简单介绍C++中线性代数运算库Eigen

Eigen 是一个高性能的 C++ 模板库,专注于线性代数、矩阵和向量运算,广泛应用于科学计算、机器学习和计算机视觉等领域。以下是对 Eigen 库的详细介绍:


1. 概述

  • 核心功能:支持矩阵、向量运算,包括基本算术、矩阵分解(如 LU、QR、SVD)、几何变换(旋转、平移)等。
  • 特点
    • 表达式模板:通过延迟计算优化性能,减少临时变量。
    • 多数据类型 :支持 floatdoublestd::complex 等。
    • 存储顺序:默认列优先(类似 Fortran),可选行优先(兼容 C 风格数组)。
    • 动态与静态矩阵MatrixXd(动态大小双精度)、Vector3f(固定大小 3 维单精度)等。
    • 零依赖:纯头文件实现,无需额外编译。
  • 许可证:MPL2(宽松开源协议,允许商业使用)。

2. 安装与配置

  • 安装:从 Eigen 官网 下载后,将头文件目录添加到编译器包含路径。

  • 包含头文件

    c 复制代码
    #include <Eigen/Core>      // 核心模块(Matrix、Vector)
    #include <Eigen/Dense>     // 常用模块(包含 Core、LU、QR 等)
    #include <Eigen/Geometry> // 几何变换

3. 基本用法

3.1 定义矩阵与向量

c 复制代码
Eigen::MatrixXd mat(3, 3);     // 动态大小双精度矩阵
Eigen::Vector3f vec;           // 固定大小3维单精度向量
Eigen::Matrix3f mat_fixed;     // 固定大小3x3单精度矩阵

3.2 初始化

c 复制代码
mat = Eigen::MatrixXd::Random(3, 3);  // 随机初始化
vec << 1, 2, 3;                      // 逗号初始化
mat_fixed = Eigen::Matrix3f::Identity(); // 单位矩阵

3.3 算术运算

c 复制代码
Eigen::MatrixXd a = Eigen::MatrixXd::Random(2, 2);
Eigen::MatrixXd b = Eigen::MatrixXd::Random(2, 2);
Eigen::MatrixXd c = a + b;          // 逐元素加法
Eigen::MatrixXd d = a * b;          // 矩阵乘法
Eigen::MatrixXd e = a.transpose();  // 转置

3.4 解线性方程组

c 复制代码
Eigen::Matrix3f A;
Eigen::Vector3f b, x;
A << 1, 2, 3, 
     4, 5, 6, 
     7, 8, 10;
b << 3, 3, 4;
x = A.lu().solve(b); // LU分解求解Ax = b

4. 高级功能

4.1 矩阵分解

c 复制代码
// QR分解(最小二乘解)
x = A.householderQr().solve(b);
// SVD分解(奇异值分解)
Eigen::JacobiSVD<Eigen::MatrixXd> svd(A, Eigen::ComputeThinU | Eigen::ComputeThinV);

4.2 几何模块

c 复制代码
Eigen::AngleAxisd rotation(M_PI/4, Eigen::Vector3d::UnitZ()); // Z轴旋转45度
Eigen::Vector3d point(1, 0, 0);
point = rotation * point; // 应用旋转变换

4.3 内存映射(Map类)

c 复制代码
double data[] = {1, 2, 3, 4};
Eigen::Map<Eigen::VectorXd> vec_map(data, 4); // 将数组映射为向量

5. 性能优化

  • 表达式模板 :自动合并操作(如 a = b + c + d 合并为单层循环)。
  • 固定大小矩阵:小型矩阵(如 4x4)在栈上分配,避免堆开销。
  • SIMD 优化 :启用编译器选项(如 -march=native)利用 SSE/AVX 指令集。

6. 注意事项

  • 别名问题:避免操作中同时读写同一矩阵:

    c 复制代码
    // 错误写法:a = a.transpose();
    a = a.transpose().eval();        // 正确写法1
    a.transposeInPlace();             // 正确写法2
  • auto 陷阱:延迟计算可能导致意外结果:

    c 复制代码
    auto tmp = a * b; // tmp是表达式对象,非实际矩阵
    Eigen::MatrixXd tmp_eval = a * b; // 立即求值
  • 内存对齐 :固定大小矩阵需注意内存对齐(使用 EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW)。


7. 应用场景

  • 科学计算:解微分方程、优化问题。
  • 计算机视觉:三维重建、相机标定(如 OpenCV 可集成 Eigen)。
  • 机器学习:线性回归、PCA 降维。
  • 物理引擎:刚体变换、碰撞检测。

8. 对比其他库

库名 特点
Armadillo 语法类似 Matlab,依赖 LAPACK。
OpenCV 侧重图像处理,内置矩阵但功能较局限。
BLAS/LAPACK 底层标准,需手动管理内存。

Eigen 凭借其高性能、易用性和灵活性,成为 C++ 中线性代数运算的首选库之一。深入掌握其特性后,可在项目中高效实现复杂的数学运算。

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