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矩陣行列式

2022-03-25 04:45:33 區塊鏈

我有這個函式來獲取矩陣的行列式

    def determinant(self) -> int:
        """
        Calculates the Determinant of matrix objects.
        Parameters
        ----------
        self
        Returns
        -------
        int
        Example
        -------
        >>> _matrix = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
        >>> _matrix = Matrix(_matrix)
        >>> _matrix.determinant()
        0
        """
        if self.row != self.column:
            raise ValueError('Cannot get determinant of this matrix! Must be a square Matrix')
        else:
            def det(matrix):
                row = len(matrix)
                col = len(matrix[0])

                if (row, col) == (1, 1):
                    return matrix[0][0]

                # hard coding for 2x2
                elif (row, col) == (2, 2):
                    return matrix[0][0] * matrix[1][1] - matrix[0][1] * matrix[1][0]

                # using sarrus method to solve for 3x3, it's a little faster.
                elif (row, col) == (3, 3):
                    matrix1 = matrix[:]

                    # Extending matrix to use Sarrus Rule.
                    for i in range(row - 1):
                        _col = []
                        for j in range(col):
                            _col.append(matrix1[i][j])
                        matrix1.append(_col)

                    # Calculating Determinant
                    # Adding part
                    add_pointers = [(i, i) for i in range(row)]
                    result = 0
                    for pointer in range(row):
                        temp = 1
                        for tup in add_pointers:
                            i, j = tup
                            temp *= matrix1[i   pointer][j]
                        result  = temp

                    # Subtracting part
                    sub_pointers = [((row - 1) - i, 0   i) for i in range(row)]
                    for pointers in range(row):
                        temp = 1
                        for tup in sub_pointers:
                            i, j = tup
                            temp *= matrix1[i   pointers][j]
                        result -= temp
                    return result

                else:
                    sign = -1
                    result = 0
                    row1 = [matrix[0][i] * (sign ** i) for i in range(col)]
                    for x, y in enumerate(row1):
                        mat = matrix[:][1:]
                        sub_matrix = [[mat[i][j] for j in range(col) if j != x] for i in range(row - 1)]
                        result  = y * det(sub_matrix)
                    return result

            return det(self.matrix)

我有硬編碼的行列式2x23x3矩陣,然后我通過其余的回避

正如你可以看到它使用nxn矩陣的遞回......我確信有一種更快的方法,這非常慢建議使用該方法的python實作,謝謝

uj5u.com熱心網友回復:

最常見的最佳方法是要么list comprehensionnumpy模塊。

原因for loops幾乎肯定會比 numpy 陣列慢,這僅僅是因為 numpy 陣列的連續性和同質性。簡單來說numpy就是一個記憶體塊基本上都是同一種型別,其中alist指向不同的記憶體塊,可以包含任何型別。

這是 numpy 示例(用于 2d):

import numpy as np

a = np.array([[1, 2], [3, 4]])
result = np.linalg.det(a)


print(result)

其中一條評論已經(正確)指出了這一點: https ://numpy.org/doc/stable/reference/generated/numpy.linalg.det.html

對于更一般的較大 m*n 矩陣,優勢將是顯著的。

uj5u.com熱心網友回復:

使用第一行查找 3x3 矩陣的行列式:

"""
M:
    M11 M12 M13
    M21 M22 M23
    M31 M32 M33

detM:
    M11 * det2D([ [M22, M23], [M32, M33] ]) - 
    M12 * det2D([ [M21, M23], [M31, M33] ])   
    M13 * det2D([ [M21, M22], [M31, M32] ])    
"""

import numpy as np

def det3D(M):
    a = M[0][0] * det2D(np.array([ [ M[1][1],M[1][2] ], [ M[2][1],M[2][2] ] ]))
    b = M[0][1] * det2D(np.array([ [ M[1][0],M[1][2] ], [ M[2][0],M[2][2] ] ]))
    c = M[0][2] * det2D(np.array([ [ M[1][0],M[1][1] ], [ M[2][0],M[2][1] ] ]))
    return a - b   c


def det2D(M):
    return M[0][0]*M[1,1] - M[0][1] * M[1][0]


