класс Matrix::LUPDecomposition
Для матрицы m×n A с m ≥ n, LU-разложение — это m×n унитарная нижняя треугольная матрица L, n×n верхняя треугольная матрица U и m×m перестановочная матрица P такие, что L*U = P*A. Если m < n, то L — m×m, а U — m×n.
LUP-разложение с выбором опорного элемента всегда существует, даже если матрица вырожденная, поэтому конструктор никогда не завершится ошибкой. Основное применение LU-разложения — в решении квадратных систем одновременных линейных уравнений. Это не сработает, если singular? возвращает true.
Атрибуты
Возвращает индексы выбора опорного элемента
Публичные методы класса
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 154
def initialize a
raise TypeError, "Expected Matrix but got #{a.class}" unless a.is_a?(Matrix)
# Use a "left-looking", dot-product, Crout/Doolittle algorithm.
@lu = a.to_a
@row_count = a.row_count
@column_count = a.column_count
@pivots = Array.new(@row_count)
@row_count.times do |i|
@pivots[i] = i
end
@pivot_sign = 1
lu_col_j = Array.new(@row_count)
# Outer loop.
@column_count.times do |j|
# Make a copy of the j-th column to localize references.
@row_count.times do |i|
lu_col_j[i] = @lu[i][j]
end
# Apply previous transformations.
@row_count.times do |i|
lu_row_i = @lu[i]
# Most of the time is spent in the following dot product.
kmax = [i, j].min
s = 0
kmax.times do |k|
s += lu_row_i[k]*lu_col_j[k]
end
lu_row_i[j] = lu_col_j[i] -= s
end
# Find pivot and exchange if necessary.
p = j
(j+1).upto(@row_count-1) do |i|
if (lu_col_j[i].abs > lu_col_j[p].abs)
p = i
end
end
if (p != j)
@column_count.times do |k|
t = @lu[p][k]; @lu[p][k] = @lu[j][k]; @lu[j][k] = t
end
k = @pivots[p]; @pivots[p] = @pivots[j]; @pivots[j] = k
@pivot_sign = -@pivot_sign
end
# Compute multipliers.
if (j < @row_count && @lu[j][j] != 0)
(j+1).upto(@row_count-1) do |i|
@lu[i][j] = @lu[i][j].quo(@lu[j][j])
end
end
end
end Публичные методы экземпляра
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 79
def det
if (@row_count != @column_count)
Matrix.Raise Matrix::ErrDimensionMismatch
end
d = @pivot_sign
@column_count.times do |j|
d *= @lu[j][j]
end
d
end Возвращает определитель A, вычисленный эффективно из разложения.
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 22
def l
Matrix.build(@row_count, [@column_count, @row_count].min) do |i, j|
if (i > j)
@lu[i][j]
elsif (i == j)
1
else
0
end
end
end # File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 48
def p
rows = Array.new(@row_count){Array.new(@row_count, 0)}
@pivots.each_with_index{|p, i| rows[i][p] = 1}
Matrix.send :new, rows, @row_count
end Возвращает перестановочную матрицу P
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 67
def singular? ()
@column_count.times do |j|
if (@lu[j][j] == 0)
return true
end
end
false
end Возвращает true, если U, а значит A, является вырожденной.
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 95
def solve b
if (singular?)
Matrix.Raise Matrix::ErrNotRegular, "Matrix is singular."
end
if b.is_a? Matrix
if (b.row_count != @row_count)
Matrix.Raise Matrix::ErrDimensionMismatch
end
# Copy right hand side with pivoting
nx = b.column_count
m = @pivots.map{|row| b.row(row).to_a}
# Solve L*Y = P*b
@column_count.times do |k|
(k+1).upto(@column_count-1) do |i|
nx.times do |j|
m[i][j] -= m[k][j]*@lu[i][k]
end
end
end
# Solve U*m = Y
(@column_count-1).downto(0) do |k|
nx.times do |j|
m[k][j] = m[k][j].quo(@lu[k][k])
end
k.times do |i|
nx.times do |j|
m[i][j] -= m[k][j]*@lu[i][k]
end
end
end
Matrix.send :new, m, nx
else # same algorithm, specialized for simpler case of a vector
b = convert_to_array(b)
if (b.size != @row_count)
Matrix.Raise Matrix::ErrDimensionMismatch
end
# Copy right hand side with pivoting
m = b.values_at(*@pivots)
# Solve L*Y = P*b
@column_count.times do |k|
(k+1).upto(@column_count-1) do |i|
m[i] -= m[k]*@lu[i][k]
end
end
# Solve U*m = Y
(@column_count-1).downto(0) do |k|
m[k] = m[k].quo(@lu[k][k])
k.times do |i|
m[i] -= m[k]*@lu[i][k]
end
end
Vector.elements(m, false)
end
end Возвращает m, так что A*m = b, или эквивалентно, так что L*U*m = P*b b может быть матрицей или вектором.
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 56 def to_ary [l, u, p] end
Возвращает L, U, P в массиве.
# File lib/matrix/lup_decomposition.rb, line 36
def u
Matrix.build([@column_count, @row_count].min, @column_count) do |i, j|
if (i <= j)
@lu[i][j]
else
0
end
end
end Возвращает верхнюю треугольную матрицу U
Ruby Core © 1993–2017 Yukihiro Matsumoto
Licensed under the Ruby License.
Ruby Standard Library © contributors
Licensed under their own licenses.