全主元Gauss-Jordan消元法
7 [) D$ |, I$ d V1 d- g6 i
, i9 A; p' ]- r: b$ @- z z
, V% i3 z+ t9 G: f
) {4 B4 {0 @5 A2 F3 y( _
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。- B/ o: n; x8 K/ q2 d; d6 ?8 V3 {- [
" C" m2 f8 y. z " h1 F& H% b0 n9 i* y# E. U/ e5 d* f- G1 b" g' X4 ]
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。
$ ^) Q1 p: r3 g- K
下面,我使用Blitz++的Array库,编写全主元Gauss-Jordan消元法。
6 i1 M2 d0 i# |; J1 F
; U! B; n: t i( t
5 e$ e* W* U" N8 Z% B7 b
Code:. A' c6 q* D! D+ e+ y4 v2 n$ R : Y2 x/ i( b$ a8 t: [ ( L( R' J% W G
9 c' P7 k" ~+ m: B. P; P
7 [4 ?$ I& `' x& ~5 v7 ]; S
#include <blitz/array.h>
1 e8 b# E M; F* {
#include <cstdlib>1 c" u' } X) D; J; X; \ ~ % g/ z6 u8 z: ?4 f2 M7 o9 J/ I0 Z
' P5 L1 @6 o- {* E! A9 G
#include <algorithm>, Q# v' V+ I+ g( W) N. A. L ) q6 \ T* l2 s* i. M: _) | 5 O( }4 l% m6 _8 i: l" H
#include <vector>* @/ E- V( c K/ k % g- x g$ F/ s* d/ b
6 P3 W$ Q* \. c2 }% H6 v+ Z2 c/ L
using namespace blitz;
0 O1 y! _5 z+ H' [/ l$ A" X0 c
8 ^0 R. v6 I% u: O1 l T
void Gauss_Jordan (Array<double, 2>& A, Array<double, 2>& b): b- Z1 V, f$ r, a% k , ]9 D$ h7 i- h' |8 }* C % T7 t: `; r* A/ Y$ N
3 H7 b" M% M, p. V9 ]1 z$ V
{/ @; G( v5 z% m8 S$ A2 o % [3 [; n# Y; i& t* g( @
- `: b a3 {, v; s5 @ e8 O
int n = A.rows(), m = b.cols();9 X6 S: ~) D) g1 X5 B0 [3 b1 O + W; K5 f* x: D" M 0 ?) F8 j2 e4 l" m
+ J g) \' T, q" L" M
int irow, icol;
5 T* m8 n% S3 x; b9 E, u7 Z2 r
) Y5 b" \& d: r
vector<int> indexcol(n), indexrow(n), piv(n);3 \2 d0 ^) L8 M/ r# I: |" J ( L+ R+ B/ a8 ?* e # P" }% l# W% b1 [3 L2 {& x
" I5 A9 n% Q1 K: G- p5 [' l
5 q/ {2 d6 Q# \# Y- ~; }' s, t8 d
for (int j=0; j<n; ++j) $ k! T7 O: ^0 r7 \
piv.at(j) = 0;# |( z1 G V Z8 a, q 3 Z: Z5 j2 e* ]7 ^
1 P# S4 }1 p3 c! `2 f 5 ~% D1 u- @1 _3 O* Z
* B! L( Y; G5 C- ]' A" {3 A
; X$ a, C6 C- C
//寻找绝对值最大的元素作为主元 2 B/ h' |& J9 i d- Q9 U
_# G6 k6 Y' L3 g" x7 p
- V% ~! ^, U$ h; ]; I9 P
for (int i=0; i<n; ++i) { ! W! d! A( \/ D1 u
) j8 X8 S4 r5 ~: I/ A# H9 z$ d! q! i
