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Lineare Gleichungssysteme lösen durch LU-Zerlegung

 

p.specht

Bei verschiedenen Optimierungsaufgaben (etwa in der Regelungstechnik) ist es manchmal notwendig, zu immer neuen Ergebnisvektoren (Zielvorgaben) die entsprechenden Lösungen der Variablen (z.B. Ventilstellungen) zu finden, während die sonstigen maschinellen Gegebenheiten (abgebildet in einer Matrix) immer gleich bleiben. Ein Verfahren, das nicht jedesmal eine komplette Matrizeninversion erfordert, könnte diese Aufgabe deutlich beschleunigen. Die sog. L U - Zerlegung ist ein solches Verfahren.

Sie dient im übrigen auch als Standard-Benchmark zur Beurteilung der Rechenleistung von Supercomputern (siehe TOP 500-Liste) - freilich nicht in der nachstehenden schnarchlangsamen Variante, die nur das Prinzip verdeutlichen soll.
Windowtitle "LU-Faktorisierung mit Zeilentausch, für mehrfache LGS-Lösung"
Font 2:randomize:CLS rnd(8^8)
AppendMenuBar 10,"Obere Dreiecksmatrix via Grundstruktur, anschl. sind mehrfach Lösungen durch Vektor-Rücktausch möglich"
'{ (D) Demoware 2012-06-01 P. Specht, Wien per Übersetzung aus HP-Basic.
' Ohne jedwede Gewähr! Nutzung auf eigenes Risiko des Anwenders!
' Die Originalvorlage hatte folgende Rechtshinweise:
'  Copyright  1987
'   John H. Mathews
'   Dept. of Mathematics
'   California State University, Fullerton
'   LU Factorization with Row Interchanges
'}  PROGRAM LU FACTOR AND SOLVE
'{          ' MAIN PART
Declare A![10,10], A1![10,10], B![10], ROW&[10], X![10]
Declare n&,i&,j&,k&,inrc!,ans$,row&,col&,ach$,tmp$,det!
Declare p&,rowk&,rowp&,c&,t&,sum!
g110:
p300' call SUBROUTINE INPUTS
p1000' call SUBROUTINE FACTOR
g125:
Print "\nENTER THE COLUMN VECTOR  B:"
p900' call SUBROUTINE VECTOR INPUT
case DET!<>0:p1500' call SUBROUTINE SOLVE
p3000' call SUBROUTINE RESULTS

If DET!<>0

    Print " WANT TO SOLVE A*X=B WITH A NEW VECTOR B ? <Y/N> ";
    Input ANS$
    Case (ANS$="Y") Or (ANS$="y")  Or (ANS$="j") Or (ANS$="J") : Goto "g125"

EndIf

Print " WANT TO SOLVE ANOTHER LINEAR SYSTEM ? <Y/N> ";
Input ANS$:Case (ANS$="Y") Or (ANS$="y")  Or (ANS$="J") Or (ANS$="j"):Goto "g110"
End
'}

Proc p300' INPUT CONTROL

    CLS rnd(8^8)
    Print "\n SOLUTION OF A LINEAR SYSTEM  A[ , ] * X[ ] = B[ ] "
    Print
    Print " THE TRIANGULAR FACTORIZATION L * U = P * A  IS CONSTRUCTED."
    Print " FIRST,  THE SOLUTION  Y  TO  L * Y = P * B  IS FOUND,"
    Print " SECOND, THE SOLUTION  X  TO  U * X = Y    IS FOUND."
    Print
    Print " A[ , ] IS AN  N BY N  NONSINGULAR MATRIX."
    Print " B[ ]   IS AN  N DIMENSIONAL VECTOR OF CONSTANTS."
    Print " X[ ]   IS THE N DIMENSIONAL SOLUTION VECTOR OF A*X=B"
    Print
    Print " ENTER NUMBER OF EQUATIONS: N = ";
    Input N&
    INRC!=0
    Print " DO YOU WANT TO INPUT PER COLUMN? (Y=COLUMNS, N=ROWS) <Y/N> ";
    Input ANS$
    Case (ANS$="Y") Or (ANS$="y") Or (ANS$="J") Or (ANS$="j") : INRC!=1
    Print
    Print " ENTER THE MATRIX A(I,J) TO BE TRIANGLED:"
    p600'  call SUBROUTINE MATRIX INPUT
    Return

EndProc

Proc p600' SUBROUTINE MATRIX INPUT

    WhileLoop n&:row&=&Loop

        WhileLoop n&:col&=&Loop

            A![ROW&,COL&]=0

        EndWhile

    EndWhile

    'Print " ELEMENTS OF THE MATRIX "

    If INRC!=0

        Goto "g690"

    Else

        Goto "g780"

    EndIf

    g690:

    WhileLoop n&:row&=&Loop

        Print "\n INPUT THE ELEMENTS OF ROW ",ROW&
        Print

        WhileLoop n&:col&=&Loop

            Print "A(";ROW&;",";COL&;") = ";
            Input A![ROW&,COL&]
            A1![ROW&,COL&] = A![ROW&,COL&]

        EndWhile

    EndWhile

    Goto "g870"
    g780:

    WhileLoop n&:col&=&Loop

        Print "\n INPUT THE ELEMENTS OF COLUMN ",COL&
        Print

        WhileLoop n&:row&=&Loop

            Print " A(";ROW&;",";COL&;") = ";
            Input tmp$
            A![ROW&,COL&]=val(tmp$)
            A1![ROW&,COL&] = A![ROW&,COL&]

        EndWhile

    EndWhile

    g870:

EndProc

Proc p900' SUBROUTINE VECTOR INPUT

    Print

    WhileLoop n&:row&=&Loop

        Print " B(";ROW&;") = ";:Input tmp$:B![ROW&]=Val(tmp$)

    EndWhile

EndProc

Proc p1000' SUBROUTINE FACTOR

    declare skip&
    DET!=1

    Whileloop n&:j&=&Loop

        ROW&[J&]=J&

    EndWhile

    WHILELOOP n&-1:p&=&Loop

        WhileLoop p&+1,n&:k&=&Loop

            If  Abs(A![ROW&[K&],P&]) > Abs(A![ROW&[P&],P&])

                Goto "g1080"

            Else

                Goto "g1120"

            EndIf

            g1080:
            T&=ROW&[P&]
            ROW&[P&]=ROW&[K&]
            ROW&[K&]=T&
            DET!= -1*DET!
            g1120:

        EndWhile

        DET!=DET!*A![ROW&[P&],P&]
        Case  DET!=0:skip&=1:BREAK'Goto "g1260"

        WhileLoop p&+1,n&:k&=&Loop

            ROWK&=ROW&[K&]
            ROWP&=ROW&[P&]
            A![ROWK&,P&] = A![ROWK&,P&] / A![ROWP&,P&]

            While p&+1,n&:c&=&Loop

                A![ROWK&,C&] = A![ROWK&,C&] - A![ROWK&,P&] * A![ROWP&,C&]

            EndWhile

        EndWhile

    ENDWHILE

    casenot skip&:DET!=DET!*A![ROW&[N&],N&]
    g1260:

EndProc

Proc p1500' SUBROUTINE SOLVE

    Whileloop n&:k&=&Loop

        Case A![ROW&[K&],K&]=0:Goto "g1720"

    EndWhile

    X![1]=B![ROW&[1]]

    WhileLoop 2,N&:K&=&Loop

        SUM!=0
        ROWK&=ROW&[K&]

        WhileLoop k&-1:c&=&Loop

            SUM!=SUM!+A![ROWK&,C&]*X![C&]

        EndWhile

        X![K&]=B![ROWK&]-SUM!

    EndWhile

    X![N&]=X![N&] / A![ROW&[N&],N&]

    WhileLoop n&-1,1,-1:k&=&Loop

        SUM!=0
        ROWK&=ROW&[K&]

        WhileLoop k&+1,n&,1:C&=&Loop

            SUM!=SUM!+A![ROWK&,C&]*X![C&]

        EndWhile

        X![K&]=(X![K&]-SUM!)/A![ROWK&,K&]

    EndWhile

    g1720:

EndProc

Proc p2000' SUBROUTINE MATRIX PRINT

    WhileLoop n&:row&=&Loop

        Print

        WhileLoop n&:col&=&Loop

            Print A1![ROW&,COL&],

        EndWhile

    EndWhile

EndProc

Proc p2100' SUBROUTINE VECTOR PRINT

    COL&=N&+1
    Print " B COEFFICIENT VECTOR                ";"X SOLUTION VECTOR"
    Print

    WhileLoop n&:Row&=&Loop

        Print " B(";ROW&;") = ";B![ROW&];"    ";"X(";ROW&;") = ",X![ROW&]

    EndWhile

EndProc

Proc p3000' SUBROUTINE RESULTS

    CLS rnd(8^8)
    Print "\n COMPUTATION OF THE SOLUTION FOR THE LINEAR SYSTEM A*X = B."
    Print " THE TRIANGULAR FACTORIZATION L*U = P*A WAS CONSTRUCTED"
    Print " FIRST,  THE SOLUTION  Y  TO  L*Y = P*B WAS FOUND,"
    Print " SECOND, THE SOLUTION  X  TO  U*X = Y   WAS FOUND."
    Print " THE COEFFICIENT MATRIX  A  IS:"
    Print
    p2000' call  SUBROUTINE MATRIX PRINT

    If  DET! = 0

        Goto "g3140"

    Else

        Goto "g3220"

    EndIf

    g3140:
    Print " THE MATRIX IS SINGULAR."
    Print " A ZERO PIVOT ELEMENT WAS ENCOUNTERED."
    Print " THE MATRIX DOES NOT HAVE TRIANGULAR FACTORIZATION."
    Print " THE METHOD DOES NOT APPLY."
    Goto "g3250"
    g3220:
    Print
    p2100' call  SUBROUTINE VECTOR PRINT
    g3250:
    Print
    Print " THE DETERMINANT'S VALUE IS  DET A = ",DET!

EndProc

 
XProfan 11
Computer: Gerät, daß es in Mikrosekunden erlaubt, 50.000 Fehler zu machen, zB 'daß' statt 'das'...
07.05.2021  
 



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