Организация математических операций в С++

Это обычный конструктор с параметрами, который принимает в качестве

параметров размеры матрицы и создает одномерный динамический массив

размером m*n, где m – число строк, а n – число столбцов матрицы. С целью

возможности использовать его для создания векторов, второй параметр

конструктора задан как умалчиваемый со значением 1. Для первоначальной

«инициализации» элементов матрицы нулями используется функция setmem( ).

3. Конструктор копирования Matrix(const Matrix &):

Конструктор принимает в качестве параметра ссылку на объект класса (на

существующую матрицу), определяет ее размер, выделяет для нее память и

копирует в эту память содержимое матрицы, принимаемой по ссылке. Таким

образом, создается точная копия матрицы с текущими значениями ее элементов.

4. Деструктор ~Matrix( ):

Деструктор высвобождает память, выделенную конструкторами для

элементов матрицы.

5. Функция операции присваивания "=" Matrix& operator= (Matrix&):

Данная функция сравнивает адрес передаваемого по ссылке объекта с

адресом собственного класса, чтобы не предпринялась попытка присвоит объект

самому себе. После этого создается новый массив с числом элементов, равным

числу элементов массива принимаемого по ссылке, и в этот массив заносится

содержимое принимаемого массива. Возвращается разыменованный указатель this

(return *this;).

6. Функции операций суммирования, вычитания, умножения матриц и умножения

матрицы на число:

Эти функции реализованы как дружественные функции и алгоритмы этих

функций аналогичны по своему составу. Общий вид прототипа этих функций:

friend Matrix operator @(const Matrix&, const Matrix&). Применение

дружественных функций в данном случае целесообразно для того, чтобы иметь

возможность передавать в оператор функцию объекты в любой

последовательности. В этих операторах-функциях вначале создается временный

объект типа матрица (с помощью конструктора копирования), в который

копируется первая матрица и который при выходе из функции является

возвращаемым объектом. Затем эта матрица суммируется (вычитается,

умножается) с матрицей, стоящей после знака оператора по соответствующим

правилам матричных операций. При этом для доступа к элементам матрицы и

индексирования используются перегруженные операторы вызова функции

operator( ) (dim x, dim x) и operator( ) (dim x).

7. Функция – оператор Matrix operator^ (int):

Этот оператор-функция реализован как член класса и предназначен для

возведения матрицы в степень. В случае, когда значение входного параметра

равно минус единице осуществляется вызов функции вычисления обратной

матрицы методом преобразований Гаусса, для чего разработана отдельная

функция Matrix & Gauss(dim, dim). Таким образом, использование этого

оператора позволяет решать систему линейных алгебраических уравнений в

представлении X = (A^-1)*B, где X и B –вектора неизвестных и правых частей

соответственно.

8. Функция – оператор Matrix operator ! ( ):

Оператор для определения транспонированной матрицы.

9. Функция – оператор friend VARTYPE operator %(const Matrix&, const

Matrix&):

Функция вычисления скалярного произведения векторов. В ней в начале

проверяется, являются ли передаваемые объекты векторами, а затем

вычисляется скалярное произведение.

10. Функции-члены VARTYPE determ( ) и VARTYPE vmodule( ):

Первая функция вычисляет определитель собственного объекта (матрицы).

При этом используются функция Matrix & Gauss(dim, dim). Функция VARTYPE

vmodule( ) вычисляет длину (модуль) вектора

11. Функция операции вывода friend ostream& operator>(istream&, Matrix&):

Так же как и предыдущая, данная функция не может быть членом класса, а

поэтому для доступа к приватным элементам класса объявлена "дружественной"

функцией класса. Она так же имеет два параметра: ссылку на поток, который

находится слева от знака >>, и ссылку объект, который находится слева от

знака операции, в него и будут вводиться данные из потока. Затем следует

ввод данных из потока в элементы массива и возвращается поток. Для ввода

данных из файла, нужно открыть его присоединением к потоку ifstream.

13. Функции-члены dim write(ofstream&) и dim read(ifstream&):

Функции предназначены для вывода в файл и ввода из файла матриц в из

двоичном представлении. Для этого необходимо передать в них соответствующую

ссылку на открытый файл.

14. Функция void ERROR_MATRIX(dim):

Это функция-член, которая вызывается для фиксации некоторых ошибок при

создании матриц и работе с ними, таких как отсутствие памяти,

несогласованность размеров матриц при операции умножения, попытки вычислить

отрицательную степень матрицы и т.п.

