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Gauss消元法的原理及Java实现

时间:2020-09-18 22:53:28      阅读:65      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

补充知识:

 

要理解Gauss消去法,首先来看一个例子:

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从上例子可以看出,高斯消去法实际上就是我们初中学的阶二元一次方程组,只不过那里的未知数个数$n=2$

$n>2$时,Gauss消去法的思路实际上和解二元一次方程组是一样的,方法如下:

  • 将$n$方程组中的$n-1$个方程通过消元,形成一个与原方程组等价的一个新方程组,新方程组中的$n-1$个方程仅包含$n-1$个未知数。
  • 故问题就转化为了求解$n-1$元的方程组,这样我们可以继续消元,以次类推,直到最后一个方程组为一元一次方程组
  • 从最后一个一元一次方程组求解出最后一个未知量,然后逐步回代入之前的方程组,从而得到所有的未知数。
  • 我们可以看到Gauss实际上就分为两步:消去和回代

下面通过一般化得到Gauss消元法的求解过程

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以上就是Gauss消去法的基本步骤,我们再回过头看看有没有什么问题?

我们在求比例$l_{ik}= \frac{a_{ik}^{\left (k-1  \right )}}{a_{kk}^{\left (k-1  \right )}}$时,如果分母很小,即:

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$l_{ik}\rightarrow \infty$,那么

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总结一下,能否使用Gauss消元法的情况

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为了解决这个问题,我们可以使用列主元Gauss消元法。

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参考了一些网上的代码,这里给出Gauss的Java实现

 

package peterxiazhe;

import java.util.Scanner;

public class Gauss {
    /**
     * 列主元高斯消去法
     */
    static double A[][];
    static double b[];
    static double x[];
    
    static int n;    //n表示未知数的个数
    static int n_2;    //记录换行的次数
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("--------------输入方程组未知数的个数---------------");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        n = sc.nextInt();
        
        A = new double[n][n];
        b = new double[n];
        x = new double[n];
        
        System.out.println("--------------输入方程组的系数矩阵A:---------------");
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            for(int j = 0; j < n; j++) {
                A[i][j] = sc.nextDouble();
            }
        }
        
        System.out.println("--------------输入方程组的常量向量b:---------------");
        for(int i = 0; i < n; i++) {
                b[i] = sc.nextDouble();
            }
        
        Elimination();
        BackSubstitution();
        PrintRoot();
    }
    
    
    //消元法
    public static void Elimination() {
        PrintA();
        for(int k = 0; k < n; k++) {
            WrapRow(k);
            for(int i = k+1; i < n; i++) {
                double l = A[i][k] / A[k][k];
                A[i][k] = 0;
                
                for(int j = k+1; j < n; j++) {
                    A[i][j] = A[i][j] - l * A[k][j];
                }
                b[i] = b[i] - l * b[k];
            }
            //System.out.println("第" + k + "次消元后:");
            //PrintA();
        }
    }
    
    //回代法
    public static void    BackSubstitution() {
        x[n-1] = b[n-1] / A[n-1][n-1];
        for(int i = n - 2; i >= 0; i--) {
            x[i] = (b[i] - solve(i)) / A[i][i];
        }
    }
    
    public static double solve(int i) {
        double result = 0.0;
        for(int j = i; j < n; j++)
            result += A[i][j] * x[j];
        return result;
    }
    
    
    //输出方程组的根
    public static void PrintRoot() {
        System.out.println("--------------方程组的根为---------------");
        for(int  i = 0; i < n; i++) {
            System.out.println("x" + (i+1) + " = " + x[i]);
        }
    }
    
    //交换Swap函数???
    public static void Swap(double[] ar, int x, int y) {
        Double tmp = ar[x];
        ar[x] = ar[y];
        ar[y] = tmp;
    }
    
    public static void PrintA() {    //输出A的增广矩阵
        //System.out.println("--------------增广矩阵---------------");
        for(int i = 0; i < n; i++) {
            for(int j = 0; j < n; j++) {
                System.out.print(A[i][j] + " ");
            }
            System.out.println(b[i]);
        }
    }
    
    //交换矩阵的行
    public static void WrapRow(int k) {    //k表示第k+1轮消元
        double maxElement = Math.abs(A[k][k]);
        
        int WrapRowIndex = k;    //    记住要交换的行
        for(int i = k + 1; i < n; i++) {
            if (Math.abs(A[i][k]) > maxElement) {
                WrapRowIndex = i;
                maxElement = A[i][k];
            }
        }
        if (WrapRowIndex != k) {    //交换求得最大主元
            n_2 += 1;
            System.out.println("k = " + k + "时," + "要交换的行为" + k + "和"+ WrapRowIndex);
            
            //先交换A
            for(int j = k; j < n; j++) {
                double[] arr = {A[k][j], A[WrapRowIndex][j]};
                Swap(arr, 0, 1);
                A[k][j] = arr[0]; A[WrapRowIndex][j] = arr[1];
//                double tmp = A[k][j];
//                A[k][j] = A[WrapRowIndex][j];
//                A[WrapRowIndex][j] = tmp;
            }
            
            //再交换b
            double[] arr = {b[k], b[WrapRowIndex]};
            Swap(arr, 0, 1);
            b[k] = arr[0]; b[WrapRowIndex] = arr[1];
//            double tmp = b[k];
//            b[k] = b[WrapRowIndex];
//            b[WrapRowIndex] = tmp;
            System.out.println("--------------交换后---------------");
            PrintA();
        }        
    }
}

 

 

注意:由于Java不支持对基本数据类型的引用传递,这里使用了一个小技巧

 

Gauss消元法的原理及Java实现

原文:https://www.cnblogs.com/xiazhenbin/p/13692242.html

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