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  第4题      
  知识点:   递归式   矩阵   数组

 
【说明】
工程计算中经常要完成多个矩阵相乘的计算任务,对矩阵相乘进行以下说明。
(1)两个矩阵相乘要求第一个矩阵的列数等于第二个矩阵的行数,计算量主要由进行乘法运算的次数决定,假设采用标准的矩阵相乘算法,计算Amxn*Bxp"需要m*n*p次行乘法运算的次数决定、乘法运算,即时间复杂度为O(m*n*p)。
(2)矩阵相乘满足结合律,多个矩阵相乘时不同的计算顺序会产生不同的计算量。以矩阵AI5×100,A2100*8,A38x50三个矩阵相乘为例,若按(A1*A2)*A3计算,则需要进行5*100*8+5*8*50-6000次乘法运算,若按A1*(A2*A3)计算,则需要进行100*8*50+5*100*50=65000次乘法运算。
矩阵链乘问题可描述为:给定n个矩阵对较大的,可能的计算顺序数量非常庞大,用蛮力法确定计算顺序是不实际的。经过对问题进行分析,发现矩阵链乘问题具有最优子结构,即若A1*A2**An的一个最优计算顺序从第k个矩阵处断开,即分为A1*A2*…*Ak和Ak+1*Ak+2**An两个子问题,则该最优解应该包含A1*A2**Ak的一个最优计算顺序和Ak+1*Ak+2**An的一个最优计算顺序。据此构造递归式

其中,cost【jj】表示Ai+1*Ai+2*Aj+1的最优计算的计算代价。最终需要求解cost[O][n-1]。【C代码】算法实现采用自底向上的计算过程。首先计算两个矩阵相乘的计算量,然后依次计算3个矩阵、4个矩阵、…、n个矩阵相乘的最小计算量及最优计算顺序。下面是该算法的语言实现:
(1) 主要变量说明
n:矩阵
seq[]:矩阵维数序列
cos[i][j]:二维数组,长度为n*n,其中元素cost[i][j]表示Ai+1*Ai+2**Aj+1的最优的计算代价trace[][]:二维数组,长度为n*n,其中元素trace[i][j]表示Ai+1*Ai+2**Aj+1的最算对应的划分位置,即k(2)函数cmmine N100 cost[N[N]

return cost[0][n-1];
 
问题:4.1   (8分)
根据以上说明和C代码,填充C代码中的空(1)~(4)。
 
问题:4.2   (4分)
根据以上说明和C代码,该问题采用了(⑤)算法设计策略,时间复为(6)(用O符号表)。
 
问题:4.3   (3分)
考虑实例n=4,各个矩阵的维数为A1为15*5,A2为5*10,A3为10*20,A4为20*25,即维度序列为15,5,10,20和25。则根据上述C代码得到的一个最优计算顺序为_(7)(用加括号方式表示计算顺序),所需要的乘法运算次数为(8)。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 递归式    · 矩阵    · 数组
 
       递归式
        从算法的结构上看,算法可以分为非递归形式和递归形式。非递归算法的时间复杂度分析较简单,本小节主要讨论递归算法的时间复杂度分析方法。
        (1)展开法。将递归式中等式右边的项根据递归式进行替换,称为展开。展开后的项被再次展开,如此下去,直至得到一个求和表达式及其结果。
        (2)代换法。这一名称来源于当归纳假设用较小值时,用所猜测的值代替函数的解。用代换法解递归式时需要两个步骤:猜测解的形式;用数学归纳法找出使解真正有效的常数。
        (3)递归树法。递归树法弥补了代换法猜测困难的缺点,它适于提供"好"的猜测,然后用代换法证明。在递归树中,每一个节点都代表递归函数调用集合中每一个子问题的代价。将树中每一层内的代价相加得到一个每层代价的集合,再将每层的代价相加得到递归式所有层次的总代价。当用递归式表示分治算法的时间复杂度时,递归树的方法尤其有用。
        (4)主方法。也称为主定理,给出求解以下形式的递归式的快速方法,即
        T(n)=aT(n/b)+f(n)
        式中,a≥1和b>1是常数;f(n)是一个渐进的正函数。
 
       矩阵
               特殊矩阵
               若矩阵中元素(或非零元素)的分布有一定的规律,则称之为特殊矩阵。常见的特殊矩阵有对称矩阵、三角矩阵、对角矩阵等。
               对称矩阵:若矩阵An×n中的元素有
               aij=aji1≤i,jn
               则称之为n阶对称矩阵。
               上(下)三角矩阵:矩阵的上(下)三角(不包括对角线)中的元素均为常数或零。
               对角矩阵:矩阵中的非零元素都集中在以主对角线为中心的带状区域中,即除了主对角线上和在对角线上、下方若干条对角线上的元素外,其余的矩阵元素都为零。
               稀疏矩阵
               在一个矩阵中,若非零元素的个数远远少于零元素的个数,且非零元素的分布没有规律,则称之为稀疏矩阵。存储稀疏矩阵的非零元素时必须同时存储其位置(行、列号),用三元组(i,j,aij)可唯一确定矩阵中的一个元素。因此,一个稀疏矩阵可由表示非零元素的三元组及其行、列数唯一确定。
               稀疏矩阵的三元组表的顺序存储结构称为三元组顺序表,常用的三元组表的链式存储结构是十字链表。
 
       数组
               数组的定义及基本运算
               n维数组是一种"同构"的数据结构,其每个元素类型相同、结构一致。数组是定长线性表在维数上的扩张,即线性表中的元素又是一个线性表。
               数组结构的特点是:数据元素数目固定;数据元素具有相同的类型;数据元素的下标关系具有上下界的约束且下标有序。
               对数组进行的基本运算有以下两种。
               (1)给定一组下标,存取相应的数据元素。
               (2)给定一组下标,修改相应的数据元素中某个数据项的值。
               数组的顺序存储
               一旦定义了数组,结构中的数据元素个数和元素之间的关系就不再发生变动,因此数组适合于采用顺序存储结构。
               由于计算机的内存结构是一维线性的,因此存储多维数组时必须按照某种方式进行降维处理,即将数组元素排成一个线性序列,这就产生了次序约定问题。对二维数组有两种存储方式:一种是以列为主序的存储方式;另一种是以行为主序的存储方式。
               设每个数据元素占用L个单元,mn为数组的行数和列数,那么以行为主序优先存储的地址计算公式为
               Loc(aij)=Loc(a11)+((i-1)n+(j-1))L
               同样的,以列为主序优先存储的地址计算公式为
               Loc(aij)=Loc(a11)+((j-1)m+(i-1))L
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