计算方法实验四:C++实现矩阵的奇异值分解

任务

生成一个4 × 3的随机矩阵A,应用Jacobi方法求解矩阵 A A T \mathbf{AA^T} AAT的特征值,计算矩阵A的SVD分解。要求A的每个元素均为[0; 1]区间内的随机数。

算法

  1. Jacobi方法求矩阵 A A T \mathbf{AA^T} AAT的特征值;
  2. A A T \mathbf{AA^T} AAT的特征值从大到小排序后,用高斯消元法求解每个特征值对应的特征向量并归一化,然后转置为列向量组,得到 U 4 × 4 \mathbf{U}_{4\times4} U4×4;
  3. 矩阵 Σ 4 × 3 \mathbf{\Sigma}_{4\times3} Σ4×3的主对角元为 A A T \mathbf{AA^T} AAT的非零特征值的算术平方根(本题中仅考虑了实数情况),其余位置全为0;
  4. 矩阵 V T 3 × 3 \mathbf{V^T}_{3\times3} VT3×3每行即 U T \mathbf{U^T} UT A \mathbf{A} A对应行除以 Σ \mathbf{\Sigma} Σ对应的主对角元。

注:理论上 A A T \mathbf{AA^T} AAT A T A \mathbf{A^TA} ATA的非零特征值相同,但是程序计算出的结果会有一些差异,因此 Σ \mathbf{\Sigma} Σ的主对角元不能取 A T A \mathbf{A^TA} ATA的特征值的算术平方根, U T \mathbf{U^T} UT的每行元素也不能直接取 A T A \mathbf{A^TA} ATA的特征向量,而要按第4步所述计算,详情请参考这篇论文。

代码

主函数

int main()
{vector<vector<long double>> A = generateRandomMatrix(4, 3);cout << "A: " << endl;for(int i = 0; i < 4; i++){for(int j = 0; j < 3; j++)cout << A[i][j] << " ";cout << endl;}cout << endl;vector<vector<long double>> AT = calAT(A);vector<vector<long double>> AAT = multiplyMatrices(A, AT);int n1 = AAT.size();int n2 = A[0].size();vector<long double> x =calEigenValue(AAT);sort(x.begin(), x.end());reverse(x.begin(), x.end());vector<vector<long double>> U = calAT(Normalization(calEigenVector(AAT, x)));cout << "U: " << endl;for(int i = 0; i < n1; i++){for(int j = 0; j < n1; j++)cout << U[i][j] << " ";cout << endl;}cout << endl;vector<vector<long double>> Sigma1 = calSigma(x, n1, n2);cout << "Sigma: " << endl;for(int i = 0; i < n1; i++){for(int j = 0; j < n2; j++)cout << Sigma1[i][j] << " ";cout << endl;}cout << endl;vector<vector<long double>> VT = calculateVT(U, A, Sigma1, n2);cout << "VT: " << endl;for(int i = 0; i < n2; i++){for(int j = 0; j < n2; j++)cout << VT[i][j] << " ";cout << endl;}return 0;
}

生成一个具有指定行数和列数的随机矩阵

vector<vector<long double>> generateRandomMatrix(int rows, int cols) {random_device rd;//随机数种子mt19937 gen(rd());//使用 rd 生成的随机数来初始化一个mt19937类型的随机数生成器 genuniform_real_distribution<> dis(0.0, 1.0);//创建一个均匀实数分布 disvector<vector<long double>> matrix(rows, vector<long double>(cols));for (int i = 0; i < rows; ++i)for (int j = 0; j < cols; ++j)matrix[i][j] = dis(gen);//生成随机数return matrix;
}

找到矩阵 A 中非对角元中绝对值最大的元素,并返回其位置

pair<int, int> chooseMax(vector<vector<long double>> A)
{long double max = 0;pair<int, int> maxPos;int n = A.size();for(int i = 0; i < n; i++)for(int j = 0; j < n; j++)if(i != j && fabsl(A[i][j]) > max){max = fabsl(A[i][j]);maxPos = make_pair(i, j);}return maxPos;
}

