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eigen库使用

程序员文章站 2022-06-03 17:59:04
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第一部分转自:http://blog.csdn.net/r1254/article/details/47418871

矩阵、向量初始化

#include <iostream>
#include "Eigen/Dense"
using namespace Eigen;
int main()
{
    MatrixXf m1(3,4);   //动态矩阵,建立3行4列。
    MatrixXf m2(4,3);   //4行3列,依此类推。
    MatrixXf m3(3,3);

    Vector3f v1;        //若是静态数组,则不用指定行或者列
    /* 初始化 */
    Matrix3d m = Matrix3d::Random();
    m1 = MatrixXf::Zero(3,4);       //用0矩阵初始化,要指定行列数
    m2 = MatrixXf::Zero(4,3);
    m3 = MatrixXf::Identity(3,3);   //用单位矩阵初始化
    v1 = Vector3f::Zero();          //同理,若是静态的,不用指定行列数

    m1 << 1,0,0,1,      //也可以以这种方式初始化
        1,5,0,1,
        0,0,9,1;
    m2 << 1,0,0,
        0,4,0,
        0,0,7,
        1,1,1;
    //向量初始化,与矩阵类似
    Vector3d v3(1,2,3);
    VectorXf vx(30);
}
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C++数组和矩阵转换

使用Map函数,可以实现Eigen的矩阵和c++中的数组直接转换,语法如下:

//@param MatrixType 矩阵类型
//@param MapOptions 可选参数,指的是指针是否对齐,Aligned, or Unaligned. The default is Unaligned.
//@param StrideType 可选参数,步长
/*
    Map<typename MatrixType,
        int MapOptions,
        typename StrideType>
*/
    int i;
    //数组转矩阵
    double *aMat = new double[20];
    for(i =0;i<20;i++)
    {
        aMat[i] = rand()%11;
    }
    //静态矩阵,编译时确定维数 Matrix<double,4,5> 
    Eigen:Map<Matrix<double,4,5> > staMat(aMat);


    //输出
    for (int i = 0; i < staMat.size(); i++)
        std::cout << *(staMat.data() + i) << " ";
    std::cout << std::endl << std::endl;


    //动态矩阵,运行时确定 MatrixXd
    Map<MatrixXd> dymMat(aMat,4,5);


    //输出,应该和上面一致
    for (int i = 0; i < dymMat.size(); i++)
        std::cout << *(dymMat.data() + i) << " ";
    std::cout << std::endl << std::endl;

    //Matrix中的数据存在一维数组中,默认是行优先的格式,即一行行的存
    //data()返回Matrix中的指针
    dymMat.data();
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矩阵基础操作

eigen重载了基础的+ - * / += -= = /= 可以表示标量和矩阵或者矩阵和矩阵

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace Eigen;
int main()
{
    //单个取值,单个赋值
    double value00 = staMat(0,0);
    double value10 = staMat(1,0);
    staMat(0,0) = 100;
    std::cout << value00 <<value10<<std::endl;
    std::cout <<staMat<<std::endl<<std::endl;
    //加减乘除示例 Matrix2d 等同于 Matrix<double,2,2>
    Matrix2d a;
     a << 1, 2,
     3, 4;
    MatrixXd b(2,2);
     b << 2, 3,
     1, 4;

    Matrix2d c = a + b;
    std::cout<< c<<std::endl<<std::endl;

    c = a - b;
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;

    c = a * 2;
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;

    c = 2.5 * a;
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;

    c = a / 2;
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;

    c = a * b;
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;
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点积和叉积

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace Eigen;
using namespace std;
int main()
{
    //点积、叉积(针对向量的)
    Vector3d v(1,2,3);
    Vector3d w(0,1,2);
    std::cout<<v.dot(w)<<std::endl<<std::endl;
    std::cout<<w.cross(v)<<std::endl<<std::endl;
}
*/
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转置、伴随、行列式、逆矩阵

小矩阵(4 * 4及以下)eigen会自动优化,默认采用LU分解,效率不高

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace std;
using namespace Eigen;
int main()
{
    Matrix2d c;
     c << 1, 2,
     3, 4;
    //转置、伴随
    std::cout<<c<<std::endl<<std::endl;
    std::cout<<"转置\n"<<c.transpose()<<std::endl<<std::endl;
    std::cout<<"伴随\n"<<c.adjoint()<<std::endl<<std::endl;
    //逆矩阵、行列式
    std::cout << "行列式: " << c.determinant() << std::endl;
    std::cout << "逆矩阵\n" << c.inverse() << std::endl;
}
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计算特征值和特征向量

