C语言实现矩阵
概述
加法、减法、乘法
转置
行变换
行阶梯型
矩阵的秩
方阵的行列式
逆矩阵
头文件
注：当需要改变矩阵内容时使用指针，其他情况下不使用指针
#include
#include
#include
typedef struct{
int row; // 行
int col; // 列
float **matrix; // 元素
}matrix;
void create(matrix *m, int row, int col); // 创建
void free_matrix(matrix *m); // 释放
void init_matrix(matrix *m); // 初始化
matrix add(matrix A, matrix B); // 加法
matrix sub(matrix A, matrix B); // 减法
matrix multiply(matrix A, matrix B); // 乘法
void transpose(matrix *m); // 转置
void row_trans_swap(matrix *m, int i, int j); // 交换两行(行和列从0开始)
void row_trans_sub(matrix *m, int i, int j, float multiple); // 两行相减(第i行减去第j行的multiple倍)
void row_echelon(matrix *m); // 将矩阵转换为行阶梯型
void col_trans_swap(matrix *m, int i, int j); // 交换两列(行和列从0开始)
void col_trans_sub(matrix *m, int i, int j, float multiple); // 两列相减(第i列减去第j列的mutliple倍)
void col_echelon(matrix *m); // 将矩阵转换为列阶梯型
int rank(matrix m); // 求矩阵的秩
int inversion_number(int array[], int N); // 逆序数
float det(matrix m); // 计算方阵的行列式
float confactor(matrix m, int i, int j); // 求余子式(行和列从0开始)
float algebraic_confactor(matrix m, int i, int j); // 求代数余子式(行和列从0开始)
matrix inverse(matrix m); // 求逆矩阵
void print_matrix(matrix m); // 输出
void create(matrix *m, int row, int col){
// 声明一个矩阵
m->row = row;
m->col = col;
m->matrix = (float **)malloc(sizeof(float *)*m->row);
for(int i = 0; i < m->row; i++){
m->matrix[i] = (float *)malloc(sizeof(float)*m->col);
}
for(int i = 0; i < m->row; i++){
for(int j = 0; j < m->col; j++){
// 初始化为0
m->matrix[i][j] = 0;
}
}
}
void free_matrix(matrix *m){
for(int i = 0; i < m->row; i++){
free(m->matrix[i]);
m->matrix[i] = NULL;
}
free(m->matrix);
m->matrix = NULL;
}
void init_matrix(matrix *m){
// 初始化矩阵
printf("matrix(%d, %d) input element:\n", m->row, m->col);
for(int i = 0; i < m->row; i++){
for(int j = 0; j < m->col; j++){
scanf("%f", &m->matrix[i][j]);
}
}
}
matrix add(matrix A, matrix B){
// 判断矩阵A和矩阵B是否为同型矩阵
if(A.row != B.row || A.col != B.col){
printf("size error, matrix A's column(row) doesn't equal to matrix B's column(row)");
exit(0);
}
// 计算结果并返回
matrix result;
create(&result, A.row, A.col);
for(int i = 0; i < result.row; i++){
for(int j = 0; j < result.col; j++){
result.matrix[i][j] += A.matrix[i][j] + B.matrix[i][j];
}
}
return result;
}
matrix sub(matrix A, matrix B){
// 判断矩阵A和矩阵B是否为同型矩阵
if(A.row != B.row || A.col != B.col){
printf("size error, matrix A's column(row) doesn't equal to matrix B's column(row)");
exit(0);
}
// 计算结果并返回
matrix result;
create(&result, A.row, A.col);
for(int i = 0; i < result.row; i++){
for(int j = 0; j < result.col; j++){
result.matrix[i][j] += A.matrix[i][j] - B.matrix[i][j];
}
}
return result;
}
matrix multiply(matrix A, matrix B){
// 判断矩阵A的行与矩阵B的列是否相等
if(A.col != B.row){
printf("size error, matrix A's column doesn't equal to matrix B's row");
exit(0);
}
// 计算结果并返回
matrix result;
create(&result, A.row, B.col);
for(int i = 0; i < result.row; i++){
