Как найти определитель большой матрицы

Ответ 1

Я предполагаю, что вы используете наивный метод расширения формулы Лапласа. Если вы хотите получить скорость, вы можете разложить матрицу M с помощью LU-декомпозиции (в две матрицы с нижней и верхней диагональю) которую вы можете достичь с помощью модифицированного исключения Гаусса-Джордана в 2*n^3/3 FLOPS, а затем вычислить определитель как:

det(M) = det(L) * det(U), что для треугольных матриц является просто произведением записей в их диагонали.

Этот процесс будет выполняться быстрее, чем O(n!).

Изменить: вы также можете использовать метод Crout, который широко внедряется.

Ответ 2

Ну, не многие из нас, работающие в этой области, рассматривали бы 18x18 как большую матрицу, и почти любой метод, который вы выберете, должен быть достаточно быстрым на любом современном компьютере. Также многие из нас не решат матричные вопросы с помощью рекурсивных алгоритмов, гораздо более вероятно, будут использовать итеративные, но это может быть отражением того факта, что многие люди, работающие над матричными проблемами, являются учеными и инженерами, а не учеными-компьютерщиками.

Я предлагаю вам посмотреть на Numerical Recipes в С++. Не обязательно лучший код, который вы найдете, но это текст для изучения и обучения. Для лучших кодов BOOST имеет хорошую репутацию, и всегда есть BLAS и такие вещи, как библиотека ядра Intel Maths или библиотека ядра AMD Core Maths. Я думаю, что все они имеют реализации процедур определения детерминанта, которые очень быстро решат матрицу 18x18.

Ответ 3

Поскольку я не могу комментировать, я хочу добавить это: разложение Холески (или его вариант, LDL ^T L - нижняя треугольная матрица и D - диагональная матрица) можно использовать для проверьте, что симметричная матрица положительно/отрицательно определена: если она положительно определена, элементы D все положительны, а разложение Холецкого завершится успешно, не беря квадратный корень отрицательного числа. Если матрица отрицательно определена, элементы D все отрицательны, сама матрица не будет иметь декомпозицию Холецкого, но ее отрицательный результат.

"Вычисление определителя треугольной матрицы прост: умножьте диагональные элементы, так как кофакторы недиагональных членов равны 0. Используя разложение LU, это еще упрощает это, так как L - единичная нижнетреугольная матрица, т.е. его диагональные элементы - все 1, в большинстве реализаций. Поэтому вам часто приходится вычислять детерминант U.

• Вы забыли здесь принять во внимание, что все практические реализации гауссовой элиминации используют (частичную) поворот для дополнительной численной устойчивости; поэтому ваше описание является неполным; один подсчитывает количество сводных свопов, выполненных во время фазы декомпозиции, и после умножения всех диагональных элементов U, этот продукт следует сбрасывать, если количество свопов нечетное.

Что касается кода, NR не является бесплатным; Я предлагаю взглянуть на LAPACK/CLAPACK/LAPACK ++ @http://www.netlib.org/. Для справки я могу сделать не лучше, чем указать на "Матричные вычисления" Голуб и Ван Лоан.

Ответ 4

Я думаю, что это может сработать.

Я написал это, когда изучал курс численного анализа.

Это не только определитель, но и другие функции, связанные с матрицей

Сначала скопируйте и сохраните код как "Matrix.h"

