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動態規劃之矩陣連乘

題目描述:

                給定n個矩陣{A1,A2,…,An},其中,Ai與Ai+1是可乘的,(i=1,2 ,…,n-1)。用加括號的方法表示矩陣連乘的次序,不同的計算次序計算量(乘法次數)是不同的,找出一種加括號的方法,使得矩陣連乘的次數最小。

例如:

                  A1是A(5*10)的方陣;

                  A2是A(10*100)的方陣;

                  A3是A(100*2)的方陣;

那麼有兩種加括號的方法:

  1. (A1A2)A3;

     2.   A1(A2A3);

     第一種方法的計算量:5*10*100+5*100*2=6000;

     第二種方法的計算量:10*100*2+5*10*2=2100;

     可以看出不同計算方法計算量差別很大。

問題分析:

1. 矩陣連乘的條件:第一個矩陣的列等於第二個矩陣的行,此時兩個矩陣是可乘的;

2. 多個矩陣連乘的結果矩陣,其行列等於第一個矩陣的行和最後一個矩陣的列;

3.兩個矩陣相乘的計算量:

例如:A(3*2),B(2*4)

 可知總執行次數為:3*2*4=24.

所以矩陣Am*n和Bn*k的乘法運算次數為:m*n*k;

4.矩陣連乘AiAi+1Ai+2……Aj的最優解問題

假設在第k位置上找到最優解,則問題變成了兩個子問題:(AiAi+1……Ak),(Ak+1……Aj)

m[i][j]表示矩陣連乘的最優值,那麼兩個子問題對應的最優值變成m[i][k],m[k+1][j];

矩陣Am的行數為Pm,列數為qm,矩陣是可連乘的,即相鄰矩陣qm=Pm+1,所以(AiAi+1……Ak)可表示為Pi * qk,

(Ak+1……Aj)可表示為Pk+1 * qj,qk = Pk+1.則兩個矩陣連乘的乘法次數為Pi * Pk+1 * qj。

5.矩陣連乘最優值遞迴式:

 

程式碼實現:

#include<iostream>
#include<cstring> 
using namespace std;

const int size=100;
int p[size];
int m[size][size],s[size][size];
int n;

void matrixchain()
{
	int i,r,j,k;
	memset(m,0,sizeof(m));
	memset(s,0,sizeof(s));//初始化陣列
	for(r=2;r<=n;r++)//矩陣連乘的規模為r 
	{
		for(i=1;i<=n-r+1;i++)
		{
			j=i+r-1;
			m[i][j]=m[i+1][j]+p[i-1]*p[i]*p[j];//對m[][]開始賦值
			s[i][j]=i;//s[][]儲存各子問題的決策點
			for(k=i+1;k<j;k++)//尋找最優值
			{
				int t=m[i][k]+m[k+1][j]+p[i-1]*p[k]*p[j];
				if(t < m[i][j])
				{
					m[i][j]=t;
					s[i] [j]=k;
				}
			}
		}
	}
}

void print(int i,int j)
{
	if(i == j)
	{
		cout<<"A["<<i<<"]";
		return;
	}
	cout<<"(";
	print(i,s[i][j]);
	print(s[i][j]+1,j);//遞迴1到s[1][j]
	cout<<")";
}

int main()
{
	cout<<"請輸入矩陣的個數n : "<<endl;
	cin>>n;
	int i,j;
	cout<<"請依次輸入每個矩陣的行數和最後一個矩陣的列數:"<<endl;
	for(i=0;i<=n;i++)
		cin>>p[i];
	matrixchain(); 
	print(1,n);
	cout<<endl;
	cout<<"最小計算量的值為:"<<m[1][n]<<endl;
	
	return 0;
}