M = [ [1,0,0], [0,2,2], [0,2,4] ]
A = det3D(M)
B = round(np.linalg.det(M))
print(A)
print(B)
print(A == B)

輸出:

4
4
True

uj5u.com熱心網友回復:

使用遞回求 NxN 矩陣的行列式:

注意:有兩種方法可以找到行列式,smartDetNxN運行速度比detNxN最佳情況快 16 倍。

import numpy as np

# compute partial determinant terms
def terms(M, col = 1, row = 1):
    return [x[:col-1]   x[col:] for x in M[0:row-1]   M[row:]]

# compute determinant using first row
def detNxN(M):
    N = len(M[0])
    # Recursion Base: 2x2 determenant
    if (N == 2): 
        M = np.array(M)
        return M[0][0] * M[1,1] - M[0][1] * M[1][0]
    # Recursion Loop
    else: 
        rowValues = M[:1][0]
        colsSigns = [1 if (col % 2 == 0) else -1 for col in range(N)]
        colsDets = [detNxN(terms(M, col   1)) for col in range(N)]
        return sum([rowValues[col] * colsSigns[col] * colsDets[col] for col in range(N)])

# compute determinant using optimum row while skipping zero value columns
def smartDetNxN(M):
    N = len(M[0])
    # Recursion Base: 2x2 determenant
    if (N == 2): 
        M = np.array(M)
        return M[0][0] * M[1,1] - M[0][1] * M[1][0]
    # Recursion Loop
    else: 
        # find optimun row
        flatM = [len(np.flatnonzero(x)) for x in M]
        row = flatM.index(min(flatM))
        rowSign = 1 if (row % 2 == 0) else -1
        rowValues = M[row]
        # compute partial determinants
        colsSigns = [1 if (col % 2 == 0) else -1 for col in range(N)]
        colsDets = [detNxN(terms(M, col   1, row   1)) if (rowValues[col] != 0) else 0 for col in range(N)]
        return sum([rowValues[col] * rowSign * colsSigns[col] * colsDets[col] for col in range(N)])

# test case for matrix
def testCase(M):
    print()
    N1 = len(M[0])
    N2 = len(M[0])
    A = smartDetNxN(M)
    B = round(np.linalg.det(M))
    print("Matrix %ix%i:" % (N1, N2))
    print("Actual detM = %d, Expected detM = %d " % (A, B))
    print("Test Pass:", A == B)

# main
def main():   
    # Matrix 2 x 2
    M1 = [[1,2,],[0,1]] 
    testCase(M1)
    
    # Matrix 3 x 3
    M2 = [[1,2,3],[2,1,2],[3,2,1]]
    testCase(M2)
    
    # Matrix 4 x 4
    M3 = [[1,2,3,4], [2,1,0,3], [3,0,1,2], [4,0,0,1]]
    testCase(M3)
    
    # Matrix 10 x 10
    M4 = [
        [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9],
        [1,1,0,0,0,0,0,0,0,8],
        [2,0,1,0,0,0,0,0,0,7],
        [3,0,0,1,0,0,0,0,0,6],
        [4,0,0,0,1,0,0,0,0,5],
        [5,0,0,0,0,1,0,0,0,4],
        [6,0,0,0,0,0,1,0,0,3],
        [7,0,0,0,0,0,0,1,0,2],
        [8,0,0,0,0,0,0,0,1,1],
        [9,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
    ]
    testCase(M4)
main()

輸出:

Matrix 2x2:
Actual detM = 1, Expected detM = 1 
Test Pass: True

Matrix 3x3:
Actual detM = 8, Expected detM = 8 
Test Pass: True

Matrix 4x4:
Actual detM = 20, Expected detM = 20 
Test Pass: True

Matrix 10x10:
Actual detM = 999, Expected detM = 999 
Test Pass: True

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qukuanlian/448933.html

標籤:Python 递归 矩阵

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