【矩阵】将有向图转化为矩阵的应用

本文探讨了如何利用图的邻接矩阵表示及其快速幂运算解决两类问题:一是从起点到终点恰好走n步的路径计数;二是考虑所有小于等于n步路径的总数。通过矩阵运算提供了解决方案,并介绍了matrix67提出的高效算法。

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任务

给定一个有向图(可以有环),求从A点恰好走n步(可以重复经过边)到达B点的方案总数。

图与邻接矩阵

数据结构中学过图的邻接矩阵表示,m[i][j]=1表示存在有向边(i,j),m[i][j]=0表示不存在该边。

解题

假设图有三个结点A,B,C。图的邻接矩阵表示为
A 1 0 1
B 0 0 1
C 1 1 1
求A到B恰好走2步的方案有:
A–>A–>B m[0][0]*m[0][1]=0 不存在
A–>B–>B m[0][1]*m[1][1]=0 不存在
A–>C–>B m[0][2]*m[2][1]=1 存在
方案总数1恰好为图对应的矩阵m^2的第‘A’行第’B‘列的值。
当步数为n时,结论依然成立。
故只需求出图对应的矩阵,并用矩阵快速幂求出矩阵的n次幂后的矩阵即可。

扩展

给定一个有向图(可以有环),求从A点走小于等于n步(可以重复经过边)到达B点的方案总数。
用矩阵来解,相当于给定矩阵A,求A+A^2+A^3+…+A^n的结果。
给出matrix67大神的解法。
这道题两次二分,相当经典。首先我们知道,A^i可以二分求出。然后我们需要对整个题目的数据规模k进行二分。比如,当k=6时,有:
A + A^2 + A^3 + A^4 + A^5 + A^6 =(A + A^2 + A^3) + A^3*(A + A^2 + A^3)
应用这个式子后,规模k减小了一半。我们二分求出A^3后再递归地计算A + A^2 + A^3,即可得到原问题的答案。

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