数学篇之高斯消元

众所周知,高斯消消乐很好玩(并不),并且理解很简单,代码也很“简单”(蒟蒻到听了n遍还是不会写代码,在此写篇博客记下来)

高斯消元:

高斯消元是用来解线性方程组的,即把一个方程组的系数与方程右边的数写成一个矩阵,再解这个矩阵对应的行列式的值,就可以快速的求解

一个行列式有如下几种初等变换:

1.交换两行(列),行列式的值变号。

2.某行(列)的所有数,同时乘上k,行列式的值相当于原来的k倍(但某行(列)加上某个数的k倍值是不变的)

3.某行(列)的所有数同时加上a,行列式的值不变

so高斯消元应该怎么消呢?

(高斯消元以列为单位消)

step1:先将第一行第一列的数化为1,并且同一行的数做相同变换

step2:再将其余行的第一列化为0(通过加/减1的k倍),并且同一行的数做相同变换

step3:这时,第一行就处理完了,再将原本的第二行视作新的第一行,且新的第一列为原本的第二列(就是把原来矩阵的第一行第一列扔掉),做相同的变换,一直处理到原本的第n-1行,这样矩阵就消完了。接下来就是回带求解

当然,如果有一行全是0的时候会出现无解或有无穷多解,要特判。

因为这是解方程用的,所以输入的矩阵每一行格式如下:

 系数1   系数2....................系数n    等号右边的数(这点很重要)

总体格式如下:

|a11................a1n    b1|

|a21...............a2n     b2|

|...................................|

|an1...............ann     bn|

其中a都是系数,b为等号右边的数

高斯消元的目的是把所有的a组成的矩阵消成单位矩阵,这样最后消出来的方程就是

a11*x=b1

a22*y=b2

.....

ann*k=bn

所有的a和b都是消完后的数

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cmath>
using namespace std;
int n,mo=100000007;
double a[1001][1001];
int main()
{    bool sc=0;
    scanf("%d",&n);
    for(int i=1;i<=n;i++)//读入没什么好说的
      for(int j=1;j<=n+1;j++)
         scanf("%lf",&a[i][j]);
     int bj,flag=0;
     for(int i=1;i<=n;i++)
       {bj=i;
          while(a[bj][i]==0&&bj<=n)
          bj+=1;
          if(bj==n+1){ flag=1;continue;//如果有一列全0,那么它就没有价值了
          }
          for(int j=1;j<=n+1;j++)swap(a[i][j],a[bj][j]);//交换,使第一行第一列的数不为0
          double kk=a[i][i];//确保对角线上的数是1
          for(int j=1;j<=n+1;j++)
           {a[i][j]/=kk;//其余数跟着处理
           }
//接下来这一坨可能会比较难理解,在下面再讲一下
for(int j=1;j<=n;j++)//这一坨就是把经过处理对角线后的矩阵消成纯正的单位矩阵(就是除了对角线以外的数都清0) {if(i!=j){double k=a[j][i];//k=这行第一个数 for(int m=1;m<=n+1;m++) {a[j][m]-=k*a[i][m];//此行所有的数减去第一个数*k,使第一个数变0,当后面再处理时因为上个数已经是0了,所以没有影响 } } } if(i==n)//消完输出 {for(int j=1;j<=n;j++) {for(int m=1;m<=n+1;m++) cout<<a[j][m]<<" "; cout<<endl; sc=1; } } } if(!sc)printf("False");//sc就是输出啦,如果无输出,就代表无解 }

补锅:

上面一坨东西只保证了对角线是1,但其他数还是一撮魑魅魍魉,我们要把这些魑魅魍魉都消成0.

可能用图来表示要好一些  

这货是对角线被处理过的玩意-------------->j从1开始,到n,模拟1到n行,同时,列用k代替。

            

    k每跑完1次,j就+1,即进行下一行。但i是不变的,这样就是以i为“主体”,对i后面的每一行进行操作,使其变为一个更小的方阵。(因为每跑完一遍这一坨,第i列以前就被消成0,除了对角线,那它就消好了,后面就不用管了)这样对角线确实会变,但下一轮循环i的时候对角线会被维护,且之前消成0的数不会被改变

其思路类似下图

 第一遍                                                                          第二遍(消阴影部分)

 

                第三遍

 

其实就是把大矩阵消成小矩阵,一直到消完(白色部分是一定不会变化的数,也就是消好的对角线和0)

 补锅*2:

    很多人问flag是干嘛用的,那是用来判断是无解还是有无穷多解的东西,不过一时懒脑细胞耗尽没有写上

    如何判断是有无穷解还是无解呢?

    既然我们有了flag=1(系数有一行全是0),那么这个方程组不是无解就是无穷多解

   什么情况下会无解?

    那就是有一行系数全是0,但是方程结果不是0,就会无解。

    这样我们就可以把消完的矩阵全判一遍,如果都不是无解,就是有无穷多解了

   完整版代码如下:

   

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cmath>
using namespace std;
int n,mo=100000007;
double a[1001][1001];
long double wucha=1e-9;
bool pd(int h)
{ if(a[h][n+1]<wucha)return 1;//这里double类型的数会有一个误差,若这个数等于0,就是小于这个误差
     for(int i=1;i<=n;i++)
       {if(a[h][i]>wucha)return 1;
        }
        return 0; 
}
int main()
{    
    scanf("%d",&n);
    for(int i=1;i<=n;i++)//读入没什么好说的
      for(int j=1;j<=n+1;j++)
         scanf("%lf",&a[i][j]);
     int bj,flag=0;
     for(int i=1;i<=n;i++)
       {bj=i;
          while(a[bj][i]==0&&bj<=n)
          bj+=1;
          if(bj==n+1){ flag=1;continue;//如果有一列全0,那么它就没有价值了
          }
          for(int j=1;j<=n+1;j++)swap(a[i][j],a[bj][j]);//交换,使第一行第一列的数不为0
          double kk=a[i][i];//确保对角线上的数是1
          for(int j=1;j<=n+1;j++)
           {a[i][j]/=kk;//其余数跟着处理
           }
          for(int j=1;j<=n;j++)//这一坨就是把经过处理对角线后的矩阵消成纯正的单位矩阵(就是除了对角线以外的数都清0)
          {if(i!=j){double k=a[j][i];//k=这行第一个数
               for(int m=1;m<=n+1;m++)
               {a[j][m]-=k*a[i][m];//此行所有的数减去第一个数*k,使第一个数变0,当后面再处理时因为上个数已经是0了,所以没有影响
               }
             }
           }
          if(i==n)//消完输出
          {for(int j=1;j<=n;j++)
           {for(int m=1;m<=n+1;m++)
             cout<<a[j][m]<<" ";
             cout<<endl;
             
           }
          }
       }
      if(flag)
       {for(int i=1;i<=n;i++)
          if(!pd(i)){printf("No Solution!");return 0;
          }
          printf("Many Many Solutions!");//瞎写的不要在意那么多细节(比如语法什么的) 
       } 
}

吐血三升后肝出来的高消

高斯消消乐真好玩QwQ

诸位大佬们有觉得注释不详细的地方说出来好不好

原文地址:https://www.cnblogs.com/lcez56jsy/p/10673602.html