计算矩阵 A 的转置

vector<vector<long double>> calAT(vector<vector<long double>> A)
{int n1 = A.size();int n2 = A[0].size();vector<vector<long double>> AT(n2, vector<long double>(n1));for(int i = 0; i < n1; i++)for(int j = 0; j < n2; j++)AT[j][i] = A[i][j];return AT;
}

计算两个矩阵的乘积

vector<vector<long double>> multiplyMatrices(const vector<vector<long double>> A, const vector<vector<long double>> B) {int n1 = A.size();int n2 = B[0].size();int n3 = A[0].size();vector<vector<long double>> result(n1, vector<long double>(n2, 0.0));for(int i = 0; i < n1; i++) {for(int j = 0; j < n2; j++) {for(int k = 0; k < n3; k++) {result[i][j] += A[i][k] * B[k][j];}}}return result;
}

计算矩阵 Q^T * A * Q

vector<vector<long double>> calQTAQ(vector<vector<long double>> A)
{int n = A.size();pair<int, int> maxPos = chooseMax(A);int row = maxPos.first;int col = maxPos.second;long double s = (A[col][col] - A[row][row]) / (2 * A[row][col]);long double t = 0;if(s == 0)t = 1;else if(abs(-s + sqrt(1 + s * s)) <= abs(-s - sqrt(1 + s * s)))t = -s + sqrt(1 + s * s);elset = -s - sqrt(1 + s * s);long double c = 1 / sqrt(1 + t * t);long double d = t * c;vector<vector<long double>> QTAQ(n, vector<long double>(n));for(int i = 0; i < n; i++)for(int j = 0; j < n; j++)QTAQ[i][j] = calculateElement(A, i, j, row, col, t, c, d);return QTAQ;
}// 计算矩阵Q^T * A * Q的每个元素,使用给定的参数 p, q, t, c, d
long double calculateElement(const vector<vector<long double>> A, int i, int j, long double p, long double q, long double t, long double c, long double d) {if (i == p && j == p)return A[p][p] - t * A[p][q];else if (i == q && j == q)return A[q][q] + t * A[p][q];else if ((i == p && j == q) || (i == q && j == p))return 0;else if (i != q && i != p && (j == p || j == q))return (j == p ? c : d) * A[p][i] - (j == p ? d : (-c)) * A[q][i];else if ((i == p || i == q) && j != q && j != p)return (i == p ? c : d) * A[p][j] - (i == p ? d : (-c)) * A[q][j];elsereturn A[i][j];
}

判断Jacobi方法是否满足结束条件

int judgeEnd(vector<vector<long double>> A)
{int i, j;int n = A.size();for(i = 0; i < n; i++)for(j = 0; j < n; j++)if(i != j && fabsl(A[i][j]) >= 1e-6)return 0;if(i == n && j == n) return 1;
}

Jacobi方法计算矩阵 A 的特征值

vector<long double> calEigenValue(vector<vector<long double>> A)
{int n = A.size();vector<long double> eigenValue(n);vector<vector<long double>> QTAQ= calQTAQ(A);int i, j;while(!judgeEnd(QTAQ))QTAQ = calQTAQ(QTAQ);for(i = 0; i < n; i++)eigenValue[i] =QTAQ[i][i];return eigenValue;
}

使用给定的特征值计算矩阵 A 的特征向量

vector<vector<long double>> calEigenVector(vector<vector<long double>> A, vector<long double> eigenValue)
{int n = A.size();int num = 0;vector<vector<long double>> x(n, vector<long double>(n));vector<vector<long double>> tempMartix(n, vector<long double>(n));vector<vector<long double>> eigenVector(n, vector<long double>(n));for(int k = 0; k < n; k++){for(int i = 0; i < n; i++)for(int j = 0; j < n; j++)i == j ? tempMartix[i][j] = A[i][j] - eigenValue[k] : tempMartix[i][j] = A[i][j];vector<vector<long double>> B = Column_Elimination(tempMartix);int cnt = 0;//记录消元后全为0的行数for(int i = 0; i < n; i++){for(int j = 0; j < n; j++){if(fabsl(B[i][j]) > 1e-7)break;else if(j == n - 1)cnt++;}}vector<vector<long double>> result = solve(B, cnt);for(int i = 0; i < cnt; i++)copy(result[i].begin(), result[i].end(), x[num + i].begin());num += cnt;}return x;
}

