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このブログは自作の自宅サーバに構築した Debian GNU/Linux で運用しています。
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ブログ開設日2009-01-05
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Ruby - 連立方程式解法(ガウス・ジョルダン(ピボット選択)法)!

[ プログラミング, 数学 ] [ Ruby ]

こんばんは。

先日は、連立方程式を「ガウス・ジョルダン法」で解くアルゴリズムを Ruby で実装したことを紹介しました。

また、前回は連立方程式を「ガウス・ジョルダン法」を応用した「ガウス・ジョルダン(ピボット選択)法」で解くアルゴリズムを C++ で実装してみました。

そして、今回はその「ガウス・ジョルダン(ピボット選択)法」で解くアルゴリズムを Ruby で実装してみました。

以下、Ruby によるサンプルスクリプトです。

記録

0. 前提条件

1. Ruby スクリプト作成

今回作成した Ruby ソースは以下の通りです。

gauss_jorden_pivot.rb
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#***********************************************************
# 連立方程式の解法 ( ガウス・ジョルダン(ピボット選択)法 ) 
#***********************************************************
#
class GaussJordenPivot
  def initialize
    # 係数
    @a = [
      #[ 2, -3,  1,  5],
      #[ 1,  1, -1,  2],
      #[ 3,  5, -7,  0]
      [ 1, -2,  3, -4,  5],
      [-2, -5, -8, -3, -9],
      [ 5,  4,  7,  1, -1],
      [ 9,  7,  3,  5,  4]
    ]
    # 元の数
    @n = @a.size
  end

  # 計算・結果出力
  def calc
    begin
      # 元の連立方程式をコンソール出力
      display_equations

      0.upto(@n - 1) do |k|
        # 行入れ替え
        max = 0; s = k
        k.upto(@n - 1) do |j|
          if @a[j][k].abs > max
             max = @a[j][k].abs
             s = j
          end
        end
        if max == 0
          puts "解けない!"
          exit 1
        end
        0.upto(@n) do |j|
          dummy   = @a[k][j]
          @a[k][j] = @a[s][j]
          @a[s][j] = dummy
        end

        # ピボット係数
        p = @a[k][k]

        # ピボット行を p で除算
        k.upto(@n) {|j| @a[k][j] = @a[k][j] / p.to_f}

        # ピボット列の掃き出し
        0.upto(@n - 1) do |i|
          unless i == k
            d = @a[i][k]
            k.upto(@n) {|j| @a[i][j] = @a[i][j] - d * @a[k][j]}
          end
        end
      end

      # 結果出力
      display_answers
    rescue => e
      STDERR.puts "[ERROR][#{self.class.name}.calc] #{e}"
      exit 1
    end
  end

private

  # 元の連立方程式をコンソール出力
  def display_equations
    begin
      0.upto(@n - 1) do |i|
        0.upto(@n - 1) {|j| printf("%+dx%d ", @a[i][j], j + 1)}
        printf("= %+d\n", @a[i][@n])
      end
    rescue => e
      STDERR.puts "[ERROR][#{self.class.name}.display_equations] #{e}"
      exit 1
    end
  end

  # 結果出力
  def display_answers
    begin
      0.upto(@n - 1) {|k| printf("x%d = %f\n", k + 1, @a[k][@n])}
    rescue => e
      STDERR.puts "[ERROR][#{self.class.name}.display_answers] #{e}"
      exit 1
    end
  end
end

# メイン処理
begin
  # 計算クラスインスタンス化
  obj_calc = GaussJordenPivot.new

  # 連立方程式を解く(ガウス・ジョルダン(ピボット選択)法)
  obj_calc.calc
rescue => e
  puts "[例外発生] #{e}"
end

2. 実行

実際に、次の連立方程式を解いてみる。

EQUATION_2

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$ ruby gauss_jorden_pivot.rb
+1x1 -2x2 +3x3 -4x4 = +5
-2x1 -5x2 -8x3 -3x4 = -9
+5x1 +4x2 +7x3 +1x4 = -1
+9x1 +7x2 +3x3 +5x4 = +4
x1 = 91.000000
x2 = -349.000000
x3 = 96.000000
x4 = 268.000000

「ガウス・ジョルダン法」に少しだけ処理を追加した程度の内容です。
色々と数値を変えてみたり、元の数を増やしてみるのもよいでしょう。

以上。

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