この節のプログラムは,ピボット選択がないため,実用上問題を含んでいる.対角成分に ゼロが現れた場合,計算ができなくなる.さらに,行列が特異な場合でも,同様なことが 生じる.このようなとき,ゼロで割ることになるので,実行時エラーが発生する.あるい は,大きな計算誤差を伴った解になる.しかし,最初の学習では,これは気にしない-- エラーの処理のルーチンを書かない--ことにする.ガウス・ジョルダン法のプログラム の学習は簡単な方が良い.しかし,諸君が学習ではなく実際に使うプログラムを組むとき, ピボット選択は必要不可欠である--ということを忘れてはならない.
for(ipv=1 ; ipv <= n ; ipv++){ 対角化の処理 }ここで,ipvは対角化する要素 の添え字を表す. nは行列のサイズである.
数学では,対角成分を1にするために,その行を対角成分で割る.しかし, コンピューターのプログラムでは予め逆数を計算して,それを乗じた方が良い.コン ピューターは除算よりも乗算の方が得意なので効率が良いためである.非同次項 の演算は1回ですが,係数行列 は列毎なので回の演算が必 要になる.対角成分を1にする処理は,次のようにする.
inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot;
このように変形するのは簡単である.例えば,行を処理する場合を考える. 行を,ピボットのある行を 倍したもので引けば良いのである.
for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } }
これで対角化の処理はおしまい.
/* ========== ガウスジョルダン法の関数 =================*/ void gauss_jordan(int n, double a[][100], double b[]){ int ipv, i, j; double inv_pivot, temp; for(ipv=1 ; ipv <= n ; ipv++){ /* ---- 対角成分=1(ピボット行の処理) ---- */ inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot; /* ---- ピボット列=0(ピボット行以外の処理) ---- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } } } }
ピボット選択,ここでは行の交換のみの部分選択を考える.その処理は,
ここで,もし最大値がゼロの場合,行列は特異(行列式がゼロ)ということにな り,解は一意的に決まらない.その場合,関数の値としてゼロを返し,その ことをコールした側に伝えるのが良い.
big=0.0; for(i=ipv ; i<=n ; i++){ if(fabs(a[i][ipv]) > big){ big = fabs(a[i][ipv]); pivot_row = i; } } if(big == 0.0){return 0;} row[ipv] = pivot_row;
このプログラムは,以下のことを行っている.
ただし,もともと最大の値が行にある場合は,行の入れ替えは行わない.
if(ipv != pivot_row){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[ipv][i]; a[ipv][i] = a[pivot_row][i]; a[pivot_row][i] = temp; } temp = b[ipv]; b[ipv] = b[pivot_row]; b[pivot_row] = temp; }
/* ========= ガウスジョルダン法の関数====================== */ int gauss_jordan(int n, double a[][MAXN+10], double b[]){ int ipv, i, j; double inv_pivot, temp; double big; int pivot_row, row[MAXN+10]; for(ipv=1 ; ipv <= n ; ipv++){ /* ---- 最大値探索 ---------------------------- */ big=0.0; for(i=ipv ; i<=n ; i++){ if(fabs(a[i][ipv]) > big){ big = fabs(a[i][ipv]); pivot_row = i; } } if(big == 0.0){return 0;} row[ipv] = pivot_row; /* ---- 行の入れ替え -------------------------- */ if(ipv != pivot_row){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[ipv][i]; a[ipv][i] = a[pivot_row][i]; a[pivot_row][i] = temp; } temp = b[ipv]; b[ipv] = b[pivot_row]; b[pivot_row] = temp; } /* ---- 対角成分=1(ピボット行の処理) ---------- */ inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot; /* ---- ピボット列=0(ピボット行以外の処理) ---- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } } } return 1; }
これを実現するためには,以下の2つのことをすればよい.
for(i=1 ; i<=n ; i++){ for(j=1 ; j<=n ; j++){ if(i == j){ inv_a[i][j]=1.0; }else{ inv_a[i][j]=0.0; } } }
temp = a[ipv][i]; a[ipv][i] = a[pivot_row][i]; a[pivot_row][i] = temp; temp = inv_a[ipv][i]; /* -- これ追加 -- */ inv_a[ipv][i] = inv_a[pivot_row][i]; /* -- これ追加 -- */ inv_a[pivot_row][i] = temp; /* -- これ追加 -- */と書き換えます.
a[ipv][j] *= inv_pivot; inv_a[ipv][j] *= inv_pivot; /* -- これ追加 -- */と書き換える.
a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; inv_a[i][j] -= temp*inv_a[ipv][j]; /* -- これ追加 -- */と書き換える.
