矩阵【DP】【记搜】

本文讲解了一道关于矩阵连乘的算法题,介绍了如何通过动态规划找到最优的矩阵相乘顺序,以达到最少的计算次数。文章详细解释了状态定义、状态转移方程及初始化等问题,并提供了完整的代码实现。

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题目大意:
NN个矩阵相乘,求进行乘法的最少次数,我们认为两个矩阵A(m×n)×B(n×p)的乘法次数为m×n×pm×n×p次。

InputInput

3
50 10
10 20
20 5

OutputOutput

3500

思路:
考试时这道题是第一题,推了半天没搞懂,样例也看不懂。总以为正确答案是50×10×20×5=5000050×10×20×5=50000
但是并不是这样的。
我们设第22n+1行的输入数据为a[i]a[i]b[i]b[i],那么我们必须先证明b[i]=a[i+1]b[i]=a[i+1]

证明:
根据矩阵乘法的性质,矩阵A*矩阵B 不等于 矩阵B*矩阵A,那么我们能确定,A*B*C不等于A*C*B,
那么题目又说输入确保能够相乘,所以b[i]=a[i+1]。
证毕。

那么再根据A(m×n)×B(n×p)=C(m×p)A(m×n)×B(n×p)=C(m×p),所以我们可以利用矩阵乘法可以用乘法结合律的特点,将A(m×n)×B(n×p)×C(m×p)A(m×n)×B(n×p)×C(m×p)变成(A(m×n)×B(n×p))×C(m×p)(A(m×n)×B(n×p))×C(m×p),两两相乘,就可以求出正确答案。

那么如何求最小值呢?

有两种方法求最小值,分别指区间DP和记搜,这里就介绍DP的方法。

可以用f[i][j]f[i][j]表示矩阵ii到矩阵j都被合并的最小值,再从iij中枚举kk,将矩阵分为两边(类似Floyd思想,iij最短路就枚举其他点kkf[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k][j])),再加上题目给出的A(m×n)×B(n×p)A(m×n)×B(n×p)要乘m×n×pm×n×p次,即a[i]×a[k+1]×b[j]a[i]×a[k+1]×b[j]a[k+1]=b[k]a[k+1]=b[k],已经证过,所以也可以是a[i]×b[k]×b[j]a[i]×b[k]×b[j])。完整方程如下:

f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*a[k+1]*b[j]);

f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*b[k]*b[j]);

那么iijkk分别该怎么枚举呢?

不难想到,由于是矩阵i到矩阵jj,所以必然有ij,所以jj就要从2枚举到n。(1不能枚举,因为如果枚举了1,ii0,明显不成立)。那么根据iji⩽j,也可以推出ii要从j1枚举到1。这里必须要倒着枚举,如果从1开始枚举的话,a[i][j]a[i][j]里面没有任何一个区间求出最小值,就无法转移。那么kk就很简单了,如上文所述,有ikjj,所以k自然就在ijj中枚举了。

那么还有最后一个问题:怎么初始化?

由于要求最小值,所以很容易想到要讲f数组全部赋值为INFINF,但是。。。

f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*a[k+1]*b[j]);

m=a[i]×a[k+1]×b[j]m=a[i]×a[k+1]×b[j],再带入方程,发现。。。

f[i][j]=min(INF,INF+INF+m)

f[i][j]=min(INF,INF)

f[i][j]=INF

怎么回事?

再仔细想一想,f[i][i]f[i][i]这个矩阵的值不可能是INFINF,因为它是它本身,所以f[i][i]=0f[i][i]=0

那么当i=j1i=j−1k=ik=i时,

f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*a[k+1]*b[j]);

f[i][j]=min(INF,f[i][i]+f[i+1][j]+m);

f[i][j]=min(INF,f[i][i]+f[j][j]+m);

f[i][j]=min(INF,0+0+m);

f[i][j]=min(INF,m);

f[i][j]=m;

所以答案也出来了:从矩阵1乘到矩阵nn,即f[1][n]


代码:

#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;

const int inf=99999999;
int n,a[1001],b[1001],f[601][601];

int main()
{
    scanf("%d",&n);
    for (int i=1;i<=n;i++)
     scanf("%d%d",&a[i],&b[i]);
    for (int i=1;i<=600;i++)
     for (int j=1;j<=600;j++)  //初始化
      if (i!=j) f[i][j]=inf;
    for (int j=2;j<=n;j++)
     for (int i=j-1;i>=1;i--)
      for (int k=i;k<j;k++)
       f[i][j]=min(f[i][j],f[i][k]+f[k+1][j]+a[i]*a[k+1]*b[j]);  //方程不解释
    printf("%d\n",f[1][n]);
    return 0;
}
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