全主元Gauss-Jordan消元法' n7 S: F \ ~. N7 ?3 ~6 ~
# r4 e4 d/ N& T, v# j
4 P: L2 L# t- \3 a" L3 t
|; K. ]+ a; j6 j' H
0 h4 N" z+ `: C3 l8 L
9 ^. \# I; c' Y) A. h: Q& D" i
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。" G7 s* B% S2 w2 I; e# z( r
% o' J6 u. d. _+ @7 X
Gauss-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。0 i8 W; \' g0 ^# G6 R
; [" R* b% }; N, N
下面,我使用Blitz++的Array库,编写全主元Gauss-Jordan消元法。! I' B+ o) [, Z. z0 |7 ?
$ X# A4 x& p9 @# {
# N# }+ q: O1 e+ O. F2 H
3 e9 d+ b7 k$ K4 o: Y# V
* G" i' E. _2 ?" k; `) [" b$ `
Code:+ B3 b. X2 p3 M* G: J6 M; i& B# b& ]
: x' M! {% `9 b
, W$ C$ ^, A( J: }% d. ]
#include <blitz/array.h>7 L7 Y$ ~& [$ m- @. S & W) T8 M% V% s+ T# u ) r# R! {) D0 s* k& o. E
% V7 j$ r( S/ x
2 D! ]" c8 b- g3 J
#include <cstdlib>7 {- h* `5 Y7 P
4 G: b' r2 I& [
#include <algorithm> # T% Z2 ^4 z7 q9 m- y4 H# y' t- f( q
- @, {& J$ H# Z0 A* l& `+ G/ b
# m' m5 v" o/ a. P3 u0 Z7 O, U
#include <vector> + o( D* T f8 M0 v q
using namespace blitz;. K) p, p3 z5 B4 v9 H ( I) W3 h/ E% R# H5 { G8 F) @# Y+ l/ c# u
% [# l% Z- C; v5 ^. n
3 }) ]& }4 R* k% B$ \4 s. u) a
$ I! C9 D y( f% v
void Gauss_Jordan (Array<double, 2>& A, Array<double, 2>& b)
{; B2 }. N! g- f, ~ * ]7 z; O8 T( I4 r. f! Y
2 d9 J# h: _ b: y% h
int n = A.rows(), m = b.cols(); A7 o: t$ h" n: B' X7 x0 d
, }" u" v' U% O1 V
int irow, icol;" j! `" [: K% ?8 A8 @ h1 O9 t' l ) C) `( F8 d; i" Y
0 C9 f4 y# h/ C" e4 K/ R) J* G9 O+ a
vector<int> indexcol(n), indexrow(n), piv(n);6 l2 }% \ F* _1 j2 H
0 p/ [/ C4 a5 @% e+ @
for (int j=0; j<n; ++j)
! ~' T3 i8 A6 k' _$ Z
- o# E. v& J- {- _- q
piv.at(j) = 0;/ V2 ~5 S+ @7 l* ]6 v: T 9 ~3 g5 X) y3 O5 k9 Y. W
& \$ t' T! F; f+ H 1 \. j. E1 y' |" q: e/ o# O + ^ @& V3 v' P8 W1 y/ |
1 X3 w& n3 {4 b1 \- s
* V% X% o" _- _8 Q- u- W# t# G
//寻找绝对值最大的元素作为主元 - E7 g% Q+ B2 ?
! e* L6 k+ N% c. C
! l+ w; h- `' k0 C: z
for (int i=0; i<n; ++i) {2 Z' x, j4 @ _' h! f @& d/ g9 M% k. c2 G" `$ P2 Y ! i: \1 l, n/ G9 b: v" u
+ |# b& z) k9 y# y3 ^" F/ z
double big = 0.0;
3 L. f& X! @) j2 A& y g- r2 ]
for (int j=0; j<n; ++j) ^& p. v1 Q: e8 b, F
7 p1 a2 L1 `9 P1 x# o4 d
if (piv.at(j) != 1)8 I1 K# B* X9 J0 P 2 J5 a4 G3 ^# N9 { + `- E+ b/ |* e- ]
" f- z+ J6 |9 ]
for (int k=0; k<n; ++k) {" _* r8 I7 M* w- O/ P' [ : Y4 ~, h1 o1 g. J- g
if (piv.at(k) == 0) {
if (abs(A(j, k)) >= big) {1 K& ]0 R5 ]/ [/ J' O4 V4 s 2 y4 w( F' \- } 8 @+ T" P( C- [# p* x
@& }6 h8 n* V" D' W
big = abs(A(j, k)); & X$ X% I7 R0 p- h- J! K/ R
+ e( j g( A B) P8 a8 W) _
5 J x+ \3 \5 Z; n+ n
irow = j; 3 F; S: V/ }! h; E9 o0 |# \) W- Q0 b$ J
icol = k;7 x5 B' \2 N* }! ~" `. W + o+ X: C% ]& H6 Y* ^4 N/ m
1 `; p1 G; u* v# e2 K! F b
