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数据结构——稀疏矩阵

在普遍的印象中,矩阵是由方括号围住,同时各个坐标的数字整齐的排列着。如下图所示:

clip_image001

 

 

看到图示后,第一反应当然是用一个二维数组来表示,即简单又易懂。但我们又会碰到下图所示矩阵:

clip_image001[8]

 

 

 看看这个矩阵,0好多啊(我们称之为稀疏矩阵),若用二维数组来表示,会重复存储了很多个0了,这样浪费了空间。

故要采取一种特殊的方式来存储这样的矩阵,这里就提出了数组的方式来存储这样的矩阵。

typedef struct{    int row;        //行坐标    int col;        //列坐标    int value;    //该点的值} item;

这里item表示矩阵中点,那么一个稀疏矩阵(非0值的个数为num)的描述就如下:

用item[num+1]来表示一个矩阵,为啥要num+1,先作一点说明:

item数组的首值为{行数,列数,非0值个数}结构,除首值外,其余值表示的矩阵中非0值的行列坐标以及本身的值。先上个小例子,来解释下:

clip_image001[10]

 

 

 已知上述矩阵非0值的个数为:16-7=9;用数组item test[9+1]来表示

数组下标(i)行(row)列(col)值(value)
0449
100a
201b
303c
420d
521e
623f
730g
831h
933i

通过这种方式来存储,大大节约了空间,但同时带来了一定的麻烦(主要是矩阵运算时,不太好理解)。

1、矩阵转置运算

矩阵转置:即把矩阵行值变列值,列值变成行值,对于二维数组而言,就是将二维数组的下标进行互换即可,原始:a[i][j]=value;转换后:a[j][i]=value;

但转置对于用数组表示的矩阵来说,理解起来也简单,即将行列互换。

void transpose1(item* a,item* b){    int col = a[0].row;    int row = a[0].col;    int value = http://www.mamicode.com/a[0].value;    b[0].row = row;                         //先将b[0]的值填充好    b[0].col = col;    b[0].value =http://www.mamicode.com/ value;    int num=1;                              //num表示b矩阵的数组下标,因为首值已经设好,故从1开始    for(int i=0;i<row;i++)                  //i为b的行标,里层循环遍历a矩阵,因为j从小到大,故获得b矩阵的列标也是在同行标的情况下,从小到大排列    {        for(int j=1;j<=value;j++)           //数组下标由小到大遍历        {            if(a[j].col == i)               //当a矩阵的列标与b的行标相等,则做如下处理            {                b[num].col = a[j].row;      //从这可以看出,b的列标在同行标下,是从小到大排列的。                b[num].row = i;                b[num].value = a[j].value;                num++;            }        }    }}

从代码中,我们可以轻松看出,时间复杂度是比较大的,两层循环的缘故;O(row*(value));若value为row*col的话,这个开销就非常大了。

书中提出了快速的转置的方式,简要描述如下:

a、首先找出转置后的矩阵,每行非0的个数。(通过遍历原始数组,对col的值进行次数统计)

b、获取每行非0值的起始数组下标;(已经0行的起始数组下标为1,而1行的起始数组下标就是0行的起始下标+0行中非0值的个数,同理下推)

c、遍历原始数组(从下标1开始),首先获得结果数组的下标,由原始数组的列标(结果数组行标)根据b步骤来判断循环的当前下标应该在结果数组的什么位置。

说的好绕口,看程序。

void transpose(item* a,item* b)//a为原始矩阵,b为转置后的矩阵。{    int row = a[0].col;    int col = a[0].row;    int value = http://www.mamicode.com/a[0].value;    b[0].row = row;    b[0].col = col;    b[0].value =http://www.mamicode.com/ value;    //先统计下各行非0的个数    //先初始个存储各行非0的数组    int* p = new int[row];    for(int i=0;i<=row;i++)    {        p[i]=0;    }    for(int i=1;i<=value;i++)    {        p[a[i].col]++;    }    //推算每行的起始点    int* start = new int[row];    start[0] = 1;    for(int i=1;i<row;i++)    {        start[i] = start[i-1]+p[i-1];    }    for(int i=1;i<=value;i++)    {        int j = start[a[i].col]++;//用于获取数组下标,注意下标右移        b[j].row = a[i].col;        b[j].col = a[i].row;        b[j].value = a[i].value;    }    delete[] start;    delete[] p;}

