vadimk772336

Untitled

May 6th, 2020
930
0
Never
Not a member of Pastebin yet? Sign Up, it unlocks many cool features!
C++ 8.87 KB | None | 0 0
  1. #include <iostream>
  2. #include <math.h>
  3. #include <cmath>
  4. #include <stdlib.h>
  5. #include <fstream>
  6. using namespace std;
  7.  
  8. //Нормирует вектор y размерности N
  9. void normalize(double* y, int N)
  10. {
  11.     int i;
  12.     double norm, result = 0;
  13.     for (i = 0; i < N; i++)
  14.         result += y[i] * y[i];
  15.     norm = sqrt(result);
  16.  
  17.     for (i = 0; i < N; i++)
  18.         y[i] = y[i] / norm;
  19. }
  20.  
  21. //Записывает в res результат умножения матрицы А на столбец х
  22. void Multiply_Ax(double** A, double* x, double* res, int N)
  23. {
  24.     int i, j;
  25.  
  26.     for (i = 0; i < N; i++) {
  27.         res[i] = 0;
  28.         for (j = 0; j < N; j++) {
  29.             res[i] += A[i][j] * x[j];
  30.         }
  31.     }
  32. }
  33.  
  34. void Gauss_Seidel_method(double** A, double* B, double* x, int N, double deviation)
  35. {
  36.     int i, j, k = 0;
  37.     double tmp, sum = 0;
  38.  
  39.     //Перестановка строк в случае, если есть нулевой диаг элемент
  40.     for (i = 0; i < N; i++) {
  41.         if (A[i][i] == 0) {
  42.             for (j = i + 1; j < N; j++) {
  43.                 if (A[j][i] != 0) {
  44.                     for (k = 0; k < N; k++) {
  45.                         tmp = A[j][k];
  46.                         A[j][k] = A[i][k];
  47.                         A[i][k] = tmp;
  48.                     }
  49.                     tmp = x[i];
  50.                     x[i] = x[j];
  51.                     x[j] = tmp;
  52.                     tmp = B[i];
  53.                     B[i] = B[j];
  54.                     B[j] = tmp;
  55.                 }
  56.             }
  57.         }
  58.     }
  59.  
  60.     //Реализация алгоритма
  61.     k = 0;
  62.     int flag = 1;
  63.     while (flag > 0 && k < 300) {
  64.         flag = 0;
  65.         for (i = 0; i < N; i++) {
  66.             for (j = 0; j < N; j++) {
  67.                 if (j != i)
  68.                     sum += A[i][j] * x[j];
  69.             }
  70.             tmp = B[i];
  71.             x[i] = (tmp - sum) / A[i][i];
  72.             sum = 0;
  73.         }
  74.         k++;
  75.  
  76.         //Проверка невязки (B - A*x')
  77.         for (i = 0; i < N; i++) {
  78.             tmp = B[i];
  79.             for (j = 0; j < N; j++)
  80.                 tmp -= A[i][j] * x[j];
  81.  
  82.             if (abs(tmp) > deviation) {
  83.                 flag = 1;
  84.             }
  85.         }
  86.     }
  87. }
  88.  
  89. void Gradient_descent_method(double** A, double* B, double* x, int N, double deviation)
  90. {
  91.     int i, j, k, flag = 1;
  92.     double tau = 0, sum = 0;
  93.     double denominator = 0, numerator = 0, tmp;
  94.     double* r = new double[N];
  95.     double* res = new double[N];
  96.  
  97.     k = 0;
  98.     while (flag > 0 && k < 300) {
  99.         flag = 0;
  100.  
  101.         for (i = 0; i < N; i++) {
  102.             sum = 0;
  103.             for (j = 0; j < N; j++)
  104.                 sum += A[i][j] * x[j];
  105.             r[i] = sum - B[i];
  106.         }
  107.  
  108.         Multiply_Ax(A, r, res, N);
  109.         for (j = 0; j < N; j++) {
  110.             denominator += res[j] * r[j];
  111.             numerator += r[j] * r[j];
  112.         }
  113.         tau = numerator / denominator;
  114.         denominator = 0;
  115.         numerator = 0;
  116.  
