计算方法实验2:列主元消元法和Gauss-Seidel迭代法解线性方程组

news2024/9/29 15:23:11

Task

在这里插入图片描述
即已知 y 0 = 0 , y 100 = 1 y_0=0,y_{100}=1 y0=0,y100=1,解线性方程组 A y = b \mathbf{A}\mathbf{y} = \mathbf{b} Ay=b,其中

A 99 × 99 = [ − ( 2 ϵ + h ) ϵ + h 0 ⋯ 0 ϵ − ( 2 ϵ + h ) ϵ + h ⋯ 0 0 ϵ − ( 2 ϵ + h ) ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋱ ⋮ 0 0 ⋯ ϵ − ( 2 ϵ + h ) ] \mathbf{A_{99\times99}}= \begin{bmatrix} -(2\epsilon + h) & \epsilon + h & 0 & \cdots & 0 \\ \epsilon & -(2\epsilon + h) & \epsilon + h & \cdots & 0 \\ 0 & \epsilon & -(2\epsilon + h) & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots& \epsilon& -(2\epsilon + h) \\ \end{bmatrix} A99×99= (2ϵ+h)ϵ00ϵ+h(2ϵ+h)ϵ00ϵ+h(2ϵ+h)ϵ000(2ϵ+h)

y = [ y 1 y 2 y 3 ⋮ y 99 ] b = [ a h 2 a h 2 ⋮ a h 2 a h 2 − ϵ − h ] \begin{align*} \mathbf{y} = \begin{bmatrix} y_1 \\ y_2 \\ y_3 \\ \vdots \\ y_{99} \\ \end{bmatrix} \quad & \quad \mathbf{b}= \begin{bmatrix} ah^2 \\ ah^2 \\ \vdots \\ ah^2 \\ ah^2-\epsilon-h \end{bmatrix} \end{align*} y= y1y2y3y99 b= ah2ah2ah2ah2ϵh
在这里插入图片描述

Algorithm1:列主元消元法

Code

#include<iostream>
#include<cmath>
#include <iomanip>
using namespace std;

long double a = 1.0 / 2, n = 100, h = 1.0 / n;//注意a=1/2会把a赋为0而不是0.5
long double x[99], A[99][99], b[99];

// 交换两个数组的元素
void swap(long double* x, long double* y)
{
    for(int i = 0; i <= n - 1; i++)
    {
        long double temp = x[i];
        x[i] = y[i];
        y[i] = temp;
    }
    return ;
}

long double* Column_Elimination(long double (*A)[99])
{
    long double* x = new long double[99]();
    long double (*matrix)[100] = new long double[99][100];//增广矩阵
    fill_n(&matrix[0][0], 99*100, 0);
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        for(int j = 0; j < n - 1; j++)
            matrix[i][j] = A[i][j];
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        matrix[i][99] = b[i];
    for(int col = 0; col < n - 1; col++)//找到列主元
    {
        long double maxnum = abs(matrix[col][col]);
        int maxrow = col;
        for(int row = col + 1; row < n - 1; row++)
        {
            if(abs(matrix[row][col]) > maxnum)
            {
                maxnum = abs(matrix[row][col]);
                maxrow = row;
            }
        }
        swap(matrix[col], matrix[maxrow]);
        for(int row = col + 1; row < n - 1; row++)
        {
            long double res = matrix[row][col] / matrix[col][col];
            for(int loc = col; loc <= n - 1; loc++)
                matrix[row][loc] -= matrix[col][loc] * res; 
        }
    }
    for(int row = n - 2; row >= 0; row--)//回代
    {
        for(int col = row + 1; col < n - 1; col++)
        {
            matrix[row][99] -= matrix[col][99] * matrix[row][col] / matrix[col][col];
            matrix[row][col] = 0;
        }
        matrix[row][99] /= matrix[row][row];
        matrix[row][row] = 1;
    }
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        x[i] = matrix[i][99];
    return x;
}

long double* PreciseSol(long double* x , long double epsilon)
{
    long double* y = new long double[99];
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        y[i] = (1 - a) * (1 - exp(-x[i] / epsilon)) / (1 - exp(-1 / epsilon)) + a * x[i];
    return y;
}