for(int j = 0; j < result.col; j++){
for(int k = 0; k < A.col; k++){
result.matrix[i][j] += A.matrix[i][k] * B.matrix[k][j];
}
}
}
return result;
}
void transpose(matrix *m){
// 转置
matrix temp = *m;
create(m, m->col, m->row);
for(int i = 0; i < m->row; i++){
for(int j = 0; j < m->col; j++){
m->matrix[i][j] = temp.matrix[j][i];
}
}
}
void row_trans_swap(matrix *m, int i, int j){
// 交换两行
float temp;
for(int k = 0; k < m->col; k++){
temp = m->matrix[i][k];
m->matrix[i][k] = m->matrix[j][k];
m->matrix[j][k] = temp;
}
}
void row_trans_sub(matrix *m, int i, int j, float multiple){
// 两行相减
for(int k = 0; k < m->col; k++){
m->matrix[i][k] -= m->matrix[j][k] * multiple;
if(fabs(m->matrix[i][k]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[i][k] = 0;
}
}
}
void row_echelon(matrix *m){
int i = 0;
int j = 0;
// if(m->row < m->col){
// transpose(m);
// }
while(i < m->row && j < m->col){
// 情形1：如果matrix[i][j]不为0
if(m->matrix[i][j] != 0){
// 首元素置1
float divisor = m->matrix[i][j];
for(int k = j; k < m->col; k++){
m->matrix[i][k] /= divisor;
if(fabs(m->matrix[i][k]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[i][k] = 0;
}
}
// 同一列下方元素置0
for(int k = i + 1; k < m->row; k++){
row_trans_sub(m, k, i, m->matrix[k][j]);
}
i++;
j++;
}
// 情形2：如果matrix[i][j]为0
else{
// 向下寻找matrix[k][j]不为0的行
int k;
for(k = i + 1; k < m->row; k++){
if(m->matrix[k][j] != 0){
break;
}
}
// 情形2.1：如果不存在这样的行，则继续循环，处理下一列
if(k >= m->row){
j++;
continue;
}
// 情形2.2：如果存在这样的行k，交换第i行和第k行
row_trans_swap(m, i, k);
// 后续步骤与情形1相同
float divisor = m->matrix[i][j];
for(int t = j; t < m->col; t++){
m->matrix[i][t] /= divisor;
if(fabs(m->matrix[i][t]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[i][t] = 0;
}
}
for(int t = i + 1; t < m->row; t++){
row_trans_sub(m, t, i, m->matrix[t][j]);
}
i++;
j++;
}
}
}
void col_trans_swap(matrix *m, int i, int j){
// 交换两列
float temp;
for(int k = 0; k < m->col; k++){
temp = m->matrix[k][i];
m->matrix[k][i] = m->matrix[k][j];
m->matrix[k][j] = temp;
}
}
void col_trans_sub(matrix *m, int i, int j, float multiple){
// 两列相减
for(int k = 0; k < m->col; k++){
m->matrix[k][i] -= m->matrix[k][j] * multiple;
if(fabs(m->matrix[k][i]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[k][i] = 0;
}
}
}
void col_echelon(matrix *m){
int i = 0;
int j = 0;
while(i < m->row && j < m->col){
// // 情形1：如果matrix[i][j]不为0
// if(m->matrix[i][j] != 0){
// // 首元素置1
// float divisor = m->matrix[i][j];
// for(int k = i; k < m->row; k++){
// m->matrix[k][j] /= divisor;
// if(fabs(m->matrix[k][j]) < __FLT_EPSILON__){
// m->matrix[k][j] = 0;
// }
// }
// // 同一行右方元素置0
// for(int k = j + 1; k < m->col; k++){
// col_trans_sub(m, k, j, m->matrix[i][k]);
// }
// i++;
// j++;
// }
// // 情形2：如果matrix[i][j]为0
// else{
// // 向右寻找matrix[i][k]不为0的列
// int k;
// for(k = j + 1; k < m->col; k++){
// if(m->matrix[i][k] != 0){
// break;
// }
