Javakurs/Übungsaufgaben/Gauß-Algorithmus/Musterloesung: Unterschied zwischen den Versionen
< Javakurs | Übungsaufgaben | Gauß-Algorithmus
(Die Seite wurde neu angelegt: „==Beispiel-Lösung== ===Ausgabe der Zwischenschritte sind möglich=== <code> →* @author Sebastian Peuser, c-line@mailbox.tu-berlin.de: public class G…“) |
K (fix alignment) |
||
| Zeile 4: | Zeile 4: | ||
===Ausgabe der Zwischenschritte sind möglich=== | ===Ausgabe der Zwischenschritte sind möglich=== | ||
| − | < | + | <pre> |
| − | + | /* | |
| − | + | * @author Sebastian Peuser <c-line AT mailbox.tu-berlin DOT de> | |
| − | + | */ | |
| − | + | public class Gauss { | |
| − | + | public static void main(String[] args) { | |
| − | + | double[][] matrix = { { 1, 1, 1 }, { 43, 0, 31 }, { 4, 0, 7 } }; | |
| − | + | double[] vector = { 2, 4, 8 }; | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * "true" oder "false" kann als dritter Parameter uebergeben werden. | |
| − | + | * "true" -> Zwischenschritte werden auf der Konsole ausgegeben "false" | |
| − | + | * -> nichts wird ausgegeben | |
| − | + | */ | |
| − | + | printVector(getSolution(matrix, vector, false)); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Gauss-Jordan-Algorithmus nur fuer eindeutige Gleichungssysteme geeignet | |
| − | + | * (andernfalls wird NULL zurueckgegeben) matrix[row][column] | |
| − | + | */ | |
| − | + | public static double[] getSolution(double[][] matrix, double[] vector, boolean printSteps) { | |
| − | + | // Das Gleichungssystem hat keine eindeutige Loesung! | |
| − | + | if (matrix.length < matrix[0].length) { | |
| − | + | System.out.println("Gleichungssystem nicht eindeutig loesbar!"); | |
| − | + | return null; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Merken der Spalte, welche eine Zahl ungleich null besitzt | |
| − | + | int tmpColumn = -1; | |
| − | + | ||
| − | + | // Alle Zeilen durchgehen: Ziel der for-Schleife -> Matrix in | |
| − | + | // Zeilenstufenform bringen! | |
| − | + | // -> Alle Zahlen unterhalb der Diagonale sind null | |
| − | + | for (int line = 0; line < matrix.length; line++) { | |
| − | + | tmpColumn = -1; | |
| − | + | ||
| − | + | // Umformungsschritt 1: Finden einer Spalte mit einem Wert ungleich | |
| − | + | // null | |
| − | + | for (int column = 0; column < matrix[line].length; column++) { | |
| − | + | for (int row = line; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | if (matrix[row][column] != 0) { | |
| − | + | tmpColumn = column; | |
| − | + | break; | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Abbruch, zahl ungleich null wurde gefunden | |
| − | + | if (tmpColumn != -1) { | |
| − | + | break; | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // NullZeile(n) entdeckt! | |
| − | + | if (tmpColumn == -1) { | |
| − | + | for (int row = line; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | // Gleichungssystem hat keine Loesung! | |
| − | + | if (vector[line] != 0) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | System.out.println("Gleichungssystem besitzt keine Loesung!"); | |
| − | + | return null; | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | // Nullzeile(n) vorhanden -> Ist das System noch eindeutig | |
| − | + | // loesbar? | |
| − | + | if (matrix[0].length - 1 >= line) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // System nicht eindeutig loesbar. | |
| − | + | System.out.println("Gleichungssystem nicht eindeutig loesbar!"); | |
| − | + | return null; | |
| − | + | } | |
| − | + | break; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Umformungsschritt 2: Die Zahl matrix[line][tmpColumn] soll | |
| − | + | // UNgleich null sein | |
| − | + | if (matrix[line][tmpColumn] == 0) { | |
| − | + | for (int row = line + 1; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | if (matrix[row][tmpColumn] != 0) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | System.out.println("Zeile " + (line + 1) + " wird mit Zeile " + (row + 1) + " getauscht"); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Vertauschen von Zeilen -> matrix[line][tmpColumn] | |
| − | + | // wird dann ungleich null | |
| − | + | swapTwoLines(line, row, matrix, vector); | |
| − | + | break; | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Umformungsschritt 3: matrix[line][tmpColumn] soll gleich 1 sein. | |