Листинг модуля с определением и реализацией класса матриц

// файл tmatr.cpp

#include

#include // для setmem()

#include

#include

typedef unsigned char dim;

template class Matrix {

typedef Matrix Vector;

private:

VARTYPE *matr; // указатель на массив матрицы

dim m,n; // размеры матрицы

public:

// конструкторы и деструкторы:

Matrix() { matr=(VARTYPE*)0; m=n=0; }

Matrix(dim,dim=1); // Обычный конструктор

Matrix(const Matrix&); // Конструктор копирования

~Matrix() { delete [ ]matr; }

// доступ к элементам матрицы

dim size_row() { return m; } // число строк

dim size_col() { return n; } // число столбцов

VARTYPE& operator() (dim x) const { return (*this)(x,0); } // элементу

// перегруженные операции и функции:

Matrix& operator=(const Matrix&);

Matrix& operator=(const VARTYPE&);

Matrix operator^(int); // возведение в степень

Matrix operator!(); // транспонирование

VARTYPE determ(); // определитель матрицы

VARTYPE vmodul(); // модуль вектора

Matrix& Gauss(dim,dim); // преобразование по Гауссу

// (для получ. обратной и единичной матрицы)

// (для получ. верхнетреугольной матрицы)

Matrix minor(dim,dim); // возвращает указ. минор матрицы

Vector line(dim i) // возвращает вектор-строку матрицы

{ return extract(1,n,i,0); }

Vector column(dim j) // возвращает вектор-столбец матрицы

{ return extract(m,1,0,j); }

VARTYPE& operator() (dim,dim) const; // доступ к

Matrix& operator& insert(const Matrix&, dim=0, dim=0); // вставить часть

матрицы

Matrix extract(dim, dim, dim=0, dim=0); // извлечь

часть матрицы

Matrix& newsize(dim, dim=1); // установить

новые размеры

void swap_line(dim, dim); //обмен строками

матрицы

void swap_column(dim, dim); // обмен столбцами

матрицы

friend Matrix operator+(const Matrix&,const

Matrix&); //A-B

friend Matrix operator-(const Matrix&,const

Matrix&); //A-B

friend Matrix operator*(const Matrix&,const

Matrix&); //A*B

friend Matrix operator*(const double&,const Matrix&); //k*A

friend Matrix operator*(const Matrix&, const double&); //A*k

friend ostream& operator&);

// потоковый вывод матрицы

friend int operator>>(istream&,Matrix&);

// потоковый ввод существ. матрицы

// 0 - без. ошибок, 1 - была ошибка

dim read(ifstream&); // файловое чтение и запись матрицы

dim write(ofstream&); // в ее внутреннем, двоичном представлении.

friend VARTYPE operator %(const Matrix&,const

Matrix&);

//Функция ошибок

void ERROR_MATRIX(dim) const;

};

// Реализация класса матриц

template

Matrix::Matrix(dim M, dim N)

{

m=M;

n=N;

matr=new VARTYPE[m*n];

if(!matr) ERROR_MATRIX(1);

setmem(matr,sizeof(VARTYPE)*m*n,0);

}

template

Matrix::Matrix(const Matrix &M_Obj) //Конструктор

копирования

{

m=M_Obj.m;

n=M_Obj.n;

matr=new VARTYPE[m*n];

if(!matr) ERROR_MATRIX(1);

movmem(M_Obj.matr, matr, sizeof(VARTYPE)*m*n);

}

template

Matrix& Matrix::operator=(const Matrix &M_Obj)

{

m=M_Obj.m;

n=M_Obj.n;

matr=new VARTYPE[m*n];

if(!matr) ERROR_MATRIX(1);

movmem(M_Obj.matr,matr,sizeof(VARTYPE)*m*n);

return *this;

}

//Диагональ?

template

Matrix& Matrix::operator=(const VARTYPE &f)

{

for(int i=0,j;i

Matrix Matrix::operator^(int q) // Степень

{

if (q>0)

{

for(Matrix M=*this; q>1; q--)

M=M*(*this);

return M;

}

if (q!=-1) ERROR_MATRIX(3);

// вычисление обратной метoдом преобразований Гаусса

if (n!=m) ERROR_MATRIX(4);

Matrix M(m,2*n);

M.insert(*this);

for(int i=0;i

Matrix Matrix::operator!() // Транспозиция

{ Matrix A(n,m);

for(int i=0, j; i

VARTYPE Matrix::determ() // рекурсивно находит определитель

матрицы

{

if (n!=m) ERROR_MATRIX(4);

if (n==1)

return (*this)(0,0);

for(int i=0; i M;

M

VARTYPE Matrix::vmodul() // Модуль вектора

{

VARTYPE d=0;

if (n!=1) ERROR_MATRIX(9);

static Matrix M;

M

Matrix& Matrix::Gauss(dim M, dim N)

{

Matrix& A=*this;

if (!A(M,N)) ERROR_MATRIX(5);

for(int i=0,j;i

Matrix Matrix::minor(dim M, dim N) // возвращ.

