Постановка задачи
Теоретическая часть
Методы решения примененные в программе
Метод Гаусса.
Метод Жордана-Гаусса.
Краткое описание среды визуальной разработки Delphi
Таблица основных обозначений программы.
Описание процедур и алгоритм роботы программы
Текст программы.
Файл-модуль unit1.pas
Файл-модуль unit2.pas
Файл проекта - Project1.dpr:
Результат работы программы.
Инструкция по работе с программой
Использованная Литература
Постановка задачи
Составить программу для решения систем линейных уравнений размером n на n методом Гауса и Жордана-Гаусса.

Теоретическая часть
Методы решения примененные в программе

Метод Гаусса

Метод Гаусса решения систем линейных уравнений состоит в последовательном исключении неизвестных и описывается следующей процедурой.

С помощью элементарных преобразований над строками и перестановкой столбцов расширенная матрица системы может быть приведена к виду

Эта матрица является расширенной матрицей системы

которая эквивалентна исходной системе

Заметим, что перестановка столбцов означает перенумерацию переменных. На практике обычно избегают этой процедуры, приводя расширенную матрицу к ступенчатому виду путем элементарных преобразований над строками.

Если хотя бы одно из чисел отлично от нуля, то система несовместна. Если же , то система совместна и можно получить явное выражение для базисных неизвестных через свободных неизвестных

Метод Жордана-Гаусса.
Элементарные преобразования этого метода аналогичны методу Гаусса, только матрица при использовании этого метода приводится к виду, тоесть столбец свободных коэффициентов превращается в столбец корней.

Краткое описание среды визуальной разработки Delphi

Среда Delphi - это сложный механизм, обеспечивающий высокоэффективную работу программиста. Визуально она реализуется несколькими одновременно раскрытыми на экране окнами. Окна могут перемещаться по экрану, частично или полностью перекрывая друг друга, что обычно вызывает у пользователя, привыкшего к относительной “строгости” среды текстового процессора Word или табличного процессора Excel, ощущение некоторого дискомфорта. После приобретения опыта работы с Delphi это ощущение пройдет, и вы научитесь быстро отыскивать нужное окно, чтобы изменить те или иные функциональные свойства создаваемой вами программы, ибо каждое окно несет в себе некоторую функциональность, т. е. предназначено для решения определенных задач.

Запустите Delphi - и вы увидите нечто, похожее на

На рисунке изображены шесть наиболее важных окон Delphi: главное окно, окно Дерева объектов (Object Tree View), окно Инспектора объектов, окно браузера, окно формы и окно кода программы.

Чтобы упорядочить окна так, как они показаны на рисунке, вам придется вручную изменять их положение и размеры, т. к. обычно окно кода программы почти полностью перекрыто окном формы. Впрочем, добиваться максимального сходства того, что вы видите на экране вашего ПК, с изображением, показанным на рисунке, вовсе не обязательно: расположение и размеры окон никак не влияют на их функциональностью.

Замечу, что при первом запуске Delphi поверх всех окон появится окно

С помощью этого окна вы сможете получить доступ к Web-страницам корпорации Inprise для просмотра самой свежей информации о корпорации и ее программных продуктах, копирования дополни тельных файлов, чтения ответов на наиболее часто задаваемые вопросы и т. д. При повторных запусках Delphi это окно появляется автоматически с некоторой периодичностью, определяемой настройками на странице окна Tolls | Environment Options, связанной с закладкой Delphi Direct. Вы также сможете его вызвать в любой момент с помощью опции Help | Delphi Direct главного меню.

