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C语言实现高斯消元解线性方程组

目录

  • 前述
  • 高斯消元
  • 示例
  • C代码
  • 最后

前述

在上初中的时候,我们学习了方程组,那个时候只知道消元依次求解。

在大学的时候,我们学习了线性代数,我们可以经过初等变换一次性求出所有解。

这篇文章主要是用C语言实现高斯列主元消去法求解多元一次方程。

高斯列主元消去法

由于涉及到的数学公式太麻烦了,所以从网上找了一张图片,介绍高斯消去法的,如下图:

Gauss列主元素法

示例

假如现在有一个三元一次方程组,如下图:

三元一次方程组

求解多元一次方程组可以分成三个步骤:

  • 首先根据方程组构建增广矩阵
  • 其次对增广矩阵经过行列式的初等变化变成上三角矩阵
  • 最后从后往前回代求解。
  • 构造增广矩阵

    系数矩阵就是将方程组的系数组成矩阵。

    而增广矩阵就是在系数矩阵的右边添上一列,这一列是线性方程组的等号右边的值。

    下图即为行列式的增广矩阵:

    增广矩阵

    组上三角矩阵

    这里说的组上三角矩阵是指经过若干步初等变换,将矩阵左上角和右下角连线组成的对角线左下方的元素全部清零。

    这个步骤主要涉及到主元以及初等变换两个概念。

    主元指在消去过程中起主导作用的元素,主元通常选择绝对值最大的元素,用它做除法能够减小舍入误差的扩散,使得数值解比较可靠。

    以下为行列式的初等变换:

  • 换行变换:交换两行(列)
  • 倍法变换:将行列式的某一行(列)的所有元素同乘以数k
  • 消法变换:把行列式的某一行(列)的所有元素乘以一个数k并加到另一行(列)的对应元素上
  • 而下面的图则是经过若干步初等变化组成的上三角矩阵:

    迭代求解

    在组成上三角矩阵之后,就可以从下往上依次回代求出方程的解了

    C代码

    #include<stdio.h>
    #include<math.h>

    #define MAX_MATRIX 10

    /**
     * @brief SwapRow 进行行交换
     * @param m 待计算的矩阵
     *        row 待交行的行
     *        max_row 待交换的另一行
     *        n 矩阵行数
     */

    static void SwapRow(double m[][MAX_MATRIX], int row, int max_row, int n) {
      double swap;
      for (int k = row; k <= n; k++) {
        swap = m[row][k];
        m[row][k] = m[max_row][k];
        m[max_row][k] = swap;
      }
    }

    /**
     * @brief 组上三角矩阵
     * @param m 待计算的矩阵
     *        n 矩阵行数
     */

    static void SelectColE(double m[][MAX_MATRIX], int n) {
      int max_row_e = 0;  //主元所在行
      double ratio = 0;   //消元因数
      for (int j = 0; j < n; j++) {
        max_row_e = j;
        for (int i = j; i < n; i++) {
          if (fabs(m[i][j]) > fabs(m[max_row_e][j])) {
            max_row_e = i;
          }
        }
        if (max_row_e != j) {
          SwapRow(m, j, max_row_e, n);   //与最大主元所在行交换
        }
        //消元
        for (int i = j + 1; i < n; i++) {
          ratio = m[i][j] / m[j][j];
          for (int k = j; k < n + 1; k++) {
            m[i][k] -= m[j][k] * ratio;
          }
        }
      }
    }

    /**
     * @brief: Gauss 高斯列主元消元法求解线性方程(A*X = B)
     * @param: m 由于A|B组成的增广矩阵,X为待求的解
     *         n 求解的元数,n要小于MAX_MATRIX
     * @result:所求结果存放在m[][n]中
     */

    void Gauss(double m[][MAX_MATRIX], int n) {
      SelectColE(m, n);   // 列选主元并消元成上三角
      // 回代求解,结果存在m[][n]中
      for(int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        for(int j = i + 1; j < n; j++) {
          m[i][n] -= m[i][j] * m[j][n];
        }
        m[i][n] /= m[i][i];
      }
    }

    double a[3][MAX_MATRIX] = {
      {3,-114},  //A|B
      {1116},
      {23,-112}
    };

    int main(int argc ,char **argv) {
      Gauss(a, 3);
      printf("%f,%f,%f\r\n",a[0][3], a[1][3], a[2][3]);
      return 0;
    }

    上述程序运行完成之后,终端输出:2.000000,3.000000,1.000000

    代码参考链接:https://cloud.tencent.com/developer/article/1087352

    这里代码还不太完善,里面没有处理无解的情况,感兴趣的可以继续完善。

    最后

    结果很重要,过程同样重要...

    END

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