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace std;
using namespace Eigen;
int main()
{
    //特征向量、特征值
    std::cout << "Here is the matrix A:\n" << a << std::endl;
    SelfAdjointEigenSolver<Matrix2d> eigensolver(a);
    if (eigensolver.info() != Success) abort();
     std::cout << "特征值:\n" << eigensolver.eigenvalues() << std::endl;
     std::cout << "Here's a matrix whose columns are eigenvectors of A \n"
     << "corresponding to these eigenvalues:\n"
     << eigensolver.eigenvectors() << std::endl;
}
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解线性方程

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace std;
using namespace Eigen;
int main()
{
    //线性方程求解 Ax =B;
    Matrix4d A;
    A << 2,-1,-1,1,
        1,1,-2,1,
        4,-6,2,-2,
        3,6,-9,7;

    Vector4d B(2,4,4,9);

    Vector4d x = A.colPivHouseholderQr().solve(B);
    Vector4d x2 = A.llt().solve(B);
    Vector4d x3 = A.ldlt().solve(B);    


    std::cout << "The solution is:\n" << x <<"\n\n"<<x2<<"\n\n"<<x3 <<std::endl;
}
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除了colPivHouseholderQr、LLT、LDLT,还有以下的函数可以求解线性方程组,请注意精度和速度: 解小矩阵(4*4)基本没有速度差别

最小二乘求解

最小二乘求解有两种方式,jacobiSvd或者colPivHouseholderQr,4*4以下的小矩阵速度没有区别,jacobiSvd可能更快,大矩阵最好用colPivHouseholderQr

#include <iostream>
#include <Eigen/Dense>
using namespace std;
using namespace Eigen;
int main()
{
    MatrixXf A1 = MatrixXf::Random(3, 2);
    std::cout << "Here is the matrix A:\n" << A1 << std::endl;
    VectorXf b1 = VectorXf::Random(3);
    std::cout << "Here is the right hand side b:\n" << b1 << std::endl;
    //jacobiSvd 方式:Slow (but fast for small matrices)
    std::cout << "The least-squares solution is:\n"
    << A1.jacobiSvd(ComputeThinU | ComputeThinV).solve(b1) << std::endl;
    //colPivHouseholderQr方法:fast
    std::cout << "The least-squares solution is:\n"
    << A1.colPivHouseholderQr().solve(b1) << std::endl;
}
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稀疏矩阵

稀疏矩阵的头文件包括:

#include

typedef Eigen::Triplet<double> T;
std::vector<T> tripletList;
triplets.reserve(estimation_of_entries); //estimation_of_entries是预估的条目
for(...)
{
    tripletList.push_back(T(i,j,v_ij));//第 i,j个有值的位置的值
}
SparseMatrixType mat(rows,cols);
mat.setFromTriplets(tripletList.begin(), tripletList.end());
// mat is ready to go!
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2.直接将已知的非0值插入

SparseMatrix<double> mat(rows,cols);
mat.reserve(VectorXi::Constant(cols,6));
for(...)
{
    // i,j 个非零值 v_ij != 0
    mat.insert(i,j) = v_ij;
}
mat.makeCompressed(); // optional
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稀疏矩阵支持大部分一元和二元运算:

sm1.real() sm1.imag() -sm1 0.5*sm1 
sm1+sm2 sm1-sm2 sm1.cwiseProduct(sm2) 
二元运算中,稀疏矩阵和普通矩阵可以混合使用

//dm表示普通矩阵 
dm2 = sm1 + dm1; 
也支持计算转置矩阵和伴随矩阵

第二部分转自(同matlab命令对比,比较清晰):

http://blog.csdn.net/yuxiangyunei/article/details/50220287

(http://eigen.tuxfamily.org/dox/AsciiQuickReference.txt)


