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【
Java
】
实现SOR算法解线性方程组
作者:
郑岸以
/ 发布于
2014/10/8
/
651
package linear_equation; import java.util.Scanner; /*使用SOR迭代法解线性方程组*/ public class SOR_iterate { /* 浮点数乘以二维矩阵 */ private static float[][] multiply3(float w, float[][] data) { int m = data.length; int n = data[0].length; float temp[][] = new float[m][n]; for (int i = 0; i < m; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { temp[i][j] = w * data[i][j]; } } return temp; } /* 矩阵相减 */ private static float[][] subtract_matrix(float data1[][], float data2[][]) { int m = data1.length; int n = data1[0].length; float temp[][] = new float[m][n]; for (int i = 0; i < m; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { temp[i][j] = data1[i][j] - data2[i][j]; } } return temp; } /* 求下三角矩阵,其中输入参数k代表求第k条对角线以下的元素 */ private static float[][] find_lower(float data[][], int k) { int length = data.length; float data2[][] = new float[length][length]; if (k >= 0) { for (int i = 0; i <= length - k - 1; i++) { for (int j = 0; j <= i + k; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } } for (int i = length - k; i < length; i++) { for (int j = 0; j < length; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } } } else { for (int i = -k; i < length; i++) { for (int j = 0; j <= i + k; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } } } return data2; } /* 输入参数为原矩阵和一个整数,该整数代表从对角线往上或往下平移的元素个数 */ private static float[][] find_upper(float[][] data, int k) { int length = data.length; int M = length - k; float[][] data2 = new float[length][length]; if (k >= 0) { for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = k; j < length; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } k += 1; } } else { for (int i = 0; i < -k; i++) { for (int j = 0; j < length; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } } for (int i = -k; i < length; i++) { for (int j = i + k; j < length; j++) { data2[i][j] = data[i][j]; } } } return data2; } /* 求矩阵的对角矩阵 */ private static float[][] find_diagnal(float A[][]) { int m = A.length; int n = A[0].length; float B[][] = new float[m][n]; for (int i = 0; i < m; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { if (i == j) { B[i][j] = A[i][j]; } } } return B; } /* 原矩阵去掉第i+1行第j+1列后的剩余矩阵 */ private static float[][] get_complement(float[][] data, int i, int j) { /* x和y为矩阵data的行数和列数 */ int x = data.length; int y = data[0].length; /* data2为所求剩余矩阵 */ float data2[][] = new float[x - 1][y - 1]; for (int k = 0; k < x - 1; k++) { if (k < i) { for (int kk = 0; kk < y - 1; kk++) { if (kk < j) { data2[k][kk] = data[k][kk]; } else { data2[k][kk] = data[k][kk + 1]; } } } else { for (int kk = 0; kk < y - 1; kk++) { if (kk < j) { data2[k][kk] = data[k + 1][kk]; } else { data2[k][kk] = data[k + 1][kk + 1]; } } } } return data2; } /* 计算矩阵行列式 */ private static float cal_det(float[][] data) { float ans = 0; /* 若为2*2的矩阵可直接求值并返回 */ if (data[0].length == 2) { ans = data[0][0] * data[1][1] - data[0][1] * data[1][0]; } else { for (int i = 0; i < data[0].length; i++) { /* 若矩阵不为2*2那么需求出矩阵第一行代数余子式的和 */ float[][] data_temp = get_complement(data, 0, i); if (i % 2 == 0) { /* 递归 */ ans = ans + data[0][i] * cal_det(data_temp); } else { ans = ans - data[0][i] * cal_det(data_temp); } } } return ans; } /* 计算矩阵的伴随矩阵 */ private static float[][] ajoint(float[][] data) { int M = data.length; int N = data[0].length; float data2[][] = new float[M][N]; for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { if ((i + j) % 2 == 0) { data2[i][j] = cal_det(get_complement(data, i, j)); } else { data2[i][j] = -cal_det(get_complement(data, i, j)); } } } return trans(data2); } /* 转置矩阵 */ private static float[][] trans(float[][] data) { int i = data.length; int