Матрицы в Delphi
Уважаемые сограждане. В ответ на вопросы Круглого Стола, в основном, от собратьев студентов, публикую алгоритмы матричного исчисления. В них нет ничего сложного, все базируется на функциях стандартного Borland Pascal еще версии 7.0.
Я понимаю, что уровень подготовки наших преподавателей весьма отстает не то, что от нынешних технологий, но даже и от весьма более ранних, но все-таки попробую помочь собратьям "по-несчастью".... :o)))
Перечень функций этой библиотеки:
Unit Matrix; interface type MatrixPtr = ^MatrixRec; MatrixRec = record MatrixRow : byte; MatrixCol : byte; MatrixArray : pointer; end; MatrixElement = real; (* Функция возвращает целочисленную степень *) function IntPower(X,n : integer) : integer; (* Функция создает квадратную матрицу *) function CreateSquareMatrix(Size : byte) : MatrixPtr; (* Функция создает прямоугольную матрицу *) function CreateMatrix(Row,Col : byte) : MatrixPtr; (* Функция дублирует матрицу *) function CloneMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция удаляет матрицу и возвращает TRUE в случае удачи *) function DeleteMatrix(var MPtr : MatrixPtr) : boolean; (* Функция заполняет матрицу указанным числом *) function FillMatrix(MPtr : MatrixPtr;Value : MatrixElement) : boolean; (* Функция удаляет матрицу MPtr1 и присваивает ей значение MPtr2 *) function AssignMatrix(var MPtr1 : MatrixPtr;MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция отображает матрицу на консоль *) function DisplayMatrix(MPtr : MatrixPtr;_Int,_Frac : byte) : boolean; (* Функция возвращает TRUE, если матрица 1x1 *) function IsSingleMatrix(MPtr : MatrixPtr) : boolean; (* Функция возвращает TRUE, если матрица квадратная *) function IsSquareMatrix(MPtr : MatrixPtr) : boolean; (* Функция возвращает количество строк матрицы *) function GetMatrixRow(MPtr : MatrixPtr) : byte; (* Функция возвращает количество столбцов матрицы *) function GetMatrixCol(MPtr : MatrixPtr) : byte; (* Процедура устанавливает элемент матрицы *) procedure SetMatrixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte;Value : MatrixElement); (* Функция возвращает элемент матрицы *) function GetMatrixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixElement; (* Функция исключает векторы из матрицы *) function ExcludeVectorFromMatrix(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixPtr; (* Функция заменяет строку(столбец) матрицы вектором *) function SetVectorIntoMatrix(MPtr,VPtr : MatrixPtr;_Pos : byte) : MatrixPtr; (* Функция возвращает детерминант матрицы *) function DetMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixElement; (* Функция возвращает детерминант треугольной матрицы *) function DetTriangularMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixElement; (* Функция возвращает алгебраическое дополнение элемента матрицы *) function AppendixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixElement; (* Функция создает матрицу алгебраических дополнений элементов матрицы *) function CreateAppendixMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция транспонирует матрицу *) function TransponeMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция возвращает обратную матрицу *) function ReverseMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция умножает матрицу на число *) function MultipleMatrixOnNumber(MPtr : MatrixPtr;Number : MatrixElement) : MatrixPtr; (* Функция умножает матрицу на матрицу *) function MultipleMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция суммирует две матрицы *) function AddMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция вычитает из первой матрицы вторую *) function SubMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; (* Функция решает систему методом Гаусса и возвращает LU-матрицы *) (* Результат функции - вектор-столбец решений *) function GausseMethodMatrix(MPtr,VPtr : MatrixPtr;var LPtr,UPtr,BPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; implementation function IntPower(X,n : integer) : integer; var Res,i : integer; begin if n < 1 then IntPower:= 0 else begin Res:= X; for i:=1 to n-1 do Res:= Res*X; IntPower:= Res; end; end; function CreateSquareMatrix(Size : byte) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; begin TempPtr:= nil; GetMem(TempPtr,SizeOf(MatrixRec)); if TempPtr = nil then begin CreateSquareMatrix:= nil; Exit; end; with TempPtr^ do begin MatrixRow:= Size; MatrixCol:= Size; MatrixArray:= nil; GetMem(MatrixArray,Size*Size*SizeOf(MatrixElement)); if MatrixArray = nil then begin FreeMem(TempPtr,SizeOf(MatrixRec)); CreateSquareMatrix:= nil; Exit; end; end; FillMatrix(TempPtr,0); CreateSquareMatrix:= TempPtr; end; function CreateMatrix(Row,Col : byte) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; begin TempPtr:= nil; GetMem(TempPtr,SizeOf(MatrixRec)); if TempPtr = nil then begin CreateMatrix:= nil; Exit; end; with TempPtr^ do begin MatrixRow:= Row; MatrixCol:= Col; MatrixArray:= nil; GetMem(MatrixArray,Row*Col*SizeOf(MatrixElement)); if MatrixArray = nil then begin FreeMem(TempPtr,SizeOf(MatrixRec)); CreateMatrix:= nil; Exit; end; end; FillMatrix(TempPtr,0); CreateMatrix:= TempPtr; end; function DeleteMatrix(var MPtr : MatrixPtr) : boolean; begin if MPtr = nil then DeleteMatrix:= FALSE else with MPtr^ do begin if MatrixArray <> nil then FreeMem(MatrixArray,MatrixRow*MatrixCol*SizeOf(MatrixElement)); FreeMem(MPtr,SizeOf(MatrixRec)); MPtr:= nil; DeleteMatrix:= TRUE; end; end; function CloneMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j : byte; begin if MPtr = nil then CloneMatrix:= nil else with MPtr^ do begin TempPtr:= CreateMatrix(MPtr^.MatrixRow,MPtr^.MatrixCol); if TempPtr <> nil then begin for i:= 1 to MatrixRow do for j:= 1 to MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,GetMatrixElement(MPtr,i,j)); CloneMatrix:= TempPtr; end else CloneMatrix:= nil; end; end; function FillMatrix(MPtr : MatrixPtr;Value : MatrixElement) : boolean; var i,j : byte; begin if MPtr = nil then FillMatrix:= FALSE else with MPtr^ do begin for i:= 1 to MatrixRow do for j:= 1 to MatrixCol do SetMatrixElement(MPtr,i,j,Value); FillMatrix:= TRUE; end; end; function AssignMatrix(var MPtr1 : MatrixPtr;MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; begin DeleteMatrix(MPtr1); MPtr1:= MPtr2; AssignMatrix:= MPtr1; end; function DisplayMatrix(MPtr : MatrixPtr;_Int,_Frac : byte) : boolean; var i,j : byte; begin if MPtr = nil then DisplayMatrix:= FALSE else with MPtr^ do begin for i:= 1 to MatrixRow do begin for j:= 1 to MatrixCol do write(GetMatrixElement(MPtr,i,j) : _Int : _Frac); writeln; end; DisplayMatrix:= TRUE; end; end; function IsSingleMatrix(MPtr : MatrixPtr) : boolean; begin if MPtr <> nil then with MPtr^ do begin if (MatrixRow = 1) and (MatrixCol = 1) then IsSingleMatrix:= TRUE else IsSingleMatrix:= FALSE; end else IsSingleMatrix:= FALSE; end; function