Eigen 矩阵定义

[cpp]
  1. #include <Eigen/Dense>  
  2.   
  3. Matrix<double, 3, 3> A;               // Fixed rows and cols. Same as Matrix3d.  
  4. Matrix<double, 3, Dynamic> B;         // Fixed rows, dynamic cols.  
  5. Matrix<double, Dynamic, Dynamic> C;   // Full dynamic. Same as MatrixXd.  
  6. Matrix<double, 3, 3, RowMajor> E;     // Row major; default is column-major.  
  7. Matrix3f P, Q, R;                     // 3x3 float matrix.  
  8. Vector3f x, y, z;                     // 3x1 float matrix.  
  9. RowVector3f a, b, c;                  // 1x3 float matrix.  
  10. VectorXd v;                           // Dynamic column vector of doubles  
  11. double s;                              

Eigen 基础使用

[cpp]
  1. // Basic usage  
  2. // Eigen          // Matlab           // comments  
  3. x.size()          // length(x)        // vector size  
  4. C.rows()          // size(C,1)        // number of rows  
  5. C.cols()          // size(C,2)        // number of columns  
  6. x(i)              // x(i+1)           // Matlab is 1-based  
  7. C(i,j)            // C(i+1,j+1)       //  
  8.   
  9. A.resize(4, 4);   // Runtime error if assertions are on.  
  10. B.resize(4, 9);   // Runtime error if assertions are on.  
  11. A.resize(3, 3);   // Ok; size didn't change.  
  12. B.resize(3, 9);   // Ok; only dynamic cols changed.  
  13.                     
  14. A << 1, 2, 3,     // Initialize A. The elements can also be  
  15.      4, 5, 6,     // matrices, which are stacked along cols  
  16.      7, 8, 9;     // and then the rows are stacked.  
  17. B << A, A, A;     // B is three horizontally stacked A's.  
  18. A.fill(10);       // Fill A with all 10's.  

Eigen 特殊矩阵生成

[cpp]
  1. // Eigen                            // Matlab  
  2. MatrixXd::Identity(rows,cols)       // eye(rows,cols)  
  3. C.setIdentity(rows,cols)            // C = eye(rows,cols)  
  4. MatrixXd::Zero(rows,cols)           // zeros(rows,cols)  
  5. C.setZero(rows,cols)                // C = ones(rows,cols)  
  6. MatrixXd::Ones(rows,cols)           // ones(rows,cols)  
  7. C.setOnes(rows,cols)                // C = ones(rows,cols)  
  8. MatrixXd::Random(rows,cols)         // rand(rows,cols)*2-1        // MatrixXd::Random returns uniform random numbers in (-1, 1).  
  9. C.setRandom(rows,cols)              // C = rand(rows,cols)*2-1  
  10. VectorXd::LinSpaced(size,low,high)   // linspace(low,high,size)'  
  11. v.setLinSpaced(size,low,high)        // v = linspace(low,high,size)'  

Eigen 矩阵分块

[cpp]
  1. // Matrix slicing and blocks. All expressions listed here are read/write.  
  2. // Templated size versions are faster. Note that Matlab is 1-based (a size N  
  3. // vector is x(1)...x(N)).  
  4. // Eigen                           // Matlab  
  5. x.head(n)                          // x(1:n)  
  6. x.head<n>()                        // x(1:n)  
  7. x.tail(n)                          // x(end - n + 1: end)  
  8. x.tail<n>()                        // x(end - n + 1: end)  
  9. x.segment(i, n)                    // x(i+1 : i+n)  
  10. x.segment<n>(i)                    // x(i+1 : i+n)  
  11. P.block(i, j, rows, cols)          // P(i+1 : i+rows, j+1 : j+cols)  
  12. P.block<rows, cols>(i, j)          // P(i+1 : i+rows, j+1 : j+cols)  
  13. P.row(i)                           // P(i+1, :)  
  14. P.col(j)                           // P(:, j+1)  
  15. P.leftCols<cols>()                 // P(:, 1:cols)  
  16. P.leftCols(cols)                   // P(:, 1:cols)  
  17. P.middleCols<cols>(j)              // P(:, j+1:j+cols)  
  18. P.middleCols(j, cols)              // P(:, j+1:j+cols)  
  19. P.rightCols<cols>()                // P(:, end-cols+1:end)  
  20. P.rightCols(cols)                  // P(:, end-cols+1:end)  
  21. P.topRows<rows>()                  // P(1:rows, :)  
  22. P.topRows(rows)                    // P(1:rows, :)  
  23. P.middleRows<rows>(i)              // P(i+1:i+rows, :)  
  24. P.middleRows(i, rows)              // P(i+1:i+rows, :)  
  25. P.bottomRows<rows>()               // P(end-rows+1:end, :)  
  26. P.bottomRows(rows)                 // P(end-rows+1:end, :)  
  27. P.topLeftCorner(rows, cols)        // P(1:rows, 1:cols)  
  28. P.topRightCorner(rows, cols)       // P(1:rows, end-cols+1:end)  
  29. P.bottomLeftCorner(rows, cols)     // P(end-rows+1:end, 1:cols)  
  30. P.bottomRightCorner(rows, cols)    // P(end-rows+1:end, end-cols+1:end)  
  31. P.topLeftCorner<rows,cols>()       // P(1:rows, 1:cols)  
  32. P.topRightCorner<rows,cols>()      // P(1:rows, end-cols+1:end)  
  33. P.bottomLeftCorner<rows,cols>()    // P(end-rows+1:end, 1:cols)  
  34. P.bottomRightCorner<rows,cols>()   // P(end-rows+1:end, end-cols+1:end)  