求解有无穷多解的线性方程组

// 对矩阵A进行列主元化成上三角
vector<vector<long double>> Column_Elimination(vector<vector<long double>> A)
{int n = A.size();vector<vector<long double>> Temp(n, vector<long double>(n));for(int i = 0; i < n; i++)for(int j = 0; j < n; j++)Temp[i][j] = A[i][j];for(int col = 0; col < n; col++){long double maxnum = abs(Temp[col][col]);int maxrow = col;for(int row = col + 1; row < n; row++){if(abs(Temp[row][col]) > maxnum){maxnum = abs(Temp[row][col]);maxrow = row;}}swap(Temp[col], Temp[maxrow]);for(int row = col + 1; row < n; row++){long double res = Temp[row][col] / Temp[col][col];for(int loc = col; loc < n; loc++)Temp[row][loc] -= Temp[col][loc] * res; }}return Temp;
}// 求解系数矩阵为上三角矩阵A,且A的行列式不为0的线性方程组
vector<long double> SolveUpperTriangle(vector<vector<long double>> A, vector<long double> b)
{int n = A.size();vector<long double> x(n);vector<vector<long double>> Temp(n, vector<long double>(n+1));for(int i = 0; i < n; i++)for(int j = 0; j < n; j++)Temp[i][j] = A[i][j];for(int i = 0; i < n; i++)Temp[i][n] = b[i];for(int row = n-1; row >= 0; row--){for(int col = row + 1; col < n; col++){Temp[row][n] -= Temp[col][n] * Temp[row][col] / Temp[col][col];Temp[row][col] = 0;}Temp[row][n] /= Temp[row][row];Temp[row][row] = 1;}for(int i = 0; i < n; i++)x[i] = Temp[i][n];return x;
}// 解系数矩阵为上三角矩阵 A 的线性方程组,且A全为0的行数为 cnt
vector<vector<long double>> solve(vector<vector<long double>> A, int cnt)
{int n = A.size();vector<vector<long double>> x(cnt, vector<long double>(n));vector<vector<long double>> Temp(n-cnt, vector<long double>(n-cnt));vector<long double> Tempb(n-cnt);for(int i = 0; i < cnt; i++){for(int j = n - 1; j >= n - cnt; j--){if(j >= n - i)x[i][j] = 0;elsex[i][j] = 1;}}for(int i = 0; i < n - cnt; i++)for(int j = 0; j < n - cnt; j++)Temp[i][j] = A[i][j];for(int i = 0; i < cnt; i++){for(int j = n - cnt - 1; j >=  0; j--){Tempb[j] = 0;for(int k = 0; k < cnt; k++)Tempb[j] -= A[j][n- cnt + k] * x[i][n- cnt + k];}vector<long double> res = SolveUpperTriangle(Temp, Tempb);for(int j = 0; j < n - cnt; j++)x[i][j] = res[j];}return x;
}

使用给定的特征值 x 和矩阵的行数 n1 和列数 n2,计算 Sigma 矩阵

vector<vector<long double>> calSigma(vector<long double> x, int n1, int n2)
{vector<vector<long double>> Sigma(n1, vector<long double>(n2));for(int i = 0; i < min(n1, n2); i++)Sigma[i][i] = sqrt(x[i]);return Sigma;
}

计算向量 x 的欧几里得范数

long double EuclideanNorm(vector<long double> x)
{long double norm = 0;for(int i = 0; i < x.size(); i++)norm += x[i] * x[i];return sqrt(norm);
}

对矩阵 A 进行归一化

vector<vector<long double>> Normalization(vector<vector<long double>> A)
{int rows = A.size();for(int i = 0; i < rows; i++){long double norm = EuclideanNorm(A[i]);int cols = A[i].size();for(int j = 0; j < cols; j++)A[i][j] /= norm;}return A;
}