//Title: Matrix Header File
//Writer: Say OL
//This is a beginner code not an expert one
//No responsibilty for any errors
//Use for your own risk
using namespace std;
int row,col,Row,Col;
double Coefficient;
//Input Matrix
void Input(double Matrix[9][9],int Row,int Col)
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
        {
            cout<<"e["<<row<<"]["<<col<<"]=";
            cin>>Matrix[row][col];
        }
}
//Output Matrix
void Output(double Matrix[9][9],int Row,int Col)
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
    {
        for(col=1;col<=Col;col++)
            cout<<Matrix[row][col]<<"\t";
        cout<<endl;
    }
}
//Copy Pointer to Matrix
void CopyPointer(double (*Pointer)[9],double Matrix[9][9],int Row,int Col)
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            Matrix[row][col]=Pointer[row][col];
}
//Copy Matrix to Matrix
void CopyMatrix(double MatrixInput[9][9],double MatrixTarget[9][9],int Row,int Col)
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixTarget[row][col]=MatrixInput[row][col];
}
//Transpose of Matrix
double MatrixTran[9][9];
double (*(Transpose)(double MatrixInput[9][9],int Row,int Col))[9]
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixTran[col][row]=MatrixInput[row][col];
    return MatrixTran;
}
//Matrix Addition
double MatrixAdd[9][9];
double (*(Addition)(double MatrixA[9][9],double MatrixB[9][9],int Row,int Col))[9]
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixAdd[row][col]=MatrixA[row][col]+MatrixB[row][col];
    return MatrixAdd;
}
//Matrix Subtraction
double MatrixSub[9][9];
double (*(Subtraction)(double MatrixA[9][9],double MatrixB[9][9],int Row,int Col))[9]
{
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixSub[row][col]=MatrixA[row][col]-MatrixB[row][col];
    return MatrixSub;
}
//Matrix Multiplication
int mRow,nCol,pCol,kcol;
double MatrixMult[9][9];
double (*(Multiplication)(double MatrixA[9][9],double MatrixB[9][9],int mRow,int nCol,int pCol))[9]
{
    for(row=1;row<=mRow;row++)
        for(col=1;col<=pCol;col++)
        {
            MatrixMult[row][col]=0.0;
            for(kcol=1;kcol<=nCol;kcol++)
                MatrixMult[row][col]+=MatrixA[row][kcol]*MatrixB[kcol][col];
        }
    return MatrixMult;
}
//Interchange Two Rows
double RowTemp[9][9];
double MatrixInter[9][9];
double (*(InterchangeRow)(double MatrixInput[9][9],int Row,int Col,int iRow,int jRow))[9]
{
    CopyMatrix(MatrixInput,MatrixInter,Row,Col);
    for(col=1;col<=Col;col++)
    {
        RowTemp[iRow][col]=MatrixInter[iRow][col];
        MatrixInter[iRow][col]=MatrixInter[jRow][col];
        MatrixInter[jRow][col]=RowTemp[iRow][col];
    }
    return MatrixInter;
}
//Pivote Downward
double MatrixDown[9][9];
double (*(PivoteDown)(double MatrixInput[9][9],int Row,int Col,int tRow,int tCol))[9]
{
    CopyMatrix(MatrixInput,MatrixDown,Row,Col);
    Coefficient=MatrixDown[tRow][tCol];
    if(Coefficient!=1.0)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixDown[tRow][col]/=Coefficient;
    if(tRow<Row)
        for(row=tRow+1;row<=Row;row++)
        {
            Coefficient=MatrixDown[row][tCol];
            for(col=1;col<=Col;col++)
                MatrixDown[row][col]-=Coefficient*MatrixDown[tRow][col];
        }
return MatrixDown;
}
//Pivote Upward
double MatrixUp[9][9];
double (*(PivoteUp)(double MatrixInput[9][9],int Row,int Col,int tRow,int tCol))[9]
{
    CopyMatrix(MatrixInput,MatrixUp,Row,Col);
    Coefficient=MatrixUp[tRow][tCol];
    if(Coefficient!=1.0)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            MatrixUp[tRow][col]/=Coefficient;
    if(tRow>1)
        for(row=tRow-1;row>=1;row--)
        {
            Coefficient=MatrixUp[row][tCol];
            for(col=1;col<=Col;col++)
                MatrixUp[row][col]-=Coefficient*MatrixUp[tRow][col];
        }
    return MatrixUp;
}
//Pivote in Determinant
double MatrixPiv[9][9];
double (*(Pivote)(double MatrixInput[9][9],int Dim,int pTarget))[9]
{
    CopyMatrix(MatrixInput,MatrixPiv,Dim,Dim);
    for(row=pTarget+1;row<=Dim;row++)
    {
        Coefficient=MatrixPiv[row][pTarget]/MatrixPiv[pTarget][pTarget];
        for(col=1;col<=Dim;col++)
        {
            MatrixPiv[row][col]-=Coefficient*MatrixPiv[pTarget][col];
        }
    }
    return MatrixPiv;
}
//Determinant of Square Matrix
int dCounter,dRow;
double Det;
double MatrixDet[9][9];
double Determinant(double MatrixInput[9][9],int Dim)
{
    CopyMatrix(MatrixInput,MatrixDet,Dim,Dim);
    Det=1.0;
    if(Dim>1)
    {
        for(dRow=1;dRow<Dim;dRow++)
        {
            dCounter=dRow;
            while((MatrixDet[dRow][dRow]==0.0)&(dCounter<=Dim))
            {
                dCounter++;
                Det*=-1.0;