j = data[0].length; float[][] data2 = new float[j][i]; for (int k2 = 0; k2 < j; k2++) { for (int k1 = 0; k1 < i; k1++) { data2[k2][k1] = data[k1][k2]; } } /* 将矩阵转置便可得到伴随矩阵 */ return data2; } /* 求矩阵的逆,输入参数为原矩阵 */ private static float[][] inv(float[][] data) { int M = data.length; int N = data[0].length; float data2[][] = new float[M][N]; float det_val = cal_det(data); data2 = ajoint(data); for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { data2[i][j] = data2[i][j] / det_val; } } return data2; } /* 矩阵相乘 */ private static float[][] multiply(float[][] data1, float[][] data2) { int M = data1.length; int N = data1[0].length; int K = data2[0].length; float[][] data3 = new float[M][K]; for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < K; j++) { for (int k = 0; k < N; k++) { data3[i][j] += data1[i][k] * data2[k][j]; } } } return data3; } /* 二维矩阵与一维向量相乘 */ private static float[] multiply2(float[][] data1, float[] data2) { int M = data1.length; int N = data1[0].length; float[] data3 = new float[M]; for (int k = 0; k < M; k++) { for (int j = 0; j < N; j++) { data3[k] += data1[k][j] * data2[j]; } } return data3; } /* 矩阵加法 */ private static float[][] matrix_add(float[][] data1, float[][] data2) { int M = data1.length; int N = data1[0].length; float data[][] = new float[M][N]; for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { data[i][j] = data1[i][j] + data2[i][j]; } } return data; } /*向量加法*/ private static float[] matrix_add2(float[] data1,float[] data2){ int M=data1.length; float data[]=new float[M]; for(int i=0;i<M;i++){ data[i]=data1[i]+data2[i]; } return data; } /*求原矩阵的负*/ private static float[][] opposite_matrix(float[][] data){ int M=data.length; int N=data[0].length; float data_temp[][]=new float[M][N]; for(int i=0;i<M;i++){ for(int j=0;j<N;j++){ data_temp[i][j]=-data[i][j]; } } return data_temp; } /* SOR迭代法,A为系数矩阵,Y为值向量,X为初始迭代向量,w为松弛因子 */ private static float[] SOR_method(float A[][], float Y[], float X[], float w) { float D[][] = find_diagnal(A); float L[][] = opposite_matrix(find_lower(A, -1)); float U[][] = opposite_matrix(find_upper(A, 1)); float wL[][] = multiply3(w, L); float wU[][] = multiply3(w, U); float D_sub_wL[][] = subtract_matrix(D, wL); float inv_D_sub_wL[][] = inv(D_sub_wL); float sub_w=1-w; float one_sub_w_D[][] = multiply3(sub_w, D); float temp1[][]=matrix_add(one_sub_w_D, wU); float B0[][]=multiply(inv_D_sub_wL, temp1); float temp2[][]=multiply3(w, inv_D_sub_wL); float F[]=multiply2(temp2, Y); return matrix_add2(multiply2(B0, X),F); } /*求两向量之差的二范数(用于检验误差)*/ private static double cal_error(float[] X1,float[] X2){ int M=X1.length; double temp=0; for(int i=0;i<M;i++){ temp+=Math.pow((X1[i]-X2[i]),2); } temp=Math.sqrt(temp); return temp; } public static void main(String[] args) { System.out.println("输入系数矩阵的行和列数:"); Scanner scan=new Scanner(System.in); int M=scan.nextInt(); System.out.println("输入方程组右侧方程值的维度:"); int K=scan.nextInt(); if(M!=K){ System.out.println("方程组个数和未知数个数不等!"); System.exit(0); } System.out.println("输入系数矩阵:"); float[][] A=new float[M][M]; for(int i=0;i<M;i++){ for(int j=0;j<M;j++){ A[i][j]=scan.nextFloat(); } } System.out.println("输入值向量"); float[] B=new float[M]; for(int i=0;i<M;i++){ B[i]=scan.nextFloat(); } System.out.println("输入初始迭代向量:"); float[] X=new float[M]; for(int i=0;i<M;i++){ X[i]=scan.nextFloat(); } System.out.println("输入松弛因子:"); float w=scan.nextFloat(); System.out.println("输入误差限:"); float er=scan.nextFloat(); float temp[]=new float[M]; while(cal_error((temp=SOR_method(A, B, X, w)), X)>=er){ X=temp; } X=temp; System.out.println("SOR法计算得到的解向量为:"); for(int i=0;i<M;i++){ System.out.println(X[i]+" "); } System.out.println(); } }
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