计算 VT 矩阵

vector<vector<long double>> calculateVT(const vector<vector<long double>>& U, const vector<vector<long double>>& A, const vector<vector<long double>>& Sigma1, int n2) {vector<vector<long double>> UTA = multiplyMatrices(calAT(U), A);vector<vector<long double>> VT(n2, vector<long double>(n2));for(int i = 0; i < n2; i++)for(int j = 0; j < n2; j++)VT[i][j] = UTA[i][j]/Sigma1[i][i];return VT;
}

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/814926.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

如何在Linux部署MeterSphere并实现公网访问进行远程测试工作

文章目录 前言1. 安装MeterSphere2. 本地访问MeterSphere3. 安装 cpolar内网穿透软件4. 配置MeterSphere公网访问地址5. 公网远程访问MeterSphere6. 固定MeterSphere公网地址 前言 MeterSphere 是一站式开源持续测试平台, 涵盖测试跟踪、接口测试、UI 测试和性能测试等功能&am…

手写一个民用Tomcat (04)

我们继续来 写 Tomcat 这次我们做优化&#xff0c;先看一下一个标准的http 协议 GET /servlet/com.yixin.HelloWorldServlet HTTP/1.1 Host: localhost:8080 Connection: keep-alive sec-ch-ua: "Microsoft Edge";v"123", "Not:A-Brand";v&quo…

L1 【哈工大_操作系统】什么是操作系统

从本期开始&#xff0c;笔者将出一系列哈工大的《操作系统》课堂要点笔记&#xff0c;该课程应该算得上是国内最好的操作系统课程之一&#xff0c;也是哈工大CS课程含金量最高的课程之一。尤其是对于想学习国外课程《MIT 6.S081》《MIT 6.828》又基础不足的同学&#xff0c; 特…

Mathorcup 甲骨文识别

本资源主要包含第2-4问&#xff0c;第一问直接使用传统图像处理即可&#xff0c;需要有很多步骤&#xff0c;这一步大家自己写就行。 2 第2问&#xff0c;甲骨文识别 2.1 先处理源文件 原文件有jpg和json文件&#xff0c;都在一个文件夹下&#xff0c;需要对json文件进行处理…

[SystemVerilog]常见设计模式/实践

常见设计模式/实践 RTL 设计&#xff08;尤其是 ASIC&#xff09;的最终目标是制作出最小、最快的电路。为此&#xff0c;我们需要了解综合工具如何分析和优化设计。此外&#xff0c;我们还关注仿真速度&#xff0c;因为等待测试运行实际上是在浪费工程精力。虽然综合和仿真工…

YOLOv9最新改进系列:YOLOv9云服务器环境搭建-包百分百跑通!

YOLOv9最新改进系列&#xff1a;YOLOv9最新改进系列&#xff1a;YOLOv9云服务器环境搭建-包百分百跑通&#xff01; YOLOv9原文链接戳这里&#xff0c;原文全文翻译请关注B站Ai学术叫叫首er B站全文戳这里&#xff01; v8 v9 详细的改进教程以及源码&#xff0c;戳这&#x…

基于STC12C5A60S2系列1T 8051单片机的带字库液晶显示器LCD12864数据传输并行模式显示图像应用

基于STC12C5A60S2系列1T 8051单片机的液晶显示器LCD12864显示图像应用 STC12C5A60S2系列1T 8051单片机管脚图STC12C5A60S2系列1T 8051单片机I/O口各种不同工作模式及配置STC12C5A60S2系列1T 8051单片机I/O口各种不同工作模式介绍液晶显示器LCD12864简单介绍一、LCD12864点阵型液…

【面试】项目经理常见面试题

1、项目经理的能力和职能&#xff1f; 作为一个项目经理&#xff0c;我的主要能力和职能包括以下几个方面&#xff1a; 项目规划与管理&#xff1a;根据项目需求制定详尽的项目计划&#xff0c;包括时间表、资源分配、预算控制以及风险管理计划。确保项目在预定时间内按照既定…

2024最方便申请SSL证书方法介绍

申请SSL证书其实就像你去官方机构办个身份证&#xff0c;证明你的网站是合法且安全的。这里给你白话一点的简单步骤&#xff1a; 步骤一&#xff1a;确定需求 1. 域名&#xff1a;确保你有一个要申请证书的域名&#xff0c;就是你的网站地址&#xff0c;比如 www.example.com。…