double big = 0.0;
4 T8 [% b* H% n* w# o3 ?! `% e( _* q
! [; U8 K( N& P- h- F
for (int j=0; j<n; ++j) 4 l- p' @) w1 x0 _8 A! N. \$ G! E ' ~: P$ b; n$ g$ r7 _) O# A* T7 V1 n5 E
# z( O+ o$ _5 A4 O1 U
if (piv.at(j) != 1)
4 C/ a2 G: e3 N
for (int k=0; k<n; ++k) {! n1 ?: K% y$ Y0 k* l8 q# o, W. T8 Y 9 T7 h' p- p9 k% p% d9 _
! j: T2 _% }# w4 m) J( e' C8 d
& H: I" M: X0 J3 ? P6 c
if (piv.at(k) == 0) { 5 c3 b/ X3 {' }& y2 q" E4 M
. H! [% t5 e! Q0 E* p- v. q4 E
if (abs(A(j, k)) >= big) {; x2 `' M8 ]/ ?/ [% D2 F" ^! i $ y8 m& P* @+ C* S3 u7 ] U
* P! Q. l& w' v
6 D& F/ H; O1 E9 u8 [2 m% l
big = abs(A(j, k)); 9 B' [' o1 Z6 \' G# ]
irow = j; 5 C$ y$ e, w! Z' H- `' |
: n% n0 N2 @" B2 o
9 i' J! P! Y3 y% U" x
icol = k;! H" z6 `- J4 f! \! ^ - S3 |$ e& M' Y. f/ ]
5 n: \/ m+ w1 i- Z
if (irow == icol) break;& h8 @$ p% V: N9 w/ a5 P , t& W1 K+ K, h, i
}$ u! g7 V- X8 p, o, j' c7 ? 7 Q* U3 j' V$ Q: \( P" H/ u b . p1 P+ w# A" C- Q
2 c, b- t0 u% W8 c+ d3 L- Q/ E8 \9 V
}# |* q9 i: S- G8 t4 t 3 z) p Z r, F& h6 j
} ; W) i) b9 }+ Y' Y1 y
0 x+ }; c3 v# A' ]* F
" N. ~. ]* k9 _
- [ f9 ]; H) i: T: B" b8 v
++piv.at(icol);6 O& A7 w' o: ~6 \- k6 e6 j
. J ^8 J* M. A$ ]3 U( ^
5 Y; }( `8 B7 y k* _8 T& X. y 7 ^# t- D# D5 A D
6 u* |0 k, C8 K' U( {6 N' R- ^
9 J. ]$ h8 L8 a& X: z; m( v* \
//进行行交换,把主元放在对角线位置上,列进行假交换,6 _/ u9 c2 }2 S; W O 8 A7 l; G8 \: [. F, F
3 F5 l9 s1 ]+ W+ S- l
//使用向量indexrow和indexcol记录主元位置, 6 k' S4 C8 R3 R$ S & X7 w; @, H7 X$ [& P
; L: [* o/ I, S p
//这样就可以得到最终次序是正确的解向量。 - F- L6 q& l- H% A0 a- M. N
* @) L( f8 S, h* h" ~
if (irow != icol) { 7 c9 r; R0 B$ x C ; ?! a2 e; A8 u- V
* i' o5 w( o9 h/ R3 A
for (int l=0; l<n; ++l), |0 a: z; \6 m/ z; k, I& e) t
; g2 I: N0 Y6 w A* R
swap(A(irow, l), A(icol, l));& m% L- L) E, y' N $ v7 q; F: O$ M! G1 @0 r , _9 |) E8 _; r/ F
for (int l=0; l<m; ++l)6 z% h% ?# [( _8 ]% w; H 6 n) M& V5 B% Q3 ]! j
5 w+ ^9 [. g# j* X+ @) Q( [& l& X$ t
swap(b(irow, l), b(icol, l));
}6 `4 |) J: z: _
# _1 m8 i* \' s: F
$ {5 ]# B& N3 o, D1 O! M7 Q: x) E
