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英文原文(Inplace matrix decompositions)
从 Eigen 3.3 开始,LU
、Cholesky
和 QR
分解可以就地操作,即直接在给定的输入矩阵内操作。当处理大矩阵时,或者当可用内存非常有限(嵌入式系统)时,此功能特别有用。
为此,必须使用 Ref<>
矩阵类型实例化相应的分解类,并且必须使用输入矩阵作为参数构造分解对象。作为一个例子,让我们考虑一个带有部分旋转的就地 LU 分解。
声明一个 2x2
矩阵 A:
Eigen::MatrixXd A(2,2);
A << 2, -1,
1, 3;
std::cout << "Here is the input matrix A before decomposition:\n" << A << "\n";
输出:
Here is the input matrix A before decomposition:
2 -1
1 3
然后,声明就地 LU
分解对象 lu
,并检查矩阵 A
的内容:
Eigen::PartialPivLU<Eigen::Ref<Eigen::MatrixXd> > lu(A);
std::cout << "Here is the input matrix A after decomposition:\n" << A << "\n";
输出:
Here is the input matrix A after decomposition:
2 -1
0.5 3.5
在这里,lu
对象计算 L
和 U
因子并将其存储在矩阵 A
所持有的内存中。A
的系数在分解过程中被破坏,并由 L
和 U
因子代替,可以验证:
std::cout << "Here is the matrix storing the L and U factors:\n" << lu.matrixLU() << "\n";
输出:
Here is the matrix storing the L and U factors:
2 -1
0.5 3.5
然后,可以使用 lu
对象,例如解决 A x = b Ax=b Ax=b 问题:
Eigen::MatrixXd A0(2,2); A0 << 2, -1, 1, 3;
Eigen::VectorXd b(2); b << 1, 2;
Eigen::VectorXd x = lu.solve(b);
std::cout << "Residual: " << (A0 * x - b).norm() << "\n";
输出:
Residual: 0
由于A
和lu
共享内存,修改矩阵A
将使lu
无效。可以通过修改内容A
并再次尝试解决初始问题来轻松验证:
A << 3, 4, -2, 1;
x = lu.solve(b);
std::cout << "Residual: " << (A0 * x - b).norm() << "\n";
输出:
Residual: 15.8114
请注意,这里没有共享指针,用户需要使输入矩阵 A
和 lu
保持相同的生命周期。
如果想用修改后的 A 更新因式分解,则必须像往常一样调用 compute
方法:
A0 = A; // save A
lu.compute(A);
x = lu.solve(b);
std::cout << "Residual: " << (A0 * x - b).norm() << "\n";
输出:
Residual: 0
请注意,调用 compute
不会更改 lu
对象引用的内存。因此,如果使用不同于 A
的另一个矩阵 A1
调用 compute
方法,则不会修改 A1
的内容。这仍然是 A 的内容,它将用于存储矩阵 A1 的 L 和 U 因子。验证如下:
Eigen::MatrixXd A1(2,2);
A1 << 5,-2,3,4;
lu.compute(A1);
std::cout << "Here is the input matrix A1 after decomposition:\n" << A1 << "\n";
输出:
Here is the input matrix A1 after decomposition:
5 -2
3 4
矩阵 A1
没有改变,并且可以求解 A 1 ∗ x = b A1*x=b A1∗x=b,也可以不复制 A1
直接求得残差:
x = lu.solve(b);
std::cout << "Residual: " << (A1 * x - b).norm() << "\n";
输出:
Residual: 2.48253e-16
以下是支持这种就地机制的矩阵分解列表: