全主元Gauss-Jordan消元法
# f0 q$ P( Y- g/ F4 Q$ @; r8 f0 q
/ ~$ }: q- i" I% J# c$ Z" ?' N
Gauss-Jordan消元法是经典的线性方程组A·X=b求解方法,该方法的优点是稳定,而全主元[1]法可能更加稳定,同时,它也存在着弱点——求解速度可能较慢。
4 W* `" N% S5 f& K. M; W q. n5 g
1 Z' `8 x0 O+ F0 W3 P# h$ sGauss-Jordan消元法主要特点是通过交换任意的行列,把矩阵A约化为单位矩阵,约化完成后,方程组右端项向量b即为解向量。我们知道,选择绝对值最大的元素作为主元是很好的办法,所以,全主元法目的就是在一个大的范围里面寻找主元,以达到比较高的精度。- ^) \/ E& E3 M- P+ p% ?4 {
" b; G( I; I! i 5 n" V( Q+ n) }( s/ P* y2 t+ \2 H, Y. H8 \ 7 d, t# J- U7 h: H: ^$ B8 u
下面,我使用Blitz++的Array库,编写全主元Gauss-Jordan消元法。
+ X# ?. C2 x9 k9 e" T A
9 v5 e" A2 d3 p. Y& r$ c
7 y( R) Z8 t) k" [
Code:+ V5 s! q& ?) y* W: e % B! D$ D% a! Q6 t8 o
5 L/ _; G6 q; N
7 [. f, M6 M/ }# {' t0 O
* s5 Q) \7 Y+ ?! H/ `
4 z5 F1 v) B, B
#include <blitz/array.h>
: H; U5 e7 D' r6 y
#include <cstdlib>- d! @' d0 F& G8 X& C " ?/ Z0 O! R h8 X" ?0 n
) ]* V5 Q1 e) r" o4 @$ s
#include <algorithm> $ f7 o$ A7 p+ t! a6 | * y. T& j, l2 R& z
: j0 p( ^# M S5 X+ \& H
# V/ Z5 G5 Y' F7 `8 U
#include <vector>7 s$ d: Q' L, ]1 I3 z; ]9 [ # q, f0 M8 f. r# K* l$ _* n8 R o
# Y5 A) C& r2 @0 h# F. Y2 o
using namespace blitz;. g% L. S& e. C: b2 {% Y- I- x9 k3 F - U; b3 \' ]% O% g0 ?9 D4 ]9 i" h4 A0 z
! |# e6 E- g- \% v! I; z
/ V9 @4 e; B6 h7 I, z+ z
void Gauss_Jordan (Array<double, 2>& A, Array<double, 2>& b) 0 o( D; \; f9 d) e: _, @- O) ~
) P1 `' I! w9 x8 q" {% j! x5 Y; A' x
1 W3 n( c$ C5 I) \
{8 C9 U' j6 \ q. i
& `1 l7 B& G6 y, ~8 w/ c" h
int n = A.rows(), m = b.cols();! i& ]9 Z0 ], U8 a" K ; q. R2 r- e- G8 o! | 7 I# j/ n$ W1 d; k4 i$ Q- T
int irow, icol; 0 ~* g" \+ _) x$ j& w' Q6 T" z
: X% s. |3 x# I, |& U. f0 L/ F
! }) q( _/ u, M- {( l. i
vector<int> indexcol(n), indexrow(n), piv(n);; X5 I6 L9 ~: ?* I . J h3 k# E$ h / g: K( M6 s" q5 V
" V& v! W( C7 r) N
: h# b& o) P+ B6 v( f( j9 L
+ u; q+ R% d9 K
- V* K: ]4 h. c; F
for (int j=0; j<n; ++j) : `& g2 t, i: v
+ A: `6 p# Q/ `- q- A
+ ?0 G) D( }! |+ X5 X+ F7 l0 q
piv.at(j) = 0;" h/ E' K& \' m) D
1 ]3 Y% I* @# p! Q7 m# r5 I2 D
7 ]; s3 r3 Q+ P . J( v0 D: E# u- e/ o) ^* F! [
//寻找绝对值最大的元素作为主元6 m! n5 R1 {, ]/ [% Q+ R& l 8 W2 g4 M8 H I5 k+ J
* x+ ^0 r2 _* ~1 X; c5 |" C
for (int i=0; i<n; ++i) {9 w) h& C: U) G% [) c" S y* N
double big = 0.0; 7 Z4 n% ^3 ~: @ / T: z: c7 l1 @+ z
8 L0 t/ o1 ?+ f G
2 G Q2 ?7 d, R
( M# D9 P, X. z) s
6 O' ~0 D+ u, a/ ~
for (int j=0; j<n; ++j) + O5 A5 X, [, k1 B7 D. Q& ? 3 Q' I9 I$ j6 E0 J- s" ~7 _; M# Z
3 Q: @4 f v. V2 q4 Z4 j5 ~
if (piv.at(j) != 1) - ?8 G% @! n- \, \5 d5 ~: Z1 ~2 C
1 t, g) h! F W: Z" C& E. J
for (int k=0; k<n; ++k) { 1 s& ]" i. R w m! D" C# J
8 ~0 n" u& R" H! ]
if (piv.at(k) == 0) { 9 Q2 r7 E/ |9 k
7 k4 ?4 B) z: A6 N
7 m4 }$ F% M0 u3 ~4 J" O. M
if (abs(A(j, k)) >= big) {* N1 j1 _9 u$ a* X
; S; N+ L, ~) m5 A. N: L" t
% h" t/ A% L2 Z6 t" R
big = abs(A(j, k));" C6 w; C) L9 ~" w. v' U ' \ S7 I8 K5 G* T9 E' V1 o( \ ^
3 r6 B4 `( b; [3 f8 o
irow = j; y3 p. R' i9 G' o5 s8 Y5 F ( `9 p# @7 @) q: [; a
icol = k; 7 T: l. O3 H6 h
$ F8 H7 M5 p5 \$ E1 E! C* A h) c
if (irow == icol) break; . J& _/ E8 Z, {; {, H; n
}$ ]8 B9 |: H* j: h! L) _ / u* }+ x$ z& O- x2 M- H6 Q* y 4 e8 @+ j% [! A, e- i& m& y& B
0 `) e+ I% w; t8 b
} $ ]# v4 f2 @8 D2 a L, \
} 7 Z' y8 m7 P1 E2 Q2 M! r* s ) d/ n; ^; I. n6 `
9 N, Y" L2 F; k! a3 l
: Q J. W, Z/ c# b# W5 {6 Z/ Z
" J/ b% Y9 K- n, m: x1 w& I2 c
++piv.at(icol);
* _" N! E7 ^+ ]3 |* D) w: ~0 z
! F) X4 y2 r4 I* f0 W
; g6 F0 W" G$ X; I8 [0 w: b5 Z' h
/ c: Q8 h# _) u; x3 I
//进行行交换,把主元放在对角线位置上,列进行假交换,1 W) v+ Z' C* ^) h1 w
( }8 X& t! R8 `/ G! z
" o v4 l: }- Q8 g0 C4 T; I- Y
//使用向量indexrow和indexcol记录主元位置, 5 v$ n/ Z* Q" W0 k# o7 y8 Y4 i : |! t* S/ }, l& }1 U/ c6 q9 r# v 7 n# ]9 |& H* _3 O9 U
//这样就可以得到最终次序是正确的解向量。 8 o1 k2 N ^4 C 1 |7 k; @' o9 _: A8 L5 m F
8 W# E7 u, W* {8 `
! @3 B$ o& q0 W1 J3 h% \1 |9 L
if (irow != icol) {, j$ c# E. \, A3 c& V d: `9 s$ a, X, A 4 q2 I* Q2 j8 H& e1 r' _ q: ]3 e: P; f' t, _
for (int l=0; l<n; ++l) " G2 m: j) l! h l4 ]9 X1 A% A
- e6 j3 Z- @; ?1 `$ d3 i8 Y
swap(A(irow, l), A(icol, l));
$ ^+ U5 \4 M4 X$ f, p: H
for (int l=0; l<m; ++l)- ^2 C1 [7 P" x. U; q 0 q+ t, y& j& y7 ^) `$ ^
% V/ C% l/ d- V, {' {- L- W
swap(b(irow, l), b(icol, l)); ' {! n" T( P. R0 r) ]; W
- d" ^( X& S1 R- C1 H
}/ w. w! b2 F5 b" r" L " b7 D3 h8 i& w# @! o6 w
" F l$ ~/ P. r# t/ M6 ]
1 ?7 s @ W- G5 T2 x* k* n! C/ L
indexrow.at(i) = irow;" A) j& D0 u+ o' Q5 f : t) Q. V2 [$ R* h# F$ l
indexcol.at(i) = icol;% [- J7 H/ b8 x: u0 ^( ]2 M( V 1 Y8 j0 ?+ X7 g* C) b7 Z0 M 0 s' d; ^ o' F8 P0 f
# }4 |3 ~4 A! K0 t) Q
* W* }1 f0 p/ X5 c& m
try { [. ] b) @) M 4 [1 k5 Z" c3 v: T* {# q. m
double pivinv = 1.0 / A(icol, icol); , H* d# J6 z+ P4 c/ C
' T. `7 o0 J# l# [/ A& F! ~
6 F, H4 S A2 m9 k+ S- m
; j2 e, P$ K$ x) [
for (int l=0; l<n; ++l) 5 Y9 ]$ z/ |( m* b+ ?, S
A(icol, l) *= pivinv;; D5 S Q1 \' p" ?% B! u5 x ( Z' x7 v( F( x( \, O$ z, L3 a
; D j8 \: |1 U3 {
for (int l=0; l<m; ++l)
b(icol, l) *= pivinv; / F" ?' a, N. ?) [- L
7 Y# A8 k( r! h9 c# V
1 \3 B Y* A' F ]
3 y" s- f6 D) T7 h( Q. t( m# Y" @
# M3 {$ C7 ?- R$ G, {5 e6 h
//进行行约化+ `5 v; g% v6 n/ f 3 g# D3 Z" ?9 T' V0 l
" ]4 q5 d9 C1 V9 ?) \% `! t
for (int ll=0; ll<n; ++ll) . S, |2 y' C- ^& ] P % T. {/ \( {* F8 H- h- ?
3 L$ S. l1 f" C0 T6 J" e* k
0 A- w& j6 E4 L5 s7 Y* `
if (ll != icol) {: S, a: } c1 a, \. M. N* x , _8 \/ E, G/ ^7 [4 P 2 p; s1 G9 p! Z. F# g
6 x i" F- T3 B' T
8 g2 j4 X+ [( c2 I8 R
double dum = A(ll, icol); P* _0 x3 I3 ?7 m" N 1 {% a z: i9 q9 k/ y- c
) e* p3 Y# I& c, F6 _: m+ X
3 c' L2 Q5 e) w$ g1 I! Q# @
' j5 H2 E ?* w w2 c t, A
for (int l=0; l<n; ++l) + ~' r) O' S$ W% Y
6 b* B4 `# ~* e% ^' h
0 K6 ] C7 [; @+ g2 K+ d4 V7 E
A(ll, l) -= A(icol, l)*dum; ; J3 ~7 Z! o. q ) J% n& p/ Q' I; q* e* @% s# J: V
1 B/ ^5 ^/ P& i4 A! {1 c0 C
- i3 i }6 Y: }) l& ~' z, @6 k/ z% N( N
for (int l=0; l<m; ++l)
5 W. L2 T5 P# A' ]) K" i
b(ll, l) -= b(icol, l)*dum;/ j7 F* @# W, C- I1 W
$ q3 n6 g; r v$ W7 w
}
) ?' o, g2 I( N# I8 F2 X0 [
} 7 ^) @9 @" L/ z3 J
0 w5 \4 S& w* a
: y6 P& |. ]' u6 i5 m6 u& I
catch (...) { 8 I, e: U6 Q- Z& q! d8 X4 Q0 F . \9 p; x$ ^* \4 c( {# G
cerr << "Singular Matrix";3 V. W0 q* Y& k. N & N( y% r9 o* {4 g1 h& ? . `) F, c3 P. M) A$ [: N
" w6 r7 W, @. c1 N
}& d( ?: b0 l$ |4 V6 W( T' z& Z 8 x+ E: G5 j! {" a/ @2 r. n
0 ]9 S4 C D7 x5 Y( B ]2 @
, o7 A0 V% m1 X- x* F+ b
}) D/ E5 Y. ^ [7 v" K- f( J - h" S) c5 W5 n% N$ _6 I* C & x+ [& t2 K; b7 U' K
1 x" r: n2 }. |1 m
} & D6 F5 `( F5 G+ r- r( o* B : Y' U( R; t( Y5 @
+ o$ K1 l9 a- B! F
4 p: }3 g1 H( z3 J8 a& g0 Y
# [ U- b; c! C" w: |; e" n
% V# X7 I) s0 o5 T( A
int main()
& s: o5 _. }, f
{; S: D9 J6 r# ~, I/ D0 a : {; ^4 i7 W1 y E& W
+ D& F1 ~1 y/ t3 C+ j, S; K
//测试矩阵* i0 F, ^ q8 c% U% h
5 o3 l5 I6 c' u% _ j
% o/ E' e; s$ L' B3 n+ u% y
Array<double, 2> A(3,3), b(3,1);
T' r+ `0 ~4 k: {# W# g, f
A = 10,-19,-2, + E& F3 E: V; p! O ( s8 P. I9 {8 f: _$ S" V/ I% p
-20, 40, 1, , G6 i/ w- a! a& C* I/ }
: G6 t1 v$ u% _' N P2 C
0 Y) D7 S+ P+ F0 y1 d0 y8 S0 Q1 J1 d r
1, 4, 5;
* K$ f* `2 U7 h2 B: x# V
# ~/ ^! Z0 E) S3 n4 f$ f! h
. d0 o7 w3 S: `# K ?
b = 3,9 g1 K* ]+ ~( q) a$ L
5 _4 a. B( P7 S+ s, E! _
4,4 Y- F9 u0 {% x& w1 \ & F2 m1 | V. N% a$ t$ s* Q: F* W . X ~+ j% B( e: H( I: ^. T0 C% Q
5; 9 Y: v) @ ]! ?4 s4 E; U+ `
( y. _. f0 |% A5 B' M5 X9 f
1 W9 f2 w- h( F1 B l& F& ~ 9 |$ f/ r0 I3 Y5 b1 o " P: }. K$ [( X `1 H9 J- L
% \* h' Y- M& P# `
Gauss_Jordan(A, b); ) n2 S% O7 \7 }' s: k5 }
. t& g1 P# n( Z F# x2 |$ @% l
6 ~3 `2 X9 I1 P0 v7 d& b9 G
/ p5 Z* ~$ Z2 ]7 @1 p% s1 T4 |
cout << "Solution = " << b <<endl; ; h1 m/ |" }4 _
7 D* g! i/ P7 x! d' V4 e9 B
}3 a1 @( a9 U/ a# L \0 F# J( s
[/ Z! O# V" I S% z+ m8 b
/ i4 B' |- c/ j" W% @
, P% W: a7 ?; R z
Result: : I/ f2 e# ` m
7 L7 z) E" {8 H. f5 \5 u
" y( Q! F) ]6 Z( e6 ^4 I
Solution = 3 x 1 ) }6 P5 F& x3 q
9 D5 m! q! y+ L9 D' E' k. I; \
( T7 p9 y5 q" n7 A0 t. w" l: \9 E
[ 4.416375 q- X9 Y2 L' {( p& W8 d
: k5 p U6 |5 C- ~. _- z% Z
2.35231 i) M" ?5 B- g( b" y% s$ [
-1.76512 ]
+ C) [+ o4 A/ W) q x3 P
( ?: O% P3 }9 b- M1 g$ |
; A0 e% K8 k$ d- }8 e
从代码的过程可以看出,矩阵A的逆在A中逐步构造,最终矩阵A演变成单位矩阵,解向量X也逐步替代右端项向量,且使用同一存储空间。! c6 |. |6 m% S$ i! E
; d% d) F/ U# Q' z& T: b( Y- a
+ e0 c$ h; W4 M- {9 Z) g3 g* Z8 p2 P
& D8 ~$ j8 S! k" \
注释:[1]主元,又叫主元素,指用作除数的元素
0 _; j+ {" i. Z ?* M
9 W5 j( J& x5 ? v3 F+ X- Y消元法相当于在一个多面体的上,遍历各个边去寻找,所以很慢的!
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