我需要求解一个 2 x 2 数组，其中有 4 个未知数
A B
CD
我知道所有水平总和 A+B=11, C+D=7
我知道所有垂直总和 A+C=10, B+D=8
我知道所有对角线和 A+D=15, B+C=3
然后我使用 Python 求解 A、B、C、D
import numpy as np
A = [[1, 1, 1, 1],
[1, 0, 0, 1],
[1, 0, 1, 0],
[0, 0, 1, 1]]
a = [18, 15, 10, 7]
answera = np.linalg.solve(A, a)
print(answera)
答案是[9. 2.1.6.]哪个是正确的
现在我需要求解 4 x 4 数组，其中 16 个未知数
A B C D
E F G H
我JKL
M N O P
我知道水平和A+B+C+D=10，E+F+G+H=26，I+J+K+L=42，M+N+O+P=58
我知道垂直和A+E+I+M=28，B+F+J+N=32，C+G+K+O=36，D+H+L+P=40
我知道对角线和M=13，I+N=23，E+J+O=30，A+F+K+P=34，B+G+L=21，C+H=11，D=4< br/>
另一对角线和A=1，B+E=7，C+F+I=18，D+G+J+M=34，H+K+N=33，L+O=27，P=16< br/>
这意味着我知道 4 个角的值。
我尝试了以下代码，但没有成功
C = [[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
[0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0],
[1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]]
c = [10, 26, 42, 58, 7, 21, 39, 33, 27, 11, 23, 35, 30, 23, 32, 136]
answerc = np.linalg.solve(C, c)
print(answerc)
正确答案应该是[1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.] 但我收到错误消息
Traceback (most recent call last):
answerc = np.linalg.solve(C, c)
r = gufunc(a, b, signature=signature, extobj=extobj)
raise LinAlgError("Singular matrix")
numpy.linalg.LinAlgError: Singular matrix
我的方向正确吗？我需要解决 5X5 与 25 个未知数，6X6 与 36 个未知数等等。有没有更简单的方法？
------------------------------------------------------------ ------------------------------------------
按照Rory Daulton先生的解决方案，我可以毫无问题地解决上述1到16 4X4数组，但是当我在另一个带有负数的数组中使用它时，它没有给出预期的答案；
负4X4数组如下
-20 -10 -5 0
-10 -20 -10 -5
-5 0 -10 -20
-10 -20 -10 -5
我的Python代码如下
import numpy as np
G = [[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], # horizontal rows
[0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
[1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0], # vertical columns
[0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0], # forward diagonals
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0],
[1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], # back diagonals
[0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1],
]
g = [-35, -45, -35, -45, # horizontal rows
-45, -50, -35, -30, # vertical columns
-10, -25, -20, -55, -40, -10, 0, # forward diagonals
-20, -20, -30, -20, -35, -30, -5, # back diagonals
]
answerg = np.linalg.lstsq(G, g, rcond=None)
print(answerg[0])
输出并不完全是原始数组
[-2.00000000e+01 -1.31250000e+01 -1.87500000e+00 8.88178420e-15
-6.87500000e+00 -2.00000000e+01 -1.00000000e+01 -8.12500000e+00
-8.12500000e+00 2.13162821e-14 -1.00000000e+01 -1.68750000e+01
-1.00000000e+01 -1.68750000e+01 -1.31250000e+01 -5.00000000e+00]
我应该尝试什么？预先感谢您。
最佳答案
简短回答:您的问题有无数种解决方案。因此，这需要对方程进行更复杂的分析。
长答案:您的代码存在多个问题。
首先，您很容易犯错误，因为矩阵的行与您提供的数据不对应。更糟糕的是，你没有任何评论来解释事情。这种不匹配可能会导致错误。您的求和中有 22 条数据，因此请使用它们。您尝试合并一些总和并忽略其他总和(四个角)，但您做得不正确，最终得到了一个奇异矩阵。
接下来，您使用linalg.solve。在您的问题中，您的数据项 (22) 多于未知数 (16)，因此 solve 是不合适的。 The numpy documentation for solve州
a must be square and of full-rank, i.e., all rows (or, equivalently, columns) must be linearly independent; if either is not true, use lstsq for the least-squares best “solution” of the system/equation.