  117.         for (i = 0; i < N; i++) {
  118.             x[i] -= tau * r[i];
  119.         }
  120.         //Проверка невязки (B - A*x' = 0)
  121.         for (i = 0; i < N; i++) {
  122.             tmp = B[i];
  123.             for (j = 0; j < N; j++)
  124.                 tmp -= A[i][j] * x[j];
  125.             if (abs(tmp) > deviation)
  126.                 flag = 1;
  127.             break;
  128.         }
  129.         k++;
  130.     }
  131. }
  132.  
  133. //Степенной метод нахождения макс собств числа
  134. double Power_iteration(double** A, int N, double deviation)
  135. {
  136.     int flag = 1, i;
  137.     double lambda = 0;
  138.  
  139.     double* x = new double[N];
  140.     double* y = new double[N];
  141.     for (i = 0; i < N; i++)
  142.         x[i] = 1.0;
  143.  
  144.     while (flag > 0) {
  145.         flag = 0;
  146.  
  147.         Multiply_Ax(A, x, y, N);
  148.  
  149.         for (i = 0; i < N; i++)
  150.             if (abs(y[i] - lambda * x[i]) > deviation)
  151.                 flag = 1;
  152.  
  153.         lambda = 0;
  154.         for (i = 0; i < N; i++)
  155.             lambda += x[i] * y[i];
  156.  
  157.         normalize(y, N);
  158.         for (i = 0; i < N; i++)
  159.             x[i] = y[i];
  160.     }
  161.     return lambda;
  162. }
  163.  
  164. void Gaussian_elimination(double** A, double* B, double* x, int n)
  165. {
  166.  
  167.     double* tmp_mas;
  168.     tmp_mas = new double[n];
  169.  
  170.     int i, j, k, index;
  171.     double tmp, max, r;
  172.  
  173.     for (j = 0; j <= n - 2; j++) {
  174.  
  175.         max = abs(A[j][j]);
  176.         index = j;
  177.  
  178.         for (i = index + 1; i <= n - 1; i++) {
  179.             if (abs(A[i][index]) > max) {
  180.                 max = abs(A[i][index]);
  181.                 index = i;
  182.             }
  183.         }
  184.  
  185.         if (index != j) {
  186.             for (i = 0; i <= n - 1; i++) {
  187.                 tmp_mas[i] = A[j][i];
  188.                 A[j][i] = A[index][i];
  189.                 A[index][i] = tmp_mas[i];
  190.             }
  191.             tmp = B[j];
  192.             B[j] = B[index];
  193.             B[index] = tmp;
  194.         }
  195.  
  196.         for (i = j + 1; i <= n - 1; i++) {
  197.             r = -A[i][j] / A[j][j];
  198.  
  199.             for (k = j; k <= n - 1; k++) {
  200.                 A[i][k] = A[i][k] + r * A[j][k];
  201.             }
  202.             B[i] = B[i] + r * B[j];
  203.         }
  204.     }
  205.  
  206.     x[n - 1] = B[n - 1] / A[n - 1][n - 1];
  207.     for (i = n - 2; i >= 0; i--) {
  208.         tmp = 0.0;
  209.         for (int j = i + 1; j <= n - 1; j++)
  210.             tmp += A[i][j] * x[j];
  211.         x[i] = (B[i] - tmp) / A[i][i];
  212.     }
  213. }
  214.  
  215. double scalar(double* x, double* y, int N)
  216. {
  217.     double sum = 0;
  218.     for (int i = 0; i < N; i++)
  219.         sum += x[i] * y[i];
  220.     return sum;
  221. }
  222.  
  223. double Inverse_Power_iteration(double** A, int N, double deviation)
  224. {
  225.     int flag, i, j;
  226.     double lambda;
  227.  
  228.     double** A_copy;
  229.     A_copy = new double*[N];
  230.     for (i = 0; i < N; i++)
  231.         A_copy[i] = new double[N];
  232.     double* x_copy = new double[N];
  233.  
  234.     double* x = new double[N];
  235.     double* y = new double[N];
  236.     double* res = new double[N];
  237.  
  238.     for (i = 0; i < N; i++)
  239.         x[i] = 1.0;
  240.  
  241.     do {
  242.         flag = 0;
  243.  