void Calculate(long double epsilon)
{
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        b[i] = a * h * h;
    b[98] -= epsilon + h;
    long double* Presol = PreciseSol(x , epsilon);
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
    {
        A[i][i + 1] = epsilon + h;
        A[i + 1][i] = epsilon;
    }
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        A[i][i] = -(2 * epsilon + h);
    long double* Column = Column_Elimination(A);
    long double errorColumn = 0;
    for(int i = 0; i < n - 1; i++){
        errorColumn += abs(Column[i] - Presol[i]) / 99;
        //cout << Column[i] << " " << Seidel[i] << " " << Presol[i] << endl;
    }
    cout << "epsilon=" << epsilon << "时,列主元消元法的相对误差为"  << errorColumn << endl;
    delete[] Presol;
}

int main()
{
    for(int i = 0; i < n; i++)
        x[i] = (i + 1) * h;
    Calculate(1);
    Calculate(0.1);
    Calculate(0.01);
    Calculate(0.0001);
}

Algorithm2:Gauss-Seidel迭代法

X ( k + 1 ) = − ( D + L ) − 1 U X ( k ) + ( D + L ) − 1 b \mathbf{X^{(k+1)}}=-(\mathbf{D}+\mathbf{L})^{-1}\mathbf{U}\mathbf{X^{(k)}}+(\mathbf{D}+\mathbf{L})^{-1}\mathbf{b} X(k+1)=(D+L)1UX(k)+(D+L)1b

S = − ( D + L ) − 1 U = [ 0 ϵ + h 2 ϵ + h 0 ⋯ 0 0 ϵ ( ϵ + h ) ( 2 ϵ + h ) 2 ϵ + h 2 ϵ + h ⋯ 0 0 ϵ 2 ( ϵ + h ) ( 2 ϵ + h ) 3 ϵ ( ϵ + h ) ( 2 ϵ + h ) 2 ⋱ 0 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 ϵ n − 1 ( ϵ + h ) ( 2 ϵ + h ) n 0 ⋯ ϵ ( ϵ + h ) ( 2 ϵ + h ) 2 ] \begin{align*} \mathbf{S} &= -(\mathbf{D}+\mathbf{L})^{-1}\mathbf{U} \\ &= \begin{bmatrix} 0 & \frac{\epsilon + h}{2\epsilon + h} & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \frac{\epsilon(\epsilon + h)}{(2\epsilon + h)^2} & \frac{\epsilon + h}{2\epsilon + h}& \cdots & 0 \\ 0 & \frac{\epsilon^2(\epsilon + h)}{(2\epsilon + h)^3} & \frac{\epsilon(\epsilon + h)}{(2\epsilon + h)^2} & \ddots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & \frac{\epsilon^{n-1}(\epsilon + h)}{(2\epsilon + h)^n} & 0 & \cdots & \frac{\epsilon(\epsilon + h)}{(2\epsilon + h)^2} \\ \end{bmatrix} \end{align*} S=(D+L)1U= 00002ϵ+hϵ+h(2ϵ+h)2ϵ(ϵ+h)(2ϵ+h)3ϵ2(ϵ+h)(2ϵ+h)nϵn1(ϵ+h)02ϵ+hϵ+h(2ϵ+h)2ϵ(ϵ+h)0000(2ϵ+h)2ϵ(ϵ+h)
I n v = ( D + L ) − 1 = [ − 1 2 ϵ + h 0 0 ⋯ 0 − ϵ ( 2 ϵ + h ) 2 − 1 2 ϵ + h 0 ⋯ 0 − ϵ 2 ( 2 ϵ + h ) 3 − ϵ ( 2 ϵ + h ) 2 − 1 2 ϵ + h ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ − ϵ n − 1 ( 2 ϵ + h ) n − ϵ n − 2 ( 2 ϵ + h ) n − 1 ⋯ − ϵ ( 2 ϵ + h ) 2 − 1 2 ϵ + h ] \begin{align*} \mathbf{Inv} &= (\mathbf{D}+\mathbf{L})^{-1} \\ &= \begin{bmatrix} -\frac{1}{2\epsilon + h} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ -\frac{\epsilon}{(2\epsilon + h)^2} & -\frac{1}{2\epsilon + h} & 0 & \cdots & 0 \\ -\frac{\epsilon^2}{(2\epsilon + h)^3} & -\frac{\epsilon}{(2\epsilon + h)^2} & -\frac{1}{2\epsilon + h} & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -\frac{\epsilon^{n-1}}{(2\epsilon + h)^n} & -\frac{\epsilon^{n-2}}{(2\epsilon + h)^{n-1}} & \cdots & -\frac{\epsilon}{(2\epsilon + h)^2} & -\frac{1}{2\epsilon + h} \\ \end{bmatrix} \end{align*} Inv=(D+L)1= 2ϵ+h1(2ϵ+h)2ϵ(2ϵ+h)3ϵ2(2ϵ+h)nϵn102ϵ+h1(2ϵ+h)2ϵ(2ϵ+h)n1ϵn2002ϵ+h1(2ϵ+h)2ϵ0002ϵ+h1
∥ X ( k + 1 ) − X ( k ) ∥ ∞ ≤ 1 0 − 6 \|\mathbf{X^{(k+1)}}-\mathbf{X^{(k)}}\|_{\infty}\leq10^{-6} X(k+1)X(k)106时结束迭代。