Eigen 矩阵元素交换

[cpp]
  1. // Of particular note is Eigen's swap function which is highly optimized.  
  2. // Eigen                           // Matlab  
  3. R.row(i) = P.col(j);               // R(i, :) = P(:, i)  
  4. R.col(j1).swap(mat1.col(j2));      // R(:, [j1 j2]) = R(:, [j2, j1])  

Eigen 矩阵转置

[cpp]
  1. // Views, transpose, etc; all read-write except for .adjoint().  
  2. // Eigen                           // Matlab  
  3. R.adjoint()                        // R'  
  4. R.transpose()                      // R.' or conj(R')  
  5. R.diagonal()                       // diag(R)  
  6. x.asDiagonal()                     // diag(x)  
  7. R.transpose().colwise().reverse(); // rot90(R)  
  8. R.conjugate()                      // conj(R)  

Eigen 矩阵乘积

[cpp]
  1. // All the same as Matlab, but matlab doesn't have *= style operators.  
  2. // Matrix-vector.  Matrix-matrix.   Matrix-scalar.  
  3. y  = M*x;          R  = P*Q;        R  = P*s;  
  4. a  = b*M;          R  = P - Q;      R  = s*P;  
  5. a *= M;            R  = P + Q;      R  = P/s;  
  6.                    R *= Q;          R  = s*P;  
  7.                    R += Q;          R *= s;  
  8.                    R -= Q;          R /= s;  

Eigen 矩阵单个元素操作

[cpp]
  1. // Vectorized operations on each element independently  
  2. // Eigen                  // Matlab  
  3. R = P.cwiseProduct(Q);    // R = P .* Q  
  4. R = P.array() * s.array();// R = P .* s  
  5. R = P.cwiseQuotient(Q);   // R = P ./ Q  
  6. R = P.array() / Q.array();// R = P ./ Q  
  7. R = P.array() + s.array();// R = P + s  
  8. R = P.array() - s.array();// R = P - s  
  9. R.array() += s;           // R = R + s  
  10. R.array() -= s;           // R = R - s  
  11. R.array() < Q.array();    // R < Q  
  12. R.array() <= Q.array();   // R <= Q  
  13. R.cwiseInverse();         // 1 ./ P  
  14. R.array().inverse();      // 1 ./ P  
  15. R.array().sin()           // sin(P)  
  16. R.array().cos()           // cos(P)  
  17. R.array().pow(s)          // P .^ s  
  18. R.array().square()        // P .^ 2  
  19. R.array().cube()          // P .^ 3  
  20. R.cwiseSqrt()             // sqrt(P)  
  21. R.array().sqrt()          // sqrt(P)  
  22. R.array().exp()           // exp(P)  
  23. R.array().log()           // log(P)  
  24. R.cwiseMax(P)             // max(R, P)  
  25. R.array().max(P.array())  // max(R, P)  
  26. R.cwiseMin(P)             // min(R, P)  
  27. R.array().min(P.array())  // min(R, P)  
  28. R.cwiseAbs()              // abs(P)  
  29. R.array().abs()           // abs(P)  
  30. R.cwiseAbs2()             // abs(P.^2)  
  31. R.array().abs2()          // abs(P.^2)  
  32. (R.array() < s).select(P,Q);  // (R < s ? P : Q)  

