矩阵求逆（c++）

矩阵求逆（c++）

标签（空格分隔）： 技术博客

简要过程介绍

方法的名称是“Gauss-Jordan (or reduced row) elimination method”。

设单位对角矩阵为I，则MM−1=I

主要过程为，摆一个相同大小的对角矩阵在旁边，将原矩阵变成对角矩阵的过程中，对对角矩阵施以相同的变化。原理为，对矩阵施以特定变化等同于对矩阵进行线性计算。

实现过程

第一步：

准备阶段：进行 行与行的变换，使矩阵对角位的数值非0。

过程如下：

+ 按顺序我们先从第一行开始。

+ 查看后面所有行中位于第一个位置的元素的绝对值，找到绝对值最大的那一行，将其与第一行位置交换。

+ 如果绝对值最大为0，此矩阵不可逆，退出。

+ 紧接着做第二行，依旧查看后续行中位于第二列的元素中绝对值，将绝对值最大的行与第二行交换。

代码为一个4*4的矩阵求逆（4*4矩阵在图形学中用途最广）

int i, j, k;
Matrix44<T> s;
Matrix44<T> t(*this);
for (i = 0; i < 3; i++) {//找到下三角每列的绝对最大值
int pivot = i;
T pivotsize = t[i][i];
if (pivotsize < 0)pivotsize = -pivotsize;
for (j = i + 1; j < 4; j++) {
T tmp = t[j][i];
if (tmp < 0)tmp = -tmp;
if (tmp > pivotsize) {
pivot = j;
pivotsize = tmp;
}
}
if (pivotsize == 0) {
//can not inverse
return Matrix44();
}
if (pivot != i)//交换两行，使对角位的值为该列最大
{
a7d2

for (j = 0; j < 4; j++) {
T tmp;
tmp = t[i][j];
t[i][j] = t[pivot][j];
t[pivot][j] = tmp;
tmp = s[i][j];
s[i][j] = s[pivot][j];
s[pivot][j] = tmp;
}
}

第二步：

将下三角所有数值置为0。

对于交换后的每一行，从它的下一行开始进行操作。

+ 对于第 i 行，那么从 i+1行开始，对于每一行，设定一个因子。

+ 该行-（第i行*因子），使该行的第 i 列的值为 0 。

结果为，做完第 i 行，后续所有行的第 i 列都为 0 。

//将下三角值设定为0
for (j = i + 1; j < 4; j++) {
T f = t[j][i] / t[i][i];
for (k = 0; k < 4; k++) {
t[j][k] -= t[i][k] * f;
s[j][k] -= s[i][k] * f;
}
}
}

第三步：

先判断现在是否有对角位为0 的情况，如果有，则证明矩阵不可逆。因为如果此时对角位为0，则该行一定可以被其他行表示。

再将对角位置为1：

每一行都乘以一个相同因子使对角位都为1。

（现在就可以做这一步，因为后续步骤并不会改变对角位了。）

后续需要把上三角都置为0，过程与第二步类似。

for (i = 3; i >= 0; i--) {
T f;
f = t[i][i];
if (f == 0)return Matrix44<T>();
for (j = 0; j < 4; j++) {//将对角位置为1
t[i][j] /= f;
s[i][j] /= f;
}
for (j = 0; j < i; j++) {
f = t[j][i];
for (k = 0; k < 4; k++) {
t[j][k] -= f*t[i][k];
s[j][k] -= f*s[i][k];
}
}
}

完整代码如下：

    int i, j, k;
Matrix44<T> s;
Matrix44<T> t(*this);
for (i = 0; i < 3; i++) {//找到下三角每列的绝对最大值
int pivot = i;
T pivotsize = t[i][i];
if (pivotsize < 0)pivotsize = -pivotsize;
for (j = i + 1; j < 4; j++) {
T tmp = t[j][i];
if (tmp < 0)tmp = -tmp;
if (tmp > pivotsize) {
pivot = j;
pivotsize = tmp;
}
}
if (pivotsize == 0) {
//can not inverse
return Matrix44();
}
if (pivot != i)//交换两行，使对角位的值为该列最大
{
for (j = 0; j < 4; j++) {
T tmp;
tmp = t[i][j];
t[i][j] = t[pivot][j];
t[pivot][j] = tmp;
tmp = s[i][j];
s[i][j] = s[pivot][j];
s[pivot][j] = tmp;
}
}
//将下三角值设定为0
for (j = i + 1; j < 4; j++) {
T f = t[j][i] / t[i][i];
for (k = 0; k < 4; k++) {
t[j][k] -= t[i][k] * f;
s[j][k] -= s[i][k] * f;
}
}
}

for (i = 3; i >= 0; i--) {
T f;
f = t[i][i];
if (f == 0)return Matrix44<T>();
for (j = 0; j < 4; j++) {//将对角位置为1
t[i][j] /= f;
s[i][j] /= f;
}
for (j = 0; j < i; j++) {
f = t[j][i];
for (k = 0; k < 4; k++) {
t[j][k] -= f*t[i][k];
s[j][k] -= f*s[i][k];
}
}
}

return s;
}

代码来源：

https://www.scratchapixel.com

注：这是一个图形学学习的网站