// }
// // 情形2.1：如果不存在这样的列，则继续循环，处理下一行
// if(k >= m->col){
// i++;
// continue;
// }
// // 情形2.2：如果存在这样的列k，交换第j列和第k列
// col_trans_swap(m, j, k);
// // 后续步骤与情形1相同
// float divisor = m->matrix[i][j];
// for(int t = i; t < m->row; t++){
// m->matrix[t][j] /= divisor;
// if(fabs(m->matrix[t][j]) < __FLT_EPSILON__){
// m->matrix[t][j] = 0;
// }
// }
// for(int t = j + 1; t < m->col; t++){
// col_trans_sub(m, t, j, m->matrix[i][t]);
// }
// i++;
// j++;
// }
// 情形2：如果matrix[i][j]为0
if(m->matrix[i][j] == 0){
// 向右寻找matrix[i][k]不为0的列
int k;
for(k = j + 1; k < m->col; k++){
if(m->matrix[i][k] != 0){
break;
}
}
// 情形2.1：如果不存在这样的列，则继续循环，处理下一行
if(k >= m->col){
i++;
continue;
}
// 情形2.2：如果存在这样的列k，交换第j列和第k列
col_trans_swap(m, j, k);
}
// 情形1和2共有的步骤
// 首元素置1
float divisor = m->matrix[i][j];
for(int k = i; k < m->row; k++){
m->matrix[k][j] /= divisor;
if(fabs(m->matrix[k][j]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[k][j] = 0;
}
}
// 同一行右方元素置0
for(int k = j + 1; k < m->col; k++){
col_trans_sub(m, k, j, m->matrix[i][k]);
}
i++;
j++;
}
}
int rank(matrix m){
// 将矩阵转换为行阶梯型
row_echelon(&m);
// print_matrix(m);
// 计算矩阵的秩-->寻找对角线有多少不为0的元素
int i = 0;
int j = 0;
while(i < m.row && j < m.col){
if(m.matrix[i][j] == 0){
break;
}
i++;
j++;
}
return i;
}
int inversion_number(int *array, int N){
int res = 0;
for(int i = 0; i < N - 1; i++){
for(int j = i + 1; j < N; j++){
if(array[i] > array[j]){
res++;
}
}
}
return res;
}
// 计算行列式的辅助函数
int find(int *array, int N, int value){
// 如果在数组中查找到指定元素，返回true，否则返回false
for(int i = 0; i < N; i++){
if(value == array[i]){
return 1;
}
}
return 0;
}
// 计算行列式的辅助函数
void dfs(float *res, matrix m, int i, int j, int *cols){
// res用于保存行列式的值，m保存矩阵，i记录当前行，j记录当前列，cols记录哪些列已被选择
// 终止条件
if(i == m.row){
float temp = 1;
for(int k = 0; k < m.row; k++){
temp = temp * m.matrix[k][cols[k]];
}
*res = *res + pow(-1, inversion_number(cols, m.row)) * temp;
}
// 递归
for(int p = 0; p < m.col; p++){
// 如果第p列未被选择，则选择第p列，然后递归处理下一行
if(!find(cols, i, p)){
cols[i] = p;
dfs(res, m, i + 1, 0, cols);
// 回溯
// do nothing
}
}
}
float det(matrix m){
// 矩阵必须是方阵
if(m.row != m.col){
printf("The matrix is not square matrix(row doesn't equals to column)");
exit(0);
}
// 计算矩阵的行列式
float res = 0;
int *cols = (int *)malloc(sizeof(int)*m.row); //记录哪些列已被选择
for(int k = 0; k < m.row; k++){
cols[k] = 0;
}
// 递归
for(int k = 0; k < m.col; k++){
// 首行选择第k列，然后递归处理下一行
cols[0] = k;
dfs(&res, m, 1, 0, cols);
// 回溯
// do nothing
}
return res;
}
float confactor(matrix m, int i, int j){
// 矩阵必须是方阵
if(m.row != m.col){
printf("The matrix is not square matrix(row doesn't equals to column)");
exit(0);
}
matrix remains;
create(&remains, m.row - 1, m.col - 1);
for(int p = 0; p < remains.row; p++){
for(int q = 0; q < remains.col; q++){
if(p < i && q < j){
remains.matrix[p][q] = m.matrix[p][q];
}
else if(p < i && q >= j){
remains.matrix[p][q] = m.matrix[p][q + 1];
