+zkp=[0,x,y,z]=xi+yj+zk,
q=[cosθ2,nsinθ2]=cosθ2+nxsinθ2i+nysinθ2j+nzsinθ2kq=[cos\frac{\theta}{2} ,nsin\frac{\theta}{2}]=cos\frac{\theta}{2}+n_x sin\frac{\theta}{2}i+n_y sin\frac{\theta}{2}j+n_z sin\frac{\theta}{2}kq=[cos2θ,nsin2θ]=cos2θ+nxsin2θi+nysin2θj+nzsin2θk
∵q∗=[cosθ2,−nsinθ2],q−1=q∗/∣∣q∣∣2\because q^\ast=[cos\frac{\theta}{2} ,-\mathbf{n}sin\frac{\theta}{2}],q^{-1}=q^\ast/||q||^2q=[cos2θ,nsin2θ],q1=q/q2
q−1=[cosθ2,−nsinθ2]/∣∣q∣∣2=(cosθ2−nxsinθ2i−nysinθ2j−nzsinθ2k)/∣∣q∣∣2q^{-1} = [cos\frac{\theta}{2} ,-nsin\frac{\theta}{2}]/||q||^2=(cos\frac{\theta}{2} - n_x sin\frac{\theta}{2}i - n_y sin\frac{\theta}{2}j - n_z sin\frac{\theta}{2}k)/||q||^2q1=[cos2θ,nsin2θ]/q2=(cos2θnxsin2θinysin2θjnzsin2θk)/q2
∴p′=qpq−1=[cosθ2,nsinθ2][0,x,y,z][cosθ2,−nsinθ2]/∣∣q∣∣2=(cosθ2+nxsinθ2i+nysinθ2j+nzsinθ2k)(xi+yj+zk)((cosθ2−nxsinθ2i−nysinθ2j−nzsinθ2k)/∣∣q∣∣2)\begin{aligned} \therefore p^{&#x27;} &amp;= qpq^{-1} \\&amp;=[cos\frac{\theta}{2} ,nsin\frac{\theta}{2}] [0,x,y,z] [cos\frac{\theta}{2} ,-nsin\frac{\theta}{2}]/||q||^2\\&amp;=(cos\frac{\theta}{2}+n_x sin\frac{\theta}{2}i+n_y sin\frac{\theta}{2}j+n_z sin\frac{\theta}{2}k)(xi+yj+zk)((cos\frac{\theta}{2} - n_x sin\frac{\theta}{2}i - n_y sin\frac{\theta}{2}j - n_z sin\frac{\theta}{2}k)/||q||^2) \end{aligned}p=qpq1=[cos2θ,nsin2θ][0,x,y,z][cos2θ,nsin2θ]/q2=(cos2θ+nxsin2θi+nysin2θj+nzsin2θk)(xi+yj+zk)((cos2θnxsin2θinysin2θjnzsin2θk)/q2)
将所有的实数取出,且忽略∣∣q∣∣2||q||^2q2,则:
xnxcosθ2sinθ2+ynycosθ2sinθ2+znzcosθ2sinθ2+(−1)xnxsinθ2xcosθ2+ynxnzsinθ2sinθ2+(−1)znxnysinθ2sinθ2+(−1)ynysinθ2cosθ2+(−1)xnynzsinθ2sinθ2+znxnysinθ2sinθ2+xnynzsinθ2sinθ2+(−1)ynxnzsinθ2sinθ2+(−1)znzsinθ2cosθ2=0x n_x cos\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} + y n_y cos\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} +z n_z cos\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} \\ + (-1) x n_x sin\frac{\theta}{2} x cos\frac{\theta}{2} + y n_x n_z sin\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} + (-1)z n_x n_ysin\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} \\+(-1)y n_y sin\frac{\theta}{2} cos\frac{\theta}{2} + (-1) x n_y n_z sin\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} + z n_x n_y sin\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} \\+ x n_y n_z sin\frac{\theta}{2} sin\frac{\theta}{2} +(-1) y n_x n_z sin\frac{\theta}{2}sin\frac{\theta}{2} + (-1) z n_z sin\frac{\theta}{2}cos\frac{\theta}{2} \\ \\=0xnxcos2θsin2θ+ynycos2θsin2θ+znzcos2θsin2θ+(1)xnxsin2θxcos2θ+ynxnzsin2θsin2θ+(1)znxnysin2θsin2θ+(1)ynysin2θcos2θ+(1)xnynzsin2θsin2θ+znxnysin2θsin2θ+xnynzsin2θsin2θ+(1)ynxnzsin2θsin2θ+(1)znzsin2θcos2θ=0
