Курсовая работа: Вычисление определителя матрицы прямым методом

При непосредственном вычислении определителей вышеприведенным способом, для отыскания решения системы линейных уравнений по правилу Крамера требуется приблизительно арифметических операций типа умножения. Использование метода исключения Гаусса позволяет уменьшить время, необходимое для решения задачи, до величины менее одной секунды.

1.3 Метод исключения Гаусса. Вычисление определителя методом исключения

Пусть дана матрица

Метод Гаусса можно интерпретировать как метод, в котором матрица приводится к верхней треугольной форме (прямой ход).

Приведем матрицу к верхней треугольной. Вычтем из второй строки первую, умноженную на такое число, при котором первый элемент второй строки обратится в нуль. То же проделаем со всеми остальными строками. В результате все элементы первого столбца, лежащие ниже главной диагонали, обратятся в нуль. Затем, используя вторую строку, обратим в нуль соответствующие элементы второго столбца. Последовательно продолжая этот процесс, приведем матрицу систему к верхней треугольной форме.

Запишем общие формулы метода Гаусса. Пусть проведено исключение к элементов из (k-1)-го столбца. Тогда останутся строки с ненулевыми элементами ниже главной диагонали.

Умножим k-ю строку на число

m > k (3)

и вычтем из m-й строки. Первый ненулевой элемент этой строки обратится в нуль, а остальные изменятся по формулам

(4)

k < m(5)

Проведя вычисления по этим формулам при всех указанных индексах, обратим в нуль элементы k-го столбца, лежащие ниже главной диагонали. Аналогичная процедура приводит матрицу системы к верхней треугольной форме, при этом весь процесс приведения называется прямым ходом метода Гаусса.

Определитель треугольной матрицы равен произведению диагональных элементов. В результате выполнения прямого хода метода исключения система линейных уравнений приводится к верхней треугольной матрице. Следовательно, определитель матрицы системы может быть вычислен как произведение диагональных элементов:

(6)

где k- количество перестановок строк при использовании метода исключения с выбором главного элемента.

На некотором шаге прямого хода может оказаться, что коэффициент но мал по сравнению с остальными элементами матрицы системы и, в частности, мал по сравнению с элементами первого столбца. Деление коэффициентов системы на малую величину может привести к значительным ошибкам округления.

Для уменьшения ошибок округления поступают следующим образом. Среди элементов первого столбца каждой промежуточной матрицы выбирают наибольший по модулю (главной) элемент и путем перестановки i-го строки со строкой, содержащей главный элемент, добиваются того, что главный элемент становится ведущим. Такая модификация метода исключения Гаусса называется методом Гаусса с выбором главного элемента. Случай появления нулевых элементов обходится при этом сам собой.

Важным достоинством данного метода, является то, что вычисление определителя требует примерно (2/3)n³ операций, что несравнимо меньше с операциями, при вычислении определителя по правилу Крамера, поэтому метод Гаусса с выбором главного элемента наиболее применим при обработке данных на компьютере.

2. АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ

2.1 Структура алгоритма и данных

Задача вычисления определителя матрицы разбивается на несколько подзадач:

1) Заполнение массива начальными данными;

2) Изменение порядка матрицы по желанию пользователя и заполнение нового массива;

3) Ввод и фильтрация вводимых пользователем данных в массив;

4) Вычисление детерминанта;

4.1) Ввод исходных данных в массив

4.2) Выбор главного элемента;

4.3) Замена строк местами;

4.4) Заполнение нового массива;

4.5) Приведение матрицы к верхнему треугольному виду;

4.6) Вычисление определителя матрицы.