if (irow == icol) break;
3 v2 A6 J& A! x' {6 ^4 k
} 7 c2 Y+ w0 I. P4 r; w6 L9 g
}
$ d# f% B) F& G# k5 G
}+ g! `( |' J! m # P: m; h- L1 d/ x8 C : L$ z2 \: G G, b% m: V, b2 i
w$ V: N+ C( I& h3 |
/ `, g% K5 `2 L
9 Q( T1 [# G4 l
++piv.at(icol);' b1 l" @9 x3 m: t # m) l# ^0 V$ h+ I( K" d
9 O3 V4 I' I- ^
# m3 U* N0 _ R7 A) s: ], E' A
4 c. y7 M* _) h) s5 d& P& M
//进行行交换,把主元放在对角线位置上,列进行假交换,+ x* ^) Y1 R3 y4 L1 A: B1 \
//使用向量indexrow和indexcol记录主元位置, ; U+ a& K/ ~" C0 Y1 y 2 w h) c1 `- i8 o2 a% n! h* N
7 P& D; R: v& E% P
//这样就可以得到最终次序是正确的解向量。 - A3 W" o! c' q) _ 4 t) r! S) D5 p2 v, W3 a
8 T5 T9 W* ^. A' d
if (irow != icol) {
+ W) @& c/ D+ ]" i
for (int l=0; l<n; ++l)) O7 y& Q9 L/ o3 `9 d5 R . L; e) j" y' }* x( _! N4 \
) X! y7 {* P" R( n9 m& v# e
! j. P4 B. x" x5 t2 k
swap(A(irow, l), A(icol, l));
) G) O/ w: E* E
9 U. C, } v. M
for (int l=0; l<m; ++l)7 @- d4 _, Z$ h+ N7 F+ ]) t / x5 z J' Y% O" H, q
swap(b(irow, l), b(icol, l)); + S- ~8 J5 N* O+ o; H V4 U
8 g8 I. B3 x6 l7 r1 m; |; l3 x6 ?
5 h% u. B/ U9 Y) r
}, A! T, ?: ^& M# n1 t! `% C : F! e: v" G3 w7 t/ ?& M - q; g- O! L& p6 M x8 ^
0 E! j$ y8 k, `# I! H
indexrow.at(i) = irow;
indexcol.at(i) = icol;" h& s3 P7 P6 J: ^& z2 h o & C$ V0 _9 Y/ l# u$ _1 X. |
z9 Q4 H: ~1 H! h% m; B5 j
# q; u; J7 o& S6 Z3 Q, ^
try {. e* L2 v# n: ^7 o * \" r' w0 ~: X, h3 `
5 @, A% C* `8 H! z
double pivinv = 1.0 / A(icol, icol);* n, R# m' L4 F$ r! e1 o 4 C3 Q$ F9 A3 A0 u$ c) _
5 h& y0 B3 F3 \+ B. ^" ^
p7 H( y6 ~9 q" g; F
for (int l=0; l<n; ++l)
& Y/ O: G1 |, z# h( U
A(icol, l) *= pivinv;* `9 D& U0 M; C8 v
for (int l=0; l<m; ++l)2 x7 O( p1 q7 G- y; D# Z
- P, R# ~2 D* [: X2 X- Q
b(icol, l) *= pivinv; + M) a0 }! F( y* c5 J
& d# w' [, p- M/ s
: w6 K0 E7 |; E1 X7 R: V+ {
//进行行约化 : x! N7 S% G7 j# Z2 s: i, O `1 q
for (int ll=0; ll<n; ++ll) $ e# {: H, | L7 F 7 p# F4 x3 R* N: N; q! E
if (ll != icol) { 8 q+ D- C1 R/ W- v) s8 c
8 e9 M2 i9 [' q
, _) K" }' @$ \/ q" R
double dum = A(ll, icol); * ~% t7 M/ W! K0 v$ p$ Y% X9 e
0 }, C" r+ w, b& f
% g5 P4 L# v" H7 A: W m! ]" i
for (int l=0; l<n; ++l) 6 g! L" m9 S! z3 r: a ) R a" v' U/ s, ]7 ^& H; ^
& t, |! C+ N! H$ e( Y7 q
A(ll, l) -= A(icol, l)*dum; ) z3 H' ]( K3 ~% u + J2 T" J; T: C9 ]6 e3 C
8 \& }6 S0 w2 g6 Y/ l8 ~5 l* Q
3 v0 S" [+ ~/ l! y
for (int l=0; l<m; ++l)2 p3 l; T$ S3 X
. ^ i8 {' e D# K& u3 V
b(ll, l) -= b(icol, l)*dum;) P" p* O- K$ U" j, h0 A + {4 {% T- i0 z6 {* A
' Q: D( P& o8 P: A" L
} 8 y# E. I- O: c' B6 b 2 ~7 e6 p; F0 ?! h, M5 |' b
8 l# k3 W6 N |* g7 L1 k
} $ ?! A( C. B& T) `
2 y$ H9 Z2 A; h( r2 E) L$ m
catch (...) {1 i; U: k# V' T" q, U3 Y
+ L- D3 ^( i% M4 V& V1 R% e: C, i' u
% u8 Q% l- s1 \) v2 ?