                CopyPointer(InterchangeRow(MatrixDet,Dim,Dim,dRow,dCounter),MatrixDet,Dim,Dim);
            }
            if(MatrixDet[dRow][dRow]==0)
            {
                Det=0.0;
                break;
            }
            else
            {
                Det*=MatrixDet[dRow][dRow];
                CopyPointer(Pivote(MatrixDet,Dim,dRow),MatrixDet,Dim,Dim);
            }
        }
        Det*=MatrixDet[Dim][Dim];
    }
    else Det=MatrixDet[1][1];
    return Det;
}
//Matrix Identity
double MatrixIdent[9][9];
double (*(Identity)(int Dim))[9]
{
    for(row=1;row<=Dim;row++)
        for(col=1;col<=Dim;col++)
            if(row==col)
                MatrixIdent[row][col]=1.0;
            else
                MatrixIdent[row][col]=0.0;
    return MatrixIdent;
}
//Join Matrix to be Augmented Matrix
double MatrixJoin[9][9];
double (*(JoinMatrix)(double MatrixA[9][9],double MatrixB[9][9],int Row,int ColA,int ColB))[9]
{
    Col=ColA+ColB;
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=Col;col++)
            if(col<=ColA)
                MatrixJoin[row][col]=MatrixA[row][col];
            else
                MatrixJoin[row][col]=MatrixB[row][col-ColA];
    return MatrixJoin;
}
//Inverse of Matrix
double (*Pointer)[9];
double IdentMatrix[9][9];
int Counter;
double MatrixAug[9][9];
double MatrixInv[9][9];
double (*(Inverse)(double MatrixInput[9][9],int Dim))[9]
{
    Row=Dim;
    Col=Dim+Dim;
    Pointer=Identity(Dim);
    CopyPointer(Pointer,IdentMatrix,Dim,Dim);
    Pointer=JoinMatrix(MatrixInput,IdentMatrix,Dim,Dim,Dim);
    CopyPointer(Pointer,MatrixAug,Row,Col);
    for(Counter=1;Counter<=Dim;Counter++)   
    {
        Pointer=PivoteDown(MatrixAug,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixAug,Row,Col);
    }
    for(Counter=Dim;Counter>1;Counter--)
    {
        Pointer=PivoteUp(MatrixAug,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixAug,Row,Col);
    }
    for(row=1;row<=Dim;row++)
        for(col=1;col<=Dim;col++)
            MatrixInv[row][col]=MatrixAug[row][col+Dim];
    return MatrixInv;
}
//Gauss-Jordan Elemination
double MatrixGJ[9][9];
double VectorGJ[9][9];
double (*(GaussJordan)(double MatrixInput[9][9],double VectorInput[9][9],int Dim))[9]
{
    Row=Dim;
    Col=Dim+1;
    Pointer=JoinMatrix(MatrixInput,VectorInput,Dim,Dim,1);
    CopyPointer(Pointer,MatrixGJ,Row,Col);
    for(Counter=1;Counter<=Dim;Counter++)   
    {
        Pointer=PivoteDown(MatrixGJ,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixGJ,Row,Col);
    }
    for(Counter=Dim;Counter>1;Counter--)
    {
        Pointer=PivoteUp(MatrixGJ,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixGJ,Row,Col);
    }
    for(row=1;row<=Dim;row++)
        for(col=1;col<=1;col++)
            VectorGJ[row][col]=MatrixGJ[row][col+Dim];
    return VectorGJ;
}
//Generalized Gauss-Jordan Elemination
double MatrixGGJ[9][9];
double VectorGGJ[9][9];
double (*(GeneralizedGaussJordan)(double MatrixInput[9][9],double VectorInput[9][9],int Dim,int vCol))[9]
{
    Row=Dim;
    Col=Dim+vCol;
    Pointer=JoinMatrix(MatrixInput,VectorInput,Dim,Dim,vCol);
    CopyPointer(Pointer,MatrixGGJ,Row,Col);
    for(Counter=1;Counter<=Dim;Counter++)   
    {
        Pointer=PivoteDown(MatrixGGJ,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixGGJ,Row,Col);
    }
    for(Counter=Dim;Counter>1;Counter--)
    {
        Pointer=PivoteUp(MatrixGGJ,Row,Col,Counter,Counter);
        CopyPointer(Pointer,MatrixGGJ,Row,Col);
    }
    for(row=1;row<=Row;row++)
        for(col=1;col<=vCol;col++)
            VectorGGJ[row][col]=MatrixGGJ[row][col+Dim];
    return VectorGGJ;
}
//Matrix Sparse, Three Diagonal Non-Zero Elements
double MatrixSpa[9][9];
double (*(Sparse)(int Dimension,double FirstElement,double SecondElement,double ThirdElement))[9]
{
    MatrixSpa[1][1]=SecondElement;
    MatrixSpa[1][2]=ThirdElement;
    MatrixSpa[Dimension][Dimension-1]=FirstElement;
    MatrixSpa[Dimension][Dimension]=SecondElement;
    for(int Counter=2;Counter<Dimension;Counter++)
    {
        MatrixSpa[Counter][Counter-1]=FirstElement;
        MatrixSpa[Counter][Counter]=SecondElement;
        MatrixSpa[Counter][Counter+1]=ThirdElement;
    }
    return MatrixSpa;
}

В моем методе я преобразую матрицу в верхнюю треугольную матрицу, используя операцию элементарной строки

И определитель является произведением диагональных элементов.

Вот пример кода

#include<iostream>
#include<conio.h>
#include"Matrix.h"
int Dim;
double Matrix[9][9];
int main()
{
    cout<<"Enter matrix dimension: ";
    cin>>Dim;
    cout<<"Enter matrix elements:"<<endl;
    Input(Matrix,Dim,Dim);
    cout<<"Your matrix:"<<endl;
    Output(Matrix,Dim,Dim);
    cout<<"The determinant: "<<Determinant(Matrix,Dim)<<endl;
    getch();
}