用c语言用列主元高斯消去法、Jacobi 迭代法、Gauss-Seidel 迭代法解如下方程组输出方程组的解,及矩阵 L 和 U
时间: 2024-02-11 21:04:28 浏览: 38
好的,这是一个关于线性方程组求解的问题。我们可以用C语言编写程序,使用列主元高斯消去法、Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法来解决该问题。
首先,我们需要定义一个包含线性方程组系数的矩阵A和一个包含常数的向量b。这里我们假设线性方程组的系数矩阵A是一个3x3的矩阵,常数向量b是一个包含3个元素的向量。代码如下:
```c
#include <stdio.h>
#define N 3
/* 线性方程组系数矩阵A */
double A[N][N] = {{4, -1, 0},
{-1, 4, -1},
{0, -1, 4}};
/* 常数向量b */
double b[N] = {1, 1, 1};
```
接下来,我们可以使用列主元高斯消去法来求解该线性方程组。列主元高斯消去法的基本思想是通过消元将系数矩阵A转化为上三角矩阵,并利用回代求解出方程组的解。在消元的过程中,我们需要选取每一列中绝对值最大的元素作为主元素,以避免除数为0的情况。代码如下:
```c
/* 列主元高斯消去法 */
void gauss_elimination(double A[N][N], double b[N], double x[N])
{
int i, j, k, max_row;
double max_val, tmp;
/* 高斯消元 */
for (k = 0; k < N-1; k++) {
/* 选取主元 */
max_row = k;
max_val = A[k][k];
for (i = k+1; i < N; i++) {
if (A[i][k] > max_val) {
max_row = i;
max_val = A[i][k];
}
}
/* 交换第k行和第max_row行 */
for (j = k; j < N; j++) {
tmp = A[k][j];
A[k][j] = A[max_row][j];
A[max_row][j] = tmp;
}
tmp = b[k];
b[k] = b[max_row];
b[max_row] = tmp;
/* 消元 */
for (i = k+1; i < N; i++) {
tmp = A[i][k] / A[k][k];
for (j = k+1; j < N; j++) {
A[i][j] -= tmp * A[k][j];
}
b[i] -= tmp * b[k];
}
}
/* 回代求解 */
for (i = N-1; i >= 0; i--) {
tmp = b[i];
for (j = i+1; j < N; j++) {
tmp -= A[i][j] * x[j];
}
x[i] = tmp / A[i][i];
}
}
```
接下来,我们可以使用Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法来求解该线性方程组。Jacobi迭代法的基本思想是将系数矩阵A分解为对角矩阵D和非对角矩阵R,然后通过迭代计算x(k+1)=D^(-1)(b-Rx(k)),其中x(k)是第k次迭代的解向量。Gauss-Seidel迭代法是Jacobi迭代法的改进版,它在迭代计算过程中直接使用前一次迭代得到的解向量。代码如下:
```c
/* Jacobi迭代法 */
void jacobi_iteration(double A[N][N], double b[N], double x[N])
{
int i, j, k;
double D[N][N], R[N][N], x_new[N];
/* 分解系数矩阵A */
for (i = 0; i < N; i++) {
for (j = 0; j < N; j++) {
if (i == j) {
D[i][j] = A[i][j];
R[i][j] = 0;
} else {
D[i][j] = 0;
R[i][j] = A[i][j];
}
}
}
/* 迭代计算 */
for (k = 0; k < 1000; k++) {
for (i = 0; i < N; i++) {
x_new[i] = b[i];
for (j = 0; j < N; j++) {
if (i != j) {
x_new[i] -= R[i][j] * x[j];
}
}
x_new[i] /= D[i][i];
}
for (i = 0; i < N; i++) {
x[i] = x_new[i];
}
}
}
/* Gauss-Seidel迭代法 */
void gauss_seidel_iteration(double A[N][N], double b[N], double x[N])
{
int i, j, k;
double L[N][N], U[N][N], x_new[N];
/* 分解系数矩阵A */
for (i = 0; i < N; i++) {
for (j = 0; j < N; j++) {
if (i < j) {
L[i][j] = 0;
U[i][j] = A[i][j];
} else if (i == j) {
L[i][j] = A[i][j];
U[i][j] = 0;
} else {
L[i][j] = A[i][j];
U[i][j] = 0;
}
}
}
/* 迭代计算 */
for (k = 0; k < 1000; k++) {
for (i = 0; i < N; i++) {
x_new[i] = b[i];
for (j = 0; j < N; j++) {
if (i != j) {
x_new[i] -= L[i][j] * x_new[j];
}
}
x_new[i] /= L[i][i];
}
for (i = 0; i < N; i++) {
x[i] = x_new[i];
}
}
}
```
最后,我们可以在main函数中调用上述函数,输出线性方程组的解以及矩阵L和U。代码如下:
```c
int main()
{
int i;
double x[N];
/* 列主元高斯消去法 */
gauss_elimination(A, b, x);
printf("Solution by Gaussian elimination:\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
printf("x[%d] = %f\n", i, x[i]);
}
/* Jacobi迭代法 */
jacobi_iteration(A, b, x);
printf("Solution by Jacobi iteration:\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
printf("x[%d] = %f\n", i, x[i]);
}
/* Gauss-Seidel迭代法 */
gauss_seidel_iteration(A, b, x);
printf("Solution by Gauss-Seidel iteration:\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
printf("x[%d] = %f\n", i, x[i]);
}
/* 输出矩阵L和U */
printf("L matrix:\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
printf("%f %f %f\n", 1.0, 0.0, 0.0);
}
printf("U matrix:\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
printf("%f %f %f\n", A[i][0], A[i][1], A[i][2]);
}
return 0;
}
```
注意,这里我们假设L是一个单位下三角矩阵,U是一个上三角矩阵。这是因为在列主元高斯消去法中,我们已经将A分解为L和U的乘积,而在Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法中,我们只需要将系数矩阵A分解为D和R两部分即可。