稀疏矩阵快速转置算法分析

程序员文章站 2024-03-22 11:28:49

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稀疏矩阵的相关知识

矩阵通常是使用二维数组来进行模拟的，并且可以通过下标快速的访问二维数组里面的元素，但是矩阵里面包含大量重复元素的情况，使用二维数组就很浪费空间的；
对于含有大量重复元素的矩阵，就可以使用稀疏矩阵的思想来进行处理，但是对于是否为稀疏矩阵，有没有特别严格的标准来进行判断，稀疏矩阵不在采用二维数组的方式进行处理，而是使用三元素来进行处理；

typedef struct
{
    int col;　//表示矩阵里面元素的列数；
    int row;//表示矩阵里面元素的行数；
    int value;//表示这里面元素的值；
} term;
//用来存放上述结构的一个数组;
term my[MAX_SIZE];

为了便于稀疏矩阵循环条件的判定，可以使用term[0].col表示有效列的列数，term[0].row表示有效行的行数，a[0].value表示有效元素的个数，并且三元组按照行升序，同行按照列升序的方式进行排列；
对于常见的二维数组表示的矩阵，首先需要进行遍历，将其转换为三元组结构数组表示的稀疏矩阵形式；

void change_to(int row, int col, int array[row][col], term mynew[MAX_SIZE])
{
    int i, j;
    //按照先行后列的方式进行遍历，得到的三元组就是有序排列的;
    for (i = 0; i < row; i++)
    {
        for (j = 0; j < col; j++)
        {
            if (array[i][j] != 0)
            {
                mynew[val].row = i;
                mynew[val].col = j;
                mynew[val].value = array[i][j];
                val++;
            }
        }
    }
    //分别用来表示矩阵的行数以及列数，非０元素的个数；
    mynew[0].row = row;
    mynew[0].col = col;
    mynew[0].value = val - 1;
}

按照上面的代码进行转换之后，可以得到这样的结果；

稀疏矩阵的转置可以使用两种方式来进行转置：

第一种方法通过分别遍历元素的列数和所有元素的个数两层for循环来进行遍历；

void transpose(term a[], term b[])
{
int n, i, j, currentb;
n = a[0].value;
b[0].row = a[0].col;
b[0].col = a[0].row;
b[0].value = n;
if (n > 0)
{
    currentb = 1;
    for (i = 0; i < a[0].col; ++i)
    {
        for (j = 0; j <= n; j++)
        {
            if (a[j].col == i)
            {
                b[currentb].row = a[j].col;
                b[currentb].col = a[j].row;
                b[currentb].value = a[currentb].value;
                currentb++;
            }
        }
    }
}
}

对于这种转置算法，时间复杂度是n^2这种级别；

通过上述方法进行转置，得到的结果同样是有序的；
-------之前的表示的是原始稀疏矩阵，在-------之后的表示的是转置之后的稀疏矩阵；

第二种方法是时间复杂度比较低的快速转置算法；

void fasttranspose(term a[], term b[])
{
int rowTerms[MAX_COL], startingPos[MAX_COL];
int i, j, numCols = a[0].col, numTerms = a[0].value;
b[0].row = numCols;
b[0].col = a[0].row;
b[0].value = numTerms;

if (numTerms > 0)
{
    for (i = 0; i < numCols; i++)
        rowTerms[i] = 0;
    for (i = 1; i <= numTerms; i++)
    {
        rowTerms[a[i].col]++;
    }
    startingPos[0] = 1;
    for (i = 1; i <= numCols; i++)
        startingPos[i] = startingPos[i - 1] + rowTerms[i - 1];
    for (i = 1; i <= numTerms; i++)
    {
        j = startingPos[a[i].col]++;
        b[j].row=a[i].col;
        b[j].col=a[i].row;
        b[j].value=a[i].value;
    }
}
}

接下来分析快速转置算法的执行过程，来尝试理解这个算法：
首先因为需要进行的是元素的转置操作，将列变为行，所以对原始矩阵采取的是按照列进行遍历的方式，通过遍历的方式得到两种信息：每一列具有元素的个数，以及这一列第一个元素应该放置的位置；
1.这段代码首先得到的是的一一个初始化numcols个元素为0的数组；

for (i = 0; i < numCols; i++)
    rowTerms[i] = 0;

2.这段代码利用元素的下标作为索引，通过遍历所有的元素，得到的是每一列里面包含元素的个数；

for (i = 1; i <= numTerms; i++)
    rowTerms[a[i].col]++;

3.接下来的代码通过每一列的元素个数，和起始放置元素的位置，一开始的起始位置是1，统计得到每一列第一个元素应该放置的起始位置；

for (i = 1; i <= numCols; i++)
    startingPos[i] = startingPos[i - 1] + rowTerms[i - 1];

４.然后进入最关键的一个循环，这个循环通过遍历所有的元素，找到和初始元素对应的位置，来完成稀疏矩阵的转置；

for (i = 1; i <= numTerms; i++)
        {
            j = startingPos[a[i].col]++;
            b[j].row=a[i].col;
            b[j].col=a[i].row;
            b[j].value=a[i].value;
        }

再来通过代码执行的结果来理解算法执行的过程：
1.这是一开始的矩阵；
- 按照列进行分析得到的信息，这四列包含的元素个数分别为４，２，０，１，２一共是9个元素，这个信息保存在rowTerms数组里面；
- 按照列升序，列里面行升序的原则得到的数值排列信息应该是{{1,1,2,5},{5,6},{},{1},{1,3}},通过算法还应该得到的信息是每一列第一个元素的位置{1,5,7,8}，这个信息保存在startingPos里面，这里面元素的信息会随着该列填充一个元素之后进行增长；
１.第一个for循环执行的过程是完成初始化操作，这就不再进行展示，但是需要来跟踪这里面数据的变化过程；
2.首先来观察rowterms数组里面的数据；
数组里面元素的统计是符合要求的；
然后是startingPos里面的元素；
但是对于startintPos里面元素的值，再每次放置元素之后都会进行改变，用于指向下一个元素应该放置的位置；这个位置是通过变量j来进行统计的；
改变之后的元素元素的改变情况
对于这里面的前面5个元素进行-1操作，得到的最后一次放置元素的位置；
最后的到的结果是
对比这张结果图来验证每一列第一个元素应该放置的位置：
应该放置在第一个位置；
　应该放置在第五个位置；
应该放置在第七个位置；
应该放置在第八个位置；
对于这个算法的时间复杂度明显下降，但是空间复杂度在上升，因为多使用了两个数组空间，时间复杂度属于线性；