【转载】动态规划之矩阵连乘

作者在 2011-12-14 19:13:40 发布以下内容
全文如下:“

以下内容参考(摘抄)《算法设计与分析》,王晓东编著,清华大学出版社20031月第1版。

给定n个矩阵{A1,A2,…,An},其中AiAi+1是可乘的,i=1,2,…,n-1。考察这n个矩阵的连乘积A1A2…An。由于矩阵乘法满足结合律,故计算矩阵的连乘积可以有许多不同的计算次序,这种计算次序可以用加括号的方式来确定。若一个矩阵连乘积的计算次序完全确定,则可以依此次序反复调用2个矩阵相乘的标准算法(有改进的方法,这里不考虑)计算出矩阵连乘积。若A是一个p×q矩阵,B是一个q×r矩阵,则计算其乘积C=AB的标准算法中,需要进行pqr次数乘。

矩阵连乘积的计算次序不同,计算量也不同,举例如下:

先考察3个矩阵{A1,A2,A3}连乘,设这三个矩阵的维数分别为10×100100×55×50。若按((A1A2A3)方式需要的数乘次数为10×100×510×5×507500,若按(A1A2A3))方式需要的数乘次数为100×5×5010×100×5075000

下面使用动态规划法找出矩阵连乘积的最优计算次序。

1,  设矩阵连乘积AiAi+1…Aj简记为A[i:j],设最优计算次序在AkAk+1之间断开,则加括号方式为:

((AiAi+1…Ak)(Ak+1…Aj))

则依照这个次序,先计算A[i:k]A[K+1:j]然后再将计算结果相乘,计算量是:

A[i:k]的计算量加上A[K+1:j]的计算量再加上它们相乘的计算量。

问题的一个关键是:计算A[i:j]的最优次序所包含的两个子过程(计算A[i:k]A[K+1:j])也是最优次序。

2,  设计算A[i:j]所需的最少数乘次数为m[i][j]

i=j时为单一矩阵,则m[i][i]=0

i<j时,设最优计算次序在AkAk+1之间断开,则m[i][j]=m[i][k]+m[k+1][j]+pipk+1pj+1,其中p表示数组的维数,例如A0A56个数组(为了C语言的描述方便,下标从0开始),他们表示如下:

//p[0]:第一个矩阵的行数

    //p[1]:第一个矩阵的列数,第二个矩阵的行数

    //p[2]:第二个矩阵的列数,第三个矩阵的行数

k此时并未确定,需要从ij-1遍历以寻找一个最小的m[i][j]。我们把这个最小的k放在s[i][j] 

以下是完整实现代码,以一个具体的例子实现,稍加修改即可通用。

#include <iostream>
using namespace std;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//MatrixChain计算m[i][j]所需的最少数乘次数
//并记录断开位置s[i][j]
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void MatrixChain(int *p,int n,int **m,int **s)
{
     for(int i=0;i<n;i++)
         m[i][i]=0;//单个矩阵相乘,所需数乘次数为0

    
//以下两个循环是关键之一,以6个矩阵为例(为描述方便,m[i][j]用ij代替)
    
//需按照如下次序计算
    
//01 12 23 34 45
    
//02 13 24 35
    
//03 14 25
    
//04 15
    
//05
    
//下面行的计算结果将会直接用到上面的结果。例如要计算14,就会用到12,24;或者13,34等等
     for(int r=1;r<n;r++)
     {
         for(int i=0;i<n-r;i++)
         {
              int j=i+r;
              //首先在i断开,即(Ai*(Ai+1...Aj))
              m[i][j]=m[i][i]+m[i+1][j]+p[i]*p[i+1]*p[j+1];
              s[i][j]=i;
              for(int k=i+1;k<j;k++)
              {
                   //然后在k(从i+1开始遍历到j-1)断开,即((Ai...Ak)*(Ak+1...Aj))
                   int t=m[i][k]+m[k+1][j]+p[i]*p[k+1]*p[j+1];
                   if(t<m[i][j])//找到更好的断开方法
                   {
                       m[i][j]=t;//记录最少数乘次数
                       s[i][j]=k;//记录断开位置
                   }
              }
         }
     }
     //如果使用下面注释的循环,则是按照如下次序计算
    
//01 02 03 04 05
    
//12 13 14 15
    
//23 24 25
    
//34 35
    
//45
    
//当要计算时14,会用到12,24,而此时24并没有被计算出来。
/*

     for(int i=0;i<n;i++)
     {
         for( int j=i+1;j<n;j++)
         {
              m[i][j]=m[i][i]+m[i+1][j]+p[i]*p[i+1]*p[j+1];
              s[i][j]=i;
              for(int k=i+1;k<j;k++)
              {
                   int t=m[i][k]+m[k+1][j]+p[i]*p[k+1]*p[j+1];
                   if(t<m[i][j])
                   {
                       m[i][j]=t;
                       s[i][j]=k;
                   }
              }
         }
     }
    
*/
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//Traceback打印A[i:j]的加括号方式
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void Traceback(int i,int j,int **s)
{
     //s[i][j]记录了断开的位置,即计算A[i:j]的加括号方式为:
    
//(A[i:s[i][j]])*(A[s[i][j]+1:j])
     if(i==j)return;
     Traceback(i,s[i][j],s);//递归打印A[i:s[i][j]]的加括号方式
     Traceback(s[i][j]+1,j,s);//递归打印A[s[i][j]+1:j]的加括号方式

    
//能走到这里说明i等于s[i][j],s[i][j]+1等于j
    
//也就是说这里其实只剩下两个矩阵,不必再分了
     cout<<"A"<<i<<"和A"<<(s[i][j]+1)<<"相乘"<<endl;  
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    const int n=6;//矩阵的个数
    int *p=new int[n+1];
    //p[0]:第一个矩阵的行数
    
//p[1]:第一个矩阵的列数,第二个矩阵的行数
    
//p[2]:第二个矩阵的列数,第三个矩阵的行数
    p[0]=30;
    p[1]=35;
    p[2]=15;
    p[3]=5;
    p[4]=10;
    p[5]=20;
    p[6]=25;

    int **m,**s;
    m=new int*[n];
    for( int i=0;i<n;i++)
        m[i]=new int[n];

    s=new int*[n];
    for(int i=0;i<n;i++)
        s[i]=new int[n];  

    MatrixChain(p,n,m,s);
    Traceback(0,n-1,s);

    cout << "最小的数乘次数即为:" << m[0][n-1] << endl;

    for(int i=0;i<n;i++)  
    {  
        delete []m[i];
        m[i]=NULL;
        delete []s[i];
        s[i]=NULL;
    }  
    delete []m;  
    m=NULL;
    delete []s;  
    s = NULL;
    delete []p;  
    p = NULL;
    return 0;
}

”。
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