由数据生成的矩阵不是方形的，因此行不是线性独立的，因此您应该使用 lstsq 而不是 solve。 lstsq 例程提供的信息超出您解决问题所需的信息，因此只需打印结果列表中的第一项即可。
结合这些想法并添加一些注释可以得到以下代码:
import numpy as np
C = [[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], # horizontal rows
[0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
[1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0], # vertical columns
[0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0], # forward diagonals
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0],
[1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], # back diagonals
[0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1],
]
c = [10, 26, 42, 58, # horizontal rows
28, 32, 36, 40, # vertical columns
13, 23, 30, 34, 21, 11, 4, # forward diagonals
1, 7, 18, 34, 33, 27, 16, # back diagonals
]
answerc = np.linalg.lstsq(C, c, rcond=None)
print(answerc[0])
打印输出就是您想要的:
[ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.]
但是，说实话，并不能保证这是一个答案——只是它是一个“最接近”的答案。另外，如果这是一个答案，可能还有其他答案。事实上，进一步分析表明还有其他答案可以满足您的所有条件。
sympy模块可以生成矩阵的行简化梯形形式，可以用来对所有答案做更深入的分析。然而，常数将成为矩阵的一部分，而不是用作单独的数组。这是 sympy 尝试解决您的问题的代码:
import sympy
C = [[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 10], # horizontal rows
[0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 26],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 42],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 58],
[1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 28], # vertical columns
[0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 32],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 36],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 40],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 13], # forward diagonals
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 23],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 30],
[1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 34],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 21],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 11],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 4],
[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1], # back diagonals
[0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 7],
[0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 18],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 34],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 33],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 27],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 16],
]
print(sympy.Matrix(C).rref())
打印输出为
(Matrix([
[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1],
[0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, -13],
[0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 18],
[0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 4],
[0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 20],
[0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 6],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 7],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, -7],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, -6],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 10],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 11],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 27],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 13],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 29],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 16],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]), (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 15))
如果您知道如何分析这一点，您会发现您的问题有无限多个答案。如果您将第 15 个单元格中的数字设置为 15+x，那么上面的矩阵显示所有限制的答案是
1 2+x 3-x 4
5-x 6 7 8+x
9+x 10 11 12-x
13 14-x 15+x 16
numpy 的 solve 函数仅在只有一种解决方案时才起作用，因此即使您以不同的方式调整了矩阵，它也不会为您工作。
对您的更新的答复:
看来你没有捕获我的回答的重点。您的 4x4 问题有无数个答案，因此没有任何程序可以选择您想要的特定答案。 np.linalg.lstsq 例程可以找到您问题的答案之一，但可能找不到您想要的答案。您应该认为这是一个巧合，在您的第一个问题中使用该例程给出了您想要的答案 - 这可能不适用于其他问题。
解释新问题的给定答案有点困难，因为科学记数法很难阅读。但所有这些矩阵值都是精确的，在这里它们是特定格式的有理数，这应该是显而易见的:
-20 -10-(3+1/8) - 5+(3+1/8) 0
-10+(3+1/8) -20 -10 - 5-(3+1/8)
- 5-(3+1/8) 0 -10 -20+(3+1/8)
-10 -20+(3+1/8) -10-(3+1/8) - 5
您会看到 numpy 的答案正是您所期望的，其中将值 3+1/8 添加到一半的数组值中或从中减去。这使得 x=3+1/8 成为我为您的第一个问题提供的一般答案。
这正如您所期望的那样好。 Numpy 给了你一个正确的答案——它不知道如何从问题的无数正确答案中选择你头脑中的答案。获得一个答案的唯一方法是改变你的问题——也许说明第一行和第二列中的值，或者任何一行中第一个和第三个值的总和，或者类似的东西。
关于python - 如何使用 Python 求解具有 16 个未知数的 4 x 4 数组(更新)，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/55579049/