Code

#include<iostream>
#include<cmath>
#include <iomanip>
using namespace std;

long double a = 1.0 / 2, n = 100, h = 1.0 / n;
long double x[99], A[99][99], b[99];

// 矩阵和向量的乘法,用于求Gauss-Seidel迭代的f向量
long double* Multiplie(long double (*Inv)[99], long double* x)
{
    long double* res = new long double[99]();
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        for(int j = 0; j < n - 1; j++)
            res[i] += Inv[i][j] * x[j];
    return res;
}

// 计算两个向量的差向量的无穷范数
long double Norm(long double* x1, long double* x2)
{
    long double norm = 0;
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        if(abs(x1[i] - x2[i]) > norm)
            norm = abs(x1[i] - x2[i]);
    return norm;
}

// Gauss-Seidel迭代法求解线性方程组
long double* Gauss_Seidel(long double (*S)[99], long double (*Inv)[99])
{
    long double* x1 = new long double[99]();
    long double tempx[99];
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        tempx[i] = x[i];
    long double *temp1 = Multiplie(S, tempx);
    long double *temp2 = Multiplie(Inv, b);
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)    
        x1[i] = temp1[i] + temp2[i];
    while(Norm(tempx, x1) > 1e-6)
    {
        for(int i = 0; i < n - 1; i++) 
            tempx[i] = x1[i];
        long double *temp1 = Multiplie(S, tempx);
        long double *temp2 = Multiplie(Inv, b);
        for(int i = 0; i < n - 1; i++)    
            x1[i] = temp1[i] + temp2[i];
    }
    return x1;
}

// 计算精确解
long double* PreciseSol(long double* x , long double epsilon)
{
    long double* y = new long double[99];
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        y[i] = (1 - a) * (1 - exp(-x[i] / epsilon)) / (1 - exp(-1 / epsilon)) + a * x[i];
    return y;
}

// 计算误差并输出
void Calculate(long double epsilon)
{
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        b[i] = a * h * h;
    b[98] -= epsilon + h;
    long double* Presol = PreciseSol(x , epsilon);
    long double S[99][99], Inv[99][99];
    fill(&S[0][0], &S[0][0] + sizeof(S) / sizeof(S[0][0]), 0);
    fill(&Inv[0][0], &Inv[0][0] + sizeof(Inv) / sizeof(Inv[0][0]), 0);
    long double init1 = (epsilon + h) / (2 * epsilon + h);
    long double temp = epsilon / (2 * epsilon + h);
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)//初始化S=-(D+L)^(-1)U
    {
        for(int j = i , k = 1; j < n -1 && k < n - 1; j++, k++)
        {
            S[j][k] = init1;
        }
        init1 *= temp; 
    }
    long double init2 = -1 / (2 * epsilon + h);
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)//初始化(D+L)^(-1)
    {
        for(int j = i, k = 0; j < n - 1 && k < n - 1; j++ , k++)
        {
            Inv[j][k] = init2;
        }
        init2 *= temp; 
    }
    long double* Seidel = Gauss_Seidel(S, Inv);
    long double errorSeidel = 0;
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        errorSeidel += abs(Seidel[i] - Presol[i]) / 99;
    cout << "epsilon=" << epsilon << "时,Gauss_Seidel迭代法的相对误差为"  << errorSeidel << endl;
    delete[] Presol;
}

int main()
{
    for(int i = 0; i < n - 1; i++)
        x[i] = (i + 1) * h;
    Calculate(1);
    Calculate(0.1);
    Calculate(0.01);
    Calculate(0.0001);
}