cerr << "Singular Matrix";4 l* N: B* [+ B. r " _% w3 A0 @% b. [0 V : a, K/ w+ `& Q! v7 ]! l6 F' K
8 d% w) I' n% x+ ^ G {
9 I4 E4 ~) W: ?$ ~
} + a/ S. Y: A, _6 j+ d$ v$ b' L
: z8 v, y& L; @+ N: N) s; \
} " |! w# u" m4 P
; `- T# N K- Q# @5 x/ s8 r
} ) x) C0 q" Z% _( ]9 k2 b
2 r1 N4 c2 W+ z5 u
, P$ U% k! L$ `% ^, L5 ]+ N
) M# u5 A# R$ k+ ?9 R& b
int main()7 Y/ [; [: T3 H" j1 e3 \" t" n0 t9 X: z, k3 H ( u: X+ E# Q6 Q& `3 ~! a
- h8 c% q4 _9 z3 o4 C- [+ Q, [- J
{' t* Y( C, e, O 7 T+ \3 |. W' V5 g7 p3 o; H 9 t. ` }4 i( j) D9 }/ y T
1 g/ m4 z; T' T0 q) u+ T
, ^( G2 m8 K& {
//测试矩阵 & D' \3 n$ ?* q; L1 l6 m ( p. `* C9 p5 b( E, W3 \1 P5 N+ |, `
: a- @5 C' r, D% F6 i `. i
Array<double, 2> A(3,3), b(3,1);! E$ Z8 ~: V$ ~! _ 4 ~( Q3 l7 B/ j6 w% c7 {+ [# P
h/ E! _: Y2 C! K1 x% t7 H9 D- {3 V
A = 10,-19,-2,! U7 F3 Z, h' |2 k7 E+ W8 @ 2 H i# v9 w& L/ B! ]/ d. x
-20, 40, 1,
1, 4, 5; x1 t+ j. V- l8 ]% A. ] z1 P) O& G4 j! f! H
; {8 f4 @7 `2 Z9 C- i- C9 i
b = 3, # l5 J% T+ z' F
4, 5 {) N, E! p& P4 X0 h' k* ]
$ m9 h5 U+ `( R) J( D4 @7 L
5; : O6 h( h/ R. |' {: b, A5 b4 Z9 o
1 S; W: F1 K( h) Q! y, w" m
, e8 x0 `( K3 M$ ^, ?9 E) c
' q' ~% E2 B# E+ j
Gauss_Jordan(A, b);
* M" b5 I* c: j9 c3 J5 j8 V
5 u& K; W$ o7 X $ Y0 ^: H7 \- V3 g
) o0 G! I( c" X+ l, x* |) H
cout << "Solution = " << b <<endl;- f& E& Q- W/ F a0 a* k" A 7 r# Q/ a# j7 Y3 m9 i8 W; b) L8 V+ o # L4 o, u% x- R! s" O: \# u
. A; }( d2 S+ W$ z9 Z4 W
}: f) ?) R+ J H* Z6 |# R - I6 d2 B2 D9 c* f
# Y# }3 b5 ?! Y/ L
Result: , r& z0 b- n3 a' W2 n 7 i) R* Y; N3 ~* a2 X
% B% P7 c% [% K6 h& z) T; |6 m
, M# N1 q) o5 r* g
& F+ R$ n1 Z6 T* M# r. J/ p5 ?
Solution = 3 x 1& W Z! N/ R' \ 7 q# Q- W" F8 H( R: D0 X$ _ 2 D% \' p) h- Y0 i& m
[ 4.41637 " g: Q4 ^8 \2 ?% c, o& K' \
9 F7 R! J( j T! o7 o
v( m2 K0 f8 E2 u. \3 l" L) a2 T6 { I
2.35231 * v" G2 s, d2 H z . {) ]$ X' p4 x7 O$ \ m- P( j' o6 T
: |" C% x" I# i' }
-1.76512 ]% @" n" r8 y% ]2 K/ b( A 3 V* k0 b- x$ k0 {* C4 M5 B
" E$ v# C; P q
6 Q( k& {) B' R T
( H( P, g/ y, w& l: S; Y" K8 P
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。
$ [* h. g8 Q) I' f+ ?3 q
. U3 K+ h& L9 `( k0 @# n( a* a0 i
8 x4 a; R ~; n1 u6 l* d; h
* [3 L* v: O3 H6 t$ E' h. S
注释:[1]主元,又叫主元素,指用作除数的元素
% L# @6 d" |3 w; j& l# [0 _+ ?9 g- Q
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!
| 欢迎光临 数学建模社区-数学中国 (http://www.madio.net/) | Powered by Discuz! X2.5 |