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线性代数方程组求解
一、实验要求
编程求解方程组:
方程组1:
方程组2:
方程组3:
要求:
用C/C++语言实现如下函数:
bool lu(double* a, int* pivot, int n);
实现矩阵的LU分解。
pivot为输出参数,pivot[0,n) 中存放主元的位置排列。
函数成功时返回false,否则返回true。
bool guass(double const* lu, int const* p, double* b, int n);
求线代数方程组的解
设矩阵Lunxn为某个矩阵anxn的LU分解,在内存中按行优先次序存放。p[0,n)为LU分解的主元排列。b为方程组Ax=b的右端向量。此函数计算方程组Ax=b的解,并将结果存放在数组b[0,n)中。函数成功时返回false,否则返回true。
3. void qr(double* a, double* d, int n);矩阵的QR分解
假设数组anxn在内存中按行优先次序存放。此函数使用HouseHolder变换将其就地进行QR分解。
d为输出参数,d [0,n) 中存放QR分解的上三角对角线元素。
4. bool hshld(double const*qr, double const*d, double*b, int n); 求线代数方程组的解
设矩阵qrnxn为某个矩阵anxn的QR分解,在内存中按行优先次序存放。d [0,n) 为QR分解的上三角对角线元素。b为方程组Ax=b的右端向量。
函数计算方程组Ax=b的解,并将结果存放在数组b[0,n)中。
函数成功时返回false,否则返回true。
二、问题分析
求解线性方程组Ax=b,其实质就是把它的系数矩阵A通过各种变换成一个下三角或上三角矩阵,从而简化方程组的求解。因此,在求解线性方程组的过程中,把系数矩阵A变换成上三角或下三角矩阵显得尤为重要,然而矩阵A的变换通常有两种分解方法:LU分解法和QR分解法。
LU分解法:
将A分解为一个下三角矩阵L和一个上三角矩阵U,即:A=LU,
其中 L=, U=
QR分解法:
将A分解为一个正交矩阵Q和一个上三角矩阵R,即:A=QR
三、实验原理
解Ax=b 的问题就等价于要求解两个三角形方程组: ⑴ Ly=b,求y;? ??⑵ Ux=y,求x.
设A为非奇异矩阵,且有分解式A=LU, L为单位下三角阵,U为上三角阵。
L,U的元素可以有n步直接计算定出。用直接三角分解法解Ax=b(要求A的所有顺序主子式都不为零)的计算公式:
① , ,i=2,3,…,n.计算U的第r行,L的第r列元素(i=2,3,…,n):?②? ? , i=r,r+1,…,n;
③ , i=r+1,…,n,且r≠n.求解Ly=b,Ux=y的计算公式;
④
⑤
四、实验步骤
1将矩阵A保存进计算机中,再定义2个空矩阵L,U以便保存求出的三角矩阵的值。
利用公式①,②,③将矩阵A分解为LU,L为单位下三角阵,U为上三角阵。
2可知计算方法有三层循环。
先通过公式①计算出U矩阵的第一行元素?和L矩阵的第一列元素。
再根据公式②和③,和上次的出的值,求出矩阵其余的元素,每次都要三次循环,求下一个元素需要上一个结果。
3先由公式④ ,Ly=b
求出y,因为L为下三角矩阵,所以由第一行开始求y.
4再由公式⑤,Ux=y
求出x, 因为U为上三角矩阵,所以由最后一行开始求x.
五、程序流程图
1、LU分解法
2、QR分解法
六、实验结果
LU分解法
方程组1 :
方程组2:
方程组3:
QR分解法
方程组1:
方程组2:
方程组3:
七、实验总结
为了求解线性方程组,我们通常需要一定的解法。其中一种解法就是通过矩阵的三角分解来实现的,属于求解线性方程组的直接法。在不考虑舍入误差下,直接法可以用有限的运算得到精确解,因此主要适用于求解中小型稠密的线性方程组。
1、三角分解法
三角分解法是将A矩阵分解成一个上三角形矩阵U和一个下三角形矩阵L,这样的分解法又称为LU分解法。它的用途主要在简化一个大矩阵的行列式值的计算过程,求反矩阵和求解联立方程组。不过要注意这种分解法所得到的上下三角形矩阵并非唯一,还可找到数个不同 的一对上下三角形矩阵,此两三角形矩阵相乘也会得到原矩阵。
2、 QR分解法
QR分解法是将矩阵分解成一个正规正交矩阵Q与上三角形矩阵R,所以称为QR分解法。
在编写这两个程序过程中,起初遇到不少麻烦!虽然课上老师反复重复着:“算法不难的,Its so easy!”但是当自己实际操作时,感觉并不是那么容易。毕竟是要把实际的数学问题转化为计算机能够识别的编程算法,所以在编
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