算法合集之《用高斯消元法解线性方程组》.ppt

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1、用高斯消元法解线性方程组,北京景山学校 何江舟,GPA排名系统（CTSC2001）,高等院校往往采用GPA来评价学生的学术表现。传统的排名方式是求每一个学生的平均成绩，以平均成绩作为依据进行排名。对于不同的课程，选课学生的平均成绩会受到课程的难易程度等因素的影响，因此这种排名方式不够合理。为此，我们需要对排名系统进行这样的改进：对第i门课的每一个学生的成绩加上一个特定的修正值di（调整后的成绩不按照百分制），使得经过调整后，该课的平均分等于选该课的所有学生的所有课的平均分。对每一门课都这样调整，使得上述条件对所有课程都满足。你的任务是根据一个年级学生某学年的成绩，通过上述调整，得出他们的排名,

2、简要分析,Ai：选修第i门课的学生的集合Bj：第j个学生选修课程的集合Gi,j：第j个学生第I门课的成绩di：第i门课的修正值对于第p门课，可列出如下关系式：,这是关于di（i=1,2,n）的线性方程，我们可以整理出n个这样的方程。,线性方程组的一般形式,先看一个例子,2-13142541207,2-1314-122.5-1.56.5,2-1314-12-0.8755.25,2 0.5,2.5,得出：x3=5.25/(-0.875)=-6x2=(2-(-1)x3)/4=-1x1=(1-(-1)x2-3x3)/2=9,消元过程,a1,1(1)a1,2(1)a1,n(1)b1(1)a2,1(1)a

3、2,2(1)a2,n(1)b2(1)an,1(1)an,2(1)an,n(1)bn(1),注：用上标(k)表示第k次消元前的状态,第1次消元，第1行的乘数：（i=2,3,n）,a1,1(1)a1,2(1)a1,n(1)b1(1)a2,2(2)a2,n(2)b2(2)an,2(2)an,n(2)bn(2),得到新的增广矩阵：,（i,j=2,3,n）,第k次消元，第k行的乘数：（i=k+1,k+2,n）,消元过程,a1,1(1)a1,2(1)a1,n(1)b1(1)a2,2(2)a2,n(2)b2(2)ak,k(k)ak,n(k)bk(k)an,k(k)an,n(k)bn(k),第k次消元前的增广

4、矩阵：,增广矩阵的变化：（i,j=k+1,k+2,n）,回代过程,a1,1(1)a1,2(1)a1,n(1)b1(1)a2,2(2)a2,n(2)b2(2)an,n(n)bn(n),最后得到的增广矩阵：,最终结果的计算：,为什么要选主元素,前面介绍的消元法都是按照自然顺序，即x1、x2、xn的顺序消元的。有：,所以每一次消元的主元素都不能为0。如果按照自然顺序消元的过程中出现的ak,k(k)=0，那么消元无法继续进行下去。或者|ak,k(k)|很小，也会严重影响计算精度。,为什么要选主元素,例如（假设运算过程中使用单精度实数）：,10-1011112,10-1011-1010-1010,解得：

5、x1=0，x2=1 这个解与第二个方程差异很大。究其原因，因为消元过程中第一个方程所乘的系数过大，使得上式“吃掉”了下式，所以在结果中根本无法体现下式。但如果调整一下顺序：,11210-1011,11211,解得：x1=1，x2=1，这个解基本符合原方程 所以每次消元的主元素的绝对值应该尽可能大，使得与主行相乘的乘数尽可能小。,选主元素,a1,1(1)a1,2(1)a1,n(1)b1(1)a2,2(2)a2,n(2)b2(2)ak,k(k)ak,n(k)bk(k)al,k(k)al,n(k)bl(k)an,k(k)an,n(k)bn(k),进行第k次消元时，将ak,k一下各元素（包括ak,k）

6、进行比较，将其中的最大者所在行与第k行交换。,无解的情况,如果在消元的过程中，增广矩阵出现这样一行：左侧各未知数的系数都为0，而右侧的常数项不为0，则意味着方程组无解。,无数组解的情况,在消元过程中，出现这样一行：各未知数的系数和常数项都为0。这相当于少了一个方程，也就是接下来的消元过程中，方程的个数少于未知数的个数，方程要么无解，要么有无数组解。下面讨论对于这样的方程，如何得到一组解。先看这样一个方程：,423921142125,423900-0.5-0.5000.50.5,如果继续消元（消第2列），必须保证a2,20，可是第2列中不存在非0的项。,无数组解的情况,423900-0.5-0.

