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[数值算法]求解线性方程组的高斯消元法

王朝other·作者佚名  2006-01-31
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[数值算法]求解线性方程组的高斯消元法

高斯消元法在理论上还是很好理解的,但是由于在矩阵规模变大时,算法的可靠性极差,因此,它也是一个理论价值大于实用价值的算法,但同时也是后面求解行列式算法的基础.

这是一个高度模块化的算法,在实现高斯消元法之前,让我们做一些准备工作.

首先是一个求解上三角阵的回代算法,如下,主要思想就是通过前面求得的xn来计算下面的xn-1,还是很好理解的.如下:

void upTriangleMethod(Type** matrixArr,Type* bList,Type* xAnsList,int len)

{

int i=0,j=0;

double e=0.0001;/*precise controller*/

Type tmpSum;

assertF(matrixArr!=NULL,"in upAngleMethod,matrixArr is NULL\n");

assertF(bList!=NULL,"in upAngleMethod,bList is NULL\n");

assertF(xAnsList!=NULL,"in upAngleMethod,xAnsList is NULL\n");

for(i=0;i<len;i++)

assertF(fabs(matrixArr[i][i])>=e,"in upAngleMethod ,matrixArr[i][i] has value closed to 0\n");

/*Core part of the up triangle method*/

xAnsList[len-1]=bList[len-1]/matrixArr[len-1][len-1];/*Get the last answer*/

/*data initialiate*/

i=len-2;

while(i>=0)

{

tmpSum=0;

for(j=i+1;j<len;j++)

tmpSum+=matrixArr[i][j]*xAnsList[j];

xAnsList[i]=(bList[i]-tmpSum)/matrixArr[i][i];

i--;

}

/*End of up triangle method*/

}

接下来要做的,就是准备好计算行列式所要用的三种基本操作:交换两行,a行数据自乘一个数据,a行乘以一个数据后加至B行.

代码如下:

/*Ulity matrix transformation functions*/

void swapTwoRow(Type** matrixArr,int row1Index,int row2Index,int colNums)

{

int j;/*the iterator number*/

/*assertion*/

assertF(matrixArr!=NULL,"in swapTwoRow,*matrixArr is NULL\n");

/*main swap process*/

for(j=0;j<colNums;j++)

swap(&matrixArr[row1Index][j],&matrixArr[row2Index][j]);

}

void valueByToRow(Type** matrixArr,Type valueBy,int rowIndex,int colNums)

{

int j;/*the iterator number*/

/*assertion*/

assertF(matrixArr!=NULL,"in valueByToRow,*matrixArr is NULL\n");

for(j=0;j<colNums;j++)

matrixArr[rowIndex][j]*=valueBy;

}

void valueByRowAPlusToRowB(Type** matrixArr,Type valueBy,int rowIndexFrom,

int rowIndexTo,int colNums)

{

int j;/*the iterator number*/

assertF(matrixArr!=NULL,"in valueByRowAPlusToRowB,*matrixArr is NULL\n");

for(j=0;j<colNums;j++)

matrixArr[rowIndexTo][j]+=matrixArr[rowIndexFrom][j]*valueBy;

}

有了以上这些准备,再实现我们的高斯消元法就简单多了,再实现之前,还是先用算法语言描述一下,其实就是把我们手工计算时的操作映射到计算机上的一个过程.

输入:

矩阵a[n][n]

主过程:

For i<-1 to n-1

For j<-i+1 to n

m=a[j][i]/a[i][i]

a第j行中的每个元素-m*a第i行中的每个对应元素

(相当于上面的函数valueByRowAPlusToRowB)

Next j

Next i

至些,a[n][n]已化成上三角矩阵.

再对它施加一次上三角矩阵的回代算法,即得结果.

输出:

线性方程组的解: x1-xn.

下面给出我写的高斯消元法在C下的实现,为了防止对原数据的更改,这里在函数内部用了局部的指针变量,使得代码看上去长了些.

/*Guess Algorithm

This version is implemented:

by EmilMatthew 05/8/15

You can use these code freely , but I don’t assure them could totally fit your needs.

*/

void guassMethod(Type** matrixArr,Type* bList,Type* xAnsList,int len)

{

Type** matrixA_b;

Type** tmpMatrixArr,* tmpBList;

Type m;/*the tween data*/

int i,j;/*iterator num*/

/*input assertion*/

assertF(matrixArr!=NULL,"in guassMethod,matrixArr is NULL\n");

assertF(bList!=NULL,"in guassMethod,bList is NULL\n");

assertF(xAnsList!=NULL,"in guassMethod,xAnsList is NULL\n");

/*memory apply*/

matrixA_b=(Type**)malloc(sizeof(Type*)*len);

for(i=0;i<len;i++)/*the col's size should be row's size+1*/

matrixA_b[i]=(Type*)malloc(sizeof(Type)*(len+1));

tmpMatrixArr=(Type**)malloc(sizeof(Type*)*len);

for(i=0;i<len;i++)

tmpMatrixArr[i]=(Type*)malloc(sizeof(Type)*len);

tmpBList=(Type*)malloc(sizeof(Type)*len);

assertF(matrixA_b!=NULL,"in guassMethod,matrixA_b is NULL\n");

assertF(tmpMatrixArr!=NULL,"in guassMethod,tmpMatrixArr is NULL\n");

assertF(tmpBList!=NULL,"in guassMethod,tmpBList is NULL\n");

