稀疏矩阵的转置运算

Posted 2020-09-19 晓乎

　　（1）设m*n 矩阵中有t 个非零元素且t远小于m*n，这样的矩阵称为稀疏矩阵。很多科学管理及工程计算中，常会遇到阶数很高的大型稀疏矩阵。如果按常规分配方法，顺序分配在计算机内，那将是相当浪费内存的。为此提出另外一种存储方法，仅仅存放非零元素。但对于这类矩阵，通常零元素分布没有规律，为了能找到相应的元素，所以仅存储非零元素的值是不够的，还要记下它所在的行和列。于是采取如下方法：将非零元素所在的行、列以及它的值构成一个三元组（i,j,v），然后再按某种规律存储这些三元组，这种方法可以节约存储空间。

　　将三元组按行优先的顺序，同一行中列号从小到大的规律排列成一个线性表，称为三元组表，采用顺序存储方法存储该表。如下图：

 

 可以将其改写成如下的三元组的形式，同时存储器行、列和值，如下：

i	j	v
1	2	12
1	3	9
3	1	-3
3	6	14
4	3	24
5	2	18
6	1	15
6	4	-7

 

对应的三元组的数据结构可以写成如下形式的数据结构：

//定义三元组的数据结构类型
typedef struct{
	int i,j;		//非零元素的行和列
	ElemType e;		//非零元素的值
}Triple;

//三元组表的存储类型
typedef struct{
	int mu,nu,tu;				//矩阵的行、列以及非零元的个数
	Triple data[MAXSIZE+1];	    //三元组表
}Matrix;

 （2）、矩阵的转置

要做到转置要做到三点

①、将矩阵的行列值互换

②、将每个三元组的i、j互换

③、重新排列三元组

如下图：

　　

方法一：

　　①、将矩阵A的行列转化为矩阵B的列和行

　　②、以B的行（col）为标准依次遍历三元组的列值（j）的值，即矩阵A的第一列的元素必在B的第一行中，依次赋值。

　　程序如下：

int TransposeSMatrix(Matrix M,Matrix *X)
{
	int col,p,q;
	//设置转置矩阵的结构
	X->mu=M.nu;
	X->nu=M.mu;
	X->tu=M.tu;
	//矩阵中有非零元素才开始去完成转置工作，否则没有意义
	if(X->tu)
	{
		q=1;
		//遍历每一列的非零元素
		for(col=1;col<=M.nu;col++)
			//扫描三元组中非零元素的个数
			for(p=1;p<=M.tu;p++)
				if(M.data[p].j==col)	//若找到该列的非零元素，开始对该元素的行列转换
				{
					X->data[q].i=M.data[p].j;
					X->data[q].j=M.data[p].i;
					X->data[q].e=M.data[p].e;
					//继续去对第二个元素进行变化、
					q++;
				}
	}
	return OK;
}

 方法二：

　　　易看出方法一的时间复杂度主要体现在两次循环上（ O(nu*tu)  ），当非零元的个数过多的时候（即与mu*nu是同一个数量级的时候），算法的复杂度变为了（o(mu*nu²）,虽然此方法在空间上节省了存储空间，但在时间上花费了太大的比重。方法二设置了两个数组num和cpot，num[col]代表矩阵A的每一列的非零元素的个数，cpot[col]表示矩阵A中第col列第一个非零元素的在B对应的三元组的位置，即

　　cpot[1]=1

　　cpot[col]=cpot[col-1]+num[col-1] 　　　　(2<=col<=A.nu)

 

 对应的矩阵A的num和cpot值如下

 

 

对应的程序如下所示：

int FastTransposeSMatrix(Matrix M,Matrix *X)
{
	int col,k,p,q;
	int cpot[10],num[10];
	X->mu=M.nu;
	X->nu=M.mu;
	X->tu=M.tu;
	//矩阵中有非零元素才开始去完成转置工作，否则没有意义
	if(X->tu)
	{
		//num代表每一行非零元的个数，初始化为0
		for(col=1;col<=M.tu;col++)
			num[col]=0;