| − | + | if (matrix[line][tmpColumn] != 0) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | System.out.println("Zeile " + (line + 1) + " wird durch " + matrix[line][tmpColumn] + " geteilt"); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Division der Zeile mit matrix[line][tmpColumn] | |
| − | + | divideLine(line, matrix[line][tmpColumn], matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Umformungsschritt 4: Alle Zahlen unter matrix[line][tmpColumn] | |
| − | + | // sollen null sein. | |
| − | + | for (int row = line + 1; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | System.out.println("Zu Zeile " + (row + 1) + " wird subtrahiert: " + matrix[row][tmpColumn] + " * Zeile " + (line + 1)); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Subtraktion damit unter der Zahl im Umformungsschritt 3 nur | |
| − | + | // nullen stehen | |
| − | + | removeRowLeadingNumber(matrix[row][tmpColumn], line, row, matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Umformungsschritt 6: Matrix in Normalform bringen (Zahlen oberhalb | |
| − | + | // der Diagonale werden ebenfalls zu null) | |
| − | + | for (int column = matrix[0].length - 1; column > 0; column--) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Alle Werte oberhalb von "column" werden zu null | |
| − | + | for (int row = column; row > 0; row--) { | |
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | System.out.println("Zu Zeile " + (row) + " wird subtrahiert: " + matrix[row - 1][column] + " * Zeile " + (column + 1)); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Dazu wird Subtraktion angewandt | |
| − | + | removeRowLeadingNumber(matrix[row - 1][column], column, row - 1, matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen | |
| − | + | if (printSteps) { | |
| − | + | printStep(matrix, vector); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | // Unser ehemaliger Loesungsvektor ist jetzt zu unserem Zielvektor | |
| − | + | // geworden :) | |
| − | + | return vector; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Hier werden einfach zwei Zeilen vertrauscht | |
| − | + | */ | |
| − | + | private static void swapTwoLines(int rowOne, int rowTwo, double[][] matrix, double[] vector) { | |
| − | + | double[] tmpLine; | |
| − | + | double tmpVar; | |
| − | + | ||
| − | + | tmpLine = matrix[rowOne]; | |
| − | + | tmpVar = vector[rowOne]; | |
| − | + | ||
| − | + | matrix[rowOne] = matrix[rowTwo]; | |
| − | + | vector[rowOne] = vector[rowTwo]; | |
| − | + | ||
| − | + | matrix[rowTwo] = tmpLine; | |
| − | + | vector[rowTwo] = tmpVar; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * eine Zeile wird durch "div" geteilt. "div" darf nicht null sein | |
| − | + | */ | |
| − | + | private static void divideLine(int row, double div, double[][] matrix, double[] vector) { | |
| − | + | for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) { | |
| − | + | matrix[row][column] = matrix[row][column] / div; | |
| − | + | } | |
| − | + | vector[row] = vector[row] / div; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Eine Zeile (row) wird mit einem entsprechendem vielfachen (factor) von | |
| − | + | * einer anderen Zeile (rowRoot) subtrahiert. | |
| − | + | */ | |
| − | + | private static void removeRowLeadingNumber(double factor, int rowRoot, int row, double[][] matrix, double[] vector) { | |
| − | + | for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) { | |
| − | + | matrix[row][column] = matrix[row][column] - factor * matrix[rowRoot][column]; | |
| − | + | } | |
| − | + | vector[row] = vector[row] - factor * vector[rowRoot]; | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Ein Vector wird auf der Konsole ausgegeben (transponiert) | |
| − | + | */ | |
| − | + | public static void printVector(double[] vector) { | |
| − | + | if (vector == null) { | |
| − | + | return; | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.println(); | |
| − | + | System.out.print("Loesungsvektor ist: ("); | |
| − | + | for (int i = 0; i < vector.length; i++) { | |
| − | + | if (i != 0) { | |
| − | + | System.out.print(","); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.print(vector[i]); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.println(")^T"); | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Eine Matrix wird auf der Konsole ausgegeben matrix[row][column] | |
| − | + | */ | |
| − | + | public static void printMatrix(double[][] matrix) { | |
| − | + | if (matrix == null) { | |
| − | + | return; | |
| − | + | } | |