/* ========= ガウスジョルダン法の関数====================== */ int gauss_jordan(int n, double a[][MAXN+10], double b[], double inv_a[][MAXN+10]){ int ipv, i, j; double inv_pivot, temp; double big; int pivot_row, row[MAXN+10]; /* ---- 単位行列作成 ---------------------------- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ for(j=1 ; j<=n ; j++){ if(i==j){ inv_a[i][j]=1.0; }else{ inv_a[i][j]=0.0; } } } for(ipv=1 ; ipv <= n ; ipv++){ /* ---- 最大値探索 ---------------------------- */ big=0.0; for(i=ipv ; i<=n ; i++){ if(fabs(a[i][ipv]) > big){ big = fabs(a[i][ipv]); pivot_row = i; } } if(big == 0.0){return 0;} row[ipv] = pivot_row; /* ---- 行の入れ替え -------------------------- */ if(ipv != pivot_row){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[ipv][i]; a[ipv][i] = a[pivot_row][i]; a[pivot_row][i] = temp; temp = inv_a[ipv][i]; inv_a[ipv][i] = inv_a[pivot_row][i]; inv_a[pivot_row][i] = temp; } temp = b[ipv]; b[ipv] = b[pivot_row]; b[pivot_row] = temp; } /* ---- 対角成分=1(ピボット行の処理) ---------- */ inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; inv_a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot; /* ---- ピボット列=0(ピボット行以外の処理) ---- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; inv_a[i][j] -= temp*inv_a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } } } return 1; }
メモリーと合わせて,計算効率も重要であった.大規模な計算になると,計算が終了する まで何日も費やす場合がある.そのような場合,プログラムの改良により,速度が10%アッ プするとかなりのメリットがあるのである.
そこで,ここではメモリーの効率的な利用を考える.ただし,ここは少し難しい.
これを実現するのは,簡単である.次のようにプログラムを書けばよい.
/* ---- 対角成分=1(ピボット行の処理) ---------- */ inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; a[ipv][ipv]=1.0; /* --- この行を追加 --- */ for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot; /* ---- ピボット列=0(ピボット行以外の処理) ---- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; a[i][ipv]=0.0; /* --- この行を追加 --- */ for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } }
このようにすると必要なメモリーは,2.3.3節のプログラ ムに比べて半分になる.さらに,計算時間も半分になる. 2.3.3節では,計算結果が0やの場合も計算し ていたが,このプログラムではそれを省いている.
当然, の逆行列ということは,乗算すると下のように単位行列になる.
(元の行列の行の行ベクトル)(逆行列の列の列ベクトル) |
このようなわけで,元の行列の行を入れ替えた場合,その逆行列は元の行列の逆行列の列 を入れ替えたものになる.従って,ピボット選択により係数行列の行を入れ替えると,逆 行列の列を入れ替える必要が生じる.実際にプログラムでは,以下のようにする.
/* ---- 列の入れ替え(逆行列) -------------------------- */ for(j=n ; j>=1 ; j--){ if(j != row[j]){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[i][j]; a[i][j]=a[i][row[j]]; a[i][row[j]]=temp; } } }
これ以上,改良するのは大変なので,ほとんど問題なく使える関数のプログラ ムを以下に示す.
/* ========= ガウスジョルダン法の関数====================== */ int gauss_jordan(int n, double a[][MAXN+10], double b[]){ int ipv, i, j; double inv_pivot, temp; double big; int pivot_row, row[MAXN+10]; for(ipv=1 ; ipv <= n ; ipv++){ /* ---- 最大値探索 ---------------------------- */ big=0.0; for(i=ipv ; i<=n ; i++){ if(fabs(a[i][ipv]) > big){ big = fabs(a[i][ipv]); pivot_row = i; } } if(big == 0.0){return 0;} row[ipv] = pivot_row; /* ---- 行の入れ替え -------------------------- */ if(ipv != pivot_row){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[ipv][i]; a[ipv][i] = a[pivot_row][i]; a[pivot_row][i] = temp; } temp = b[ipv]; b[ipv] = b[pivot_row]; b[pivot_row] = temp; } /* ---- 対角成分=1(ピボット行の処理) ---------- */ inv_pivot = 1.0/a[ipv][ipv]; a[ipv][ipv]=1.0; for(j=1 ; j <= n ; j++){ a[ipv][j] *= inv_pivot; } b[ipv] *= inv_pivot; /* ---- ピボット列=0(ピボット行以外の処理) ---- */ for(i=1 ; i<=n ; i++){ if(i != ipv){ temp = a[i][ipv]; a[i][ipv]=0.0; for(j=1 ; j<=n ; j++){ a[i][j] -= temp*a[ipv][j]; } b[i] -= temp*b[ipv]; } } } /* ---- 列の入れ替え(逆行列) -------------------------- */ for(j=n ; j>=1 ; j--){ if(j != row[j]){ for(i=1 ; i<=n ; i++){ temp = a[i][j]; a[i][j]=a[i][row[j]]; a[i][row[j]]=temp; } } } return 1; }