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C#计算矩阵的秩实例分析

2020-01-24 01:32:53
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供稿:网友

本文实例讲述了C#计算矩阵的秩的方法。分享给大家供大家参考。具体如下:

1.代码思路

计算矩阵的秩,即把矩阵进行行初等变换,得出的行最简矩阵的非零行数。过程如下
1)将矩阵各行按第一个非零元素出现的位置升序排列(Operation1函数)
2)查看矩阵是否为行最简矩阵(isFinished函数),是则到第6步,不是则到第3步
3)如果有两行第一个非零元素出现的位置相同,则做消法变换,让下面行的第一个非零元素位置后移(Operation2函数)
4)将矩阵各行按第一个非零元素出现的位置升序排列(Operation1函数)
5)返回第2步
6)判断误差,对趋近与0的元素(如1E-5)按0处理,以免在第7步误判(Operation3函数)
7)统计非零行的数目(Operation4函数),即为矩阵的秩

2.函数代码

(注:本段代码只实现了一个思路,可能并不是该问题的最优解)

/// <summary>/// 计算矩阵的秩/// </summary>/// <param name="matrix">矩阵</param>/// <returns></returns>private static int Rank(double[][] matrix){  //matrix为空则直接默认已经是最简形式  if (matrix == null || matrix.Length == 0) return 0;  //复制一个matrix到copy,之后因计算需要改动矩阵时并不改动matrix本身  double[][] copy = new double[matrix.Length][];  for (int i = 0; i < copy.Length; i++)  {    copy[i] = new double[matrix[i].Length];  }  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    for (int j = 0; j < matrix[0].Length; j++)    {      copy[i][j] = matrix[i][j];    }  }  //先以最左侧非零项的位置进行行排序  Operation1(copy);  //循环化简矩阵  while (!isFinished(copy))  {    Operation2(copy);    Operation1(copy);  }  //过于趋近0的项,视作0,减小误差  Operation3(copy);  //行最简矩阵的秩即为所求  return Operation4(matrix);}/// <summary>/// 判断矩阵是否变换到最简形式(非零行数达到最少)/// </summary>/// <param name="matrix"></param>/// <returns>true:</returns>private static bool isFinished(double[][] matrix){  //统计每行第一个非零元素的出现位置  int[] counter = new int[matrix.Length];  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    for (int j = 0; j < matrix[i].Length; j++)    {      if (matrix[i][j] == 0)      {        counter[i]++;      }      else break;    }  }  //后面行的非零元素出现位置必须在前面行的后面,全零行除外  for (int i = 1; i < counter.Length; i++)  {    if (counter[i] <= counter[i - 1] && counter[i] != matrix[0].Length)    {      return false;    }  }  return true;}/// <summary>/// 排序(按左侧最前非零位位置自上而下升序排列)/// </summary>/// <param name="matrix">矩阵</param>private static void Operation1(double[][] matrix){  //统计每行第一个非零元素的出现位置  int[] counter = new int[matrix.Length];  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    for (int j = 0; j < matrix[i].Length; j++)    {      if (matrix[i][j] == 0)      {        counter[i]++;      }      else break;     }  }  //按每行非零元素的出现位置升序排列  for (int i = 0; i < counter.Length; i++)  {    for (int j = i; j < counter.Length; j++)    {      if(counter[i]>counter[j])      {        double[] dTemp = matrix[i];        matrix[i] = matrix[j];        matrix[j] = dTemp;      }    }  }}/// <summary>/// 行初等变换(左侧最前非零位位置最靠前的行,只保留一个)/// </summary>/// <param name="matrix">矩阵</param>private static void Operation2(double[][] matrix){  //统计每行第一个非零元素的出现位置  int[] counter = new int[matrix.Length];  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    for (int j = 0; j < matrix[i].Length; j++)    {      if (matrix[i][j] == 0)      {        counter[i]++;      }      else break;    }  }  for (int i = 1; i < counter.Length; i++)  {    if (counter[i] == counter[i - 1] && counter[i] != matrix[0].Length)    {      double a = matrix[i - 1][counter[i - 1]];      double b = matrix[i][counter[i]]; //counter[i]==counter[i-1]      matrix[i][counter[i]] = 0;      for (int j = counter[i] + 1; j < matrix[i].Length; j++)      {        double c = matrix[i - 1][j];        matrix[i][j] -= (c * b / a);      }      break;    }  }}/// <summary>/// 将和0非常接近的数字视为0/// </summary>/// <param name="matrix"></param>private static void Operation3(double[][] matrix){  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    for (int j = 0; j < matrix[0].Length; j++)    {      if (Math.Abs(matrix[i][j]) <= 0.00001)      {        matrix[i][j] = 0;      }    }  }}/// <summary>/// 计算行最简矩阵的秩/// </summary>/// <param name="matrix"></param>/// <returns></returns>private static int Operation4(double[][] matrix){  int rank = -1;  bool isAllZero = true;  for (int i = 0; i < matrix.Length; i++)  {    isAllZero = true;    //查看当前行有没有0    for (int j = 0; j < matrix[0].Length; j++)    {      if (matrix[i][j] != 0)      {        isAllZero = false;        break;      }    }    //若第i行全为0,则矩阵的秩为i    if (isAllZero)    {      rank = i;      break;    }  }  //满秩矩阵的情况  if (rank == -1)  {    rank = matrix.Length;  }  return rank;}

3.Main函数调用

static void Main(string[] args){  //示例矩阵1:秩为3  double[][] matrix1 = new double[][]   {    new double[] { 1, 1, 1 },    new double[] { 1, 1, 0 },    new double[] { 0, 1, 1 }   };  Console.WriteLine(Rank(matrix1));  //示例矩阵2:秩为3  double[][] matrix2 = new double[][]   {    new double[] { 3, 2, 0, 5, 0 },     new double[] { 3, -2, 3, 6, -1 },    new double[] { 2, 0, 1, 5, -3 },    new double[] { 1, 6, -4, -1, 4 }   };  Console.WriteLine(Rank(matrix2));  //示例矩阵3:秩为3  double[][] matrix3 = new double[][]   {    new double[] { 2, 3, 1, -3, -7 },     new double[] { 1, 2, 0, -2, -4 },    new double[] { 3, -2, 8, 3, 0 },    new double[] { 2, -3, 7, 4, 3 }  };  Console.WriteLine(Rank(matrix3));  Console.ReadLine();}

4.执行结果

希望本文所述对大家的C#程序设计有所帮助。

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