| − | + | for (int row = 0; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | System.out.print("("); | |
| − | + | for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) { | |
| − | + | if (column != 0) { | |
| − | + | System.out.print(","); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.print(matrix[row][column]); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.println(")"); | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | ||
| − | + | /* | |
| − | + | * Diese Methode zeigt die Zwischenschritte der Berechnung auf der Konsole | |
| − | + | * an. Fuer die Aufgabe nicht weiter relevant (unbekannte Konzepte werden | |
| − | + | * verwendet!) | |
| − | + | */ | |
| − | + | private static void printStep(double[][] matrix, double[] vector) { | |
| − | + | System.out.println(); | |
| − | + | ||
| − | + | // Werte werden fuer die Ausgabe auf ein bestimmtes Format gebracht | |
| − | + | // -> Damit die Ausgabe auch immer schick aussieht | |
| − | + | java.text.DecimalFormat df = new java.text.DecimalFormat("0.00"); | |
| − | + | for (int row = 0; row < matrix.length; row++) { | |
| − | + | for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) { | |
| − | + | if (matrix[row][column] >= 0) { | |
| − | + | System.out.print("+"); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.print(df.format(matrix[row][column]) + " "); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.print("| "); | |
| − | + | if (vector[row] >= 0) { | |
| − | + | System.out.print("+"); | |
| − | + | } | |
| − | + | System.out.println(df.format(vector[row])); | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | } | |
| − | + | </pre> | |
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | |||
| − | </ | ||
Aktuelle Version vom 4. März 2013, 18:39 Uhr
Beispiel-Lösung
Ausgabe der Zwischenschritte sind möglich
/*
* @author Sebastian Peuser <c-line AT mailbox.tu-berlin DOT de>
*/
public class Gauss {
public static void main(String[] args) {
double[][] matrix = { { 1, 1, 1 }, { 43, 0, 31 }, { 4, 0, 7 } };
double[] vector = { 2, 4, 8 };
/*
* "true" oder "false" kann als dritter Parameter uebergeben werden.
* "true" -> Zwischenschritte werden auf der Konsole ausgegeben "false"
* -> nichts wird ausgegeben
*/
printVector(getSolution(matrix, vector, false));
}
/*
* Gauss-Jordan-Algorithmus nur fuer eindeutige Gleichungssysteme geeignet
* (andernfalls wird NULL zurueckgegeben) matrix[row][column]
*/
public static double[] getSolution(double[][] matrix, double[] vector, boolean printSteps) {
// Das Gleichungssystem hat keine eindeutige Loesung!
if (matrix.length < matrix[0].length) {
System.out.println("Gleichungssystem nicht eindeutig loesbar!");
return null;
}
// Merken der Spalte, welche eine Zahl ungleich null besitzt
int tmpColumn = -1;
// Alle Zeilen durchgehen: Ziel der for-Schleife -> Matrix in
// Zeilenstufenform bringen!
// -> Alle Zahlen unterhalb der Diagonale sind null
for (int line = 0; line < matrix.length; line++) {
tmpColumn = -1;
// Umformungsschritt 1: Finden einer Spalte mit einem Wert ungleich
// null
for (int column = 0; column < matrix[line].length; column++) {
for (int row = line; row < matrix.length; row++) {
if (matrix[row][column] != 0) {
tmpColumn = column;
break;
}
}
// Abbruch, zahl ungleich null wurde gefunden
if (tmpColumn != -1) {
break;
}
}
// NullZeile(n) entdeckt!
if (tmpColumn == -1) {
for (int row = line; row < matrix.length; row++) {
// Gleichungssystem hat keine Loesung!
if (vector[line] != 0) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
}
System.out.println("Gleichungssystem besitzt keine Loesung!");
return null;
}
}
// Nullzeile(n) vorhanden -> Ist das System noch eindeutig
// loesbar?
if (matrix[0].length - 1 >= line) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
}
// System nicht eindeutig loesbar.
System.out.println("Gleichungssystem nicht eindeutig loesbar!");
return null;
}
break;
}
// Umformungsschritt 2: Die Zahl matrix[line][tmpColumn] soll
// UNgleich null sein
if (matrix[line][tmpColumn] == 0) {
for (int row = line + 1; row < matrix.length; row++) {
if (matrix[row][tmpColumn] != 0) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
System.out.println("Zeile " + (line + 1) + " wird mit Zeile " + (row + 1) + " getauscht");
}
// Vertauschen von Zeilen -> matrix[line][tmpColumn]
// wird dann ungleich null
swapTwoLines(line, row, matrix, vector);
break;
}
}
}
// Umformungsschritt 3: matrix[line][tmpColumn] soll gleich 1 sein.