Таблица основных обозначений программы.
Обозначение
Описание
Модуль
maxr
Константа для ограничения максимального размера ситемы
Unit2
arys, ary2s
Типы данных для переменных, в которых хранятся значения коэффициентов системы
Unit2
Gauss1
Процедура для решения системы линейных уравнений методом Гаусса
Unit2
Gaussj
Процедура для решения системы линейных уравнений методом Жордана-Гаусса
Unit2
i,j,l
Счетчики
Unit1
prover
Промежуточная переменная типа String, используется для проверки наличия букв среди коэффициентов системы, а также для замены «.» на «,».
Unit1
S
Переменная для хранения размера матрицы
Unit1
k
Переменная для хранения длины строчки хранящейся в переменной prover.
Unit1
dl
Переменная для проверки размера системы.
Unit1
MainMenu1
Меню программы.
Unit1
File1, New1, Save1, Exit1
Пункты меню.
Unit1
Matrix, Coef, Gauss, Jgauss
Таблицы для ввода элементов системы и вывода результатов расчета.
Unit1
XPManifest1
Компонент, который дает программе возможность использовать оформление Windows.
Unit1
SaveDialog1
Диалоговое окно для сохранения результатов.
Unit1
Button1, Button2
Кнопки для запуска процедур решения системы.
Unit1
New1Click
Процедура, которая выполняется после выбора пункта меню New.
Unit1
Button1Click
Процедура, которая выполняется после нажатия кнопки Gauss.
Unit1
Button2Click
Процедура, которая выполняется после нажатия кнопки J-Gauss.
Unit1
Save1Click
Процедура, которая выполняется после выбора пункта меню Save.
Unit1
Exit1Click
Процедура, которая выполняется после выбора пункта меню Exit.
Unit1
Form1
Собственно окно программы.
Unit1
Описание процедур и алгоритм роботы программы
В программу включены следующие процедуры : «gauss1», «gaussj», «New1Click», «Button1Click», «Button2Click», «Save1Click», «Exit1Click». С каждой из них мы ознакомимся ниже.
Процедура «gauss1» выполняет проверку системы на сходимость и решение методом Гаусса.
Процедура «gaussj» выполняет проверку системы на сходимость и решение методом Жордана-Гаусса.
Процедура «New1Click» выполняется после выбора пункта меню «New» или сразу после запуска программы и выполняет чтение размера системы и устанавливает размер таблиц для ввода коэффициентов системы.
Процедура «Button1Click» считывает коэффициенты системы, проверяет корректность ввода коэффициентов и заменяет при необходимости «.» на «,». Потом запускает процедуру «gauss1» для решения системы и выводит результаты.
Процедура «Button2Click» считывает коэффициенты системы, проверяет корректность ввода коэффициентов и заменяет при необходимости «.» на «,». Потом запускает процедуру «gaussj» для решения системы и выводит результаты.
Процедура «Save1Click» запускает диалог сохранения файлов и выполняет сохранение результатов.
Процедура «Exit1Click» - Выход из программы.
Текст программы.
Файл-модуль unit1.pas
unit Unit1;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, Menus, XPMan, StdCtrls, Grids, unit2;
type
TForm1 = class(TForm)
Coef: TStringGrid;
Gauss: TStringGrid;
Jgauss: TStringGrid;
Button1: TButton;
Button2: TButton;
XPManifest1: TXPManifest;
SaveDialog1: TSaveDialog;
MainMenu1: TMainMenu;
File1: TMenuItem;
New1: TMenuItem;
Save1: TMenuItem;
Exit1: TMenuItem;
Matrix: TStringGrid;
procedure New1Click(Sender: TObject);
procedure Button1Click(Sender: TObject);
procedure Button2Click(Sender: TObject);