所以实部为0,即p′p^{&#x27;}p的实部为0。

(2)p′=Qpp^{&#x27;} = Qpp=Qp,写出矩阵QQQ
p′=qpq−1=q+p+q−1=q+q−1⊕p\begin{aligned} p^{&#x27;} &amp;= qpq^{-1} \\ &amp;= q^+ p^+q^{-1} \\&amp;= q^+ q^{-1^\oplus}p \end{aligned}p=qpq1=q+p+q1=q+q1p
∴Q=q+q−1⊕\therefore Q= q^+ q^{-1^\oplus}Q=q+q1
假定四元数q=[x,y,z,w]q=[x,y,z,w]q=[x,y,z,w],其中www是实部,那么q−1=[−x,−y,−z,w]/∣∣q∣∣2q^{-1}=[-x,-y,-z,w]/||q||^2q1=[x,y,z,w]/q2
q+=[η1+ε×ε−εTη]=[w−zyxzw−xy−yxwz−x−y−zw]q^+ = \begin{bmatrix} \eta1 + \varepsilon ^\times &amp; \varepsilon \\ -\varepsilon^T &amp; \eta \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} w &amp; -z &amp; y &amp; x\\z &amp; w &amp; -x &amp; y\\-y &amp; x &amp; w &amp; z \\ -x &amp; -y &amp; -z &amp; w\end{bmatrix}q+=[η1+ε×εTεη]=wzyxzwxyyxwzxyzw,
q−1⊕=[η1−(−ε)×−ε−(−ε)Tη]/∣∣q∣∣2=1∣∣q∣∣2⋅[η1+ε×−εεTη]=1∣∣q∣∣2⋅[w−zy−xzw−x−y−yxw−zxyzw]q^{-1^\oplus}= \begin{bmatrix} \eta1 - (-\varepsilon) ^\times &amp; -\varepsilon \\ -(-\varepsilon)^T &amp; \eta \end{bmatrix}/||q||^2 = \frac{1}{||q||^2 }\cdot \begin{bmatrix} \eta1 + \varepsilon ^\times &amp; -\varepsilon \\ \varepsilon^T &amp; \eta \end{bmatrix}=\frac{1}{||q||^2 }\cdot \begin{bmatrix} w &amp; -z &amp; y &amp; -x\\z &amp; w &amp; -x &amp; -y\\-y &amp; x &amp; w &amp; -z \\ x &amp; y &amp; z &amp; w\end{bmatrix}q1=[η1(ε)×(ε)Tεη]/q2=q21[η1+ε×εTεη]=q21wzyxzwxyyxwzxyzw
∴Q=q+q−1⊕=1∣∣q∣∣2⋅[w−zyxzw−xy−yxwz−x−y−zw][w−zy−xzw−x−y−yxw−zxyzw]=1∣∣q∣∣2⋅[w2+x2−y2+z22xy−2zw2wy+2xz02xy+2zww2−x2+y2−z22yz−2xw02xz−2yw2yz+2xww2−x2−y2+z20000w2+x2+y2+z2]\begin{aligned} \therefore Q &amp;= q^+ q^{-1^\oplus} \\&amp;= \frac{1}{||q||^2 }\cdot\begin{bmatrix} w &amp; -z &amp; y &amp; x\\z &amp; w &amp; -x &amp; y\\-y &amp; x &amp; w &amp; z \\ -x &amp; -y &amp; -z &amp; w\end{bmatrix}\begin{bmatrix} w &amp; -z &amp; y &amp; -x\\z &amp; w &amp; -x &amp; -y\\-y &amp; x &amp; w &amp; -z \\ x &amp; y &amp; z &amp; w\end{bmatrix} \\&amp;= \frac{1}{||q||^2 }\cdot \begin{bmatrix}w^2+x^2-y^2+z^2&amp; 2xy-2zw &amp; 2wy+2xz &amp; 0\\ 2xy+2zw&amp; w^2-x^2+y^2-z^2 &amp; 2yz-2xw &amp; 0\\2xz-2yw &amp; 2yz+2xw &amp; w^2-x^2-y^2+z^2 &amp; 0 \\ 0 &amp; 0 &amp; 0 &amp; w^2+x^2+y^2+z^2\end{bmatrix} \end{aligned}Q=q+q1=q21wzyxzwxyyxwzxyzwwzyxzwxyyxwzxyzw=q21w2+x2y2+z22xy+2zw2xz2yw02xy2zww2x2+y2z22yz+2xw02wy+2xz2yz2xww2x2y2+z20000w2+x2+y2+z2

证明方法二:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  1. for(atuo& a: avec)
    范围for循环,用a遍历avec中的每个量;
  2. for(atuo& a: avec)
    自动类型推导,根据a获得的值,用auto自动推断出a的类型;
  3. [](const A&a1,const A&a2){return a1.index<a2.index;})
    运用了lambda表达式。
  4. begin()
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