IsSquareMatrix(MPtr : MatrixPtr) : boolean; begin if MPtr <> nil then with MPtr^ do begin if MatrixRow = MatrixCol then IsSquareMatrix:= TRUE else IsSquareMatrix:= FALSE; end else IsSquareMatrix:= FALSE; end; function GetMatrixRow(MPtr : MatrixPtr) : byte; begin if MPtr <> nil then GetMatrixRow:= MPtr^.MatrixRow else GetMatrixRow:= 0; end; function GetMatrixCol(MPtr : MatrixPtr) : byte; begin if MPtr <> nil then GetMatrixCol:= MPtr^.MatrixCol else GetMatrixCol:= 0; end; procedure SetMatrixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte;Value : MatrixElement); var TempPtr : ^MatrixElement; begin if MPtr <> nil then if (Row <> 0) or (Col <> 0) then with MPtr^ do begin pointer(TempPtr):= pointer(MatrixArray); Inc(TempPtr,MatrixRow*(Col-1)+Row-1); TempPtr^:= Value; end; end; function GetMatrixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixElement; var TempPtr : ^MatrixElement; begin if MPtr <> nil then begin if (Row <> 0) and (Col <> 0) then with MPtr^ do begin pointer(TempPtr):= pointer(MatrixArray); Inc(TempPtr,MatrixRow*(Col-1)+Row-1); GetMatrixElement:= TempPtr^; end else GetMatrixElement:= 0; end else GetMatrixElement:= 0; end; function ExcludeVectorFromMatrix(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixPtr; var NewPtr : MatrixPtr; NewRow, NewCol : byte; i,j : byte; DiffRow, DiffCol : byte; begin if MPtr <> nil then with MPtr^ do begin if Row = 0 then NewRow:= MatrixRow else NewRow:= MatrixRow-1; if Col = 0 then NewCol:= MatrixCol else NewCol:= MatrixCol-1; NewPtr:= CreateMatrix(NewRow, NewCol); if (NewPtr = nil) or (NewPtr^.MatrixArray = nil) then begin ExcludeVectorFromMatrix:= nil; Exit; end; DiffRow:= 0; DiffCol:= 0; for i:= 1 to MatrixRow do begin if i = Row then DiffRow:= 1 else for j:= 1 to MatrixCol do if j = Col then DiffCol:= 1 else SetMatrixElement(NewPtr,i-DiffRow,j-DiffCol, GetMatrixElement(MPtr,i,j)); DiffCol:= 0; end; ExcludeVectorFromMatrix:= NewPtr; end else ExcludeVectorFromMatrix:= nil; end; function SetVectorIntoMatrix(MPtr,VPtr : MatrixPtr;_Pos : byte) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i : byte; begin if (MPtr <> nil) and (VPtr <> nil) then begin TempPtr:= CloneMatrix(MPtr); if TempPtr = nil then begin SetVectorIntoMatrix:= nil; Exit; end; if VPtr^.MatrixRow = 1 then begin for i:= 1 to TempPtr^.MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,_Pos,i,GetMatrixElement(VPtr,1,i)); end else begin for i:= 1 to TempPtr^.MatrixRow do SetMatrixElement(TempPtr,i,_Pos,GetMatrixElement(VPtr,i,1)); end; SetVectorIntoMatrix:= TempPtr; end else SetVectorIntoMatrix:= nil; end; function DetMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixElement; var TempPtr : MatrixPtr; i,j : byte; Sum : MatrixElement; begin if IsSquareMatrix(MPtr) then begin if not IsSingleMatrix(MPtr) then begin TempPtr:= nil; Sum:= 0; for j:= 1 to GetMatrixCol(MPtr) do begin AssignMatrix(TempPtr,ExcludeVectorFromMatrix(MPtr,1,j)); Sum:= Sum+IntPower(-1,j+1)*GetMatrixElement(MPtr,1,j)*DetMatrix(TempPtr); end; DeleteMatrix(TempPtr); DetMatrix:= Sum; end else DetMatrix:= GetMatrixElement(MPtr,1,1); end else DetMatrix:= 0; end; function DetTriangularMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixElement; var i : byte; Sum : MatrixElement; begin if IsSquareMatrix(MPtr) then begin Sum:= 1; for i:= 1 to MPtr^.MatrixRow do Sum:= Sum*GetMatrixElement(MPtr,i,i); DetTriangularMatrix:= Sum; end else DetTriangularMatrix:= 