/*matrixA_b make*/

for(i=0;i<len;i++)

{

for(j=0;j<len;j++)

matrixA_b[i][j]=matrixArr[i][j];

matrixA_b[i][j]=bList[i];

}

/*Core part of guass matrix method*/

for(i=0;i<len-1;i++)

for(j=i+1;j<len;j++)

{

m=matrixA_b[j][i]/matrixA_b[i][i];

valueByRowAPlusToRowB(matrixA_b,-m,i,j,len+1);

}

/*The matrixA_b has become a triangle matrix*/

/*split the matrixA_b back to matrixA and bList*/

for(i=0;i<len;i++)

{

for(j=0;j<len;j++)

tmpMatrixArr[i][j]=matrixA_b[i][j];

tmpBList[i]=matrixA_b[i][j];

}

/*implement the up triangle algorithm*/

/*debug code*/

show2DArrFloat(tmpMatrixArr,len,len);

showArrListFloat(tmpBList,0,len);

/*end of debug code*/

upTriangleMethod(tmpMatrixArr,tmpBList,xAnsList,len);

/*End of guass method*/

/*memory free*/

for(i=0;i<len;i++)

{

free(matrixA_b[i]);

free(tmpMatrixArr[i]);

}

free(matrixA_b);

free(tmpMatrixArr);

free(tmpBList);

}

/*Test Program*/

/*upTiangleMethod Algorithm test program*/

#include "Global.h"

#include "Ulti.h"

#include "MyAssert.h"

#include "Matrix.h"

#include <time.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <math.h>

char *inFileName="inputData.txt";

/*

input data specification

len,

a00,a01,...,a0n-1,b0;

.....

an-10,an-11,...,an-1n-1,bn-1;

*/

char *outFileName="outputData.txt";

#define DEBUG 1

void main(int argc,char* argv[])

{

FILE *inputFile;/*input file*/

FILE *outputFile;/*output file*/

double startTime,endTime,tweenTime;/*time callopsed info*/

/*The read in data*/

int len;

Type** matrixArr;

Type* bList,* xAnsList;

int i,j;/*iterator index*/

/*input file open*/

if(argc>1)strcpy(inFileName,argv[1]);

assertF((inputFile=fopen(inFileName,"rb"))!=NULL,"input file error");

printf("input file open success\n");

/*outpout file open*/

if(argc>2)strcpy(outFileName,argv[2]);

assertF((outputFile=fopen(outFileName,"wb"))!=NULL,"output file error");

printf("output file open success\n");

fscanf(inputFile,"%d,",&len);

printf("len is:%d\n",len);

/*Memory apply*/

matrixArr=(Type**)malloc(sizeof(Type*)*len);

for(i=0;i<len;i++)

matrixArr[i]=(Type*)malloc(sizeof(Type)*len);

bList=(Type*)malloc(sizeof(Type)*len);

xAnsList=(Type*)malloc(sizeof(Type)*len);

/*Read info data*/

for(i=0;i<len;i++)

{

for(j=0;j<len;j++)

fscanf(inputFile,"%f,",&matrixArr[i][j]);

fscanf(inputFile,"%f;",&bList[i]);

}

/*Check the input data*/

showArrListFloat(bList,0,len);

show2DArrFloat(matrixArr,len,len);

#if DEBUG

printf("\n*******start of test program******\n");

printf("now is runnig,please wait...\n");

startTime=(double)clock()/(double)CLOCKS_PER_SEC;

/******************Core program code*************/

guassMethod(matrixArr,bList,xAnsList,len);

printf("after the upTriangleMethod:the ans x rows is:\n");

fprintf(outputFile,"after the upTriangleMethod:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)\r\n");

showArrListFloat(xAnsList,0,len);

outputListArrFloat(xAnsList,0,len,outputFile);

/******************End of Core program**********/

endTime=(double)clock()/(double)CLOCKS_PER_SEC;

tweenTime=endTime-startTime;/*Get the time collapsed*/

/*Time collapsed output*/

printf("the collapsed time in this algorithm implement is:%f\n",tweenTime);

fprintf(outputFile,"the collapsed time in this algorithm implement is:%f\r\n",tweenTime);

printf("\n*******end of test program******\n");

#endif

for(i=0;i<len;i++)

free(matrixArr[i]);

free(matrixArr);

free(xAnsList);

free(bList);

printf("program end successfully,\n you have to preess any key to clean the buffer area to output,otherwise,you wiil not get the total answer.\n");

getchar();/*Screen Delay Control*/

return;

}

/*测试结果*/

测试一:

输入数据:

3,//矩阵长度

2,2,3,3;//a11-a13,b1

4,7,7,1;

-2,4,5,-7;//a31-a33,b3.

输出:

after the upTriangleMethod:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)

2.000000,-2.000000,1.000000;

测试2:

输入数据:

3,

2,0,1,8;

0,4,6,12;

1,1,1,30;

输出:

after the upTriangleMethod:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)

15.500000,37.500000,-23.000000;

 
 
 
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