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SLAM從入門到放棄:SLAM十四講第四章習題(1-4)

以下均為簡單筆記,如有錯誤,請多多指教。

  1. 驗證SO(3)SO(3)SE(3)SE(3)Sim(3)Sim(3)關於乘法成群。
    證:
    已知SO(3)={RR3×3RRT=I,det(R)=1}SO(3)=\lbrace{R\isin\R^{3\times3}| RR^T=I,det(R)=1}\rbrace;取R1SO(3)R_1\isin SO(3)R2SO(3)R_2\isin SO(3)R3SO(3)R_3\isin SO(3)

    );
    驗證封閉性:設R=R1R2R=R_1R_2;不難發現RRT=(R1R2)(R1R2)T=R1R2R2TR1T=IRR^T=(R_1R_2)(R_1R_2)^T=R_1R_2R_2^TR_1^T=I;並且det(R)=det(R1)det(R2)=1det(R)=det(R_1)det(R_2)=1;故RSO(3)R\isin SO(3)
    驗證結合律:根據矩陣乘法結合律,不難得到(R1R2)R3=R1(R2R3)(R_1R_2)R_3=R_1(R_2R_3)

    么元:根據單位矩陣的特性,可以發現IR=RI=RIR=RI=R
    逆:由於單位旋轉矩陣具有正定性,即RRT=IRR^T=I

    已知SE(3)={T=[Rt0T1]R4×4RSO(3),tR3}SE(3)=\lbrace{T=\begin{bmatrix} R & t \\ 0^T & 1 \end{bmatrix}\isin\R^{4\times4}| R\isin SO(3),t\isin \R^3}\rbrace;
    驗證封閉性:設T=T1T2T=T_1T_2,故T=[R1R2R1t2+t10T1]T=\begin{bmatrix} R_1R_2 & R_1t_2+t_1 \\ 0^T & 1 \end{bmatrix},由於R1R2SO(3)R_1R_2\isin SO(3),且R1t2+t1R3R_1t_2+t_1\isin R^3,因此TSE(3)T\isin SE(3)
    驗證結合律:根據矩陣乘法結合律,不難得到(T1T2)T3=T1(T2T3)(T_1T_2)T_3=T_1(T_2T_3)
    么元:根據單位矩陣的特性,可以發現IT=TI=TIT=TI=T
    逆:對於TT,必然存在Tinv=[RTRTt0T1]T_inv=\begin{bmatrix} R^T & -R^Tt \\ 0^T & 1 \end{bmatrix}使得TTinv=ITT_inv=I
    由於SE(3)SE(3)SO(3)SO(3)並無明顯區別,此處不再驗證。

  2. 驗證(R3,R,×)(\R^3,\R,\times)構成李代數。
    證:
    假設X,Y,ZR3X,Y,Z\isin \R^3
    封閉性:不難發現[X,Y]=XYR3[X,Y]=X^{\land}Y\isin \R^3
    雙線性:[aX+bY,Z]=(aX+bY)Z=aXZ+bYZ=a[X,Z]+b[Y,Z][aX+bY,Z]=(aX+bY)Z=aX^{\land}Z+bY^{\land}Z=a[X,Z]+b[Y,Z];同理[ZaX+bY]=Z(aX+bZ)=aZX+bZY=a[Z,X]+b[Z,Y][Z,aX+bY]=Z(aX+bZ)=aZ^{\land}X+bZ^{\land}Y=a[Z,X]+b[Z,Y]
    自反性:根據向量執行,明顯[X,X]=XX=0[X,X]=X^{\land}X=0;
    雅克比等價:由於[X,[Y,Z]]+[Z,[X,Y]]+[Y,[Z,X]]=[X,YZ]+[Z,XY]+[Y,ZX]=X(YZ)+Z(XY)+Y(ZX)[X,[Y,Z]]+[Z,[X,Y]]+[Y,[Z,X]]=[X,Y^{\land}Z]+[Z,X^{\land}Y]+[Y,Z^{\land}X]=X^{\land}(Y^{\land}Z)+Z^{\land}(X^{\land}Y)+Y^{\land}(Z^{\land}X)