算法1
高斯消元解线性方程组
算法步骤
枚举每一列c,
找到当前列绝对值最大的一行
用初等行变换(2) 把这一行换到最上面(未确定阶梯型的行,并不是第一行)
用初等行变换(1) 将该行的第一个数变成 11 (其余所有的数字依次跟着变化)
用初等行变换(3) 将下面所有行的当且列的值变成 0
// a[N][N]是增广矩阵
int gauss()
{
int c, r;
for (c = 0, r = 0; c < n; c ++ )
{
int t = r;
for (int i = r; i < n; i ++ ) // 找到绝对值最大的行
if (fabs(a[i][c]) > fabs(a[t][c]))
t = i;
if (fabs(a[t][c]) < eps) continue;
for (int i = c; i <= n; i ++ ) swap(a[t][i], a[r][i]); // 将绝对值最大的行换到最顶端
for (int i = n; i >= c; i -- ) a[r][i] /= a[r][c]; // 将当前行的首位变成1
for (int i = r + 1; i < n; i ++ ) // 用当前行将下面所有的列消成0
if (fabs(a[i][c]) > eps)
for (int j = n; j >= c; j -- )
a[i][j] -= a[r][j] * a[i][c];
r ++ ;
}
if (r < n)
{
for (int i = r; i < n; i ++ )
if (fabs(a[i][n]) > eps)
return 2; // 无解
return 1; // 有无穷多组解
}
for (int i = n - 1; i >= 0; i -- )
for (int j = i + 1; j < n; j ++ )
a[i][n] -= a[i][j] * a[j][n];
return 0; // 有唯一解
}
思想
高斯消元 O(n3)O(n3)
通过初等行变换 把 增广矩阵 化为 阶梯型矩阵 并回代 得到方程的解
适用于求解 包含nn 个方程,nn 个未知数的多元线性方程组
接下来的所有操作都用该增广矩阵,代替原方程组
前置知识:初等行(列)变换
把某一行乘一个非00的数 (方程的两边同时乘上一个非00数不改变方程的解)
交换某两行 (交换两个方程的位置)
把某行的若干倍加到另一行上去 (把一个方程的若干倍加到另一个方程上去)
接下来,运用初等行变换,把增广矩阵,变为阶梯型矩阵
阶梯型矩阵,还可以是好多种其他形式
最后再把阶梯型矩阵从下到上回代到第一层即可得到方程的解
算法步骤
枚举每一列c,
找到当前列绝对值最大的一行
用初等行变换(2) 把这一行换到最上面(未确定阶梯型的行,并不是第一行)
用初等行变换(1) 将该行的第一个数变成 11 (其余所有的数字依次跟着变化)
用初等行变换(3) 将下面所有行的当且列的值变成 0
参考文献
C++ 代码
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cmath>
using namespace std;
const int N = 110;
const double eps = 1e-6;
int n;
double a[N][N];
int gauss()
{
int c, r;// c 代表 列 col , r 代表 行 row
for (c = 0, r = 0; c < n; c ++ )
{
int t = r;// 先找到当前这一列,绝对值最大的一个数字所在的行号
for (int i = r; i < n; i ++ )
if (fabs(a[i][c]) > fabs(a[t][c]))
t = i;
if (fabs(a[t][c]) < eps) continue;// 如果当前这一列的最大数都是 0 ,那么所有数都是 0,就没必要去算了,因为它的约束方程,可能在上面几行
for (int i = c; i < n + 1; i ++ ) swap(a[t][i], a[r][i]);//// 把当前这一行,换到最上面(不是第一行,是第 r 行)去
for (int i = n; i >= c; i -- ) a[r][i] /= a[r][c];// 把当前这一行的第一个数,变成 1, 方程两边同时除以 第一个数,必须要到着算,不然第一个数直接变1,系数就被篡改,后面的数字没法算
for (int i = r + 1; i < n; i ++ )// 把当前列下面的所有数,全部消成 0
if (fabs(a[i][c]) > eps)// 如果非0 再操作,已经是 0就没必要操作了
for (int j = n; j >= c; j -- )// 从后往前,当前行的每个数字,都减去对应列 * 行首非0的数字,这样就能保证第一个数字是 a[i][0] -= 1*a[i][0];
a[i][j] -= a[r][j] * a[i][c];
r ++ ;// 这一行的工作做完,换下一行
}
if (r < n)// 说明剩下方程的个数是小于 n 的,说明不是唯一解,判断是无解还是无穷多解
{// 因为已经是阶梯型,所以 r ~ n-1 的值应该都为 0
for (int i = r; i < n; i ++ )//
if (fabs(a[i][n]) > eps)// a[i][n] 代表 b_i ,即 左边=0,右边=b_i,0 != b_i, 所以无解。
return 2;
return 1;// 否则, 0 = 0,就是r ~ n-1的方程都是多余方程
}
// 唯一解 ↓,从下往上回代,得到方程的解
for (int i = n - 1; i >= 0; i -- )
for (int j = i + 1; j < n; j ++ )
a[i][n] -= a[j][n] * a[i][j];//因为只要得到解,所以只用对 b_i 进行操作,中间的值,可以不用操作,因为不用输出
return 0;
}
int main()
{
cin >> n;
for (int i = 0; i < n; i ++ )
for (int j = 0; j < n + 1; j ++ )
cin >> a[i][j];
int t = gauss();
if (t == 0)
{
for (int i = 0; i < n; i ++ ) printf("%.2lf\n", a[i][n]);
}
else if (t == 1) puts("Infinite group solutions");
else puts("No solution");
return 0;
}