матрицу без

{ // строки y и столбца x

Matrix A(m-1,n-1);

for(int i=0,in=0,j,jn;i // вставка

Matrix& Matrix::insert(const Matrix &A, dim M,

dim N)

if (M+A.m>m

template // извлечение

Matrix Matrix::extract(dim LM, dim LN, dim M, dim N)

template

VARTYPE& Matrix::operator() (dim M, dim N) const

{ return *(matr+n*M+N); }

template

Matrix operator+(const Matrix &A, const

Matrix&B)

{

Matrix C=A;

for(int i=0,j; i

Matrix operator-(const Matrix &A, const Matrix

&B)

{

Matrix C=A;

for(int i=0, j; i

Matrix operator*(const Matrix &A,const Matrix

&B)

{

Matrix C(A.m,B.n);

if (A.n!=B.m)

{

if(A.m==3 && A.n==1 && B.m==3 && B.n==1)

{

C(0)=A(1)*B(2)-A(2)*B(1);

C(1)=A(2)*B(0)-A(0)*B(2);

C(2)=A(0)*B(1)-A(1)*B(0);

}

else

A.ERROR_MATRIX(2);

}

else

{

for(int i=0,j,k;i//умножение числа на матрицу

Matrix operator*(const double &f,const Matrix &A)

{

Matrix B=A;

for(int i=0,j;i// умножение матрицы на число

Matrix operator*(const Matrix &A, const double &f)

{

Matrix B=A;

for(int i=0,j;i

Matrix& Matrix::newsize(dim M, dim N)

{ delete [] matr;

m=M;

n=N;

if (N && M) { matr=new VARTYPE[m*n];

if (!matr) ERROR_MATRIX(1);

setmem(matr,sizeof(VARTYPE)*m*n,0); }

else { m=n=0; matr=(VARTYPE*)0; }

return *this;

}

template

ostream& operator &A)

{ for(int i=0,j;i

int operator>>(istream &inp,Matrix &A)

{ for(int i=0,j;i>A(i,j)) ) return 1;

return 0;

}

template

void Matrix::swap_line(dim L1, dim L2)

{

if (L1==L2)

return;

double b;

for(int j=0;j

void Matrix::swap_column(dim C1, dim C2)

{

if (C1==C2)

return;

double b;

for(int i=0;i

dim Matrix::read(ifstream &finp)

{ (finp.get(m)).get(n); delete []matr; matr=new VARTYPE[m*n];

if(!matr) ERROR_MATRIX(1);

setmem(matr,sizeof(VARTYPE)*m*n,0);

finp.read((char *)matr,sizeof(VARTYPE)*m*n); return finp.fail();

}

template

dim Matrix::write(ofstream &fout)

{ (fout.put(m)).put(n);

(fout.write((char *)matr,sizeof(VARTYPE)*m*n))

VARTYPE operator%(const Matrix &A, const Matrix&B)

for(int i=0; i

void Matrix::ERROR_MATRIX(dim E) const

{ static char *message[] = {

"Матрицы должны иметь одинаковую размерность", //0

"Не выделена память!", //1

"Матрицы не согласованы для умножения", //2

"Степень должна быть больше нуля или -1", //3

"Матрица должна быть квадратной", //4

"Нулевой ведущий элемент в преобразовании Гаусса", //5

"Вставка невозможна из-за перекрытия базовой матрицы", //6

"Извлекаемая матрица выходит за границы базовой", //7

"Выход за границы. Попытка доступа к несущ. элементу", //8

"Это не вектор!"}; //9

cerr

#include

#include

#include "tmatr.cpp"

int main()

{

clrscr();

Matrix A(3,3), B(3,3), C(3,3);

Matrix V(3),X(3),H(3),U(3);

double d;

A(0,0)=1.1; A(0,1)=2.2; A(0,2)=3.3;

A(1,0)=2.4; A(1,1)=1.1; A(1,2)=4.4;

A(2,0)=1.3; A(2,1)=2.1; A(2,2)=4.1;

B(0,0)=2; B(0,1)=7; B(0,2)=2;

B(1,0)=4; B(1,1)=8; B(1,2)=1;

B(2,0)=6; B(2,1)=4; B(2,2)=1;

V(0)=2.1; V(1)=3.31; V(2)=1.4;

H(0)=1.1; H(1)=2.1; H(2)=3.1;

//******************************

C=A+B;

cout D(3,3), E(3,3);

D(0,0)=1; D(0,1)=2; D(0,2)=3;

D(1,0)=2; D(1,1)=5; D(1,2)=6;

D(2,0)=7; D(2,1)=3; D(2,2)=9;

ofstream fout("test.mtr");

if(!fout)

{

cout<<"file not open\n";

return 1;

}

D.write(fout);

fout.close();

ifstream fin("test.mtr");

if(!fin)

{

cout<<"file not open\n";

return 1;

}

E.read(fin); //й су«їtЎ«ј уїсС

cout<<"D:\n";

cout<

cout<<"E:\n";

cout<

fin.close();

