李羣、李代數只求理解不求數學推導

羣:集合+運算(G,·)

在近世代數中多次出現的概念,定義爲“一種集合加上一種運算的代數結構”,運算需要滿足封閉性,結合律,幺元,逆。羣結構可以保證在羣概念下的運算具有良好的性質。
知乎大佬講解:
https://www.zhihu.com/question/23091609
https://mp.weixin.qq.com/s/sVjy9kr-8qc9W9VN78JoDQ
這裏二郎的理解(非數學學科出身)爲羣定義了一類物質,這類物質有一個比較合適的計算關係,通過該關係能夠相互轉化。爲什麼要用羣?爲了研究一類物質,並使其之間具有相關性。(從二郎的表達中大家也能看出,二郎沒有敢用數這個概念,用的是物質,因爲我們要單純研究數的關係時,就沒有必要抽象出這樣一個羣的概念了。)

李羣

李羣也是羣,是一種抽象出來的概念,是具有連續(光滑)性質的羣。
空間的旋轉作用:旋轉矩陣羣SO(3),空間的旋轉加平滑移動(剛體):變換矩陣羣SE(3)。

爲什麼SLAM會用李羣

我們在慣性系下觀測點P,產生的觀測值爲Z,當我們知道P和Z後,需要我們來獲得此時相機的位置姿態T。在獲取T時,由於我們觀測的誤差,T的求解存在着誤差。
在這裏插入圖片描述
我們將誤差最小作爲我們的優化指標,公式變爲
在這裏插入圖片描述
這裏我們需要進行迭代求解,迭代求解用到梯度下降法,我們需要知道矩陣J對T求導,這裏出現了矩陣求導。但是這裏有個問題,矩陣的加法不具有封閉性,在進行迭代時需要用到加法,因此矩陣即使可以求導,也不能解決加法不可用的問題。
李羣具有連續性質,因爲我們將我們的問題轉換到適用李羣的結構,這樣便解決了加法不可用的問題。而如何轉換呢?這裏用到了李代數

李代數核心:矩陣轉爲向量,向量具有可加性

①矩陣可微:旋轉矩陣的微分是一個反對稱(也叫斜對稱)矩陣左乘它本身。
在這裏插入圖片描述
這裏我們可以看出我們的反對稱矩陣其實只包含三個數,也就是有三個自由度。
三個數的話我們便可以表示成一個向量。
在這裏插入圖片描述
該向量就是李羣大SO(3)對應的李代數小so(3)。李代數爲向量Φ(原式的字符在這打不出來,所以用這個代替,形似)的集合,每個Φi都可以通過映射變爲反對稱矩陣,再通過下式子,得到我們的旋轉矩陣。
在這裏插入圖片描述
這表明,李羣空間的任意一個旋轉矩陣R都可以用李代數空間的一個向量的反對稱矩陣指數來近似。
應用過matlab和opencv雙目標定的同學應該都用過旋轉向量和旋轉矩陣,他們之間的變換由羅德里格斯公式得到。和這裏類似,我們的旋轉向量組成了我們的李代數空間。
到此,我們就將我們的旋轉矩陣的導數轉換成了旋轉向量,實現了導數向李羣的變化,使得加法具有了封閉性。
在這裏插入圖片描述
這裏我們用一個特殊的小符號^來表示向量向反對稱矩陣的轉換
在這裏插入圖片描述

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