0; end; function AppendixElement(MPtr : MatrixPtr;Row,Col : byte) : MatrixElement; var TempPtr : MatrixPtr; begin if IsSquareMatrix(MPtr) then begin TempPtr:= ExcludeVectorFromMatrix(MPtr,Row,Col); if TempPtr = nil then begin AppendixElement:= 0; Exit; end; AppendixElement:= IntPower(-1,Row+Col)*DetMatrix(TempPtr); DeleteMatrix(TempPtr); end else AppendixElement:= 0; end; function CreateAppendixMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j : byte; begin if (MPtr <> nil) or (MPtr^.MatrixArray <> nil) or (not IsSquareMatrix(MPtr)) then with MPtr^ do begin TempPtr:= CreateMatrix(MatrixCol,MatrixRow); for i:= 1 to MatrixRow do for j:= 1 to MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,AppendixElement(MPtr,i,j)); CreateAppendixMatrix:= TempPtr; end else CreateAppendixMatrix:= nil; end; function TransponeMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j : byte; begin if (MPtr <> nil) or (MPtr^.MatrixArray <> nil) then with MPtr^ do begin TempPtr:= CreateMatrix(MatrixCol,MatrixRow); for i:= 1 to MatrixRow do for j:= 1 to MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,j,i,GetMatrixElement(MPtr,i,j)); TransponeMatrix:= TempPtr; end else TransponeMatrix:= nil; end; function ReverseMatrix(MPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; Determinant : MatrixElement; begin if MPtr <> nil then begin TempPtr:= nil; AssignMatrix(TempPtr,CreateAppendixMatrix(MPtr)); AssignMatrix(TempPtr,TransponeMatrix(TempPtr)); Determinant:= DetMatrix(MPtr); if (TempPtr = nil) or (Determinant = 0) then begin DeleteMatrix(TempPtr); ReverseMatrix:= nil; Exit; end; AssignMatrix(TempPtr,MultipleMatrixOnNumber(TempPtr,1/Determinant)); ReverseMatrix:= TempPtr; end else ReverseMatrix:= nil; end; function MultipleMatrixOnNumber(MPtr : MatrixPtr;Number : MatrixElement) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j : byte; begin if MPtr <> nil then with MPtr^ do begin TempPtr:= CreateMatrix(MatrixRow,MatrixCol); if TempPtr = nil then begin MultipleMatrixOnNumber:= nil; Exit; end; for i:= 1 to MatrixRow do for j:= 1 to MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,GetMatrixElement(MPtr,i,j)*Number); MultipleMatrixOnNumber:= TempPtr; end else MultipleMatrixOnNumber:= nil; end; function MultipleMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j,k : byte; begin if (MPtr1 <> nil) and (MPtr2 <> nil) then begin TempPtr:= CreateMatrix(MPtr1^.MatrixRow,MPtr2^.MatrixCol); if TempPtr = nil then begin MultipleMatrixOnMatrix:= nil; Exit; end; for i:= 1 to TempPtr^.MatrixRow do for j:= 1 to TempPtr^.MatrixCol do for k:= 1 to MPtr1^.MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,GetMatrixElement(TempPtr,i,j)+ GetMatrixElement(MPtr1,i,k)*GetMatrixElement(MPtr2,k,j)); MultipleMatrixOnMatrix:= TempPtr; end else MultipleMatrixOnMatrix:= nil; end; function AddMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j,k : byte; begin if (MPtr1 <> nil) and (MPtr2 <> nil) then begin TempPtr:= CreateMatrix(MPtr1^.MatrixRow,MPtr2^.MatrixCol); if TempPtr = nil then begin AddMatrixOnMatrix:= nil; Exit; end; for i:= 1 to TempPtr^.MatrixRow do for j:= 1 to TempPtr^.MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,GetMatrixElement(Mptr1,i,j)+ GetMatrixElement(MPtr2,i,j)); AddMatrixOnMatrix:= TempPtr; end else AddMatrixOnMatrix:= nil; end; function SubMatrixOnMatrix(MPtr1,MPtr2 : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; i,j,k : byte; begin if (MPtr1 <> nil) and (MPtr2 <> nil) then begin TempPtr:= CreateMatrix(MPtr1^.MatrixRow,MPtr2^.MatrixCol); if TempPtr = nil then begin SubMatrixOnMatrix:= nil; Exit; end; for i:= 1 to TempPtr^.MatrixRow do for j:= 1 to TempPtr^.MatrixCol do SetMatrixElement(TempPtr,i,j,GetMatrixElement(MPtr1,i,j)- GetMatrixElement(MPtr2,i,j)); SubMatrixOnMatrix:= TempPtr; end else SubMatrixOnMatrix:= nil; end; function GausseMethodMatrix(MPtr,VPtr : MatrixPtr;var LPtr,UPtr,BPtr : MatrixPtr) : MatrixPtr; var TempPtr : MatrixPtr; TempVPtr : MatrixPtr; TempLPtr : MatrixPtr; TempUPtr : MatrixPtr; XSum : MatrixElement; i,j,k : byte; begin if (MPtr <> nil) and (VPtr <> nil) then begin TempUPtr:= CloneMatrix(MPtr); if TempUPtr = nil then begin GausseMethodMatrix:= nil; Exit; end; TempLPtr:= CreateMatrix(MPtr^.MatrixRow,MPtr^.MatrixCol); if TempLPtr = nil then begin DeleteMatrix(TempUPtr); GausseMethodMatrix:= nil; Exit; end; TempVPtr:= CloneMatrix(VPtr); if TempVPtr = nil then begin DeleteMatrix(TempLPtr); DeleteMatrix(TempUPtr); GausseMethodMatrix:= nil; Exit; end; TempPtr:= CreateMatrix(MPtr^.MatrixRow,1); if TempPtr = nil then begin DeleteMatrix(TempVPtr); DeleteMatrix(TempLPtr); DeleteMatrix(TempUPtr); GausseMethodMatrix:= nil; Exit; end; for j:= 1 to MPtr^.MatrixCol-1 do begin SetMatrixElement(TempLPtr,j,j,1); for i:= j+1 to MPtr^.MatrixRow do begin SetMatrixElement(TempLPtr,i,j,GetMatrixElement(TempUPtr,i,j)/ GetMatrixElement(TempUPtr,j,j)); for k:= j to MPtr^.MatrixCol do begin SetMatrixElement(TempUPtr,i,k,GetMatrixElement(TempUPtr,i,k)- GetMatrixElement(TempLPtr,i,j)*GetMatrixElement(TempUPtr,j,k)); end; SetMatrixElement(TempVPtr,i,1,GetMatrixElement(TempVPtr,i,1)- GetMatrixElement(TempLPtr,i,j)*GetMatrixElement(TempVPtr,j,1)); end; end; SetMatrixElement(TempLPtr,TempLPtr^.MatrixRow,TempLPtr^.MatrixCol,1); SetMatrixElement(TempPtr,TempPtr^.MatrixRow,1, GetMatrixElement(TempVPtr,TempVPtr^.MatrixRow,1)/ GetMatrixElement(TempUPtr,TempUPtr^.MatrixRow,TempUPtr^.MatrixCol)); for j:= MPtr^.MatrixCol-1 downto 1 do begin XSum:= 0; for k:= j+1 to MPtr^.MatrixCol do XSum:= XSum+GetMatrixElement(TempUPtr,j,k)* GetMatrixElement(TempPtr,k,1); SetMatrixElement(TempPtr,j,1,(GetMatrixElement(TempVPtr,j,1)-XSum)/ GetMatrixElement(TempUPtr,j,j)); end; LPtr:= TempLPtr; UPtr:= TempUPtr; BPtr:= TempVPtr; GausseMethodMatrix:= TempPtr; end else GausseMethodMatrix:= nil; end; end.
Мне кажется, что интерфейсное описание весьма простое, но если возникнут какие-либо вопросы - пишите на E-mail - постараюсь ответить на все Ваши вопросы. Может быть, азы матричного исчисления я опишу в виде отдельной статьи по причине множества поступивших вопросов, хотя в этой матричной математике нет ничего сложного :o) Следует отметить, что теория матриц дает в Ваши руки весьма мощный инструмент по анализу данных весьма различного характера, в чем я неоднократно убеждался на практике.
Важные, на мой взгляд, замечания. НЕ СТЕСНЯЙТЕСЬ использовать подход, использующий стандартный тип Pascal - record - в объектах мало чего хорошего в межкомпиляторном взаимодействии. Да и, кстати, использование типа record до сих пор является самым быстрым способом математических расчетов, в отличиие от ООП. Частенько простое 2+2=4 дает существенный выигрыш по времени выполнения, по сравнению с объектным подходом, а если математических вычислений в Вашей программе великое множество....
Взято с https://delphiworld.narod.ru