procedure Save1Click(Sender: TObject);
procedure Exit1Click(Sender: TObject);
private
{ Private declarations }
public
{ Public declarations }
end;
var
Form1: TForm1;
s:integer;
implementation
{$R *.dfm}
procedure TForm1.Exit1Click(Sender: TObject);
begin
close;
end;
procedure TForm1.New1Click(Sender: TObject);
var i,dl:integer;
prover:string;
begin
form1.Enabled:=false;
repeat
prover:=inputbox('Введите размер системы','Значение между 2 и 20','2');
dl:=length(prover);
if dl=0 then showmessage('Введите размер системы') else
begin
if (dl=1) and (prover<'9') and (prover>'0') then s:=trunc(strtofloat(prover))
else
begin
for i:=1 to dl do
begin
if prover[i]>'9' then
begin
showmessage('Введите число');
break;
end
else if i=dl then s:=trunc(strtofloat(inputbox('Введите размер системы','Значение между 2 и 20','2')));
end;
end;
end;
until (s>=2) and (s<=maxr);
form1.Enabled:=true;
matrix.RowCount:=s+1;
matrix.ColCount:=s+1;
gauss.colCount:=s+1;
coef.rowCount:=s+1;
jgauss.colCount:=s+1;
coef.Cells[1,0]:='B';
gauss.Cells[0,1]:='Gauss';
jgauss.Cells[0,1]:='J-Gauss';
for i:=1 to s do
begin
matrix.Cells[0,i]:=floattostr(i);
matrix.Cells[i,0]:='A'+floattostr(i);
coef.Cells[0,i]:=floattostr(i);
gauss.Cells[i,0]:='X'+floattostr(i);
jgauss.Cells[i,0]:='X'+floattostr(i);
end;
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var a:ary2s;
x,y:arys;
error:boolean;
i,j,l,K:integer;
prover:string;
begin
{Считывание массивов с исходными данными и проверка '.' или ','}
{***********************************************}
for i:=1 to s do
for j:=1 to s do
begin
prover:=matrix.Cells[j,i];
k:=length(prover);
if k=0 then
begin
showmessage('Вы не ввели один или несколько элементов системы.');
exit;
end;
for l:=1 to length(prover) do
if prover[l]='.' then prover[l]:=','
else if prover[l]>'9' then
begin
showmessage('В качестве одного или нескольких элементов системы введена буква. Замените их на числа!');
exit;
end;
matrix.Cells[j,i]:=prover;
a[i,j]:=strtofloat(matrix.cells[j,i]);
end;
for i:=1 to s do
begin
prover:=coef.cells[1,i];
for l:=1 to length(prover) do
if prover[l]='.' then prover[l]:=','
else if prover[l]>'9' then
begin
showmessage('В качестве одного или нескольких элементов системы введена буква. Замените их на числа!');
exit;
end;
coef.cells[1,i]:=prover;
y[i]:=strtofloat(coef.cells[1,i]);
end;
{***********************************************}
{Решение и вывод результатов}
{***********************************************}
gauss1(a,y,x,s,error);
if not error then
for i:=1 to s do
gauss.cells[i,1]:=floattostr(x[i])
else
begin
showmessage('Система решения не имеет');
new1.Click;
end;
{***********************************************}
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var a:ary2s;
x,y:arys;
error:boolean;
i,j,l,k:integer;
prover:string;
begin
{Считывание массивов с исходными данными}
{***********************************************}
{Считывание массивов с исходными данными и проверка '.' или ','}
{***********************************************}
for i:=1 to s do
for j:=1 to s do
begin
prover:=matrix.Cells[j,i];
k:=length(prover);
if k=0 then
begin
showmessage('Вы не ввели один или несколько элементов системы.');
exit;
end;
for l:=1 to length(prover) do
if prover[l]='.' then prover[l]:=','
else if prover[l]>'9' then
begin
