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高斯消元法——求解線性方程組

學習了《挑程》中的高斯消元法,它是求解最基礎的線性方程組(未知數個數和方程個數相等,並且有唯一解)的演算法。

首先舉一個例子:求解如下方程組:

x2y+3z=6..........4x5y+6z=12.......7x8y+10z=21.....

我們手算一下這個方程組,過程如下:
1. ② - 4*①;③ - 7*①,得到如下式子:

x2y+3z=6.............0x+3y6z=12.......0x6y11z=21.....
2. ②兩邊同除以3,得到:
x2y+3z=6.............0x+y2z=4..........
0x6y11z=21.....

3. ① - ②*(-2);③-②*6,得到:
x+0yz=2.............0x+y2z=4...........0x+0y+z=3..............
4. 從③式得到 z=3,再代入②式得到 y=2,再代入到①式得到 x=1

我們這是平時手算的過程,但是一旦學習過線性代數這門課程,我們就不用再寫方程式了,直接寫矩陣的形式,還是這個例子,我們便可以寫成如下矩陣:

147258361061221

此矩陣為增廣矩陣,豎線之前的矩陣為方程組的係數矩陣 A,而豎線之後的列矩陣為常數矩陣 b
所以方程組的運算就是對增廣矩陣進行相關操作,而在我們的高階語言中,可以通過二維陣列來表示此矩陣,當然也可以使用vector來表示。

具體程式碼如下:

#include<cstdio>
#include<vector>
#include<cmath>
#include<algorithm>
using namespace std;
const double EPS = 1E-8;
typedef vector<double> vec;
typedef vector<vec> mat;

vec gauss_jordan(const mat &A, const vec &b)
{
    int n = A.size();           //n個未知數 
mat B(n, vec(n+1)); //初始化增廣矩陣 for(int i=0; i<n; i++) { for(int j=0; j<n; j++) { B[i][j] = A[i][j]; //係數矩陣 } } for(int i=0; i<n; i++) { B[i][n] = b[i]; //常數矩陣 } //把正在處理的未知數係數的絕對值最大的式子換到第i行 for(int i=0; i<n; i++) { int pivot = i; for(int j=i; j<n; j++) { if(abs(B[j][i]) > abs(B[pivot][i])) pivot = j; } swap(B[i], B[pivot]); //無解或者有無窮解 if(abs(B[i][i]) < EPS) return vec(); //把正在處理的未知數的係數變為1 double k = B[i][i]; for(int j=i; j<=n; j++) B[i][j] /= k; for(int j=0; j<n; j++) { if(i != j) { //從第j個式子中消去第i個未知數 for(int k=i+1; k<=n; k++) { B[j][k] -= B[j][i] * B[i][k]; } } } // for(int j=0; j<n; j++) // { // for(int k=0; k<n+1; k++) // { // printf("%f ",B[j][k]); // } // printf("\n"); // } // printf("--------------------\n"); } vec x(n); for(int i=0; i<n; i++) { x[i] = B[i][n]; } return x; } int main() { freopen("input.txt", "r", stdin); int n; scanf("%d", &n); mat A(n, vec(n)); vec b(n); double u; for(int i=0; i<n; i++) { for(int j=0; j<n; j++) { scanf("%lf", &A[i][j]); } } for(int i=0; i<n; i++) { scanf("%lf", &b[i]); } vec c = gauss_jordan(A, b); for(int i=0; i<c.size(); i++) { printf("%f ",c[i]); } return 0; }