  244.         for (i = 0; i < N; i++) {
  245.             x_copy[i] = x[i];
  246.             for (j = 0; j < N; j++)
  247.                 A_copy[i][j] = A[i][j];
  248.         }
  249.  
  250.         Gaussian_elimination(A_copy, x_copy, y, N); //Ay=x
  251.  
  252.         lambda = scalar(x, y, N) / scalar(y, y, N);
  253.  
  254.         Multiply_Ax(A, x, res, N);
  255.         for (i = 0; i < N; i++)
  256.             if (abs(res[i] - lambda * x[i]) > deviation)
  257.                 flag = 1;
  258.  
  259.         normalize(y, N);
  260.  
  261.         for (i = 0; i < N; i++)
  262.             x[i] = y[i];
  263.  
  264.     } while (flag > 0);
  265.  
  266.     return lambda;
  267. }
  268.  
  269. void Richardson_method(double** A, double* B, double* x, int N, double deviation)
  270. {
  271.     int i, j;
  272.     double max_lambda, min_lambda, tau;
  273.     double* res = new double[N];
  274.  
  275.     max_lambda = Power_iteration(A, N, deviation);
  276.     min_lambda = Inverse_Power_iteration(A, N, deviation);
  277.     tau = 2 / (max_lambda + min_lambda);
  278.  
  279.     //Реализация алгоритма
  280.     int flag;
  281.     do {
  282.         flag = 0;
  283.         Multiply_Ax(A, x, res, N);
  284.         for (i = 0; i < N; i++) {
  285.             res[i] = tau * (res[i] - B[i]);
  286.             x[i] -= res[i];
  287.         }
  288.  
  289.         //Проверка невязки (B - A*x' = 0)
  290.         for (i = 0; i < N; i++) {
  291.             double tmp = B[i];
  292.             for (j = 0; j < N; j++)
  293.                 tmp -= A[i][j] * x[j];
  294.  
  295.             if (abs(tmp) > deviation)
  296.                 flag = 1;
  297.         }
  298.  
  299.     } while (flag > 0);
  300. }
  301.  
  302. int main()
  303. {
  304.     setlocale(LC_ALL, "RUS");
  305.  
  306.     int i, j;
  307.     int N;
  308.     double deviation = 1e-5;
  309.     double max_lambda, min_lambda;
  310.  
  311.     //Читаем из файла матрицу
  312.     ifstream file("D:\\test3.txt");
  313.     file >> N;
  314.     double* B = new double[N];
  315.     double* x = new double[N];
  316.     double** A;
  317.     A = new double*[N];
  318.  
  319.     for (i = 0; i < N; i++) {
  320.         A[i] = new double[N];
  321.         x[i] = 1; //Первое приближение
  322.         for (j = 0; j < N; j++)
  323.             file >> A[i][j];
  324.     }
  325.  
  326.     for (i = 0; i < N; i++)
  327.         file >> B[i];
  328.  
  329.     file.close();
  330.  
  331.     //Вывод до изменения
  332.     for (i = 0; i < N; i++) {
  333.         for (j = 0; j < N; j++)
  334.             cout << A[i][j] << "\t";
  335.         cout << " = " << B[i];
  336.         cout << "; x[" << i << "] = " << x[i] << endl;
  337.     }
  338.     cout << endl
  339.          << endl;
  340.  
  341.     //Gauss_Seidel_method(A, B, x, N, deviation);
  342.     //Gradient_descent_method(A, B, x, N, deviation);
  343.     Richardson_method(A, B, x, N, deviation);
  344.  
  345.     //Вывод после
  346.     cout << endl
  347.          << endl;
  348.     for (i = 0; i < N; i++) {
  349.         for (j = 0; j < N; j++)
  350.             cout << A[i][j] << "\t";
  351.         cout << " = " << B[i];
  352.         cout << "; x[" << i << "] = " << x[i] << endl;
  353.     }
  354.  
  355.     cout << "N = " << N << endl;
  356.     cout << "max_lambda = " << Power_iteration(A, N, deviation) << endl;
  357.     cout << "min_lambda = " << Inverse_Power_iteration(A, N, deviation) << endl;
  358.  
  359.     cout << endl;
  360.     system("pause");
  361.     return 0;
  362. }
Advertisement
Add Comment
Please, Sign In to add comment