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矩阵链的乘法问题

矩阵链的乘法问题

作者: Mereder | 来源:发表于2019-04-24 22:28 被阅读0次

    动态规划合集:

    1.矩阵链乘法
    2.投资组合问题
    3.完全背包问题
    4.01背包问题
    5.最长公共子序列

    例题1——矩阵链乘法

    动态规划算法设计要素:(《算法设计与分析 屈婉玲》)

    1. 划分子问题,用参数表达子问题的边界,将问题求解转变为多步判断的过程。
    2. 确定优化函数,以函数的极大(或极小)作为判断依据,确定是否满足优化原则
    3. 列出关于优化函数的递推方程(或不等式)和边界条件
    4. 考虑是否需要设置标记函数,以记录划分位置
    5. 自底向上计算,以备忘录方式存储中间结果
    6. 根据备忘录(和标记函数)追溯给出的最优解

    描述

    A_1,A_2,...A_n 为矩阵序列,A_iP_{i-1}*P_i阶矩阵,i = 1,2,3...n.试确定矩阵的乘法顺序,使得元素相乘的总次数最少。

    输入:向量P = <P_0,P_1...P_n>其中P_0,P_1...P_n为n个矩阵的行数与列数

    输出:最小的乘法次数以及矩阵链乘法加括号的位置。

    样例:

    input: P=<30,35,15,5,10,20> n=5

    output: 11875 3,1

    输出的意义表示:A_1*A_2*A_3*A_4*A_5A_1(A_2*A_3))(A_4*A_5)形式相乘,乘法计算次数最低为11875次

    分析

    对于A_{1...n}的矩阵链,其任一划分之后,会出现两个子问题A_{1...k}和A_{k+1....n}而我们需要计算的是两个子问题。对于每个子问题 都有矩阵链的前后两个边界,对于A_{1...k}来说前边界是1后边界是k。我们令m[i,j]来表示矩阵链A_{i...j}的最优解。那么假设在i到j的任意位置划分,得到A_{i...k}和A_{k+1...n}。那么A_{i...j}的最优解就依赖于两个子问题。这种依赖关系写成递推方程就是:
    m[i,j] = \begin{cases} 0 & i=j \\ \min_{i \le k<j}{m[i,k]+m[k+1,j]+P_{i-1}P_kP_j} & i<j \\ \end{cases}

    递归方式伪码

    递归伪码

    迭代方式伪码

    迭代伪码

    实现代码过程

    import java.util.ArrayList;
    
    public class MatrixMutilpy {
        public static int  p[] = {30,35,15,5,10,20};
        // n 是数字的长度  而实际矩阵个数为 n-1
        public static int n = p.length;
        public static int m[][] = new int[n][n];
        public static int s[][] = new int [n][n];
        // 递归形式
        // 递推方程为: m[i][j] = min{m[i][k]+m[k+1][j]+p[i-1]*p[k]*p[j]}  i<= k <j
        public static int recurMatrixChain(int []p,int i,int j){
            if(j == i) {
                m[i][j] = 0;
                s[i][j] = i;
                return m[i][j];
            }
            for (int k = i; k < j; k++) {
                int q = recurMatrixChain(p,i,k)+recurMatrixChain(p,k+1,j)
                        + p[i-1]*p[k]*p[j];
                if (q < m[i][j]){
                    m[i][j] = q;
                    s[i][j] = k;
                }
            }
            return m[i][j];
        }
        // 迭代实现
        public static int IteratorMatrixChain(int p[]){
            // 提前都 m[][] = 0 相当于 处理了r=1 的情况
            // r 取值 为 2 3 4 5  < n=6 r 表示矩阵链规模,r=2 表示 A1*A2  A2*A3 r=3 表示 A1*A2*A3
            for (int r = 2; r < n;r++){
                // 以 r=2 为例  n-r+1 = 6-2+1 = 5   i取值为 1 2 3 4
                // 含义就是 第几个链 r=2时: i=1 表示  A1*A2  i=2 表示A2*A3
                for (int i = 1; i < n-r+1 ; i++) {
                    int j = i+r-1;
                    // 先计算一个  填到 m[k][l] 上 之后填的时候 比较大小
                    // 比如 r=3 i=1时j=3 A1*A2*A3 下面先计算了 A1(A2*A3)
                    // m[i][i] = 0  可以省去不写
                    m[i][j] = m[i][i] + m[i+1][j] + p[i-1]*p[i]*p[j];
                    s[i][j] = i;
                    // 上边相等于计算了 k=i的情况  下面k 从i+1开始;
                    // 到j-1
                    for (int k = i+1; k < j; k++) {
                        int temp = m[i][k] + m[k+1][j] + p[i-1]*p[k]*p[j];
                        if(temp < m[i][j]){
                            m[i][j] = temp;
                            s[i][j] = k;
                        }
                    }
                }
            }
            return m[1][n-1];
        }
    
        public static ArrayList<Integer> find(){
            ArrayList<Integer> result = new ArrayList<>();
            int i = 1;
            int j = n-1;
            while(true){
                int t = s[i][j];
                result.add(t);
                j = t;
                if(i == j) break;
            }
            return result;
        }
        public static void main(String[] args) {
            MatrixMutilpy test = new MatrixMutilpy();
            for (int k = 0; k < n; k++) {
                for (int l = 0; l < n ; l++) {
                    m[k][l] = Integer.MAX_VALUE;
                    s[k][l] = 0;
                }
            }
            int result = test.recurMatrixChain(p,1,p.length-1);
            System.out.println(result);
    
            for (int k = 0; k < n; k++) {
                for (int l = 0; l < n ; l++) {
                    m[k][l] = 0;
                    s[k][l] = k;
                }
            }
            MatrixMutilpy test1 = new MatrixMutilpy();
            int result2 = test1.IteratorMatrixChain(p);
            System.out.println(result2);
    
            ArrayList<Integer> res = find();
            System.out.println(res);
        }
    }
    
    

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