C#計算矩陣的秩實例分析

更新時間：2015年08月13日 09:44:33 作者：北風其涼

這篇文章主要介紹了C#計算矩陣的秩實現(xiàn)方法,以實例形式較為詳細的分析了C#計算矩陣秩的原理與實現(xiàn)技巧,具有一定參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下

本文實例講述了C#計算矩陣的秩的方法。分享給大家供大家參考。具體如下：

1.代碼思路

計算矩陣的秩，即把矩陣進行行初等變換，得出的行最簡矩陣的非零行數(shù)。過程如下
1）將矩陣各行按第一個非零元素出現(xiàn)的位置升序排列（Operation1函數(shù)）
2）查看矩陣是否為行最簡矩陣（isFinished函數(shù)），是則到第6步，不是則到第3步
3）如果有兩行第一個非零元素出現(xiàn)的位置相同，則做消法變換，讓下面行的第一個非零元素位置后移（Operation2函數(shù)）
4）將矩陣各行按第一個非零元素出現(xiàn)的位置升序排列（Operation1函數(shù)）
5）返回第2步
6）判斷誤差，對趨近與0的元素（如1E-5）按0處理，以免在第7步誤判（Operation3函數(shù)）
7）統(tǒng)計非零行的數(shù)目（Operation4函數(shù)），即為矩陣的秩

2.函數(shù)代碼

（注：本段代碼只實現(xiàn)了一個思路，可能并不是該問題的最優(yōu)解）

/// <summary>
/// 計算矩陣的秩
/// </summary>
/// <param name="matrix">矩陣</param>
/// <returns></returns>
private static int Rank(double[][] matrix)
{
  //matrix為空則直接默認已經(jīng)是最簡形式
  if (matrix == null || matrix.Length == 0) return 0;
  //復(fù)制一個matrix到copy，之后因計算需要改動矩陣時并不改動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];
    }
  }
  //先以最左側(cè)非零項的位置進行行排序
  Operation1(copy);
  //循環(huán)化簡矩陣
  while (!isFinished(copy))
  {
    Operation2(copy);
    Operation1(copy);
  }
  //過于趨近0的項，視作0，減小誤差
  Operation3(copy);
  //行最簡矩陣的秩即為所求
  return Operation4(matrix);
}
/// <summary>
/// 判斷矩陣是否變換到最簡形式（非零行數(shù)達到最少）
/// </summary>
/// <param name="matrix"></param>
/// <returns>true:</returns>
private static bool isFinished(double[][] matrix)
{
  //統(tǒng)計每行第一個非零元素的出現(xiàn)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現(xiàn)位置必須在前面行的后面，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（按左側(cè)最前非零位位置自上而下升序排列）
/// </summary>
/// <param name="matrix">矩陣</param>
private static void Operation1(double[][] matrix)
{
  //統(tǒng)計每行第一個非零元素的出現(xiàn)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現(xiàn)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>
/// 行初等變換（左側(cè)最前非零位位置最靠前的行，只保留一個）
/// </summary>
/// <param name="matrix">矩陣</param>
private static void Operation2(double[][] matrix)
{
  //統(tǒng)計每行第一個非零元素的出現(xiàn)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>
/// 將和0非常接近的數(shù)字視為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>
/// 計算行最簡矩陣的秩
/// </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;
    //查看當前行有沒有0
    for (int j = 0; j < matrix[0].Length; j++)
    {
      if (matrix[i][j] != 0)
      {
        isAllZero = false;
        break;
      }
    }
    //若第i行全為0，則矩陣的秩為i
    if (isAllZero)
    {
      rank = i;
      break;
    }
  }
  //滿秩矩陣的情況
  if (rank == -1)
  {
    rank = matrix.Length;
  }
  return rank;
}

3.Main函數(shù)調(diào)用

static void Main(string[] args)
{
  //示例矩陣1：秩為3
  double[][] matrix1 = new double[][] 
  {
    new double[] { 1, 1, 1 },
    new double[] { 1, 1, 0 },
    new double[] { 0, 1, 1 } 
  };
  Console.WriteLine(Rank(matrix1));
  //示例矩陣2：秩為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));
  //示例矩陣3：秩為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.執(zhí)行結(jié)果