indexrow.at(i) = irow;
indexcol.at(i) = icol;, y' O) a7 ~1 |+ N$ { j9 n% S) {0 [( p
/ K6 p, K9 i: T6 ]
( F! @# y: R6 \
7 M4 h1 }* z9 c8 N0 c# a9 @ * w& m$ M6 u& {( W
% m9 l- z6 G3 b4 i0 D% x
try {, @0 j4 i% Y! E+ u( M; F- Z % Q9 a8 }9 l t \$ o- E& W: }4 ~
; R4 i9 F6 ]) }. t0 g% j" d/ N/ ]/ W6 g
- p1 J7 J( }- q1 S: q9 d y* ^( S
double pivinv = 1.0 / A(icol, icol);1 e5 ]! g. E/ w% T 3 }' ]( X' K4 ?8 ?! V6 y- H0 f3 L; X
5 h3 G# B) t* Z7 ]
% R) u4 u' |) U; a2 x
0 ~$ z# d% r+ u0 d, e
for (int l=0; l<n; ++l). P- ]/ f' S2 o: y 9 j2 c7 B6 M8 |( n/ m+ p, V , Y5 d; {! A$ H6 T$ @
# ` [4 }: x6 P! O+ ~. e. ^3 z" P
- G0 A* R& t& I; |4 I2 e) B
A(icol, l) *= pivinv;
6 c+ Q2 k/ B; n" x/ {9 c8 g$ D+ P
. M z* B. d3 ]5 ?" F6 r3 E
for (int l=0; l<m; ++l) * h" M$ C2 S, }9 i* W/ u
, |! X5 H$ h- ~8 O, _
b(icol, l) *= pivinv; 9 e8 T/ Y( s; j. H- {
3 q& [& i* @0 ~
+ T, R+ x* l; _ ~
//进行行约化 # b. R% D$ L$ P7 A" Y' I- W
" ^7 b0 ?4 G. U0 K% l4 ~
for (int ll=0; ll<n; ++ll)% i, c4 @, I8 Q5 j* ] N , ^; e6 A) y' d- v. g5 x% ~1 Y0 I 0 i' R$ Y7 |3 T2 q
" V) W, J6 h& m2 N" a" o
if (ll != icol) { % @* Y' f1 R2 D& N
double dum = A(ll, icol); , ]! [7 j* r# F( t4 ?, C8 D
& r4 E. y) P* ~! [
! H, }4 A- ~. [! m) \
for (int l=0; l<n; ++l) l/ E0 }8 E1 T( W! i# v
) L# o7 v. _# u" r" U! @
A(ll, l) -= A(icol, l)*dum; / c" ~" p* q9 E' c
3 y8 t# t. o% g* z9 j( V' a: v4 C
4 z$ K- ~+ ]/ |4 @7 K1 v. m
for (int l=0; l<m; ++l)6 T( T- w8 E c" K6 d+ {0 _ y5 R ! ]+ a. G9 W" }6 Q8 [6 C# h0 }
$ w/ q" \* v, A
b(ll, l) -= b(icol, l)*dum; " O6 u! [- C+ r: ?( W
}$ ^/ I1 L9 @; U ' Y p1 |" u$ `! R: j. y9 M& F4 u- ~ * X& c* o% i: u0 Z
}
catch (...) {' p1 c2 ^1 ^ t' H6 Y3 \ 3 N" L. H6 l* A ) T& u/ C! ~6 S; i' A/ r. g0 L
* O4 I6 w- W: U5 a q
cerr << "Singular Matrix"; 9 C% ~! q3 D' L1 [ 4 G* T# I7 d, U1 f* X$ f) K
} 1 {& Q6 K% j0 [- R0 x
. o: y( x0 C0 ~& H+ Q; n! c' C! }
} , k3 L, @" i. O4 D, }0 g + y+ x' b" U4 f1 I7 {4 y
} . \( C, f1 k0 d+ p
- Z& s/ `/ Y6 R$ F' ~7 o5 ^
