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



$$R=\begin{array} {c|c|c|c|c|c|c|c}{M_{8 \times8}} &A &B &C &D &E &F &G &H\\ \hline A &1 &1 & & & &1 & & \\ \hline B &1 &1 & & & &1 & & \\ \hline C &1 &1 &1 &1 &1 &1 & & \\ \hline D &1 &1 &1 &1 &1 &1 & & \\ \hline E &1 &1 & & &1 &1 & & \\ \hline F &1 &1 & & & &1 & & \\ \hline G &1 &1 &1 &1 &1 &1 &1 & \\ \hline H & & & & & & & &1\\ \hline \end{array} $$

矩阵的表示形式



   ABCDEFGH
A    1                  
B 1             1      
C          1            
D       1    1         
E 1                     
F    1                  
G          1            
H                        

矩阵的表示形式



原始矩阵 可达矩阵
   ABCDEFGH
A    1                  
B 1             1      
C          1            
D       1    1         
E 1                     
F    1                  
G          1            
H                        
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      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
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
2
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C       1 1 1         
D 1    1 1 1         
E 1 1       1         
F 1 1          1      
G       1 1 1    1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C       1 1 1         
D 1    1 1 1         
E 1 1       1         
F 1 1          1      
G       1 1 1    1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C       1 1 1         
D 1    1 1 1         
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1    1 1 1    1   
H                      1
3
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1    1 1 1         
D 1 1 1 1 1         
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1    1 1 1    1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1         
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1    1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      1
4
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1         
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1    1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      1
5
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      1
6
   ABCDEFGH
A 1 1          1      
B 1 1          1      
C 1 1 1 1 1 1      
D 1 1 1 1 1 1      
E 1 1       1 1      
F 1 1          1      
G 1 1 1 1 1 1 1   
H                      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
A A、B、
B A、B、F、
C C、D、
D C、D、E、
E A、E、
F B、F、
G D、G、
H H、
A A、B、
B A、B、F、
C C、D、
D C、D、E、
E A、E、
F B、F、
G D、G、
H H、
A A、B、
B A、B、F、
C C、D、
D C、D、E、
E A、E、
F B、F、
G D、G、
H H、
2
A A、B、F、
B A、B、F、
C C、D、E、
D A、C、D、E、
E A、B、E、
F A、B、F、
G C、D、E、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C C、D、E、
D A、C、D、E、
E A、B、E、
F A、B、F、
G C、D、E、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C C、D、E、
D A、C、D、E、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、C、D、E、G、
H H、
3
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、C、D、E、
D A、B、C、D、E、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、C、D、E、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、
4
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、
5
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、
6
A A、B、F、
B A、B、F、
C A、B、C、D、E、F、
D A、B、C、D、E、F、
E A、B、E、F、
F A、B、F、
G A、B、C、D、E、F、G、
H H、

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
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
   ABCDEFGH
A 1 1                  
B 1 1          1      
C       1 1            
D       1 1 1         
E 1          1         
F    1          1      
G          1       1   
H                      1
2
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C     111      
D 1   111      
E 11     1      
F 1 1       1    
G     1 11   1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C     111      
D 1   111      
E 11     1      
F 1 1       1    
G     1 11   1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C     111      
D 1   111      
E 11     11    
F 1 1       1    
G 1   1 11   1  
H               1
3
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 1   111      
D 11 111      
E 11     11    
F 11       1    
G 1   111   1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 1 1 111      
D 11 1111    
E 11     11    
F 11       1    
G 1 1 111   1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 1 1 1111    
D 11 1111    
E 11     11    
F 11       1    
G 11 1111 1  
H               1
4
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 11 111      
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 11 111   1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 111111    
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 111111 1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 111111    
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 1111111  
H               1
5
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 111111    
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 111111 1  
H               1
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 111111    
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 1111111  
H               1
6
A B C D E F G H
A 11       1    
B 11       1    
C 111111    
D 111111    
E 11     11    
F 11       1    
G 1111111  
H               1

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