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



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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



$$R=\begin{array} {c|c|c|c|c|c|c|c}{M_{12 \times12}} &子 &丑 &寅 &卯 &辰 &巳 &午 &未 &申 &酉 &戌 &亥\\ \hline 子 &1 & & & & & & & & & & &1\\ \hline 丑 & &1 &1 & & & & & & &1 & &1\\ \hline 寅 & & &1 & & & & & & & & &1\\ \hline 卯 & & &1 &1 & & & & & &1 & &1\\ \hline 辰 & & &1 & &1 & &1 &1 &1 &1 & &1\\ \hline 巳 & & &1 & &1 &1 &1 &1 &1 &1 & &1\\ \hline 午 & & &1 & & & &1 &1 &1 &1 & &1\\ \hline 未 & & &1 & & & & &1 & &1 & &1\\ \hline 申 & & &1 & & & & &1 &1 &1 & &1\\ \hline 酉 & & &1 & & & & & & &1 & &1\\ \hline 戌 & & &1 & & & &1 &1 &1 &1 &1 &1\\ \hline 亥 & & & & & & & & & & & &1\\ \hline \end{array} $$

矩阵的表示形式



  
                                 1
                           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

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               
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      1                         1
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2
  
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      1                         1
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            1    1    1       1
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1                               1
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      1                         1
      1 1                1      
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3
  
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   1 1                   1    1
      1                         1
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            1    1 1 1       1
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                  1 1 1 1    1
      1             1    1    1
      1             1 1 1      
      1                   1    1
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                                 1
  
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      1    1 1 1 1 1 1    1
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      1                         1
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      1          1 1 1 1    1
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      1             1 1 1    1
      1                   1    1
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   1 1                   1    1
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      1 1                1    1
      1    1    1 1 1 1    1
      1    1 1 1 1 1 1    1
      1          1 1 1 1    1
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5
  
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   1 1                   1    1
      1                         1
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      1    1    1 1 1 1    1
            1 1 1 1 1 1    1
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      1             1    1    1
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   1 1                   1    1
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      1          1 1 1 1    1
      1             1    1    1
      1             1 1 1    1
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      1          1 1 1 1 1 1
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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
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      1                   1    1
      1          1 1 1 1 1 1
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1                               1
   1 1                   1    1
      1                         1
      1 1                1    1
      1    1    1 1 1 1    1
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      1          1 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
子、亥、
丑、酉、
寅、亥、
卯、酉、
辰、午、
辰、巳、亥、
午、申、亥、
未、酉、
未、申、
寅、酉、
午、戌、
亥、
子、亥、
丑、酉、
寅、亥、
卯、酉、
辰、午、
辰、巳、亥、
午、申、亥、
未、酉、
未、申、
寅、酉、
午、戌、
亥、
子、亥、
丑、酉、
寅、亥、
卯、酉、
辰、午、
辰、巳、亥、
午、申、亥、
未、酉、
未、申、
寅、酉、
午、戌、
亥、
2
子、亥、
丑、寅、酉、
寅、亥、
寅、卯、酉、
辰、午、申、亥、
辰、巳、午、亥、
午、未、申、亥、
寅、未、酉、
未、申、酉、
寅、酉、亥、
午、申、戌、亥、
亥、
子、亥、
丑、寅、酉、
寅、亥、
寅、卯、酉、
辰、午、申、亥、
辰、巳、午、亥、
午、未、申、亥、
寅、未、酉、
未、申、酉、
寅、酉、亥、
午、申、戌、亥、
亥、
子、亥、
丑、寅、酉、
寅、亥、
寅、卯、酉、
辰、午、申、亥、
辰、巳、午、申、亥、
午、未、申、亥、
寅、未、酉、
寅、未、申、酉、
寅、酉、亥、
午、未、申、戌、亥、
亥、
3
子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
寅、卯、酉、亥、
辰、午、未、申、亥、
辰、巳、午、申、亥、
午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、
寅、酉、亥、
午、未、申、戌、亥、
亥、
子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
寅、卯、酉、亥、
辰、午、未、申、酉、亥、
辰、巳、午、未、申、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
午、未、申、酉、戌、亥、
亥、
子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
寅、卯、酉、亥、
寅、辰、午、未、申、酉、亥、
寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、戌、亥、
亥、
4
子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
寅、卯、酉、亥、
辰、午、未、申、酉、亥、
辰、巳、午、未、申、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
午、未、申、酉、戌、亥、
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子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
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寅、辰、午、未、申、酉、亥、
寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、戌、亥、
亥、
子、亥、
丑、寅、酉、亥、
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寅、卯、酉、亥、
寅、辰、午、未、申、酉、亥、
寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
寅、未、酉、亥、
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寅、午、未、申、酉、戌、亥、
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子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
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寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
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子、亥、
丑、寅、酉、亥、
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寅、卯、酉、亥、
寅、辰、午、未、申、酉、亥、
寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、亥、
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子、亥、
丑、寅、酉、亥、
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寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
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子、亥、
丑、寅、酉、亥、
寅、亥、
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寅、辰、午、未、申、酉、亥、
寅、辰、巳、午、未、申、酉、亥、
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寅、未、酉、亥、
寅、未、申、酉、亥、
寅、酉、亥、
寅、午、未、申、酉、戌、亥、
亥、

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
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