高斯消元演算法實現(Java)
阿新 • • 發佈:2019-02-16
1:高斯消元法演算法步驟
1:選擇主元;即選擇對角元素,保證其為所在列的最大,避免大數除以小數出現溢位,其實是避免其值為0;
2:當前主元不為最大值,交換兩行;
3:判斷主元是否為0,若是則不是唯一解;
4:逐行消元;
5:對角線元素歸一化;
6:回代消除對角線之上的元素。
2:演算法結果展示
百度知道上的一道題目,用來測試
圖中是原題給出的答案:
下圖是演算法給出的答案
這樣看來結果還是很不錯的。
3:程式碼
這個是主方法,主要是使用一維陣列實現,對應的方法引數要給出方程增廣矩陣的每一行的個數。
內部方法將在後面給出,這個方法可以直接使用。
/**
*
* @param array 係數矩陣 增廣矩陣
* @param colNum 列向量個數(從第0列開始)
* @return boolean 是否得出結果
*/
public boolean Resolve(float[] array, int colNum){
//行數
int rows = array.length / colNum ;
//逐行選擇主元 第 i 行 ,第i列 的元素(i,i)
for (int i = 0 ; i < rows; i++) {
//按列選擇主元
int pivotRow = SelectPivotalElement(array,colNum,i);
//如果主元不是目前所在的i列,則交換
if(pivotRow!=i){
swapCol(array,pivotRow,i,colNum);
}
if(array[i*colNum+i]==0){
System.out.println("不含有唯一解" );
return false ;
}
//消元得到上三角
for (int j = 0; j < colNum; j++) {
emissElement(array,j,colNum);
}
}
//主元素歸一化
for (int i = 0; i < rows; i++) {
ElementBack(array,i,colNum);
}
//回代消元,從最後一行開始
for (int i = rows-1; i > 0; i--) {
backEmiss(array,i,colNum);
}
return true ;
}
用於內部實現的各個方法
/**
* 回代消元
* @param array
* @param i 第i行之上的開始消除
* @param colNum 矩陣每一行的個數
*/
private static void backEmiss(float[] array, int i, int colNum) {
for (int j = i; j >0; j--) {
float fractor = array[(j-1)*colNum+i] ;
array[(j-1)*colNum+i] = 0 ;
array[j*colNum-1] = array[j*colNum-1] - array[(i+1)*colNum-1]*fractor ;
}
}
/**
* 元素歸一化處理
* @param array
* @param i 第 i 行 歸一化處理
* @param colNum 矩陣列數 ,每行元素個數
*/
private static void ElementBack(float[] array, int i, int colNum) {
//每行的長度
int len = array.length / colNum ;
float factor = array[i * colNum + i] ;
for (int j = i * colNum + i; j < (i+1)*colNum; j++) {
array[j] = array[j] / factor ;
}
}
/**
* 逐行消元
* @param array
* @param i 標示第 i 行的主元
* @param colNum
*/
private static void emissElement(float[] array, int i, int colNum) {
//矩陣行數
int len = array.length / colNum ;
//第i+1行開始消元
for (int j = (i+1); j <len; j++) {
//int j = 1 ;
//消元係數
float index = array[j*colNum+i] / array[i * colNum + i] ;
int ii = i * colNum + i ;
for (int k = j*colNum + i; k < (j+1)*colNum ; k++,ii++) {
array[k] = array[k] - array[ii]*index ;
}
}
}
/**
* 交換兩行
* @param array
* @param dist 目標行
* @param src 原來的行
* @param colNum 行向量的長度
*/
private static void swapCol(float[] array, int dist, int src,int colNum) {
int distance = (dist - src)*colNum ;
for (int j = src*colNum; j < (src+1)*colNum; j++) {
float temp = array[j] ;
array[j] = array[j+distance] ;
array[j+distance] = temp ;
}
}
/**
*
* @param array
* @param colNum
* @param i 第i行的主元
* @return 主元所在的列
*/
private static int SelectPivotalElement(float[] array,int colNum,int i) {
//返回的所選擇的主元所在列的索引
int pivotColIndex = 0 ;
//中間變數
float max = 0 ;
for (int j = i*colNum + i; j < array.length; j+=colNum) {
if(Math.abs(max)<Math.abs(array[j])){
max = array[j];
pivotColIndex = j ;
}
}
//返回主元所在的行
return pivotColIndex/colNum;
}