矩阵【DP】【记搜】

题目大意:
N 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 × p 次。

I n p u t

3
50 10
10 20
20 5

O u t p u t

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 = 50000
但是并不是这样的。
我们设第 2 n + 1 行的输入数据为 a [ i ] b [ i ] ,那么我们必须先证明 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 ) ,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 ) 变成 ( 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 ] 表示矩阵 i 到矩阵 j 都被合并的最小值,再从 i j 中枚举 k ,将矩阵分为两边(类似 F l o y d 思想, i j 最短路就枚举其他点 k f [ i ] [ j ] = m i n ( f [ i ] [ j ] , f [ i ] [ k ] + f [ k ] [ j ] ) ),再加上题目给出的 A ( m × n ) × B ( n × p ) 要乘 m × n × p 次,即 a [ i ] × a [ k + 1 ] × b [ j ] a [ k + 1 ] = b [ k ] ,已经证过,所以也可以是 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 i j k 分别该怎么枚举呢?

不难想到,由于是矩阵 i 到矩阵 j ,所以必然有 i j ,所以 j 就要从2枚举到 n 。(1不能枚举,因为如果枚举了1, i 0,明显不成立)。那么根据 i j ,也可以推出 i 要从 j 1 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 ] 里面没有任何一个区间求出最小值,就无法转移。那么 k 就很简单了,如上文所述,有 i k j ,所以k自然就在 i j 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 I N F ,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 ] ,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 ] 这个矩阵的值不可能是 I N F ,因为它是它本身,所以 f [ i ] [ i ] = 0

那么当 i = j 1 k = 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 n ,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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