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/1541116.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

数学建模综合评价模型与决策方法

评价方法主要分为两类&#xff0c;其主要区别在确定权重的方法上 一类是主观赋权法&#xff0c;多次采取综合资讯评分确定权重&#xff0c;如综合指数法&#xff0c;模糊综合评判法&#xff0c;层次评判法&#xff0c;功效系数法等 另一类是客观赋权法&#xff0c;根据各指标…

(C语言)浮点数在内存中的存储详解

1. 浮点数 常见的浮点数&#xff1a;3.14159、 1E10等 &#xff0c;浮点数家族包括&#xff1a; float、double、long double 类型。 浮点数表示的范围&#xff1a; float.h 中定义. 2. 浮点数的存储 我们先来看一串代码&#xff1a; int main() {int n 9;float* pFloa…

高中信息技术教资刷题笔记_大题篇

1.选择排序 2. SMTP属于TCP/IP协议体系结构中的哪一层&#xff1f;请列出其通信的三个阶段。 3.高中信息技术课程的基本理念/意义 4.视频作品制作和发布的主要环节 5.信息社会责任内涵及学生表现 6.教学活动意图 ①突出学生的主体地位。材料中&#xff0c;王老师设计的“扮演谍…

关系型数据库mysql(4)事务

目录 一.事务的概念 1.事务的定义 2.事务的特点 2.1原子性 2.2一致性 2.4持久性 3.事务之间的相互影响 3.1脏读 3.2不可重复读 3.3幻读 3.4丢失更新 4. 事务的隔离级别&#xff08;如何解决事务的干扰&#xff09; 4.1查询全局事务隔离级别 4.2查询全局事务 …

【零基础C语言】联合体(共用体)和枚举

目录 自定义类型&#xff1a;联合体(共用体)和枚举 1.自定义类型&#xff1a;联合体(共用体) 1.1 联合体的声明 1.2 联合体的特点 ​编辑1.3 联合体的大小计算 1.4使⽤联合体是可以节省空间的 1.5使用联合体写一个程序判断机器是大端还是小端存储 2.自定义类型&#xff1a;…

详解|temu选品师是什么?算蓝海项目吗?

在快速发展的跨境电商行业中&#xff0c;temu选品师这一岗位逐渐受到人们的关注。temu作为拼多多旗下的跨境电商平台&#xff0c;致力于为中国商家提供一个通向全球市场的桥梁。而temu选品师&#xff0c;则是这个桥梁上不可或缺的角色。 temu选品师主要负责在海量商品中挑选出具…

探索Zalo:从社交APP到Mini App开发指南

1.Zalo是什么&#xff1f; Zalo是一款源自越南的即时通讯和社交软件&#xff08;相当于国内的微信&#xff09;&#xff0c;由越南VNG公司开发。它集成了多种功能&#xff0c;包括但不限于免费的文字、语音、视频消息发送&#xff0c;高质量的语音和视频通话&#xff0c;群聊功…

电子电器架构 —— 诊断数据DTC具体故障篇

电子电器架构 —— 诊断数据DTC起始篇 我是穿拖鞋的汉子,魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师 (Wechat:gongkenan2013)。 老规矩,分享一段喜欢的文字,避免自己成为高知识低文化的工程师: 本就是小人物,输了就是输了,不要在意别人怎么看自己。江湖一碗茶,喝完再挣扎…

批量重命名文件名,批量管理文件,复制后轻松删除原文件

在现代工作中&#xff0c;我们经常需要处理大量的文件&#xff0c;无论是工作文档、图片还是视频资料。对于很多人来说&#xff0c;文件管理是一项繁琐且耗时的任务。不过&#xff0c;现在有一种高效的文件管理方法&#xff0c;可以帮助你轻松复制文件后删除原文件夹&#xff0…

Redis入门到实战-第四弹

Redis实战热身Strings 篇 完整命令参考官网 官网地址 声明: 由于操作系统, 版本更新等原因, 文章所列内容不一定100%复现, 还要以官方信息为准 https://redis.io/Redis概述 Redis是一个开源的&#xff08;采用BSD许可证&#xff09;&#xff0c;用作数据库、缓存、消息代理…

