poj 3613 Cow Relays(矩阵连乘在图论里的应用)

本文介绍了一种解决特定图论问题的方法——寻找一条通过指定数量的边连接两个点的最短路径。采用矩阵连乘的方式高效求解,并提供了一个完整的实现示例。
Cow Relays
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Description

For their physical fitness program, N (2 ≤ N ≤ 1,000,000) cows have decided to run a relay race using the T (2 ≤ T ≤ 100) cow trails throughout the pasture.

Each trail connects two different intersections (1 ≤ I1i ≤ 1,000; 1 ≤ I2i ≤ 1,000), each of which is the termination for at least two trails. The cows know the lengthi of each trail (1 ≤ lengthi  ≤ 1,000), the two intersections the trail connects, and they know that no two intersections are directly connected by two different trails. The trails form a structure known mathematically as a graph.

To run the relay, the N cows position themselves at various intersections (some intersections might have more than one cow). They must position themselves properly so that they can hand off the baton cow-by-cow and end up at the proper finishing place.

Write a program to help position the cows. Find the shortest path that connects the starting intersection (S) and the ending intersection (E) and traverses exactly N cow trails.

Input

* Line 1: Four space-separated integers: NTS, and E
* Lines 2..T+1: Line i+1 describes trail i with three space-separated integers: lengthi , I1i , and I2i

Output

* Line 1: A single integer that is the shortest distance from intersection S to intersection E that traverses exactly N cow trails.

Sample Input

2 6 6 4
11 4 6
4 4 8
8 4 9
6 6 8
2 6 9
3 8 9

Sample Output

10

Source

题目:http://poj.org/problem?id=3613

题意:给你一张图,要你求出边数为n的一条从s到e的最短路。。。

分析:n比较大,一开始没什么想法,后来突然想到用一个矩阵表示点之间的转换关系,然后用矩阵连乘。。。虽然跟正解有点接近但是始终没反应过来= =

其实只要把矩阵的意思换成用了几条边后,点i到j的最短距离就行。。。每次矩阵相乘都是用floyd的方式来转移的。。。

代码:

#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;
typedef __int64 LL;
const int mm=1111;
const int mn=222;
const LL oo=1e15;
int id[mm];
LL ans[mn][mn],tmp[mn][mn],dis[mn][mn];
int n,T,m,s,t;
void prepare(LL a[mn][mn])
{
    for(int i=0;i<mn;++i)
        for(int j=0;j<mn;++j)
            a[i][j]=oo;
}
void Multi(LL a[mn][mn],LL b[mn][mn])
{
    int i,j,k;
    prepare(tmp);
    for(k=0;k<m;++k)
        for(i=0;i<m;++i)
            for(j=0;j<m;++j)
                tmp[i][j]=min(tmp[i][j],a[i][k]+b[k][j]);
    for(i=0;i<m;++i)
        for(j=0;j<m;++j)
            a[i][j]=tmp[i][j];
}
int main()
{
    int i,j,k;
    while(~scanf("%d%d%d%d",&n,&T,&s,&t))
    {
        prepare(dis),prepare(ans);
        for(i=0;i<mn;++i)ans[i][i]=0;
        m=0;
        memset(id,-1,sizeof(id));
        while(T--)
        {
            scanf("%d%d%d",&k,&i,&j);
            i=id[i]<0?id[i]=m++:id[i];
            j=id[j]<0?id[j]=m++:id[j];
            dis[i][j]=dis[j][i]=min(dis[i][j],(LL)k);
        }
        while(n)
        {
            if(n&1)Multi(ans,dis);
            Multi(dis,dis);
            n>>=1;
        }
        printf("%I64d\n",ans[id[s]][id[t]]);
    }
    return 0;
}


### 解题思路 POJ 3613 Cow Relays 问题要求计算在给定的图中,从起点到终点恰好经过 $k$ 条边的最短路径。常规的暴力解法,即每次走一步更新最短路径,时间复杂度为 $O(k * n^3)$,效率较低。可利用二进制思想和矩阵快速幂的方法,将时间复杂度优化到 $O(logK * n^3)$ [^2]。 具体思路如下: 1. **图的表示**:使用邻接矩阵来表示图,矩阵中的元素 `mat[i][j]` 表示从节点 `i` 到节点 `j` 的最短距离,初始值设为无穷大 `INF`。 2. **矩阵乘法的定义**:普通矩阵乘法是对应元素相乘再相加,而这定义的矩阵乘法是对应元素相加再取最小值。即 `C.mat[i][j] = min(C.mat[i][j], A.mat[i][k] + B.mat[k][j])`,表示从节点 `i` 经过节点 `k` 到节点 `j` 的最短距离。 3. **矩阵快速幂**:通过不断地将矩阵自乘,利用二进制的思想,快速计算出经过 $k$ 条边的最短路径矩阵。 4. **节点编号映射**:由于节点编号可能不连续,使用一个数组 `f` 来将原始节点编号映射到连续的编号,方便矩阵操作。 ### 代码实现 以下是实现该算法的 C++ 代码: ```cpp #include <stdio.h> #include <string.h> #include <algorithm> #include <iostream> using namespace std; #define INF ((1<<30)-1) int n; struct matrix { int mat[201][201]; matrix() { for(int i = 0; i < 201; i++) for(int j = 0; j < 201; j++) mat[i][j] = INF; } }; int f[2001]; matrix mul(matrix A, matrix B) { matrix C; int i, j, k; for(i = 1; i <= n; i++) { for(j = 1; j <= n; j++) { for(k = 1; k <= n; k++) { C.mat[i][j] = min(C.mat[i][j], A.mat[i][k] + B.mat[k][j]); } } } return C; } matrix powmul(matrix A, int k) { matrix B; for(int i = 1; i <= n; i++) B.mat[i][i] = 0; while(k) { if(k & 1) B = mul(B, A); A = mul(A, A); k >>= 1; } return B; } int main() { matrix A; int k, t, s, e, a, b, c; scanf("%d%d%d%d", &k, &t, &s, &e); int num = 1; while(t--) { scanf("%d%d%d", &c, &a, &b); if(f[a] == 0) f[a] = num++; if(f[b] == 0) f[b] = num++; A.mat[f[a]][f[b]] = A.mat[f[b]][f[a]] = c; } n = num - 1; A = powmul(A, k); cout << A.mat[f[s]][f[e]] << endl; return 0; } ``` ### 代码解释 1. **结构体 `matrix`**:定义了一个矩阵结构体,用于存储图的邻接矩阵,构造函数将矩阵元素初始化为无穷大。 2. **函数 `mul`**:实现了自定义的矩阵乘法,计算两个矩阵相乘的结果。 3. **函数 `powmul`**:实现了矩阵快速幂,通过不断地将矩阵自乘,快速计算出经过 $k$ 条边的最短路径矩阵。 4. **主函数 `main`**:读取输入数据,将节点编号映射到连续的编号,初始化邻接矩阵,调用 `powmul` 函数计算经过 $k$ 条边的最短路径矩阵,最后输出从起点到终点的最短距离。
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