) J( v$ i4 d% ~( O* {
' h( ^. m: Y* Y5 L3 v
& j$ B3 A" j6 d( k
int main()
- v7 t9 |6 U* A" `
3 e/ p9 L0 j& V+ S
{ " i/ A( n1 L* h1 ~$ e' I
//测试矩阵$ D& N+ U- r; n& e1 P1 S0 A
) W5 e9 `) _8 M4 N k; I: Z0 x# z
Array<double, 2> A(3,3), b(3,1);
A = 10,-19,-2,1 y: ?# b4 u" ]# h5 @( `3 \1 \ % O; C; v5 t7 j) W. K % `" Q2 g3 e) D7 Y" u
-20, 40, 1, 6 e7 @1 v1 K+ t& I# l
1, 4, 5;, R& Q* _, Z( c, e9 `$ v" A & c' C0 v/ S, u+ V) P# j3 i
8 [4 T R6 w! T F, C+ }6 l! A x
b = 3, & \, M+ K8 w) N
: x& v" q& K/ V2 X
4, ( [4 e/ i! K e7 v1 M7 L4 ?! ?
) q+ Y/ f; ]8 V: j( {4 b! w1 r; V# b
5; u C0 p5 g! p9 O) T
: ^+ O1 a% [/ N! r& I( w' n+ p
* B% K6 I, q, W( v" r , J# _3 q& C- m: [; P
Gauss_Jordan(A, b); 7 u. g$ N* i* l8 E4 ^: t N ; I& E# s( r- |, Z
8 F8 \* D; c T% K
) w2 a% [2 N/ h) b1 A& C$ l9 a+ z
$ v4 u+ P# {- t% b# B. k
cout << "Solution = " << b <<endl;/ Z: t* w4 ], G- Q& o3 t 1 h0 o( i- T, L2 B; K+ S. v / C. f( k5 H2 j& K6 k7 O/ t/ u' I
$ m7 s2 a4 b L
}) j- }& f& Q0 _) V$ ~ 8 Q; p2 k) [; t0 w2 S9 G1 h $ _/ ]1 n: V2 |6 k7 L" }
& W7 _" Z! x5 J6 G
7 G/ \. X% ]$ C8 S& I
Result:5 X9 F# e0 G8 f/ d ! {! [6 g. G* w' y9 ~2 c D & K! c$ S* a9 h( n9 I, e
6 J- W$ b; W' ?! E
8 |9 ^( s8 r+ p8 w7 v8 a$ |- m
2 u8 N& s8 ?0 }. X, b0 R
& V* }9 z0 e: {8 F: x% S
Solution = 3 x 1 % ?7 C, D6 @! y$ g
* c$ z4 S+ E, o9 a: s' R
! B! Z# }# Q$ F+ l2 m
[ 4.41637
2.35231! F1 y) A _6 N1 j# e5 O ! x0 u' {" |3 ~+ r" z) P! v , z) S) f0 I9 K8 p5 v. n7 p
-1.76512 ] c3 u: [0 e; V9 k0 c" c 1 s/ ? Q6 n, v6 J ) O' P! H( y p/ I. q# ?
4 W* a8 W+ y0 J$ l" L5 E
$ d2 n2 n/ W. Z) T4 ^/ j8 q( y
+ D4 X% q+ k. F4 {
+ S \0 x' _$ P# _: R. Q
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。% r4 ^% z1 m, `8 h' i( _
$ D# d' `3 `* a1 g6 ?" j0 |; U+ ?# }
, w% K' J7 y4 a# k
# e9 W3 r5 ?" ?8 a1 L) {
注释:[1]主元,又叫主元素,指用作除数的元素
9 ^) i6 r4 D/ _4 _: O, h3 ~& k1 U
# u3 `5 I0 E+ f' f8 g) z6 Z9 U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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