鹰击长空 发表于 2019-6-27 08:41:01

高斯-赛德尔迭代解线性方程组的问题

本帖最后由 鹰击长空 于 2019-6-27 08:45 编辑

两个高斯-赛德尔迭代解线性方程组子程序,算法一样,只是单精度和双精度的区别。麻烦帮忙看看是哪里的问题

单精度
    subroutine GS_solver (A,b,n,x)
      implicit none
      
      integer,parameter :: step = 5000!最大迭代步数
      real   ,parameter :: err= 1e-7 !误差
      
      integer :: i,j,k,n
      real    :: A(n,n),b(n),x0(n),x(n)
      real    :: x1(n)
      real    :: s,dx
      
      x0 = 0
      x1 = x0
      x= x0

      
      do k = 1,step
            dx = 0
            
            do i = 1,n
               x1 = x0
               x1(i) = 0
               s = 0
               s = dot_product( A(i,:), x1 )
               
               x(i) = ( b(i) - s ) / A(i,i)
               
               dx = dx + ( x0(i)-x(i) )**2
               x0(i) = x(i)
            end do
            
            dx = sqrt( dx )
            if ( dx < err ) exit
            
            
            x0 = x

    end do
   
end subroutine GS_solver

双精度
    subroutine GSeidelSolver (A,b,n,x)
      implicit none
      
      integer   ,parameter :: MaxStep = 9000   !最大迭代步数
      real(8)   ,parameter :: cov= 1d-8      !误差
      integer:: i, j, k, n, step
      real(8):: A(n,n), b(n), x(n)
      real(8):: x0(n), x1(n)
      real(8):: dx, err
      
      x0 = 0d0
      x1 = 0d0
      x= 0d0
      
      LOOP: do step = 1, MaxStep
            
            dx = 0d0
            do i = 1,n

                x1 = x0
               
                x1(i) = 0
               
                k = 0d0
                k = dot_product( A(i,:), x1 )
               
                x(i) = ( b(i) - k ) / A(i,i)
                dx = dx + ( x(i)-x0(i) )**2
               
                x0(i) = x(i)
         
         end do
         
      err = dsqrt( dx )
                        
       if ( err < cov )then
                exit LOOP
      end if

      x0 = x         

end do LOOP         

end subroutine GSeidelSolver

Jackdaw 发表于 2019-10-31 13:32:48

本帖最后由 Jackdaw 于 2019-10-31 13:34 编辑

    !> @details 下三角矩阵求逆(稠密存储)
    !> @author Jackdaw毛毛
    !> @date 2019 年 8 月 26 日
    subroutine LowerTriMatrixInv(mat,matInv)
      real(fp),intent(in)    :: mat(:,:)    !< 输入矩阵,下三角,稠密存储
      real(fp),intent(inout) :: matInv(:,:) !< 输出矩阵,下三角,稠密存储,与输入矩阵关系:互为逆矩阵
      integer :: i,j,n
      n = size(mat,dim=1)

      matInv = 0.0_fp
      do i = 1, n
            matInv(i,i) = 1.0_fp / mat(i,i)
      end do
      do i = 2, n
            do j = 1, i-1
                !do k = j, i-1
                !   matInv(i,j) = matInv(i,j) + mat(i,k)*matInv(k,j)
                !end do
                matInv(i,j) = dot_product( mat(i,j:i-1),matInv(j:i-1,j) )
                matInv(i,j) = matInv(i,j) * (-matInv(i,i))
            end do
      end do
    end subroutine
    !> @details 高斯赛德尔迭代法计算 \f$ Ax=b \f$,收敛速度比雅克比迭代更快。
    !> @author Jackdaw毛毛
    !> @date 2019 年 8 月 26 日
    subroutine useGaussSeidelIterSolveAx_eq_b(matrixA,vectorB,vectorX)
      real(fp),intent(in)    :: matrixA(:,:) !< 系数矩阵(迭代收敛的充分条件:严格对角占优或对称正定)
      real(fp),intent(in)    :: vectorB(:)   !< 右端项
      real(fp),intent(inout) :: vectorX(:)   !< 解向量
      
      real(fp),allocatable   :: G(:,:),tmpM(:,:),tmpB(:),tmpX(:)
      integer ::i,n
      
      n = size(matrixA,dim=1)
      allocate(G(n,n),tmpM(n,n),tmpX(n),tmpB(n))
      ! 迭代格式
      ! x(k+1) = D^-1(b-Ux(k)-Lx(k+1))
      ! x(k+1) = (L+D)^-1(-Ux(k) + b )
      ! 构造迭代矩阵
      tmpM = 0.0_fp
      do i = 1, n
            tmpM(i:n,i) = matrixA(i:n,i) ! L+D
      end do
      call LowerTriMatrixInv(tmpM,G)   ! 求逆,存在G里面
      tmpM = 0.0_fp
      do i = 1, n-1
            tmpM(i,i+1:n) = matrixA(i,i+1:n) ! U
      end do
      tmpB = matmul(G,vectorB) ! 常向量
      G = matmul(G,tmpM) ! 迭代矩阵
      deallocate(tmpM)
      do i = 1, 1000
            tmpX = tmpB - matmul(G,vectorX)
            if( maxval(abs(vectorX-tmpX)) .lt. 1.e-10_fp ) then
                vectorX = vectorX + tmpX
                vectorX = vectorX / 2.0_fp
                exit
            else
                vectorX = tmpX
            endif
      end do
      if(i .ge. 1000 ) write(*,*) "GaussSeidel-iteration failed."
      deallocate( G,tmpX,tmpB )
    end subroutine
   
    !> @details 高斯赛德尔迭代法计算 \f$ Ax=b \f$,测试算例。
    !> @author Jackdaw毛毛
    !> @date 2019 年 8 月 26 日
    subroutine useGaussSeidelIterSolveAx_eq_b_TEST
      real(fp) :: a(2,2),b(2),x(2)
      a(1,:) = [ 3.0_fp, 1.0_fp ]
      a(2,:) = [ 1.0_fp, 2.0_fp ]
      b      = [ 5.0_fp, 5.0_fp ]
      x      = 0.0_fp
      call useGaussSeidelIterSolveAx_eq_b(a,b,x)
      write(*,*) "解析解 x1 = 1.0, x2 = 2.0"
      write(*,*) "数值解",x
    end subroutine useGaussSeidelIterSolveAx_eq_b_TEST

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