VS版Eigen库求解大型稀疏线性方程组

本文介绍了一种使用Eigen库解决稀疏矩阵方程Ax=b的方法,包括矩阵A及向量b的初始化过程,以及如何利用SimplicialCholesky求解器求解未知向量x。

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       众所周知,为了减小稀疏矩阵的存储内存,稀疏矩阵有专门的存储办法。但是怎么求解诸如 Ax=b(这里矩阵A为稀疏矩阵,假设x为列向量,b也为列向量)这样的方程组呢?求解这样的方程组分为两个步骤,一个是对稀疏矩阵A赋值,一个是用solve求解器求解方程组。

#include "stdafx.h"
#include<Eigen\Sparse>//包含稀疏矩阵求解;
#include<Eigen\Dense>
#include<vector>
#include<Windows.h>//调用sleep延迟函数;
#include<iostream>

typedef Eigen::SparseMatrix<double> SparseMatrixType;
typedef Eigen::Triplet<double> T;
typedef Eigen::SimplicialCholesky<SparseMatrixType> Solve;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int row_A, col_A,row_b;
	col_A = 100; row_A = 100;
	row_b = row_A;

	//声明方程组的变量;
	SparseMatrixType A(row_A,col_A);
	Eigen::VectorXd x;
	Eigen::VectorXd b;
	std::vector<T> tripletlist;

	//给向量b赋值;
	b.resize(row_b);
	for (int i = 0; i < row_b; i++)
	{
		b(i) = i + 1;
	}

	//给稀疏矩阵A赋值;
	for (int i = 0; i < row_A; i++)
	{
		for (int j = 0; j < col_A; j++)
		{
			tripletlist.push_back(T((i + 3) % row_A, j, i + j));
			tripletlist.push_back(T(i, j, i + 1));
		}
	}
	A.setFromTriplets(tripletlist.begin(), tripletlist.end());
	A.makeCompressed();

	//求解;
	Solve *p_A = new Solve(A);
	x = p_A->solve(b);

	for (int i = 0; i < x.size(); i++)
	{
		std::cout << x(i) << " ";
	}
	Sleep(20000);
	return 0;
}
运行结果如下:

要是有帮助到亲的话,可不要忘了给皮皮点个赞呢吐舌头

### Matlab 求解稀疏矩阵线性方程组 #### 使用左除法求解稀疏矩阵线性方程组 对于稀疏矩阵 \( A \),可以通过使用 MATLAB 的左除操作符 `A\b` 来高效求解线性方程组 \( Ax = b \)[^1]。此方法不需要显式计算逆矩阵,而是通过优化算法(如 LU 分解或 QR 分解)自动选择最适合的数值稳定性和效率的方式进行求解。 ```matlab % 假设 A 是一个稀疏矩阵,b 是右侧向量 x = A \ b; ``` 这种方法不仅适用于满秩矩阵,也支持非方形矩阵的情况[^2]。 --- #### 利用矩阵分解技术提高性能 如果需要多次重复求解相同的系数矩阵 \( A \) 和不同的右端项 \( b \),可以考虑先对矩阵 \( A \) 进行分解后再求解。LU 分解是一种常见的选择: ```matlab [L, U, P] = lu(A); % 对稀疏矩阵 A 执行 LU 分解 y = L \ (P * b); x = U \ y; % 解出最终结果 x ``` 这种预处理方式能够显著减少后续求解的时间开销[^1]。 --- #### 符号求解获取精确解析解 当希望获得更精确的解析形式而非近似数值解时,可以借助符号工具箱将输入数据转换为符号表达式并调用相应的命令完成任务。 ```matlab syms a11 a12 a21 a22 b1 b2 real; A_sym = [a11, a12; a21, a22]; b_sym = [b1; b2]; sol_symbolic = linsolve(sym(A), sym(b)); % 或者直接采用 backslash disp(sol_symbolic); ``` 注意该过程可能消耗较多资源,在大规模问题上不推荐使用。 --- #### C语言实现中的对比与扩展 除了 MATLAB 外部环境下的解决方案外,某些场景下也可能需要用到其他编程语言比如 C 实现类似功能。此时第三方 Eigen 提供了一个强大而灵活的选择方案用于快速开发涉及复杂代数运算的应用程序[^3]。 以下是简单例子展示如何设置以及解决问题: ```cpp #include <Eigen/Dense> using namespace Eigen; int main(){ SparseMatrix<double> A(3, 3); VectorXd b(3); // Fill sparse matrix and vector... ConjugateGradient<SparseMatrix<double>> solver; solver.compute(A); VectorXd result = solver.solve(b); return 0; } ``` 上述片段展示了利用共轭梯度法针对正定系统构建求解器的过程;当然还有许多变体可供挑选依据具体需求调整参数配置达到最佳效果。 --- #### 迭代方法简介 另外值得注意的是存在一些特定条件下更适合采取迭代途径而不是直接法的情形——例如非常大尺寸或者条件数极高的情况之下。Jacobi 法、Gauss-Seidel 法以及 SOR 超松弛加速都是经典代表之一[^4]。 假设有如下模板结构可用作参考起点: ```matlab function [x,k,err]=jacobi(A,b,x0,tol,maxit) D=diag(diag(A)); L=-tril(A,-1); U=-triu(A,1); B=D\(L+U); g=D\b; x=B*x0+g; err=norm(x-x0)/norm(x); k=1; while err>=tol && k<maxit, x0=x; x=B*x0+g; err=norm(x-x0)/norm(x); k=k+1; end if k==maxit, disp('Warning: Maximum number of iterations reached.'); end end ``` 以上定义了一种基本 Jacobi 算法框架允许用户自定义终止准则等相关选项从而适应不同实际应用场景的要求。 ---
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