showmessage('В качестве одного или нескольких элементов системы введена буква. Замените их на числа!');
exit;
end;
matrix.Cells[j,i]:=prover;
a[i,j]:=strtofloat(matrix.cells[j,i]);
end;
for i:=1 to s do
begin
prover:=coef.cells[1,i];
for l:=1 to length(prover) do
if prover[l]='.' then prover[l]:=','
else if prover[l]>'9' then
begin
showmessage('В качестве одного или нескольких элементов системы введена буква. Замените их на числа!');
exit;
end;
coef.cells[1,i]:=prover;
y[i]:=strtofloat(coef.cells[1,i]);
end;
{***********************************************}
{***********************************************}
{Решение и вывод результатов}
{***********************************************}
gaussj(a,y,x,s,error);
if not error then
for i:=1 to s do
jgauss.cells[i,1]:=floattostr(x[i])
else
begin
showmessage('Система решения не имеет');
new1.Click;
end;
{***********************************************}
end;
procedure TForm1.Save1Click(Sender: TObject);
var f:textfile;
i,j:integer;
begin
savedialog1.Filter:='Text files (*.txt)|*.txt|';
if savedialog1.Execute then
begin
assignfile(f,savedialog1.filename+'.txt');
rewrite(f);
for i:=1 to s do
begin
writeln(f);
for j:=1 to s do
write(f,matrix.cells[i,j]:4,' ');
write(f,'|',coef.cells[1,i]);
end;
writeln(f);
writeln(f);
writeln(f,'Gauss');
for i:=1 to s do
writeln(f,'X'+floattostr(i)+'='+gauss.cells[i,1],' ');
writeln(f);
writeln(f,'J-Gauss');
for i:=1 to s do
writeln(f,'X'+floattostr(i)+'='+jgauss.cells[i,1],' ');
closefile(f);
end;
end;
end.
Файл-модуль unit2.pas
unit unit2;
interface
const maxr=20;
type arys=array[1..maxr] of real;
ary2s=array[1..maxr,1..maxr] of real;
procedure gauss1(a:ary2s; y:arys; var coef:arys; ncol:integer; var error:boolean);
procedure gaussj(var b:ary2s; y: arys; var coef:arys; ncol:integer; var error: boolean);
implementation
{Решение системы линейных уравнений методом Гаусса}
{**********************************************************}
procedure gauss1(a:ary2s; y:arys; var coef:arys; ncol:integer; var error:boolean);
var b:ary2s;
w:arys;
i,j,i1,k,l,n:integer;
hold,sum,t,ab,big: real;
begin
error:=false;
n:=ncol;
for i:=1 to n do
begin
for j:=1 to n do
b[i,j]:=a[i,j];
w[i]:=y[i]
end;
for i:=1 to n-1 do
begin
big:=abs(b[i,i]);
l:=i;
i1:=i+1;
for j:=i1 to n do
begin
ab:=abs(b[j,i]);
if ab>big then
begin
big:=ab;
l:=j
end
end;
if big=0.0 then error:= true
else
begin
if l<>i then
begin
for j:=1 to n do
begin
hold:=b[l,j];
b[l,j]:=b[i,j];
b[i,j]:=hold
end;
hold:=w[l];
w[l]:=w[i];
w[i]:=hold
end;
for j:=i1 to n do
begin
t:=b[j,i]/b[i,i];
for k:=i1 to n do
b[j,k]:=b[j,k]-t*b[i,k];
w[j]:=w[j]-t*w[i]
end
end
end;
if b[n,n]=0.0 then error:=true
else
begin
coef[n]:=w[n]/b[n,n];
i:=n-1;
repeat
sum:=0.0;
for j:=i+1 to n do
sum:=sum+b[i,j]*coef[j];
coef[i]:=(w[i]-sum)/b[i,i];
i:=i-1
until i=0
end
end;
{**********************************************************}
{Решение системы линейных уравнений методом Жордана-Гаусса}
{**********************************************************}
procedure gaussj(var b:ary2s; y: arys; var coef:arys; ncol:integer; var error: boolean);
var w:array[1..maxr,1..maxr] of real;
index:array[1..maxr,1..3] of integer;
i,j,k,l,nv,irow,icol,n,l1:integer;
determ,pivot,hold,sum,t,ab,big:real;
{++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++}
procedure swap(var a,b: real);
var hold:real;