Eigen 矩阵化简

[cpp]
  1. // Reductions.  
  2. int r, c;  
  3. // Eigen                  // Matlab  
  4. R.minCoeff()              // min(R(:))  
  5. R.maxCoeff()              // max(R(:))  
  6. s = R.minCoeff(&r, &c)    // [s, i] = min(R(:)); [r, c] = ind2sub(size(R), i);  
  7. s = R.maxCoeff(&r, &c)    // [s, i] = max(R(:)); [r, c] = ind2sub(size(R), i);  
  8. R.sum()                   // sum(R(:))  
  9. R.colwise().sum()         // sum(R)  
  10. R.rowwise().sum()         // sum(R, 2) or sum(R')'  
  11. R.prod()                  // prod(R(:))  
  12. R.colwise().prod()        // prod(R)  
  13. R.rowwise().prod()        // prod(R, 2) or prod(R')'  
  14. R.trace()                 // trace(R)  
  15. R.all()                   // all(R(:))  
  16. R.colwise().all()         // all(R)  
  17. R.rowwise().all()         // all(R, 2)  
  18. R.any()                   // any(R(:))  
  19. R.colwise().any()         // any(R)  
  20. R.rowwise().any()         // any(R, 2)  

Eigen 矩阵点乘

[cpp]
  1. // Dot products, norms, etc.  
  2. // Eigen                  // Matlab  
  3. x.norm()                  // norm(x).    Note that norm(R) doesn't work in Eigen.  
  4. x.squaredNorm()           // dot(x, x)   Note the equivalence is not true for complex  
  5. x.dot(y)                  // dot(x, y)  
  6. x.cross(y)                // cross(x, y) Requires #include <Eigen/Geometry>  

Eigen 矩阵类型转换

[cpp]
  1. //// Type conversion  
  2. // Eigen                           // Matlab  
  3. A.cast<double>();                  // double(A)  
  4. A.cast<float>();                   // single(A)  
  5. A.cast<int>();                     // int32(A)  
  6. A.real();                          // real(A)  
  7. A.imag();                          // imag(A)  
  8. // if the original type equals destination type, no work is done  

[cpp]
  1. // Note that for most operations Eigen requires all operands to have the same type:  
  2. MatrixXf F = MatrixXf::Zero(3,3);  
  3. A += F;                // illegal in Eigen. In Matlab A = A+F is allowed  
  4. A += F.cast<double>(); // F converted to double and then added (generally, conversion happens on-the-fly)  
  5.   
  6. // Eigen can map existing memory into Eigen matrices.  
  7. float array[3];  
  8. Vector3f::Map(array).fill(10);            // create a temporary Map over array and sets entries to 10  
  9. int data[4] = {1, 2, 3, 4};  
  10. Matrix2i mat2x2(data);                    // copies data into mat2x2  
  11. Matrix2i::Map(data) = 2*mat2x2;           // overwrite elements of data with 2*mat2x2  
  12. MatrixXi::Map(data, 2, 2) += mat2x2;      // adds mat2x2 to elements of data (alternative syntax if size is not know at compile time)  

Eigen 求解线性方程组 Ax = b

[cpp]
  1. // Solve Ax = b. Result stored in x. Matlab: x = A \ b.  
  2. x = A.ldlt().solve(b));  // A sym. p.s.d.    #include <Eigen/Cholesky>  
  3. x = A.llt() .solve(b));  // A sym. p.d.      #include <Eigen/Cholesky>  
  4. x = A.lu()  .solve(b));  // Stable and fast. #include <Eigen/LU>  
  5. x = A.qr()  .solve(b));  // No pivoting.     #include <Eigen/QR>  
  6. x = A.svd() .solve(b));  // Stable, slowest. #include <Eigen/SVD>  
  7. // .ldlt() -> .matrixL() and .matrixD()  
  8. // .llt()  -> .matrixL()  
  9. // .lu()   -> .matrixL() and .matrixU()  
  10. // .qr()   -> .matrixQ() and .matrixR()  
  11. // .svd()  -> .matrixU(), .singularValues(), and .matrixV()  

Eigen 矩阵特征值

[cpp]
  1. // Eigenvalue problems  
  2. // Eigen                          // Matlab  
  3. A.eigenvalues();                  // eig(A);  
  4. EigenSolver<Matrix3d> eig(A);     // [vec val] = eig(A)  
  5. eig.eigenvalues();                // diag(val)  
  6. eig.eigenvectors();               // vec  
  7. // For self-adjoint matrices use SelfAdjointEigenSolver<>  

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