可达矩阵的四种求解方法:自乘,幂乘,Warshall转移闭包法、一次性Warshall法



~
计算方式
优缺点
自乘法

第一步:求出自乘矩阵

第二步:相乘矩阵,乘以相乘矩阵,就是进行布尔积(Boolean Product)⊙运算

第三步:自乘矩阵一直乘下去。

最后:得到的矩阵不再变化时,该矩阵就叫可达矩阵。

优点:数学表达式简单,好理解。通常计算都是用这种方法,大部分教科书也是用的这种方法。

缺点:运算慢。矩阵的布尔积运算次数多!

幂乘法

第一步:求出自乘矩阵

第二步:相乘矩阵,乘以相乘矩阵,就是进行布尔积(Boolean Product)⊙运算

第三步:得到的矩阵称之为幂矩阵,幂矩阵再相乘,一直这样平方下去。

最后:得到的矩阵不再变化时,该矩阵就叫可达矩阵。

优点:数学表达式简单,好理解。

缺点:运算慢。矩阵的布尔积运算次数多!

另外一个由于幂矩阵中的为1的值相对较多。其实际运算速度不一定就比自乘法快,虽然其,矩阵乘法运算次数相对于自乘法要少!
Warshall法

第一步:求出自乘矩阵

第二步:相乘矩阵,得到转移矩阵。

第三步:转移矩阵的相对于自乘矩阵的转移矩阵,一直循环。

最后:得到的矩阵不再变化时,该矩阵就叫可达矩阵。

优点:运算速度中等。

缺点:稍微有点难理解!

改进Warshall法

第一步:求出自乘矩阵

第二步:相乘矩阵,得到转移矩阵。

第三步:转移矩阵的转移矩阵,一直循环。

最后:得到的矩阵不再变化时,该矩阵就叫可达矩阵。

优点:运算速度中等。

缺点:稍微有点难理解!

一次性Warshall法

第一步:根据原始矩阵求出所有的强连通分量

第二步:根据强连通分量得到的是一个良好拓扑排序的矩阵

第三步:从上到下,进行一次Warshall运算就得到了可达矩阵。

优点:运算速度得到数量级的提高。

缺点:难理解!

在矩阵对角线下一个对角线上全部输入1,只要一次Wallshall就可以得出可达矩阵!



可达矩阵如下



$$R=\begin{array} {c|c|c|c|c|c|c|c}{M_{10 \times10}} &甲 &乙 &丙 &丁 &戊 &己 &庚 &辛 &壬 &癸\\ \hline 甲 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 & \\ \hline 乙 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 & \\ \hline 丙 & & &1 & & & & & &1 & \\ \hline 丁 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 & \\ \hline 戊 &1 &1 &1 &1 &1 & &1 &1 &1 & \\ \hline 己 &1 &1 &1 &1 & &1 &1 &1 &1 & \\ \hline 庚 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 & \\ \hline 辛 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 & \\ \hline 壬 & & &1 & & & & & &1 & \\ \hline 癸 &1 &1 &1 &1 & & &1 &1 &1 &1\\ \hline \end{array} $$

矩阵的表示形式



  
      1 1                  
                     1 1   
                        1   
                  1         
         1                  
                     1      
   1                        
1                           
      1                     
         1                  

矩阵的表示形式



原始矩阵 可达矩阵
  
      1 1                  
                     1 1   
                        1   
                  1         
         1                  
                     1      
   1                        
1                           
      1                     
         1                  
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1

可达矩阵的求解,其中其中快速(迭代)Warshall的转移闭包与逼近的可达矩阵的速度最快


矩阵相乘的次数 相乘矩阵自乘的方法 幂乘的方法 快速Warshall转移法
1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
2
  
1    1 1       1    1   
1 1 1             1 1   
      1                1   
   1    1       1         
         1 1    1         
1             1    1      
   1             1 1 1   
1    1 1          1      
      1                1   
         1       1       1
  
