雅可比高斯迭代法原理及其实际用法介绍举例（附C++代码）

最新推荐文章于 2022-09-02 11:38:31 发布

永恒有多远

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版权

原理介绍

雅可比迭代法与高斯迭代法主要用于求解线性方程组，经过n次迭代收敛于精确值达到求解近似解的目的

雅可比迭代法与高斯迭代法区别

雅可比迭代法

雅可比迭代法迭代原理为，每次迭代均使用上次迭代的值，如以下方程组

$\large \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{a_{11}}{x_1} + {a_{12}}{x_2} + ...{a_{1n}}{x_n} = {b_1}}\\ {{a_{21}}{x_1} + {a_{22}}{x_2} + ...{a_{2n}}{x_n} = {b_2}}\\ {.......}\\ {{a_{n1}}{x_1} + {a_{n2}}{x_2} + ...{a_{nn}}{x_n} = {b_n}} \end{array}} \right.\$

通过变换可得

$\large {x_1^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{11}}}}\left( {{b_1} - {a_{11}}x_1^{(k)} - {a_{12}}x_2^{(k)} - ... - {a_{1n}}x_n^{(k)}} \right)}$

$\large {x_2^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{22}}}}\left( {{b_2} - {a_{21}}x_1^{(k)} - {a_{22}}x_2^{(k)} - ... - {a_{2n}}x_n^{(k)}} \right)}$

$\large {......}$

$\large {x_1^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{n1}}}}\left( {{b_n} - {a_{n1}}x_1^{(k)} - {a_{n2}}x_2^{(k)} - ... - {a_{nn}}x_n^{(k)}} \right)}$

总结公式为：

$\large {\rm{x}}_i^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{ii}}}}\left( {{b_i} - \sum\limits_{\begin{array}{*{20}{c}} {j = 1}\\ {j \ne i} \end{array}}^n {{a_{ij}}x_i^{(k)}} } \right),i = 1,2,...n$

高斯迭代法

高斯迭代法比雅可比速度更快，高斯迭代法采用将每次迭代过程结果带入的原理进行迭代，在

雅可比算法上进行了优化，具体过程如下：

$\large {x_1^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{11}}}}\left( {{b_1} - {a_{11}}x_1^{(k + 1)} - {a_{12}}x_2^{(k + 1)} - ... - {a_{1n}}x_n^{(k + 1)}} \right)}$

$\large {x_2^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{22}}}}\left( {{b_2} - {a_{21}}x_1^{(k + 1)} - {a_{22}}x_2^{(k + 1)} - ... - {a_{2n}}x_n^{(k + 1)}} \right)}$

$\large {......}$

$\large {x_1^{(k + 1)} = \frac{1}{{{a_{n1}}}}\left( {{b_n} - {a_{n1}}x_1^{(k + 1)} - {a_{n2}}x_2^{(k + 1)} - ... - {a_{nn}}x_n^{(k + 1)}} \right)}$

总结公式为：

$\large x_{ii}^{(x+1)}= \frac{1}{{{a_{ii}}}}\left( {{b_i} - \sum\limits_{j = 0}^{i - 1} {{a_{ij}}x_j^{(k + 1)}} - \sum\limits_{j = i + 1}^n {{a_{ij}}x_j^{(k)}} } \right),i = 1,2,...n\$

附C++代码

//雅可比迭代法
//4x + 2x + x = 11    (x1 ,x2, x3)   范例
//x + 4x + 2x = 18
//2x + x + 5x = 22
//  " * "为参数数量更改需要更改处
#include<iostream>
#include<cmath>
#define a   3   //*定义系数个数，这里设置为3    
#define b   3   //*一个公式3个系数（a），一共3个式子
using namespace std;

double A[a][b] = { 4,2,1 , 1,4,2 , 2,1,5 };         //*系数矩阵
double B[b] = {11,18,22};            //*行列式矩阵
double e = pow(10, -7);      //定义精度
double C[b][a + 1];          //记录迭代矩阵
double x0[a] = { 0 };                 //初始迭代矩阵
double X[a];             //用来储存第K次迭代后的数值

