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【高斯消元板子】

#include<stdio.h>///poj 2947當作板子可能更好一下
#include<algorithm>
#include<iostream>
#include<string.h>
#include<math.h>
using namespace std;
const int MAXN=50;
int a[MAXN][MAXN];//增廣矩陣
int x[MAXN];//解集
bool free_x[MAXN];//標記是否是不確定的變元
inline int gcd(int a,int b)
{
    int t;
    while(b!=0)
    {
        t=b;
        b=a%b;
        a=t;
    }
    return a;
}
inline int lcm(int a,int b)
{
    return a/gcd(a,b)*b;//先除後乘防溢位
}

// 高斯消元法解方程組(Gauss-Jordan elimination).(-2表示有浮點數解,但無整數解,
//-1表示無解,0表示唯一解,大於0表示無窮解,並返回自由變元的個數)
//有equ個方程,var個變元。增廣矩陣行數為equ,分別為0到equ-1,列數為var+1,分別為0到var.
int Gauss(int equ,int var)
{
    int i,j,k;
    int max_r;// 當前這列絕對值最大的行.
    int col;//當前處理的列
    int ta,tb;
    int LCM;
    int temp;
    int free_x_num;
    int free_index;

    for(int i=0;i<=var;i++)
    {
        x[i]=0;
        free_x[i]=true;
    }

    //轉換為階梯陣.
    col=0; // 當前處理的列
    for(k = 0;k < equ && col < var;k++,col++)
    {// 列舉當前處理的行.
// 找到該col列元素絕對值最大的那行與第k行交換.(為了在除法時減小誤差)
        max_r=k;
        for(i=k+1;i<equ;i++)
        {
            if(abs(a[i][col])>abs(a[max_r][col])) max_r=i;
        }
        if(max_r!=k)///當作為最簡階梯型(前面的都是0)來進行變換的,下面的思想也是
        {// 與第k行交換. 交換的是原先第k行第k列到第k行最後一列的數值
            for(j=k;j<var+1;j++) swap(a[k][j],a[max_r][j]);
        }
        if(a[k][col]==0)
        {// 交換完還是0,說明該col列第k行以下全是0了,則處理當前行的下一列.
            k--;
            //free_x[free_num++]=col;//這個是自由元
            continue;
        }
        for(i=k+1;i<equ;i++)
        {// 列舉要刪去的行.
            if(a[i][col]!=0)
            {
                LCM = lcm(abs(a[i][col]),abs(a[k][col]));
                ta = LCM/abs(a[i][col]);
                tb = LCM/abs(a[k][col]);
                if(a[i][col]*a[k][col]<0)tb=-tb;//異號的情況是相加
                for(j=col;j<var+1;j++)
                {
                    a[i][j] = a[i][j]*ta-a[k][j]*tb;
                }
            }
        }
    }
    // 1. 無解的情況: 化簡的增廣陣中存在(0, 0, ..., a)這樣的行(a != 0).
    for (i = k; i < equ; i++)
    { // 對於無窮解來說,如果要判斷哪些是自由變元,那麼初等行變換中的交換就會影響,則要記錄交換.
        if (a[i][col] != 0) return -1;///此時col在於常量部分
    }
    // 2. 無窮解的情況: 在var * (var + 1)的增廣陣中出現(0, 0, ..., 0)這樣的行,即說明沒有形成嚴格的上三角陣.
    // 且出現的行數即為自由變元的個數.
    if (k < var)
    {
        // 這個時候已經是有無窮多個解了(k<var),首先,自由變元有var - k個,即不確定的變元至少有var - k個.
        for (i = k - 1; i >= 0; i--)
        {
            // 第i行一定不會是(0, 0, ..., 0)的情況,因為這樣的行是在第k行到第equ行.
            // 同樣,  第i行一定不會是(0, 0, ..., a), a != 0的情況,這樣的無解的.
            free_x_num = 0; // 用於判斷該行中的不確定的變元的個數,如果超過1個,則無法求解,它們仍然為不確定的變元.
            for (j = 0; j < var; j++)
            {
                if (a[i][j] != 0 && free_x[j]) free_x_num++, free_index = j;
            }
            if (free_x_num > 1) continue; // 無法求解出確定的變元.
            // 說明就只有一個不確定的變元free_index,那麼可以求解出該變元,且該變元是確定的.
            temp = a[i][var];
            for (j = 0; j < var; j++)
            {
                if (a[i][j] != 0 && j != free_index) temp -= a[i][j] * x[j];
            }
            x[free_index] = temp / a[i][free_index]; // 求出該變元.
            free_x[free_index] = false; // 該變元是確定的.
        }
        return var - k; // 自由變元有var - k個.
    }
    // 3. 唯一解的情況: 在var * (var + 1)的增廣陣中形成嚴格的上三角陣.
    // 計算出Xn-1, Xn-2 ... X0.
    for (i = var - 1; i >= 0; i--)
    {
        temp = a[i][var];
        for (j = i + 1; j < var; j++)
        {
            if (a[i][j] != 0) temp -= a[i][j] * x[j];
        }
        ///poj2065 bin神的這個模板感覺在判斷有浮點數解,無整數解的時候有bug啊
        if (temp % a[i][i] != 0) return -2; // 說明有浮點數解,但無整數解.
       /// int d=inv_exgcd(a[i][i],7); if(d==-1)return -2; ///當逆元=-1是也是無整數解(求逆元又必須是互質的情況下)
        ///感覺同時寫上這兩個比較好
        x[i] = temp / a[i][i];
    }
    return 0;
}
int main(void)
{
    freopen("in.txt", "r", stdin);
    freopen("out.txt","w",stdout);
    int i, j;
    int equ,var;
    while (scanf("%d %d", &equ, &var) != EOF)
    {
        memset(a, 0, sizeof(a));
        for (i = 0; i < equ; i++)
        {
            for (j = 0; j < var + 1; j++)
            {
                scanf("%d", &a[i][j]);
            }
        }
//        Debug();
        int free_num = Gauss(equ,var);
        if (free_num == -1) printf("無解!\n");
        else if (free_num == -2) printf("有浮點數解,無整數解!\n");
        else if (free_num > 0)
        {
            printf("無窮多解! 自由變元個數為%d\n", free_num);
            for (i = 0; i < var; i++)
            {
                if (free_x[i]) printf("x%d 是不確定的\n", i + 1);
                else printf("x%d: %d\n", i + 1, x[i]);
            }
        }
        else
        {
            for (i = 0; i < var; i++)
            {
                printf("x%d: %d\n", i + 1, x[i]);
            }
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}