}
else if(p >= i && q < j){
remains.matrix[p][q] = m.matrix[p + 1][q];
}
else if(p >= i && q >= j){
remains.matrix[p][q] = m.matrix[p + 1][q + 1];
}
}
}
return det(remains);
}
float algebraic_confactor(matrix m, int i, int j){
return confactor(m, i, j)*pow(-1, i+j);
}
matrix inverse(matrix m){
matrix res;
create(&res, m.row, m.col);
for(int i = 0; i < res.row; i++){
for(int j = 0; j < res.col; j++){
res.matrix[i][j] = algebraic_confactor(m, j, i) / det(m);
}
}
return res;
}
void print_matrix(matrix m){
// 输出矩阵
for(int i = 0; i < m.row; i++){
for(int j = 0; j < m.col; j++){
printf("%f ", m.matrix[i][j]);
}
printf("\n");
}
} 测试代码
#include"../exercises/matrix.h"
int main(){
// 乘法
// matrix A, B;
// create(&A, 2, 3);
// create(&B, 3, 2);
// init_matrix(&A);
// init_matrix(&B);
// matrix result = multiply(A, B);
// free_matrix(&A);
// free_matrix(&B);
// free_matrix(&result);
// 加法
matrix A, B;
create(&A, 2, 2);
create(&B, 2, 2);
init_matrix(&A);
init_matrix(&B);
matrix result = add(A, B);
free_matrix(&A);
free_matrix(&B);
free_matrix(&result);
// 减法
// matrix A, B;
// create(&A, 2, 2);
// create(&B, 2, 2);
// init_matrix(&A);
// init_matrix(&B);
// matrix result = sub(A, B);
// free_matrix(&A);
// free_matrix(&B);
// free_matrix(&result);
// 行阶梯形
// matrix A;
// create(&A, 3, 4);
// init_matrix(&A);
// row_echelon(&A);
// free_matrix(&A);
// 矩阵的秩
// matrix A;
// create(&A, 3, 4);
// init_matrix(&A);
// int r = rank(A);
// printf("the rank of matrix is %d", r);
// free_matrix(&A);
// 矩阵的行列式
// matrix A;
// create(&A, 3, 3);
// init_matrix(&A);
// float res = det(A);
// printf("the determinant of the matrix is %f", res);
// free_matrix(&A);
// 代数余子式
// matrix A;
// create(&A, 4, 4);
// init_matrix(&A);
// // float res = confactor(A, 0, 0);
// float res = algebraic_confactor(A, 1, 1);
// printf("the factor of the matrix(determinant) is %f", res);
// free_matrix(&A);
// 逆矩阵
// matrix A;
// create(&A, 3, 3);
// init_matrix(&A);
// matrix inv = inverse(A);
// print_matrix(inv);
// free_matrix(&A);
// 矩阵的行阶梯型
// matrix A;
// create(&A, 3, 4);
// init_matrix(&A);
// row_echelon(&A);
// print_matrix(A);
// free_matrix(&A);
// 矩阵的列阶梯型
// matrix A;
// create(&A, 4, 4);
// init_matrix(&A);
// col_echelon(&A);
// print_matrix(A);
// free_matrix(&A);
return 0;
}2021/8/23修改
今天在做线性代数的习题时，发现了一处问题，就是浮点数的精度问题。由于浮点数编码是近似表示，所以会出现-0.0000的情况。
例如，在某一时刻，矩阵的某两行相同，对其中一行做了除法，另一行减去第一行的倍数，结果不等于0，而等于-0.0000。
对此，在每次对矩阵进行行变换时，增加了以下代码：
if(fabs(m->matrix[i][k]) < __FLT_EPSILON__){
m->matrix[i][k] = 0;
}感兴趣的小伙伴可以用如下所示的矩阵进行测试，输出矩阵的行阶梯形，对比修改前后的变化：
1 3 2 0
7 0 14 3
2 -1 0 1
5 1 6 2
2 -1 4 12021/8/29修改
今天在解非齐次线性方程组时发现了一个问题，那就是把行阶梯型和列阶梯型混合在一起实现。
在求增广矩阵的行阶梯型时，如果列数大于行数，我先进行了转置，再求行阶梯型，那么问题产生了。由于我先进行了转置，无法判断原矩阵的系数矩阵与增广矩阵的秩的关系，也就无法判断非齐次线性方程组是否有解。
对此，把行阶梯型和列阶梯型分开实现。
在实现列阶梯型时，发现代码有冗余，于是进行了精简，但代码的可读性降低了，所以仍然保留了之前的代码作为参考。
2022/8/19修改
增加了释放内存的代码