Eigen子矩阵操作

时间：2023-03-09 04:12:48
Eigen子矩阵操作

1 子矩阵操作简介

子矩阵操作又称块操作，在矩阵运算中，子矩阵的提取和操作应用也十分广泛。因此Eigen中也提供了相关操作的方法。提取的子矩阵在操作过程中既可以用作左值也可以用作右值。

2 块操作的一般使用方法

在Eigen中最基本的快操作运算是用.block()完成的。提取的子矩阵同样分为动态大小和固定大小。

|块操作|构建动态大小子矩阵|构建固定大小子矩阵|

|:-|:-|

|提取块大小为(p,q),起始于(i,j)|matrix.block(i,j,p,q)|matrix.block<p,q>(i,j)|

同样需要注意的是在Eigen中，索引是从0开始。所有的操作方法都可以适用于Array.同样使用固定大小的操作方式在小型矩阵运算时更加的快，但要求在编译时就要知道矩阵的大小。

下面是一个使用示例：

#include <iostream>

#include "Eigen/Dense"

using namespace std;

using namespace Eigen;

int main()

{

	MatrixXf m(4,4);

	m<<	1,2,3,4,

		5,6,7,8,

		9,10,11,12,

		13,14,15,16;

	cout<<"Block in the middle"<<endl;

	cout<<m.block<2,2>(1,1)<<endl<<endl;

	for(int i = 1;i <= 3;++i)

	{

		cout<<"Block of size "<<i<<"x"<<i<<endl;

		cout<<m.block(0,0,i,i)<<endl<<endl;

	}

}

执行结果如下：

Block in the middle

 6  7

10 11

Block of size 1x1

1

Block of size 2x2

1 2

5 6

Block of size 3x3

 1  2  3

 5  6  7

 9 10 11

上面的示例中，.block()被应用为左值操作，即从中读取数据。事实上，它也可以被用作为右值操作，即也可往里面写入数据。下面是一个右值应用实例。

#include <iostream>

#include "Eigen/Dense"

using namespace std;

using namespace Eigen;

int main()

{

	Array22f m;

	m<<	1,2,

		3,4;

	Array44f a = Array44f::Constant(0.6);

	cout<<"Here is the array a:"<<endl<<a<<endl<<endl;

	a.block<2,2>(1,1) = m;

	cout<<"Here is now a with m copied into its central 2x2 block:"<<endl<<a<<endl<<endl;

	a.block(0,0,2,3) = a.block(2,1,2,3);

	cout<<"Here is now a with bottom-right 2x3 block copied into top-left 2x2 block:"<<endl<<a<<endl<<endl;

}

执行结果如下：

Here is the array a:

0.6 0.6 0.6 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

Here is now a with m copied into its central 2x2 block:

0.6 0.6 0.6 0.6

0.6   1   2 0.6

0.6   3   4 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

Here is now a with bottom-right 2x3 block copied into top-left 2x2 block:

  3   4 0.6 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

0.6   3   4 0.6

0.6 0.6 0.6 0.6

.block()方法是一种非常通用的块操作方法。除了这个通用的方法以外，Eigen中还为一些常用的特殊操作提供了特殊的函数。从运行速度的方面来看，你应该在编译阶段尽可能的提供更多的信息。比如，如果你需要操作的块是一个列，那么你可以使用.col()函数。这样Eigen可以得知这个信息以便进行更多的优化。

这些特殊操作方法总结如下。

3 行子式和列子式

我们可以使用.col()和.row()方法来操作或者提取一个列或者行。

块操作 方法
第i行 matrix.row(i);
第j列 matrix.col(j);

下面是一个使用示例：

#include <iostream>

#include "Eigen/Dense"

using namespace std;

using namespace Eigen;

int main()

{

	MatrixXf m(3,3);

	m<<	1,2,3,

		4,5,6,

		7,8,9;

	cout<<"Here is the matrix m:"<<endl<<m<<endl;

	cout<<"2nd Row:"<<m.row(1)<<endl;

	m.col(2) += 3*m.col(0);

	cout<<"After adding 3 times the first column into third column,the matrix m is:\n";

	cout<<m<<endl;

}

执行结果如下：

Here is the matrix m:

1 2 3

4 5 6

7 8 9

2nd Row:4 5 6

After adding 3 times the first column into third column,the matrix m is:

 1  2  6

 4  5 18

 7  8 30

4 边角子矩阵

Eigen提供了从边角开始提取子矩阵的方法，比如.topLeftCorner()表示从左上角开始提取子矩阵。这些操作总结如下：

块操作 动态矩阵版本 固定矩阵版本
左上角pxq matrix.topLeftCorner(p,q); matrix.topLeftCorner<p,q>();
左下角pxq matrix.bottomLeftCorner(p,q); matrix.bbottomLeftCorner<p,q>();
右上角pxq matrix.topRightCorner(p,q); matrix.topRightCorner<p,q>();
右下角pxq matrix.bottomRightCorner(p,q); matrix.bottomRightCorner<p,q>();
前p行 matrix.topRows(p); matrix.topRows<p>();
后p行 matrix.bottomRows(p); matrix.bottomRows<p>();
前q列 matrix.leftCols(q); matrix.leftCols<q>();
后q列 matrix.rightCols(q); matrix.rightCols<q>();

下面是一个使用示例：

#include <iostream>

#include "Eigen/Dense"

using namespace std;

using namespace Eigen;

int main()

{

	Matrix4f m;

	m<<	1,2,3,4,

		5,6,7,8,

		9,10,11,12,

		13,14,15,16;

	cout<<"m.leftCols(2)="<<endl<<m.leftCols(2)<<endl<<endl;

	cout<<"m.bottomRows<2>()="<<endl<<m.bottomRows<2>()<<endl<<endl;

	m.topLeftCorner(1,3) = m.bottomRightCorner(3,1).transpose();

	cout<<"After assignment,m="<<endl<<m<<endl;

}

执行结果如下：

m.leftCols(2)=

 1  2

 5  6

 9 10

13 14

m.bottomRows<2>()=

 9 10 11 12

13 14 15 16

After assignment,m=

 8 12 16  4

 5  6  7  8

 9 10 11 12

13 14 15 16

5 向量的子向量操作

Eigen中同样也为向量提供了一些子式的操作方法，总结如下：

块操作 固定向量版本 动态向量版本
前n个元素 vector.head(n); vector.head<n>();
后n个元素 vector.tail(n); vector.tail<n>();
从i开始取n个元素 vector.segment(i,n) vector.segment<n>(i);

再次说明一下，所有对矩阵的操作同样适用于Array，所有对列向量的操作同样适用于行向量。

下面是一个使用示例：

#include <iostream>

#include "Eigen/Dense"

using namespace std;

using namespace Eigen;

int main()

{

	ArrayXf v(6);

	v<<1,2,3,4,5,6;

	cout<<"v.head(3)="<<endl<<v.head(3)<<endl<<endl;

	cout<<"v.tail<3>()="<<endl<<v.tail<3>()<<endl<<endl;

	v.segment(1,4) *= 2;

	cout<<"after 'v.segment(1,4) *= 2',v="<<endl<<v<<endl;

}

执行结果如下：

v.head(3)=

1

2

3

v.tail<3>()=

4

5

6

after 'v.segment(1,4) *= 2',v=

 1

 4

 6

 8

10

 6

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