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[训练]算法设计与分析_动态规划(第四章)
计算机算法设计与分析 第四章动态规划 矩阵连乘问题 给定n个矩阵:A1, A2, …, An,其中Ai与Ai+1是可乘的。确定一种连乘的顺序,使得矩阵连乘的计算量为最小。 设A和B分别是p×q和q×r的矩阵,则乘积C=AB为p×r的矩阵,计算量为pqr次数乘。 但是对于多于2个以上的矩阵连乘,连乘的顺序却非常重要,因为不同的顺序的总计算量将会有很大的差别。 不同计算顺序的差别 设矩阵A1, A2和A3分别为10×100, 100×5和5×50的矩阵,现要计算A1A2A3 。 若按((A1A2)A3)来计算,则需要的数乘次数为10×100×5 + 10×5×50 = 7500 若按(A1(A2 A3))来计算,则需要的数乘次数为100 ×5 ×50+ 10×100×50 = 75000 不同计算顺序的数量 设n个矩阵的连乘有P(n)个不同的计算顺序。 不同计算顺序的数量 设n个矩阵的连乘有P(n)个不同的计算顺序。 分解最优解的结构 将AiAi+1…Aj的矩阵连乘问题记为A[i: j]。 设A[1: n] 的一个最优解是在Ak和Ak+1处断开的,即A[1: n] = (A[1: k] A[k+1: n]),则A[1: k]和A[k+1: n]也分别是其最优解。 否者,若有A[1: k]的一个计算次序的计算量更少的话,则用此计算次序替换原来的次序,则得到A[1: n]一个更少计算量。矛盾。同理A[k+1: n]也是最优解。 最优子结构性质 A1A2…An的矩阵连乘问题,即A[1: n],的最优解中的子问题A[1: k]和A[k+1: n]的解也是该子问题的最优解。 最优子结构性质:如果某问题的每个最优解中的子问题的解也是最优的,则称该问题具有最优子结构性质。 换言之,满足最优子结构性质的问题的最优解是由子问题的最优解构成的。 建立递归关系 令m[i][j] , 1≤i, j≤n,为计算A[i, j] 的最少数乘次数,则原问题为m[1][n]。 当i = j时,A[i, j]为单一矩阵, m[i][j] = 0; 当i<j时,利用最优子结构性质有: 递归的执行过程 该递归自顶向下地执行,如A[1: 4]计算: 直接递归的时间复杂性 根据该递归式不难得出的时间复杂性为 递归的执行过程 在此递归的执行中有大量重复计算: 子问题个数最多为O(n2) 可在计算过程中保存已解子问题的答案。这样,每个子问题只要计算一次,而在后面需要该子问题答案时只要简单查一下,从而避免了重复计算。 计算方式可从最简单的子问题开始,依据递归式自底向上地进行。 自底向上的计算 例如对于A1A2A3A4,依据递归式以自底向上的方式计算出各个子问题,其过程如下: 自底向上的计算 例如对于A1A2A3A4,依据递归式以自底向上的方式计算出各个子问题,其过程如下: 自底向上的计算 例如对于A1A2A3A4,依据递归式以自底向上的方式计算出各个子问题,其过程如下: 自底向上的计算 例如对于A1A2A3A4,依据递归式以自底向上的方式计算出各个子问题,其过程如下: 矩阵连乘算法 给矩阵连乘算法取个名字MatrixChain。 矩阵连乘算法 MatrixChain(形参表) { 初始化; 自底向上地计算每一个m[i][j]并将结果填入表中。 } 矩阵连乘算法的数据结构 形参表中应有n和P[n+1]。 算法需要两个二维数组: 二维矩阵m[n][n]。其每个元素m[i][j] , 1≤i, j≤n,为A[i, j] 的最少数乘次数。 二维矩阵s[n][n],其元素s[i][j] , 1≤i, j≤n,为计算A[i, j] 的断点位置。 矩阵连乘算法 MatrixChain(n, P[n+1]) { 矩阵连乘算法 MatrixChain(n, P[n+1]) { 矩阵连乘算法 MatrixChain(n, P[n+1]) { 矩阵连乘算法 MatrixChain(n, P[n+1]) { 矩阵连乘算法 MatrixChain(n, P[n+1]) { MatrixChain的运行举例 MatrixChain用矩阵m[i][j], s[i][j]存放子问题A[i: j]的最小计算量以及相应的断点。 MatrixChain的运行举例 MatrixChain将如下面红色箭头所示的过程逐个计算子问题A[i: j]: 。 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 MatrixChain的运行举例 Ma
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