Lu分解法的C語言實現
將係數矩陣A轉變成等價兩個矩陣L和U的乘積
,其中L和U分別是單位下三角矩陣和上三角矩陣。當A的所有順序主子式都不為0時,矩陣A可以分解為A=LU(所有順序主子式不為0,矩陣不一定不可以進行LU分解)。其中L是下三角矩陣,U是上三角矩陣。LU分解在本質上是高斯消元法的一種表達形式。實質上是將A通過初等行變換變成一個上三角矩陣,其變換矩陣就是一個單位下三角矩陣。這正是所謂的杜爾裡特演算法(Doolittle algorithm):從下至上地對矩陣A做初等行變換,將對角線左下方的元素變成零,然後再證明這些行變換的效果等同於左乘一系列單位下三角矩陣,這一系列單位下三角矩陣的乘積的逆就是L矩陣,它也是一個單位下三角矩陣。
–
構造矩陣A,b
{1,2,3,4, }
A=[ {1,4,2,-8,}
{1,-1,4,1} ]
{1,3,5,2}
b = [14,-17,2,8]^T
程式碼實現:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//LU分解法實現解線性方程組
//copyright @ Mryang
double sumU(double L[4][4] ,double U[4][4], int i, int j ){
double sU = 0.0;
for (int k = 1; k <= i-1 ; k++)
{
sU += L[i-1][k-1] * U[k-1][j-1];
}
return sU;
}//計算求和1
double sumL(double L[4][4] ,double U[4][4], int i, int j ){
double sL = 0.0;
for (int k = 0; k <= j-1; k++)
{
sL += L[i-1][k-1] * U[k-1][j-1 ];
}
return sL;
}//計算求和2
double sumY(double L[4][4] ,double y[4],int i){
double sY=0.0;
for (int k = 1; k <= i - 1; k++)
{
sY += L[i-1][k-1] * y[k-1];
}
return sY;
}//計算求和3
double sumX(double U[4][4] ,double x[4],int i ,int m){
double sX = 0.0;
for (int k = i+1; k <= m; k++)
{
sX += U[i-1][k-1] * x[k-1];
}
return sX;
}//計算求和4
int main(){
double a[4][4] = { {1,2,3,1,},
{1,4,1,-1,},
{1,-1,-2,3,},
{1,3,-1,2}};//將係數存入二維陣列
double L[4][4] = {0};
double U[4][4] = {0};//初始化部分
double b[4] = {8,8,12,19};
int n = 4;//n階
//輸出[Ab]
printf("[A]:\n");
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
for (int j = 1; j <= n; j++)
{
printf("%f\t", a[i-1][j-1]);
}
printf("\n");
}
//計算L,U
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
L[i-1][i-1] = 1;//對角線元素為1
for (int j = i; j <= n; j++)
{
//由於陣列下標從0開始 所以i-1,j-1
U[i-1][j-1] = a[i-1][j-1] - sumU(L,U,i,j);
if(j+1 <= n) L[j][i-1] = (a[j][i-1] - sumL(L,U,j+1,i))/U[i-1][i-1];//i變j+1,j變i
}
}
//輸出U
printf("U:\n");
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
for (int j = 1; j <= n; j++)
{
printf("%f\t",U[i-1][j-1]);
}
printf("\n");
}
//輸出L
printf("L:\n");
for (int i = 1; i <= n; i++)
{
for (int j = 1; j <= n; j++)
{
printf("%f\t",L[i-1][j-1]);
}
printf("\n");
}
//由Ly=b 求y
double y[4] = {0.0};
y[0] = b[0];//y(1) = b(1);
for (int i = 2; i <= n; i++)
{
y[i-1] = b[i-1] - sumY(L,y,i);
}
//由 Ux=y 求x
double x[4] = {0.0};
for (int i = n; i >= 1; i--)
{
x[i-1] =( y[i-1] - sumX(U,x,i,n))/ U[i-1][i-1];
}
//輸出y
printf("y:\n");
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%f\n",y[i]);
}
printf("\n");
//輸出x
printf("x:\n");
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%f\n",x[i]);
}
printf("\n");
system("pause");
return 0;
}
執行結果:
所以
x1=1
x2= 2
x3=-1
x4 = 3
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