if (matrix[line][tmpColumn] != 0) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
System.out.println("Zeile " + (line + 1) + " wird durch " + matrix[line][tmpColumn] + " geteilt");
}
// Division der Zeile mit matrix[line][tmpColumn]
divideLine(line, matrix[line][tmpColumn], matrix, vector);
}
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
}
// Umformungsschritt 4: Alle Zahlen unter matrix[line][tmpColumn]
// sollen null sein.
for (int row = line + 1; row < matrix.length; row++) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
System.out.println("Zu Zeile " + (row + 1) + " wird subtrahiert: " + matrix[row][tmpColumn] + " * Zeile " + (line + 1));
}
// Subtraktion damit unter der Zahl im Umformungsschritt 3 nur
// nullen stehen
removeRowLeadingNumber(matrix[row][tmpColumn], line, row, matrix, vector);
}
}
// Umformungsschritt 6: Matrix in Normalform bringen (Zahlen oberhalb
// der Diagonale werden ebenfalls zu null)
for (int column = matrix[0].length - 1; column > 0; column--) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
}
// Alle Werte oberhalb von "column" werden zu null
for (int row = column; row > 0; row--) {
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
System.out.println("Zu Zeile " + (row) + " wird subtrahiert: " + matrix[row - 1][column] + " * Zeile " + (column + 1));
}
// Dazu wird Subtraktion angewandt
removeRowLeadingNumber(matrix[row - 1][column], column, row - 1, matrix, vector);
}
}
// Wenn die Zwischenschritte ausgegeben werden sollen
if (printSteps) {
printStep(matrix, vector);
}
// Unser ehemaliger Loesungsvektor ist jetzt zu unserem Zielvektor
// geworden :)
return vector;
}
/*
* Hier werden einfach zwei Zeilen vertrauscht
*/
private static void swapTwoLines(int rowOne, int rowTwo, double[][] matrix, double[] vector) {
double[] tmpLine;
double tmpVar;
tmpLine = matrix[rowOne];
tmpVar = vector[rowOne];
matrix[rowOne] = matrix[rowTwo];
vector[rowOne] = vector[rowTwo];
matrix[rowTwo] = tmpLine;
vector[rowTwo] = tmpVar;
}
/*
* eine Zeile wird durch "div" geteilt. "div" darf nicht null sein
*/
private static void divideLine(int row, double div, double[][] matrix, double[] vector) {
for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) {
matrix[row][column] = matrix[row][column] / div;
}
vector[row] = vector[row] / div;
}
/*
* Eine Zeile (row) wird mit einem entsprechendem vielfachen (factor) von
* einer anderen Zeile (rowRoot) subtrahiert.
*/
private static void removeRowLeadingNumber(double factor, int rowRoot, int row, double[][] matrix, double[] vector) {
for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) {
matrix[row][column] = matrix[row][column] - factor * matrix[rowRoot][column];
}
vector[row] = vector[row] - factor * vector[rowRoot];
}
/*
* Ein Vector wird auf der Konsole ausgegeben (transponiert)
*/
public static void printVector(double[] vector) {
if (vector == null) {
return;
}
System.out.println();
System.out.print("Loesungsvektor ist: (");
for (int i = 0; i < vector.length; i++) {
if (i != 0) {
System.out.print(",");
}
System.out.print(vector[i]);
}
System.out.println(")^T");
}
/*
* Eine Matrix wird auf der Konsole ausgegeben matrix[row][column]
*/
public static void printMatrix(double[][] matrix) {
if (matrix == null) {
return;
}
for (int row = 0; row < matrix.length; row++) {
System.out.print("(");
for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) {
if (column != 0) {
System.out.print(",");
}
System.out.print(matrix[row][column]);
}
System.out.println(")");
}
}
/*
* Diese Methode zeigt die Zwischenschritte der Berechnung auf der Konsole
* an. Fuer die Aufgabe nicht weiter relevant (unbekannte Konzepte werden
* verwendet!)
*/
private static void printStep(double[][] matrix, double[] vector) {
System.out.println();
// Werte werden fuer die Ausgabe auf ein bestimmtes Format gebracht
// -> Damit die Ausgabe auch immer schick aussieht
java.text.DecimalFormat df = new java.text.DecimalFormat("0.00");
for (int row = 0; row < matrix.length; row++) {
for (int column = 0; column < matrix[row].length; column++) {
if (matrix[row][column] >= 0) {
System.out.print("+");
}
System.out.print(df.format(matrix[row][column]) + " ");
}
System.out.print("| ");
if (vector[row] >= 0) {
System.out.print("+");
}
System.out.println(df.format(vector[row]));
}
}
}