鸿蒙开发学习【地图位置服务组件】

简介 移动终端设备已经深入人们日常生活的方方面面&#xff0c;如查看所在城市的天气、新闻轶事、出行打车、旅行导航、运动记录。这些习以为常的活动&#xff0c;都离不开定位用户终端设备的位置。 当用户处于这些丰富的使用场景中时&#xff0c;系统的位置定位能力可以提供…

解析服务器出现大量 TIME_WAIT 和 CLOSE_WAIT 状态的原因及排查方法

服务器出现大量 TIME_WAIT 状态的原因有哪些&#xff1f; 首先要知道 TIME_WAIT 状态是主动关闭连接方才会出现的状态&#xff08;别陷入一个误区不是只有客户端才能主动关闭连接的&#xff09;&#xff0c;所以如果服务器出现大量的 TIME_WAIT 状态的 TCP 连接&#xff0c;就是…

分布式组件 Nacos

1.在之前的文章写过的就不用重复写。 写一些没有写过的新东西 2.细节 2.1命名空间 &#xff1a; 配置隔离 默认&#xff1a; public &#xff08;默认命名空间&#xff09;:默认新增所有的配置都在public空间下 2.1.1 开发 、测试 、生产&#xff1a;有不同的配置文件 比如…

关于mysql无法添加中文数据的问题以及解决方案

往数据库表插入语句时&#xff0c;插入中文字段&#xff0c;中文直接变成&#xff1f;的问题&#xff0c; 出现这样的问题就是在创建数据库时 数据库字符集 没有选择uft8, 数据库校对规则没有选择utf8-bin 用 SHOW CREATE DATABASE 数据名; 可以查看你的这个数据库的定义…

设计模式之状态模式(一)

设计模式专栏&#xff1a; http://t.csdnimg.cn/4Mt4u 目录 1.概述 2.结构 3.实现 4.总结 1.概述 状态模式( State Pattern)也称为状态机模式( State Machine pattern), 是允许对象在内部状态发生改变时改变它的行为,对象看起来好像修改了它的类, 属于行为型模式。 在状…

<商务世界>《第16课 餐桌礼仪之座次》

1 简要 我国自古以来就很重视座位礼仪&#xff0c;非讲究&#xff0c;分君臣、分宾主、分方位等等而今座位礼仪已经简化为&#xff1a; 以“中”为尊&#xff1a; 中心为尊&#xff0c;突出主位。 以“右”为尊&#xff1a; 从历史上到国际上都是以右为尊。 以“内”为尊&…

算法导论第十四章练习参考答案(26) - 14.1-14.3

Exercise 14.1-1 呼叫顺序为: OS−SELECT(T.root,10) OS−SELECT(T.root.left&#xff0c;10) OS−SELECT(T.root.left.right&#xff0c;2) OS−SELECT(T.root.left.right.left&#xff0c;2) OS−SELECT(T.root.left.right.left.right&#xff0c;1) 然后&#xff0c;我们得到…

UKP3d的协同设计相关问题

用户在用UKP3d多人协同设计&#xff0c;反映以前保存的内容为什么没有呢&#xff1f; 经查&#xff0c;协同设计的某一用户并没有打开协同去用。如A,B两人协同设计&#xff0c;B并不是用“打开—协同项目”&#xff0c;而是用“打开—项目”&#xff0c;当B保存项目的时候&…

RelativeContainer踩坑--子控件消失

使用android的RelativeLayout时&#xff0c;靠左靠上的子控件&#xff0c;我通常不会去声明它和父布局的约束关系。 结果这个方法用到鸿蒙RelativeContainer上出了问题&#xff0c;当我写第一个子控件时&#xff0c;没有声明与父布局的约束关系&#xff0c;显示是OK的 Relati…

NX二次开发-调内部函数创建进度条MT_create_progress_bar

一、概述 最近学习NX二次开发&#xff0c;看到NX打开装配模型或者加载模型时会显示进度条的问题&#xff0c;个人觉得很有意思&#xff0c;然后参考阿飞2018中的文章进行学习。 二、代码解析 //User Defined Header File#include <uf.h>#include <uf_ui.h>#includ…