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[数值算法]高斯消元法改进版---列主消元法

王朝other·作者佚名  2006-01-31
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[数值算法]高斯消元法改进版---列主消元法

高斯消元在求解一些系数矩阵中含有极小数的情况下,会产生巨大的舍入误差,导致算法失效。一个简单而有效的改进方法是每次在进行将当前列中元素的消成0的运算时,选择当前列j对应的行(j to n)中绝对值较大的一个数作为主元行,这样,误差就会减小很多。具体详见算法描述:

一些必备的实用矩阵变换函数已写在高斯消元法中了,这里不再赘述了,参:

http://blog.csdn.net/EmilMatthew/archive/2005/08/15/454999.aspx

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:

系数矩阵a[n][n]以及右端列向量b[n]

主过程:

将a[n][n]和b[n]拼成增广矩阵a|b 这里用matrixA_b表示.

For i<-1 to n-1

For j<-i+1 to n

得到确定当前i列中 matrixA_b [i][i]至matrixA_b [n][i]中绝对值最大的元素的行标,赋值给tmpColIndex(指标当前列中的(i行至n行中)最大值)

If tmpColIndex!=i then

Swap a中matrixA_b中第tmpColIndex行和第i行

End if

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

matrixA_b第j行中的每个元素-m* matrixA_b 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, matrixA_b [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 Col Main Algorithm

This version is implemented:

by EmilMatthew 05/8/16

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

*/

/*Aided function maxRowIndex,get the absolute max element’s row index in now colIndx*/

int maxRowIndex(Type** matrixArr,int colIndex,int len)

{

int j;/*the iterator number*/

int maxIndex;/*the tween min data*/

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

maxIndex=colIndex;

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

if(fabs(matrixArr[maxIndex][colIndex])<fabs(matrixArr[j][colIndex]))maxIndex=j;

return maxIndex;

}

/*main gauss col main method*/

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

{

Type** matrixA_b;

Type** tmpMatrixArr,* tmpBList;

Type m;/*the tween data*/

int i,j;/*iterator num*/

int tmpColIndex;/*the tween index data for main col*/

/*input assertion*/

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

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

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

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

assertF(tmpBList!=NULL,"in gaussMethod,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 gauss matrix method-col main version*/

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

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

{

tmpColIndex=maxRowIndex(matrixA_b,i,len);

if(tmpColIndex!=i)

swapTwoRow(matrixA_b,i,tmpColIndex,len+1);/*still here,be attentionf:len+1!*/

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*/

show2DArrFloat(tmpMatrixArr,len,len);

showArrListFloat(tmpBList,0,len);

upTriangleMethod(tmpMatrixArr,tmpBList,xAnsList,len);

/*End of gauss method-col main version*/

/*memory free*/

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

{

free(matrixA_b[i]);

free(tmpMatrixArr[i]);

}

free(matrixA_b);

free(tmpMatrixArr);

free(tmpBList);

}

/*Test program*/

/*Gauss column main 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*************/

gaussMethodColMain(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:

test-1:

//input

3,

2,0,1,8;

0,4,6,12;

1,1,1,30;

//output

after the gauss column main algorithm:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)

15.500000,37.500000,-23.000000;

the collapsed time in this algorithm implement is:0.000000

test-2:

//input

2,

0.0001,1,1;

1,1,3;

//output

after the gauss column main algorithm:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)

2.000200,0.999800;

the collapsed time in this algorithm implement is:0.000000

test-3:

//input

3,

2,2,3,3;

4,7,7,1;

-2,4,5,-7;

//output

after the gauss column main algorithm:the ans x rows is:(from x0 to xn-1)

2.000000,-2.000000,1.000000;

 
 
 
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