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//************************************

C=A^-1;

cout<<"A:\n"<

cout<<"C=A^-1:\n"<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//****************************

// A*X=V X=(A^-1)*V

X=(A^-1)*V;

cout<<"A^-1:\n"<<(A^-1)<

cout<<"V:\n"<

cout<<"X:\n"<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//************************************

d=A.determ();

cout<<"determinant of A = "<

d=V.vmodul();

cout<<"modul of V = "<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//************************************

V(0)=4; V(1)=3; V(2)=2;

U(0)=1; U(1)=2; U(2)=3;

d=V%U;

cout<<"scalar product V*U= "<< d<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//************************************

C=!A;

cout<<"A:\n"<

cout<<"C=!A:\n"<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

C=5*A;

B=A*2;

cout<<"A:\n"<

cout<<"C=5*A:\n"<

cout<<"B=A*2:\n"<

cout<<"Press any key...\n";

getch();

clrscr();

//************************************

//************************************

return 0;

Результаты тестирования класса Matrix

Сложение матриц A и B:

A: B: C=A+B:

1.1 2.2 3.3 2 7 2 3.1 9.2 5.3

2.4 1.1 4.4 4 8 1 6.4 9.1 5.4

1.3 2.1 4.1 6 4 1 7.3 6.1 5.1

Вычитание матриц A и B:

A: B: C=A-B:

1.1 2.2 3.3 2 7 2 -0.9 -4.8 1.3

2.4 1.1 4.4 4 8 1 -1.6 -6.9 3.4

1.3 2.1 4.1 6 4 1 -4.7 -1.9 3.1

Сложение матриц A и B:

A: B: C=A*B:

1.1 2.2 3.3 2 7 2 30.8 38.5 7.7

2.4 1.1 4.4 4 8 1 35.6 43.2 10.3

1.3 2.1 4.1 6 4 1 35.6 42.3 8.8

Сложение векторов

V:

2.1

3.31

1.4

H:

1.1

2.1

3.1

X=V+H

3.2

5.41

4.5

Вычитание векторов

V:

2.1

3.31

1.4

H:

1.1

2.1

3.1

X=V-H:

1

1.21

-1.7

Умножение матрицы на вектор

A:

1.1 2.2 3.3

2.4 1.1 4.4

1.3 2.1 4.1

V:

2.1

3.31

1.4

C=A*V:

14.212

14.841

15.421

Запись матрицы в файл

D:

1 2 3

2 5 6

7 3 9

Считывание матрицы из файла

E:

1 2 3

2 5 6

7 3 9

Вычисление обратной матрицы

A:

1.1 2.2 3.3

2.4 1.1 4.4

1.3 2.1 4.1

C=A^-1:

2.009346 0.88785 -2.570093

1.750212 -0.093458 -1.308411

-1.53356 -0.233645 1.728972

Решение алгебраического уравнения

A^-1:

2.009346 0.88785 -2.570093

1.750212 -0.093458 -1.308411

-1.53356 -0.233645 1.728972

V:

2.1

3.31

1.4

X:

3.56028

1.534325

-1.57328

Определение детерминанта матрицы

determinant of A = -2.354

Определение длины (модуля) вектора

modul of V = 4.162463

Вычисление скалярного произведения векторов

scalar product V*U= 16

ВЫВОД

В результате выполнения курсового проекта были разработаны два класса

функций для решения простейших задач линейной алгебры. Число этих функций

сравнительно невелико, однако можно легко добавить в эти классы более

сложные функции, построенные на базе уже имеющихся. Классы позволяют

работать с матрицами и векторами, элементы которых могут быть любого типа,

однако на практике чаще всего используется целый тип и тип чисел с

плавающей запятой.

Классы написаны на языке С++, однако могут быть легко переписаны на любом

из современных языков программирования, так как приведены довольно простые

алгоритмы всех компонентных функций. Были максимально предусмотрены все

возможные ошибки, которые могут возникнуть при использовании функций данных

классов. Особое внимание уделялось разумному выделению памяти под объекты

во время выполнения программы, поэтому все функции были тщательно отлажены.

Классы Matrix и Vector могут быть эффекивно применены на практике в

задачах, требующих операций с матрицами и векторами, а также связанных с

решением систем линейных алгебраических уравнений.

Список использованной литературы

1. Дискретная математика, конспект лекций. В. Г. Засовенко. Запорожье,

1998 г.

2. Начальный курс С и С++. Б. И. Березин. Москва: "ДИАЛОГ-МИФИ", 1999

г.

3. Язык программирования С++. Б. Страуструп. Киев:"ДиаСофт", 1993 г.

-----------------------

Объектно-ориентированное программирование

Библиотечные способы для решения задач линейной алгебры

радиотехники

Страницы: 1, 2