bool Judge(double x1, double x2, double x3)   //*判断精度（本题共有3个系数，所以三个变量，题目改变增加变量）
{
	int m = 0; 
	if (abs(x0[0] - x1) < e) m++;            //*（更改系数个数）
	if (abs(x0[1] - x2) < e) m++;
	if (abs(x0[2] - x3) < e) m++; 
	
	if (m == 3)   return 1;
	else return 0;
}

void output(double X[])
{
	int i;
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		printf("%.5f", X[i]);
		cout << " ";
	}
	cout << endl;
}
void Matrix()             //计算迭代公式中的系数矩阵
{
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		for (int j = 0; j < a; j++)
		{
			C[i][j] = -(A[i][j] / A[i][i]);
			if (i == j)
			{
				C[i][j] = 0;
			}
		}
		C[i][3] = B[i] / A[i][i];       //*（因为系数有三个，所以第i行第四个元素存放第i个式子的数值）
	}
	
	
}

void J()   //雅可比
{
	int n = 0;               //迭代次数
	//double X[a];             //用来储存第K次迭代后的数值
	for (int i = 0; i < a; i++)   
	{
		X[i] = x0[i];
	}
	while (true)
	{
		for (int i = 0; i < a; i++)
		{
			x0[i] = C[i][0] * X[0] + C[i][1] * X[1] + C[i][2] * X[2]+C[i][3];     //*
		}
		n++;
		if (Judge(X[0], X[1], X[2]))
		{
			break;
		}
			
		cout << "第" << n << "次迭代结果" << endl;
		output(X);             //打印第i次迭代结果
		for (int i = 0; i < a; i++)
		{
			X[i] = x0[i];
		}
	}
}

void main()
{
	Matrix();
	cout << "雅可比迭代" << endl;
	J();
	cout << "最终结果" << endl;
	output(X);
}

//高斯迭代法
//4x + 2x + x = 11    (x1 ,x2, x3)   范例
//x + 4x + 2x = 18
//2x + x + 5x = 22
//  " * "为参数数量更改需要更改处
#include<iostream>
#include<cmath>
#define a   3   //*定义系数个数，这里设置为3    
#define b   3   //*一个公式3个系数（a），一共3个式子
using namespace std;

double A[a][b] = { 4, 2, 1, 1, 4, 2, 2, 1, 5 };         //*系数矩阵
double B[b] = { 11, 18, 22 };            //*行列式矩阵
double e = pow(10, -7);      //定义精度
double C[b][a + 1];          //记录迭代矩阵
double x0[a] = { 0 };                 //初始迭代矩阵
double X[a];             //用来储存第K次迭代后的数值

bool Judge(double x1, double x2, double x3)   //*判断精度（本题共有3个系数，所以三个变量，题目改变增加变量）
{
	int m = 0;
	if (abs(x0[0] - x1) < e) m++;            //*（更改系数个数）
	if (abs(x0[1] - x2) < e) m++;
	if (abs(x0[2] - x3) < e) m++;

	if (m == 3)   return 1;
	else return 0;
}

void output(double X[])
{
	int i;
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		printf("%.5f", X[i]);
		cout << " ";
	}
	cout << endl;
}
void Matrix()             //计算迭代公式中的系数矩阵
{
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		for (int j = 0; j < a; j++)
		{
			C[i][j] = -(A[i][j] / A[i][i]);
			if (i == j)
			{
				C[i][j] = 0;
			}
		}
		C[i][3] = B[i] / A[i][i];       //*（因为系数有三个，所以第i行第四个元素存放第i个式子的数值）
	}


}

void GS()   //高斯
{
	int n = 0;               //迭代次数
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		X[i] = x0[i];
	}
	while (true)
	{
		for (int i = 0; i < a; i++)
		{
			x0[i] = C[i][0] * x0[0] + C[i][1] * x0[1] + C[i][2] * x0[2] + C[i][3];     //*(x0初始矩阵变为k+1次迭代结果）
		}
		n++;
		if (Judge(X[0], X[1], X[2]))
		{
			break;
		}

		cout << "第" << n << "次迭代结果" << endl;
		output(x0);             //打印第i次迭代结果
		for (int i = 0; i < a; i++)
		{
			X[i] = x0[i];
		}
	}
}

void main()
{
	Matrix();
	cout << "高斯迭代" << endl;
	GS();
	cout << "最终结果" << endl;
	output(x0);
}