Java矩阵连乘问题(动态规划)算法实例分析

Java矩阵连乘问题(动态规划)算法实例分析

本文实例讲述了java矩阵连乘问题(动态规划)算法。分享给大家供大家参考，具体如下：

问题描述：给定n个矩阵：A1,A2,...,An，其中Ai与Ai+1是可乘的，i=1，2...，n-1。确定计算矩阵连乘积的计算次序，使得依此次序计算矩阵连乘积需要的数乘次数最少。输入数据为矩阵个数和每个矩阵规模，输出结果为计算矩阵连乘积的计算次序和最少数乘次数。

问题解析：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，也就是说该连乘积已完全加括号，则可以依此次序反复调用2个矩阵相乘的标准算法计算出矩阵连乘积。

完全加括号的矩阵连乘积可递归地定义为：

（1）单个矩阵是完全加括号的；

（2）矩阵连乘积A是完全加括号的，则A可表示为2个完全加括号的矩阵连乘积B和C的乘积并加括号，即A=(BC)

例如，矩阵连乘积A1A2A3A4有5种不同的完全加括号的方式：(A1(A2(A3A4)))，(A1((A2A3)A4))，((A1A2)(A3A4))，((A1(A2A3))A4)，(((A1A2)A3)A4)。每一种完全加括号的方式对应于一个矩阵连乘积的计算次序，这决定着作乘积所需要的计算量。

看下面一个例子，计算三个矩阵连乘{A1，A2，A3}；维数分别为10*100 , 100*5 , 5*50 按此顺序计算需要的次数((A1*A2)*A3):10X100X5+10X5X50=7500次，按此顺序计算需要的次数(A1*(A2*A3)):10*5*50+10*100*50=75000次

所以问题是：如何确定运算顺序，可以使计算量达到最小化。

算法思路：

例：设要计算矩阵连乘乘积A1A2A3A4A5A6，其中各矩阵的维数分别是：

A1：30*35;     A2：35*15;     A3：15*5;     A4：5*10;     A5：10*20;     A6：20*25

递推关系：

设计算A[i:j]，1≤i≤j≤n，所需要的最少数乘次数m[i,j]，则原问题的最优值为m[1,n]。

当i=j时，A[i:j]=Ai，因此，m[i][i]=0，i=1,2,…,n

当i

综上，有递推关系如下：

构造最优解：

若将对应m[i][j]的断开位置k记为s[i][j]，在计算出最优值m[i][j]后，可递归地由s[i][j]构造出相应的最优解。s[i][j]中的数表明，计算矩阵链A[i:j]的最佳方式应在矩阵Ak和Ak+1之间断开，即最优的加括号方式应为(A[i:k])(A[k+1:j)。因此，从s[1][n]记录的信息可知计算A[1:n]的最优加括号方式为(A[1:s[1][n]])(A[s[1][n]+1:n])，进一步递推，A[1:s[1][n]]的最优加括号方式为(A[1:s[1][s[1][n]]])(A[s[1][s[1][n]]+1:s[1][s[1][n]]])。同理可以确定A[s[1][n]+1:n]的最优加括号方式在s[s[1][n]+1][n]处断开...照此递推下去，最终可以确定A[1:n]的最优完全加括号方式，及构造出问题的一个最优解。

package Matrix;

public class Matrix {

public static void MatrixChain(int[] p,int n, int[][] m, int[][] s) {

for (int i = 1; i <= n; i++) {

m[i][i] = 0;

}

for(int r = 2;r <= n; r++ ) {

for(int i = 1; i <= n-r+1; i++) {

int j = i+r-1;

m[i][j] = m[i+1][j] + p[i-1]*p[i]*p[j];

s[i][j] = i;

for(int k = i+1; k < j; k++) {

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;

}

}

}

}

}

public static void Traceback(int i, int j, int[][] s) {

if(i == j) return;

Traceback(i,s[i][j],s);

Traceback(s[i][j] + 1,j,s);

System.out.println("Multiply A" + i + "," + s[i][j] + "and A" + (s[i][j] + 1) + "," + j);

}

public static void main(String[] args) {

System.out.println("我们测试结果：");

Matrix mc = new Matrix();

int n = 7;

int p[] = { 30, 35, 15, 5, 10, 20, 25 };

int m[][] = new int[n][n];

int s[][] = new int[n][n];

int l = p.length-1;

mc.MatrixChain(p, l,m, s);

for (int i = 1; i < n; i++) {

for (int j = 1; j < n; j++) {

System.out.print(m[i][j] + "\t");

}

System.out.println();

}

System.out.println();

for (int i = 1; i < n; i++) {

for (int j = 1; j < n; j++) {

System.out.print(s[i][j]+" ");

}

System.out.println();

}

mc.Traceback( 1, 6, s);

}

}

运行结果：

更多关于java算法相关内容感兴趣的读者可查看本站专题：《Java数据结构与算法教程》、《Java操作DOM节点技巧nRShJhQXtI总结》、《Java文件与目录操作技巧汇总》和《Java缓存操作技巧汇总》

希望本文所述对大家java程序设计有所帮助。

综上，有递推关系如下：

构造最优解：

若将对应m[i][j]的断开位置k记为s[i][j]，在计算出最优值m[i][j]后，可递归地由s[i][j]构造出相应的最优解。s[i][j]中的数表明，计算矩阵链A[i:j]的最佳方式应在矩阵Ak和Ak+1之间断开，即最优的加括号方式应为(A[i:k])(A[k+1:j)。因此，从s[1][n]记录的信息可知计算A[1:n]的最优加括号方式为(A[1:s[1][n]])(A[s[1][n]+1:n])，进一步递推，A[1:s[1][n]]的最优加括号方式为(A[1:s[1][s[1][n]]])(A[s[1][s[1][n]]+1:s[1][s[1][n]]])。同理可以确定A[s[1][n]+1:n]的最优加括号方式在s[s[1][n]+1][n]处断开...照此递推下去，最终可以确定A[1:n]的最优完全加括号方式，及构造出问题的一个最优解。

package Matrix;

public class Matrix {

public static void MatrixChain(int[] p,int n, int[][] m, int[][] s) {

for (int i = 1; i <= n; i++) {

m[i][i] = 0;

}

for(int r = 2;r <= n; r++ ) {

for(int i = 1; i <= n-r+1; i++) {

int j = i+r-1;

m[i][j] = m[i+1][j] + p[i-1]*p[i]*p[j];

s[i][j] = i;

for(int k = i+1; k < j; k++) {

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;

}

}

}

}

}

public static void Traceback(int i, int j, int[][] s) {

if(i == j) return;

Traceback(i,s[i][j],s);

Traceback(s[i][j] + 1,j,s);

System.out.println("Multiply A" + i + "," + s[i][j] + "and A" + (s[i][j] + 1) + "," + j);

}

public static void main(String[] args) {

System.out.println("我们测试结果：");

Matrix mc = new Matrix();

int n = 7;

int p[] = { 30, 35, 15, 5, 10, 20, 25 };

int m[][] = new int[n][n];

int s[][] = new int[n][n];

int l = p.length-1;

mc.MatrixChain(p, l,m, s);

for (int i = 1; i < n; i++) {

for (int j = 1; j < n; j++) {

System.out.print(m[i][j] + "\t");

}

System.out.println();

}

System.out.println();

for (int i = 1; i < n; i++) {

for (int j = 1; j < n; j++) {

System.out.print(s[i][j]+" ");

}

System.out.println();

}

mc.Traceback( 1, 6, s);

}

}

运行结果：

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希望本文所述对大家java程序设计有所帮助。

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