【数据结构】稀疏矩阵

本文介绍了稀疏矩阵的概念,当非零元素远小于矩阵总元素时使用,以节省存储空间。讨论了两种压缩存储方法:直接取和顺着找。详细解释了这两种方法在转置稀疏矩阵过程中的实现细节,包括如何处理元素的位置转换和存储效率问题。

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什么是稀疏矩阵?

简单的说,设矩阵Amn中有s个非零元素,若s远远小于矩阵元素的总数,则称A为稀疏矩阵。s与m x n的比称为矩阵的稀疏因子。

当用数组存储稀疏矩阵中的元素时,仅有少部分的空间被利用,造成空间的浪费,为了节省存储空间,可以采用一种压缩的存储方法来表示稀疏矩阵。

由于非零元素的分布一般是没有规律的,因此在存储非零元素的同时,还必须同时记下元素所在的行和列的位置(i, j)。因此,稀疏矩阵A中的一个非零元素可由一个三元组唯一确定。C++中可以表示为:

template <class T>
struct Triple {
    int row;
    int col;
    T value;
};

用一个上述元素对应的一维数组来压缩存储稀疏矩阵中的非零元素,便可以实现压缩存储。

但是,这样的存储方法使得一些矩阵的运算变得比较复杂,下面介绍这种存储方式下的转置运算:
转置运算便是将对应的行变成列,列变成行。m * n的矩阵变换之后变成n * m的矩阵。

const int MAX = 100;
template <typename T>
class SparseMatrix
{
public:
    SparseMatrix(int r, int c, int t, Triple<T> datatemp[]);
    ~SparseMatrix();
    void Trans1(SparseMatrix<T> & B);
    
### 稀疏矩阵数据结构及其实现 #### 什么是稀疏矩阵稀疏矩阵是指其中大部分元素为零的矩阵。由于其特殊性质,存储和操作稀疏矩阵可以采用更高效的方式,而不是简单地将其作为常规矩阵来处理[^1]。 #### 常见的稀疏矩阵数据结构 为了节省内存空间并提高计算效率,通常会使用特定的数据结构表示稀疏矩阵: ##### 三元组表 (Triple List) 三元组表是一种常见的用于表示稀疏矩阵的方法。在这种方法中,仅记录非零元素的信息,包括该元素的行号、列号以及值本身。这种表示方式非常紧凑,适合于大多数稀疏矩阵的操作[^4]。 以下是基于三元组表的一个简单的 C++ 实现示: ```cpp struct Triple { int row; // 行索引 int col; // 列索引 double value;// 非零元素值 }; class SparseMatrix { private: std::vector<Triple> triples; public: void addElement(int r, int c, double v); void display(); }; ``` ##### 十字链表 (Orthogonal Linked List) 十字链表是另一种常用的稀疏矩阵表示法。通过构建双向链表的形式连接同一行或同一列中的非零元素节点,从而方便进行按照行或者列方向上的遍历和修改操作。 下面是一个简化版的十字链表定义: ```cpp struct Node { int row, col; double data; struct Node* right; struct Node* down; }; class CrossListSparseMatrix { private: Node** headRowPtrs; // 存储每行头指针数组 Node** headColPtrs; // 存储每列头指针数组 public: void insertNode(Node*); void traverseAndPrint(); }; ``` #### 应用场景分析 稀疏矩阵广泛应用于科学计算领域,特别是在解决大规模线性方程组时显得尤为重要。如,《数据结构、算法与应用C++语言描述》一书中提到如何利用C++实现二维数组形式下的稀疏矩阵,并提供了具体代码实供学习者参考[^2]。 另外,在实际开发过程中可能还需要考虑一些额外功能需求,比如支持加减乘除四种基本算术运算以及其他高级特性如转置等。这些都可以通过对上述基础数据结构进一步扩展完成[^3]。 --- ###
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