数据结构-特殊矩阵的压缩存储

Posted 2022-12-14 修心_666

特殊矩阵的压缩存储

  数组的存储结构

  一个数组中的所有元素在内存中占用一段连续的存储空间。

  对于多维数组，有两种映射方法：按行优先，按列优先。以二维数组为例：按行优先存储的基本思想是：先行后列，先存储行号较小的元素，行号相等先存储列号较小的元素。

  矩阵的压缩存储

  压缩存储：指为多个值相同的元素只分配一个存储空间，对零元素不分配存储空间。目的是为了节省存储空间。

  特殊矩阵：指具有许多相同矩阵的元素或零元素，并且这些相同矩阵沿元素或零元素的分布有一定规律性的矩阵。常见的特殊矩阵有 对称矩阵，上（下）三角矩阵，对角矩阵。

  1、对称矩阵

  

  上三角区的所有元素和下三角区的对应元素相同，若仍采用二维数组存储，则会浪费几乎一半的存储空间，所以我们存放在一个一维数组B[n(n+1)/2]中，即元素a(i,j) 存放在b(k)中。

  元素a(i,j)在数组b中的下标k = 1 + 2 + … + (i - 1) + ( j - 1) = i (i-1) / 2 + j - 1 (数组下标从0 开始)。

  因此，元素下标之间的对应关系为：
$$k=\begin{array}{rlr}i(i-1)/2+j-1& & i>=j(下三角区和主对角线元素)\\ j(j-1)/2+i-1& & i<j(上三角区元素ai,j=aj,i)\end{array}$$

  2、三角矩阵

  上三角矩阵中，下三角区的所有元素均为同一常量，一般为0。只需存储主对角线、上三角区上的元素和下三角区的常量一次，可将其压缩存储B[n(n+1)/2 + 1]中。

  因此，元素下标之间的对应关系为：
$$k=\begin{array}{rlr}(i-1)(2n-i+2)/2+j-1& & i<=j(上三角区和主对角线元素)\\ n(n+1)/2& & i<j(下三角区元素)\end{array}$$

  下三角矩阵：

  下三角矩阵的存储思想与对称矩阵类似，不同之处在于存储完下三角区和主对角线上元素之后，紧接着存储对角线上方的常量一次。

  因此，元素下标之间的对应关系为：
$$k=\begin{array}{rlr}i(i-1)/2+j-1& & i>=j(下三角区和主对角线元素)\\ n(n+1)/2& & i<j(上三角元素)\end{array}$$

  3、三对角矩阵

  对角矩阵也称带状矩阵。对于n阶方阵A中的任意元素aij，当|i-j| > 1 时，有aij = 0，则称为三对角矩阵。

    

  采用压缩存储，将3条对角线上的元素按行优先存放在一维数组B中，且将a0,0 存放在B[0]中，这样就可以计算出三角线上元素 aij（ 0<= i, j <= n, | i - j| <= 1 ) 在一维数组B中存放的下标为 k = 2i + j - 3。

  稀疏矩阵

  如果矩阵中的非零元素的个数相对整个矩阵的元素个数来说非常少，则将这样的矩阵称为稀疏矩阵。

  存储稀疏矩阵，我们一般构造三元组存储矩阵非零元素。系数矩阵压缩存储后便失去了随机存取的特性。

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