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



$$R=\begin{array} {c|c|c|c|c|c|c|c}{M_{8 \times8}} &F1 &F2 &F3 &F4 &F5 &F6 &F7 &F8\\ \hline F1 &1 & &1 & & &1 &1 & \\ \hline F2 &1 &1 &1 &1 & &1 &1 &1\\ \hline F3 & & &1 & & &1 &1 & \\ \hline F4 &1 & &1 &1 & &1 &1 & \\ \hline F5 & & &1 & &1 &1 &1 & \\ \hline F6 & & &1 & & &1 &1 & \\ \hline F7 & & &1 & & &1 &1 & \\ \hline F8 & & & & & & & &1\\ \hline \end{array} $$

矩阵的表示形式



   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1       1               
F2 1       1          1
F3                   1   
F4 1             1      
F5                   1   
F6       1               
F7                1      
F8                        

矩阵的表示形式



原始矩阵 可达矩阵
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1       1               
F2 1       1          1
F3                   1   
F4 1             1      
F5                   1   
F6       1               
F7                1      
F8                        
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      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
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
2
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1          1   
F2 1 1 1 1    1    1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1      
F5             1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1          1   
F2 1 1 1 1    1    1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1      
F5             1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1          1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5             1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
3
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
4
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1       1 1   
F2 1 1 1 1    1 1 1
F3       1       1 1   
F4 1    1 1    1 1   
F5       1    1 1 1   
F6       1       1 1   
F7       1       1 1   
F8                      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
F1 F1、F3、
F2 F1、F2、F4、F8、
F3 F3、F7、
F4 F1、F4、F6、
F5 F5、F7、
F6 F3、F6、
F7 F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、
F2 F1、F2、F4、F8、
F3 F3、F7、
F4 F1、F4、F6、
F5 F5、F7、
F6 F3、F6、
F7 F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、
F2 F1、F2、F4、F8、
F3 F3、F7、
F4 F1、F4、F6、
F5 F5、F7、
F6 F3、F6、
F7 F6、F7、
F8 F8、
2
F1 F1、F3、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、
F5 F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、
F5 F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
3
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
4
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、
F1 F1、F3、F6、F7、
F2 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、
F3 F3、F6、F7、
F4 F1、F3、F4、F6、F7、
F5 F3、F5、F6、F7、
F6 F3、F6、F7、
F7 F3、F6、F7、
F8 F8、

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
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
   F1F2F3F4F5F6F7F8
F1 1    1               
F2 1 1    1          1
F3       1          1   
F4 1       1    1      
F5             1    1   
F6       1       1      
F7                1 1   
F8                      1
2
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1       1  
F2 111 1   1   1
F3     1     1 1  
F4 1   1 1   1    
F5         11 1  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1       1  
F2 111 1   1   1
F3     1     1 1  
F4 1   1 1   1    
F5         11 1  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1       1  
F2 111 1   1 1 1
F3     1     1 1  
F4 1   1 1   11  
F5         11 1  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
3
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     1 1  
F2 1111   11 1
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     1 1  
F2 1111   11 1
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     1 1  
F2 1111   111
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
4
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     11  
F2 1111   111
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     11  
F2 1111   111
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
F1 1   1     11  
F2 1111   111
F3     1     11  
F4 1   11   11  
F5     1   111  
F6     1     11  
F7     1     11  
F8               1

化学加平台
解释结构模型
感谢化学加提供单独服务器服务器!请大家多支持化学加平台,可以多介绍人关注化学加!
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