Python实现所有算法-高斯消除法

原创 云深之无迹 2022-07-07 23:32


啊,我终于可以写文章了!最近两天好累哇,先继续写上面的算法文章。


这篇文章写的算法是高斯消元,是数值计算里面基本且有效的算法之一:是求解线性方程组的算法。


这里再细写一下:


在数学中,高斯消元法,也称为行约简,是一种求解线性方程组的算法。它由对相应的系数矩阵执行的一系列操作组成。此方法还可用于计算矩阵的秩、方阵的行列式和可逆矩阵的逆矩阵。该方法以卡尔·弗里德里希·高斯 ( Carl Friedrich Gauss ,1777-1855)的名字命名,尽管该方法的一些特例——尽管没有证明——早在公元 179 年左右就为中国数学家所知。


为了对矩阵执行行缩减,可以使用一系列基本行操作来修改矩阵,直到矩阵的左下角尽可能地用零填充。基本行操作分为三种类型:

1.交换两行,

2.将一行乘以一个非零数,

3.将一行的倍数添加到另一行。(减法可以通过将一行乘以 -1 并将结果添加到另一行来实现)


使用这些操作,矩阵总是可以转换为上三角矩阵,实际上是行梯形矩阵。一旦所有前导系数(每行中最左边的非零条目)都为 1,并且包含前导系数的每一列在其他地方都为零,则称该矩阵为简化行梯形形式。这种最终形式是独一无二的;换句话说,它与所使用的行操作序列无关。例如,在下面的行操作序列中(在第一步和第三步对不同行进行两个基本操作),第三和第四个矩阵是行梯形矩阵,最后一个矩阵是唯一的简化行梯队形式。



一个矩阵的简化


使用行操作将矩阵转换为简化的行梯形形式有时称为Gauss-Jordan 消元法。在这种情况下,术语高斯消元是指过程,直到它达到其上三角形或(未简化的)行梯形形式。出于计算原因,在求解线性方程组时,有时最好在矩阵完全约简之前停止行操作。



我们对其实现的操作只有这三个


如果矩阵与线性方程组相关联,则这些操作不会更改解集。因此,如果一个人的目标是求解线性方程组,那么使用这些行操作可以使问题变得更容易。


对于矩阵中的每一行,如果该行不只包含零,则最左边的非零条目称为该行的前导系数(或枢轴)。因此,如果两个前导系数在同一列中,则可以使用类型 3的行操作使这些系数之一为零。然后通过使用行交换操作,总是可以对行进行排序,以便对于每个非零行,前导系数位于上一行的前导系数的右侧。如果是这种情况,则称矩阵为行梯形. 所以矩阵的左下部分只包含零,并且所有的零行都在非零行的下方。这里使用“梯队”一词是因为可以粗略地认为行是按大小排列的,最大的位于顶部,最小的位于底部。


例如,下面的矩阵是行梯形的,它的前导系数用红色表示:



就像这样


它是梯形的,因为零行在底部,第二行(第三列)的领先系数在第一行(第二列)的领先系数的右侧。


如果矩阵的所有前导系数都等于 1(这可以通过使用类型 2 的基本行操作来实现),并且在包含前导系数的每一列中,则称矩阵为简化行梯形。该列中的其他条目为零(可以通过使用类型 3 的基本行操作来实现)。



假如我们求解这个方程的解


下表是同时应用于方程组及其相关增广矩阵的行缩减过程。在实践中,通常不会用方程来处理系统,而是使用更适合计算机操作的增广矩阵。行缩减过程可以概括如下:从L1以下的所有方程中消除x,然后从L2以下的所有方程中消除y。这将使系统变成三角形。然后,使用反向替换,可以解决每个未知数。



就好像这样


其实还有内容,但是公式编辑实在不会哇,这里给出程序的伪代码:


高斯消元法将给定的m × n矩阵A转换为行梯形矩阵。


在下面的伪代码中,A[i, j]表示矩阵A在第i行和第j列中的条目,索引从 1 开始。转换在原地执行,这意味着原始矩阵丢失,最终被其行梯形形式替换。



看不懂?没有关系,大致懂就行



程序的实现上面,我们导入这些内容



为了精度,导入float64



以及导入的一个N维的数组,在内部是所以ndarray封装的


这样学习的态度是不对的,我们需要看看Numpy文档写的:



64位精度浮点数类型:符号位、11位指数、52位尾数。



没关系,你不懂的官网文档满足你



NDarray在这里


可在运行时用于键入具有给定 dtype 和未指定形状的数组。



系数矩阵,向量是输入的参数,后面是返回的数据类型。


rows, columns = np.shape(coefficients)


对shape函数感兴趣不,内部是这样的


x: NDArray[float64] = np.zeros((rows, 1), dtype=float)


