矩阵连乘问题

题目描述

给定n个矩阵｛A1,A2,…,An｝，其中Ai与Ai+1是可乘的，i=1，2…，n-1。如何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。

题目分析

算法实现

/*
*	矩阵连乘积A1A2A3A4A5A6最优计算次序
*	A1: 30 x 35
*	A2: 35 x 15
*	A3: 15 x 5
*	A4: 5  x 10
*	A5: 10 x 20
*	A6: 20 x 25
*	
*	最优计算次序：((A1(A2A3))((A4A5)A6))
*	程序输出
*	Multiply A2,2 and A3,3
*	Multiply A1,1 and A2,3
*	Multiply A4,4 and A5,5
*	Multiply A4,5 and A6,6
*	Multiply A1,3 and A4,6
*/
#include <iostream>
using namespace std;

/* 
*  计算最优值
*  输出：最优值数组m，记录最优断开位置的数组s
*/
void matrixChain(int *p, int n, int m[][7], int s[][7])
{
	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][i] + 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;
				}
			}
		}
	}
}

/* 构造最优解 */
void traceback(int i, int j, int s[][7])
{
	if (i == j)
	{
		return;
	}
	traceback(i, s[i][j], s);
	traceback(s[i][j] + 1, j, s);
	cout << "Multiply A" << i << "," << s[i][j];
	cout << " and A" << (s[i][j] + 1) << "," << j << endl;
}

int main()
{
	int p[7] = { 30, 35, 15, 5, 10, 20, 25 };
	int m[7][7] = { 0 };
	int s[7][7] = { 0 };
	matrixChain(p, 6, m, s);
	traceback(1, 6, s);
	getchar();
	return 0;
}

动态规划算法matrixChain计算m[i][j]先后次序如图(a)所示；计算结果m[i][j]和s[i][j],1<= i <= j <=n，分别如图(b)和(c)所示。

例如，在计算m[2][5]时，依递归式有

 

且k=3，因此，s[2][5]=3。

复杂性分析

算法matrixChain的主要计算量取决于算法中对r，i 和 k 的3重循环。循环体内的计算量为O(1)，而3重循环的总次数为O(n³)。因此算法的计算时间上界为O(n³)。算法所占用的空间显然为O(n²)。