1    1 1       1    1   
1 1 1             1 1   
      1                1   
   1    1       1         
         1 1    1         
1             1    1      
   1             1 1 1   
1    1 1          1      
      1                1   
         1       1       1
  
1    1 1       1    1   
1 1 1             1 1   
      1                1   
   1    1       1         
   1    1 1    1         
1             1    1      
1 1 1          1 1 1   
1    1 1       1 1 1   
      1                1   
   1    1       1       1
3
  
1 1 1 1       1    1   
1 1 1 1          1 1   
      1                1   
   1    1       1 1 1   
   1    1 1    1         
1    1 1    1    1      
1 1 1          1 1 1   
1    1 1       1 1 1   
      1                1   
   1    1       1       1
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
   1    1 1    1 1 1   
1    1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
   1    1       1 1 1 1
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1
4
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
   1    1 1    1 1 1   
1    1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
   1    1       1 1 1 1
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1
5
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1
6
  
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1 1    1 1 1   
1 1 1 1    1 1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
1 1 1 1       1 1 1   
      1                1   
1 1 1 1       1 1 1 1

逐次平法法进行布尔乘积的次数虽然要少于自乘的方式,但是由于中间矩阵中值为1的个数更多,所以整个获得可达矩阵的时间效率上来说,它不一定快,甚至更慢!,只有改进为集合求解方式,其效率会大大加快


下图为它们的可达集合标记法,链表标识方式


矩阵相乘的次数 相乘矩阵自乘的方法 幂乘的方法 快速Warshall转移法
1
甲、丙、丁、
乙、辛、壬、
丙、壬、
丁、庚、
丁、戊、
己、辛、
乙、庚、
甲、辛、
丙、壬、
丁、癸、
甲、丙、丁、
乙、辛、壬、
丙、壬、
丁、庚、
丁、戊、
己、辛、
乙、庚、
甲、辛、
丙、壬、
丁、癸、
甲、丙、丁、
乙、辛、壬、
丙、壬、
丁、庚、
丁、戊、
己、辛、
乙、庚、
甲、辛、
丙、壬、
丁、癸、
2
甲、丙、丁、庚、壬、
甲、乙、丙、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、
丁、戊、庚、
甲、己、辛、
乙、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、辛、
丙、壬、
丁、庚、癸、
甲、丙、丁、庚、壬、
甲、乙、丙、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、
丁、戊、庚、
甲、己、辛、
乙、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、辛、
丙、壬、
丁、庚、癸、
甲、丙、丁、庚、壬、
甲、乙、丙、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、
乙、丁、戊、庚、
甲、己、辛、
甲、乙、丙、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、癸、
3
甲、乙、丙、丁、庚、壬、
甲、乙、丙、丁、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、辛、壬、
乙、丁、戊、庚、
甲、丙、丁、己、辛、
甲、乙、丙、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、癸、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
乙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、辛、壬、癸、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、
4
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
乙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
乙、丁、庚、辛、壬、癸、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、
5
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、
6
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、戊、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、己、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、
丙、壬、
甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸、

比较求解过程中每一步矩阵值与上一个矩阵的变化



矩阵相乘的次数 相乘矩阵自乘的方法 逐次平方法 快速转移法,Warshall快速转移
1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
  
1    1 1                  
   1                1 1   
      1                1   
         1       1         
         1 1               
               1    1      
   1             1         
1                   1      
      1                1   
         1                1
2
1   11     1   1  
1 11         11  
    1           1  
  1   1     1      
      11   1      
1         1   1    
  1         11 1  
1   1 1       1    
    1           1  
      1     1     1
1   11     1   1  
1 11         11  
    1           1  
  1   1     1      
      11   1      
1         1   1    
  1         11 1  
1   1 1       1    
    1           1  
      1     1     1
1   11     1   1  
1 11         11  
    1           1  
  1   1     1      
  1   11   1      
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