这个也是注解的写法,意思是返回一个数组,用0填充:



zeros函数的样子


第一个参数,元组,说明样子。后面参数是类型,这里写float。返回值是具有给定形状、数据类型和顺序的零数组。



首先,reversed 函数返回一个反转的迭代器。这个为什么倒着算呢?是因为倒着算对算法来讲有一些优点。


内部再套一个函数,内部对列处理,下面的代码就是实现使用倍数的关系对一整行处理,[]是相当于数组的index写法,下面是将处理结果应用到行,最后打印X。


上面这个函数是高斯函数的一个子函数,作用是给出最简的阶梯行列式。



我们要算这个


gaussian_elimination([[2, 2, -1],[0, -2, -1][0, 0, 5]], [[5][-7][15]])


输入的时候这样输入,先别继续看,我们看高斯分解



这个检查写的很简单



接下来



连接我们的矩阵,要求有相应的形状



这个例子不错


0是按照行展开,1是列,None是直接接龙。



这段实现的是上面的伪代码



一个很有趣的变量名


gaussian_elimination([[2, 2], [0, -2]], [[-1], [-1]])


调用的时候就是这样,输入一个大元组,里面有两个小元组



输出的结果



此篇文章的封面来自于图灵出版社


https://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_elimination
https://github.com/numpy/numpy


评论 (0)
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 78浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 206浏览
  • 升职这件事,说到底不是单纯靠“干得多”或者“喊得响”。你可能也看过不少人,能力一般,甚至没你努力,却升得飞快;而你,日复一日地拼命干活,升职这两个字却始终离你有点远。这种“不公平”的感觉,其实在很多职场人心里都曾经出现过。但你有没有想过,问题可能就藏在一些你“没当回事”的小细节里?今天,我们就来聊聊你升职总是比别人慢,可能是因为这三个被你忽略的小细节。第一:你做得多,但说得少你可能是那种“默默付出型”的员工。项目来了接着干,困难来了顶上去,别人不愿意做的事情你都做了。但问题是,这些事情你做了,却
    优思学院 2025-03-31 14:58 120浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 210浏览
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 111浏览
  • 引言在语音芯片设计中,输出电路的设计直接影响音频质量与系统稳定性。WT588系列语音芯片(如WT588F02B、WT588F02A/04A/08A等),因其高集成度与灵活性被广泛应用于智能设备。然而,不同型号在硬件设计上存在关键差异,尤其是DAC加功放输出电路的配置要求。本文将从硬件架构、电路设计要点及选型建议三方面,解析WT588F02B与F02A/04A/08A的核心区别,帮助开发者高效完成产品设计。一、核心硬件差异对比WT588F02B与F02A/04A/08A系列芯片均支持PWM直推喇叭
    广州唯创电子 2025-04-01 08:53 199浏览
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 152浏览
  • REACH和RoHS欧盟两项重要的环保法规有什么区别?适用范围有哪些?如何办理?REACH和RoHS是欧盟两项重要的环保法规,主要区别如下:一、核心定义与目标RoHS全称为《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》,旨在限制电子电器产品中的铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBBs)和多溴二苯醚(PBDEs)共6种物质,通过限制特定材料使用保障健康和环境安全REACH全称为《化学品的注册、评估、授权和限制》,覆盖欧盟市场所有化学品(食品和药品除外),通过登
    张工13144450251 2025-03-31 21:18 153浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 216浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 227浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 159浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 136浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 77浏览
  •        在“软件定义汽车”的时代浪潮下,车载软件的重要性日益凸显,软件在整车成本中的比重逐步攀升,已成为汽车智能化、网联化、电动化发展的核心驱动力。车载软件的质量直接关系到车辆的安全性、可靠性以及用户体验,因此,构建一套科学、严谨、高效的车载软件研发流程,确保软件质量的稳定性和可控性,已成为行业共识和迫切需求。       作为汽车电子系统领域的杰出企业,经纬恒润深刻理解车载软件研发的复杂性和挑战性,致力于为O
    经纬恒润 2025-03-31 16:48 95浏览
  • 引言随着物联网和智能设备的快速发展,语音交互技术逐渐成为提升用户体验的核心功能之一。在此背景下,WT588E02B-8S语音芯片,凭借其创新的远程更新(OTA)功能、灵活定制能力及高集成度设计,成为智能设备语音方案的优选。本文将从技术特性、远程更新机制及典型应用场景三方面,解析该芯片的技术优势与实际应用价值。一、WT588E02B-8S语音芯片的核心技术特性高性能硬件架构WT588E02B-8S采用16位DSP内核,内部振荡频率达32MHz,支持16位PWM/DAC输出,可直接驱动8Ω/0.5W
    广州唯创电子 2025-04-01 08:38 169浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