MySQL Innodb中 可重复读隔离级别是否能完全规避幻读

一、MySQL 可重复读隔离级别下的幻读 在 MySQL Innodb引擎可重复读隔离级别下&#xff0c;已经尽可能最大程度的规避幻读的问题了&#xff0c;使得大多数情况下&#xff0c;重复读都是可以得到一致的结果。 针对于读数据&#xff0c;可以大致分为两种模式&#xff0c;快照读&…

网络篇12 | 链路层 ARP

网络篇12 | 链路层 ARP 01 简介1&#xff09;工作过程2&#xff09;ARP缓存2.1 动态ARP表项2.2 静态ARP表项2.3 短静态ARP表项2.4 长静态ARP表项 02 ARP报文格式1&#xff09;ARP请求报文格式2&#xff09;ARP响应报文格式3&#xff09;套一层以太网帧&#xff08;ARP帧&#x…

熟悉数电知识

23.数电 1. 建立时间、保持时间 建立时间setup time&#xff1a;时钟上升沿到来之前&#xff0c;输入端数据已经来到并稳定持续的时间。 保持时间hold time&#xff1a;时钟上升沿到来之后&#xff0c;传输端数据保持稳定并持续的时间。 2.二分频电路 每当输入一个时钟信号…

关于时频分析的一些事-答知乎问(一)

从信号的时频谱图中可以提取什么特征&#xff1f; 基于时频谱图的特征一般包括能量特征、时域和频域拓展特征以及时频内禀特征。 基于时频图的能量特征 基于时频图的特征中&#xff0c;能量特征是最简单的一种&#xff0c;通过分析时频谱图中的能量分布特性而获取信号的时频…

c-结构体内存对齐,位段

首先就是解释为什么要这么处理&#xff1a;处理器在处理已经对齐的变量时只需要一次就能够读取&#xff0c;而没对齐时可能就需要将该变量读取两次&#xff0c;&#xff08;既4个字节&#xff0c;读了前三个字节&#xff0c;还剩一个字节就需要再读取一次&#xff09; 接着说一…

Gitlab全量迁移

Gitlab全量迁移 一、背景1.前提条件 一、背景 公司研发使用的Gitlab由于服务器下架需要迁移到新的Gitlab服务器上。Gitlab官方推荐了先备份然后再恢复的方法。个人采用官方的另外一种方法&#xff0c;就写这篇文章给需要的小伙伴参考。 源Gitlab: http://old.mygitlab.com #地…

算法库应用- 表的自然链接

功 能: 设计算法,将两个单链表数组的特定位序, 相同者,链接起来 编程人: 王涛 详细博客:https://blog.csdn.net/qq_57484399/article/details/127161982 时 间: 2024.4.14 版 本: V1.0 V1.0 main.cpp /***************************************** 功 能: 设计算法,将两个…

Linux:环境基础开发工具使用

文章目录 前言1.Linux下的软件安装1.1 什么是软件包1.2 如何安装软件1.3 如何卸载软件 2.vim2.1 vim的基本概念2.2 vim的基本操作2.3 vim正常模式命令集2.4 vim末行模式命令集2.5 vim的操作总结 3.Linux下的编译器&#xff1a;gcc3.1 gcc的使用3.2 gcc是如何工作的3.2.1 预处理…

嵌入式学习54-ARM3(中断和时钟)

S3c2440中断控制器 内部外设&#xff1a; DMA &#xff1a;&#xff08;直接内存存取&#xff09; Direct Memor…

git 批量更改提交者邮箱规避 GH007 private email address 问题

问题描述 有时我们在推送提交时&#xff0c;会看到如下报错 remote: error: GH007: Your push would publish a private email address. remote: You can make your email public or disable this protection by visiting: remote: http://github.com/settings/emails这是因为…

基于Linux定时任务实现的MySQL周期性备份

1、创建备份目录 sudo mkdir -p /var/backups/mysql/database_name2、创建备份脚本 sudo touch /var/backups/mysql/mysqldump.sh# 用VIM编辑脚本文件&#xff0c;写入备份命令 sudo vim /var/backups/mysql/mysqldump.sh# 内如如下 #!/bin/bash mysqldump -uroot --single-…