3. 线性系统

线性系统,就是一组线性方程组。所谓线性方程组也就是只允许有X的一次方。

如下图


image.png

那么如何解线性方程组呢?
消元。


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操作分为,一个方程的左右两边同时乘以一个常数,或者一个方程加减另一个方程。
还可以交换2个方程的位置

用矩阵的方式表达这样一个线性系统。


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3行代表3个方程
3列(不算最后一列)代表有3个未知数
算上最后一列的矩阵叫增广矩阵。


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  1. 把方程组写成增广矩阵。


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  2. 把主对角线的位置依次化为1.


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    3.如果主元的位置为0,我们需要做交换的操作。


    image.png
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下面我们该如何让上面的Y和X 都能很直观的看到呢?
我们还是用矩阵的基本操作。

自底向上,用高斯消元。


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线性系统高斯消元实现:

from .Matrix import Matrix
from .Vector import Vector

class LinearSystem:

    def __init__(self, A, b):

        assert A.row_num() == len(b)
        self._m = A.row_num()
        self._n = A.col_num()
        assert self._m == self._n
        self.Ab = [Vector(A.row_vector(i).underlying_list() + [b[i]])
                   for i in range(self._m)]

    def _max_row(self, index, n):
        best, ret = self.Ab[index][index], index
        for i in range(index + 1, n):
            if self.Ab[i][index] > best:
                best, ret = self.Ab[i][index], i
        return ret
    def _forward(self):
        n = self._m
        for i in range(n):
            #Ab[i][i] 为主元
            max_row = self._max_row(i,n)
            self.Ab[i], self.Ab[max_row] = self.Ab[max_row], self.Ab[i]

            self.Ab[i] = self.Ab[i] /  self.Ab[i][i]
            for j in range(i + 1, n):
                self.Ab[j] = self.Ab[j] - self.Ab[j][i] * self.Ab[i]

    def _backward(self):
        n = self._m
        for i in range(n - 1, - 1, -1):
            for j in range(i - 1, -1, -1):
                self.Ab[j] = self.Ab[j] - self.Ab[j][i] * self.Ab[i]


    def gauss_jordan_elimination(self):
        self._forward()
        self._backward()

    def fancy_print(self):
        for i in range(self._m):
            print(" ".join(str(self.Ab[i][j]) for j in range(self._n)), end=" ")
            print("|", self.Ab[i][-1])

无解

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无数个解

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行最简形式

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方程组解的结构

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更一般的线性系统求解

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实现更一般的线性系统

class LinearSystem:

    def __init__(self, A, b):

        assert A.row_num() == len(b)
        self._m = A.row_num()
        self._n = A.col_num()

        self.Ab = [Vector(A.row_vector(i).underlying_list() + [b[i]])
                   for i in range(self._m)]

        self.pivots = []

    def _max_row(self, index_i, index_j, n):
        best, ret = self.Ab[index_i][index_j], index_i
        for i in range(index_i + 1, n):
            if self.Ab[i][index_j] > best:
                best, ret = self.Ab[i][index_j], i
        return ret

    def _forward(self):
        i, k = 0, 0
        while i < self._m and k < self._n:
            #Ab[i][k] 是否可以是主元
            max_row = self._max_row(i,k,self._m)
            self.Ab[i], self.Ab[max_row] = self.Ab[max_row], self.Ab[i]

            if is_zero(self.Ab[i][k]):
                k += 1
            else:
                self.Ab[i] = self.Ab[i] /  self.Ab[i][k]
                for j in range(i + 1, self._m):
                    self.Ab[j] = self.Ab[j] - self.Ab[j][k] * self.Ab[i]
                self.pivots.append(k)
                i += 1

    def _backward(self):
        n = len(self.pivots)
        for i in range(n - 1, - 1, -1):
            k = self.pivots[i]
            for j in range(i - 1, -1, -1):
                self.Ab[j] = self.Ab[j] - self.Ab[j][k] * self.Ab[i]


    def gauss_jordan_elimination(self):
        self._forward()
        self._backward()

        for i in range(len(self.pivots), self._m):
            if not is_zero(self.Ab[i][-1]):
                return False
        return True

    def fancy_print(self):
        for i in range(self._m):
            print(" ".join(str(self.Ab[i][j]) for j in range(self._n)), end=" ")
            print("|", self.Ab[i][-1])

测试

from playLA.Matrix import Matrix
from playLA.Vector import Vector
from playLA.LinearSystem import LinearSystem


if __name__ == "__main__":
    A = Matrix([[1, 2, 4], [3, 7, 2], [2, 3, 3]])
    b = Vector([7, -11, 1])
    ls = LinearSystem(A, b)
    ls.gauss_jordan_elimination()
    ls.fancy_print()
    print()

    A2 = Matrix([[1, -3, 5], [2, -1, -3], [3, 1, 4]])
    b2 = Vector([-9, 19, -13])
    ls2 = LinearSystem(A2, b2)
    ls2.gauss_jordan_elimination()
    ls2.fancy_print()
    print()

    A3 = Matrix([[1, 2, -2], [2, -3, 1], [3, -1, 3]])
    b3 = Vector([6, -10, -16])
    ls3 = LinearSystem(A3, b3)
    ls3.gauss_jordan_elimination()
    ls3.fancy_print()
    print()

    A4 = Matrix([[3, 1, -2], [5, -3, 10], [7, 4, 16]])
    b4 = Vector([4, 32, 13])
    ls4 = LinearSystem(A4, b4)
    ls4.gauss_jordan_elimination()
    ls4.fancy_print()
    print()

    A5 = Matrix([[6, -3, 2], [5, 1, 12], [8, 5, 1]])
    b5 = Vector([31, 36, 11])
    ls5 = LinearSystem(A5, b5)
    ls5.gauss_jordan_elimination()
    ls5.fancy_print()
    print()

    A6 = Matrix([[1, 1, 1], [1, -1, -1], [2, 1, 5]])
    b6 = Vector([3, -1, 8])
    ls6 = LinearSystem(A6, b6)
    ls6.gauss_jordan_elimination()
    ls6.fancy_print()
    print()

    A7 = Matrix([[1, -1, 2, 0, 3],
                 [-1, 1, 0, 2, -5],
                 [1, -1, 4, 2, 4],
                 [-2, 2, -5, -1, -3]])
    b7 = Vector([1, 5, 13, -1])
    ls7 = LinearSystem(A7, b7)
    ls7.gauss_jordan_elimination()
    ls7.fancy_print()
    print()

    A8 = Matrix([[2, 2],
                 [2, 1],
                 [1, 2]])
    b8 = Vector([3, 2.5, 7])
    ls8 = LinearSystem(A8, b8)
    if not ls8.gauss_jordan_elimination():
        print("No Solution!")
    ls8.fancy_print()
    print()

齐次线性方程组

等号右边全为0
所以最右行可以省略,解的过程可以只对系数矩阵做操作


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