7、5000.50.5,只能够把第3列的元素作为第2次消元的主元素，进行消元：,423900-0.5-0.50000,第2次消元得到的元素全部为0，所以第三行元素已失去意义。x2没有做过主元素，可随意取值，再进行回代，得到一组可行解。如令x2=0，x3=1，x1=1.5。对于一般的线性方程组，先进行消元，每次消元前找到系数不完全为0的列，相应的元素作为此次消元的主元素，直至第k次消元时，得到的新元素全部为0，这时把各未知数分为两种：第k+1列至第n列对应的未知数，可以将这些未知数随意取值；第1列至第k列对应的未知数，这些未知数的值在回代过程中确定。,性能分析,时间复杂度：O(n3)消元O(n3)选

8、主元素：O(n2)回代O(n2),空间复杂度：O(n2)增广矩阵O(n2)如使用全选主元素，还需一个存储列与元素对应信息的表，为O(n),精度：由于采用实数运算，另外每一次（第一次除外）消元都要使用以前消元产生的结果，每一次回代都要使用消元结果和其它回代结果，所以累积误差比较严重，该方法只能够求得近似解。但是可以根据具体需要进行相应改进。,整数线性方程组的精确解法,前面讨论了对于一般线性方程组通过实数运算得到近似解的算法。而在一些问题中，常常要求精确解，这里讨论一下系数、常数项和解均为整数的线性方程组的精确解法。前面是用这种方法消元的：,显然这里进行的是实数运算。,整数线性方程组的精确解法,由

9、于不能够保证ai,k(k)是ak,k(k)的倍数，要想消元，必须使两行分别乘以一个乘数。,方程较多时，系数有可能越来越大，到一定程度有可能导致系数越界，因此要随时对各行化简，即把这一行中所有元素除以这些元素的最大公约数。但是，无论如何，这也保证不了不会发生越界，因此这种算法一般适用于系数、未知数范围较小，未知数个数较少的方程。,齿轮,你有一套玩具，包括许多不同尺寸的齿轮（至多20种，假定每一种齿轮有无限多个），每个齿轮最多100齿。你希望用它们构造不同比例的传动装置。一个传动装置包括偶数个齿轮，这些齿轮两两一组互相咬合，每一组齿轮都与下一组用轴承相连。用c1、c2、cm表示每组第一个齿轮的齿数

10、，用d1、d2、dm表示每组第二个齿轮的齿数。,例如你有3种齿轮：6齿、12齿、30齿，你需要实现4:5的传动比例，一种可行的方案是：使用4个齿轮，分2组，第1组的两个分别为12齿、6齿，第2组的两个分别为12齿、30齿。,简要分析,把这些齿轮的齿数设为a1、a2、an，设它们作为C类齿轮的数量分别为e1、e2、en，作为D类齿轮的数量分别为f1、f2、fn。有如下关系：,这时候我们不难发现，一种齿轮同时当作C类、D类使用是一种浪费。设xi=ei-fi，xi0表示这种齿轮只作为C类，xi0表示这种齿轮只作为D类。这就转化为解xi问题。我们可以将c、d、ai这些值分解质因数。由于ai不超过100

11、，所以a1an能够分解为的质因数不超过25种。另外，如果c或d中包括这以外的质因数，显然问题无解。,简要分析,设gr,i为质数r在ai的质因数分解中的指数，cr、dr分别为质数r在c、d中的质因数分解中的指数。有如下关系：2(x1g2,1+x2g2,2+xng2,n)=2(c2-d2)3(x1g3,1+x2g3,2+xng3,n)=3(c3-d3)这完全可以表示为关于指数的等式，即：g2,1x1+g2,2x2+g2,nxn=c2-d2 g3,1x1+g3,2x2+g3,nxn=c3-d3 g97,1x1+g97,2x2+g97,nxn=c97-d97 当然还有一个约束条件：x1+x2+xn=0 这就完全转化为了解线性方程组的问题，而且这需要精确地解出这个整数线性方程组，并且还要面临不定方程的问题，如果能够得出整数解，则问题有解。,小结,高斯消元法是一种比较简单、适用范围较广的有效算法，但在实际应用中，我们往往需要具体问题具体分析，对这样的标准算法进行改进，才能满足我们的需要。,谢谢,请多提宝贵意见,