到此,我们也就完成了转置运算。

2、矩阵的乘法

在上一篇中,讲述过了矩阵乘法,这里就不做赘述了

对于稀疏矩阵来说,乘法相对来说,处理起来比较烦锁,并不像二维数组处理起来那么无脑。因为并不能从两个矩阵的非零值个数中,直接获得乘积后的结果矩阵的非零值个数。例如:

clip_image001[12]

 

可以看出来,处理还是比较复杂的。

void mult(item* a,item* b,item* result){    //根据矩阵相乘的具体算法步骤,即结果矩阵的(i,j)为a矩阵的i行与b矩阵的j列对应相乘,    //那么我们可以做一个转换,可以看成a矩阵的i行与b矩阵的转置后的j行对应相乘,    //对应的根据是:a矩阵的列数与b转置后的矩阵的列数相对应    //首先对右边的矩阵进行转置操作    int a_row = a[0].row,a_col = a[0].col,a_value = http://www.mamicode.com/a[0].value;    int b_row = b[0].row,b_col = b[0].col,b_value = http://www.mamicode.com/b[0].value;    if(a_col != b_row)    {        std::cout << "error";        return;    }    //c矩阵为b的转置矩阵    //先获取结果矩阵最大长度    item* c = new item[b_value+1];    transpose(b,c);                                 //下面所述的row表示结果数组的行标,col表示结果数组的列标    int row = a[1].row;                             //结果矩阵的行标row一定是从这里开始的    int col = 0;                                    //列标col暂置为0                                                    //_begin用于标记row行初始位置。    int _begin=1;                                   //如:循环时,前面row行已经处理完了,这时a数组的前面row行对于后续计算也就没意义了,这里_begin的作用就是用于记录a数组的row+1行位置作用    int sum,num=1;                                  //sum存储的结果数组(row,col)处的value值,num用于存储结果数组的下标    for(int i=1;i<=a_value;)                        //从a数组1开始遍历,直至a数组尾    {        col = c[1].row;                             //由于c为b数组转置矩阵,其行标就是结果数组的列标col,由矩阵的乘法性质知,每次col都从c[1].row开始的,故每次循环开始时,要重置下。        sum = 0;        for(int j=1;j<=b_value+1;)                  //此处value+1的作用是应对这种情况:a数组未遍历完,而j值已经取遍c的下标,而j++的作用导致超出c数组范围,可能会越界,而下面的第一个if作用也正是处理这种状况        {            if(j>b_value)                           //j值已经超出了b_value,意味着数组已被完全遍历,说明当前行row的值已经完全找出了。            {                result[num].row = row;              //这时我们就可以把之前记录的sum填入结果数组中,同时下标num要自加1                result[num].col = col;                result[num].value = sum;                num++;                break;                              //当前行的所有非0值均已找出,可以跳出该循环了            }            if(i>a_value||a[i].row != row)          //1、此时a矩阵该行已迭代完,没有可算的值2、当前row行已经迭代完,若继续迭代,行值就变了,            {                result[num].row = row;              //所以此时也可以将sum值存入结果数组中,同时下标num要自加1.                result[num].col = col;                result[num].value = sum;                num++;                i = _begin;                         //为了计算当前行的下一个(下一个col值)非零值,i要为该行的起始位置开始遍历                for(;j<=b_value&&c[j].row==col;j++);//主要作用为了将当前行值为col的全部遍历过,但不作任何其他处理,然后进入下一col值                if(j>b_value)break;                 //可能出现j的值比b_value大,就要跳出循环了。                col = c[j].row;                     //将列值置为下一个col值            }            else if(c[j].row != col)                //由于c数组的row表示结果数值的列值,该条件说明当前列值与c数组的row值不等,意味着结果数组的列值应该下移了。            {                result[num].row = row;              //处理方式与上述有些类似                result[num].col = col;                result[num].value = sum;                num++;                i = _begin;                col = c[j].row;            }            else if(a[i].col < c[j].col)            //下面3个条件很好理解。            {                i++;            }            else if(a[i].col == c[j].col)            {                sum += a[i++].value * c[j++].value;            }            else if(a[i].col > c[j].col)            {                j++;            }        }        for(;i<=a_value&&a[i].row == row;i++);      //通过递归,将当前行迭代,直到进行下一个row行值。        if(i>a_value)                               //如果i的值超出最大值,说明已经算完所有行了。            break;                                  //终止循环        row = a[i].row;        _begin = i;                                 //同时记下此时row对应的开始下标。    }    result[0].row = a_row;    result[0].col = b_col;    result[0].value = http://www.mamicode.com/num-1;    delete[] c;}

有空会把图给画出来,帮助理解。

数据结构——稀疏矩阵