begin
hold:=a;
a:=b;
b:=hold
end;
{++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++}
{@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@}
procedure gausj2;
var i,j,k,l,l1:integer;
{===============================================}
procedure gausj3;
var l:integer;
begin
if irow<>icol then
begin
determ:=-determ;
for l:=1 to n do
swap(b[irow,l],b[icol,l]);
if nv>0 then
for l:=1 to nv do
swap(w[irow,l],w[icol,l])
end
end;
{===============================================}
begin
error:=false;
nv:=1;
n:=ncol;
for i:=1 to n do
begin
w[i,1]:=y[i];
index[i,3]:=0
end;
determ:=1.0;
for i:=1 to n do
begin
big:=0.0;
for j:=1 to n do
begin
if index[j,3]<>1 then
begin
for k:=1 to n do
begin
if index[k,3]>1 then
begin
error:=true;
exit;
end;
if index[k,3]<1 then
if abs(b[j,k])>big then
begin
irow:=j;
icol:=k;
big:=abs(b[j,k])
end
end
end
end;
index[icol,3]:=index[icol,3]+1;
index[i,1]:=irow;
index[i,2]:=icol;
gausj3;
pivot:=b[icol,icol];
determ:=determ*pivot;
b[icol,icol]:=1.0;
for l:=1 to n do
b[icol,l]:=b[icol,l]/pivot;
if nv>0 then
for l:=1 to nv do
w[icol,l]:=w[icol,l]/pivot;
for l1:=1 to n do
begin
if l1<>icol then
begin
t:=b[l1,icol];
b[l1,icol]:=0.0;
for l:=1 to n do
b[l1,l]:=b[l1,l]-b[icol,l]*t;
if nv>0 then
for l:=1 to nv do
w[l1,l]:=w[l1,l]-w[icol,l]*t;
end
end
end;
end;
{@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@}
begin
gausj2;
if error then exit;
for i:=1 to n do
begin
l:=n-i+1;
if index[l,1]<>index[l,2] then
begin
irow:=index[l,1];
icol:=index[l,2];
for k:=1 to n do
swap(b[k,irow],b[k,icol])
end
end;
for k:=1 to n do
if index[k,3]<>1 then
begin
error:=true;
exit;
end;
for i:=1 to n do
coef[i]:=w[i,1];
end;
{**********************************************************}
end.
Файл проекта - Project1.dpr:
program Project1;
uses
Forms,
Unit1 in 'Unit1.pas' {Form1},
Unit2 in 'Unit2.pas';
{$R *.res}
begin
Application.Initialize;
Application.Title := 'Gauss&J-Gauss';
Application.CreateForm(TForm1, Form1);
Application.Run;
end.
Результат работы программы
Результаты сохраненные в файле:
2 1 1 |2
3 2 3 |6
6 5 4 |5
Gauss
X1=-7,4
X2=1,2
X3=2,2
J-Gauss
X1=-7,4
X2=1,2
X3=2,2
Инструкция по работе с программой
1. Сразу после запуска файла программы (pragramma.exe) перед вами появиться окно с запросом размера системы. Введите нужный размер и нажмите «ОК»(поскольку система размера n на n нужно ввести только одно число).

2. После ввода размера перед вами появится рабочее окно программы. Введите в него данные по следующей схеме:

3. Для решения нужным методом нажмите соответствующую кнопку, и в таблице возле нее будут выведены корни системы.

4. Для сохранения результатов в меню «File» выберите «Save», перейдите в нужную папку и введите имя файла. Нажмите «ОК».

5. Для начала новых рассчетов «File» выберите «New», введите новый размер системы, нажмите «ОК».

6. Для выхода в меню «File» выберите пункт «Exit».

Использованная Литература.
· Волков Е.А. численные методы: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., испр. - М.:Наука, 1987. - 248 с.
· Роганин А.М. Основные формулы высшей математики. - Х.:Торсинг, 2002
· Справочная система Borland Delphi 7.
· http://delphi.vitpc.com/
· http://www.fortunecity.com/campus/beverly/963/
· http://www.delphi.agava.ru/
· http://www.interface.ru/delphi/delphi_page.htm
· http://pog.da.ru/