		//计算每一列中非零元的个数
		for(k=1;k<=M.tu;k++)
			num[M.data[k].j]++;

		//初始化cpot为1 cpot代表矩阵M中第col列的第一个非零元素的转置后矩阵X.data的位置
		cpot[1]=1;
		for(col=2;col<=M.nu;col++)
			cpot[col]=cpot[col-1]+num[col-1];
		
		for(p=1;p<=M.tu;p++)
		{
			col=M.data[p].j;
			q=cpot[col];
			X->data[q].i=M.data[p].j;
			X->data[q].j=M.data[p].i;
			X->data[q].e=M.data[p].e;
			cpot[col]++;
		}
	}
	return OK;
}

 

---

完整程序如下：

　　

#include<stdio.h>
#define OK 1
#define MAXSIZE 100
typedef int ElemType;

//定义三元组的数据结构类型
typedef struct{
	int i,j;		//非零元素的行和列
	ElemType e;		//非零元素的值
}Triple;

//三元组表的存储类型
typedef struct{
	int mu,nu,tu;				//矩阵的行、列以及非零元的个数
	Triple data[MAXSIZE+1];	    //三元组表
}Matrix;

int TransposeSMatrix(Matrix M,Matrix *X)
{
	int col,p,q;
	//设置转置矩阵的结构
	X->mu=M.nu;
	X->nu=M.mu;
	X->tu=M.tu;
	//矩阵中有非零元素才开始去完成转置工作，否则没有意义
	if(X->tu)
	{
		q=1;
		//遍历每一列的非零元素
		for(col=1;col<=M.nu;col++)
			//扫描三元组中非零元素的个数
			for(p=1;p<=M.tu;p++)
				if(M.data[p].j==col)	//若找到该列的非零元素，开始对该元素的行列转换
				{
					X->data[q].i=M.data[p].j;
					X->data[q].j=M.data[p].i;
					X->data[q].e=M.data[p].e;
					//继续去对第二个元素进行变化、
					q++;
				}
	}
	return OK;
}

int FastTransposeSMatrix(Matrix M,Matrix *X)
{
	int col,k,p,q;
	int cpot[10],num[10];
	X->mu=M.nu;
	X->nu=M.mu;
	X->tu=M.tu;
	//矩阵中有非零元素才开始去完成转置工作，否则没有意义
	if(X->tu)
	{
		//num代表每一行非零元的个数，初始化为0
		for(col=1;col<=M.tu;col++)
			num[col]=0;

		//计算每一列中非零元的个数
		for(k=1;k<=M.tu;k++)
			num[M.data[k].j]++;

		//初始化cpot为1 cpot代表矩阵M中第col列的第一个非零元素的转置后矩阵X.data的位置
		cpot[1]=1;
		for(col=2;col<=M.nu;col++)
			cpot[col]=cpot[col-1]+num[col-1];
		
		for(p=1;p<=M.tu;p++)
		{
			col=M.data[p].j;
			q=cpot[col];
			X->data[q].i=M.data[p].j;
			X->data[q].j=M.data[p].i;
			X->data[q].e=M.data[p].e;
			cpot[col]++;
		}
	}
	return OK;
}

//创建系数矩阵，用三元组法表示
void Create(Matrix *M)
{
	int i;
	printf("请分别输入非零元素的行（mu）、列（nu）以及非零元素的个数（ti）：");
	scanf("%d %d %d",&M->mu,&M->nu,&M->tu);
	printf("请按以下格式输入非零元素（行 列 元素值）：\\n");
	for(i=1;i<=M->tu;i++)
		scanf("%d %d %d",&M->data[i].i,&M->data[i].j,&M->data[i].e);
}

//以矩阵的形式输出三元组表示存储的稀疏矩阵
void print(Matrix M)
{	
	
	int i,j,k;
	//二维数组初始化
	int a[10][10]={0};
	for(k=1;k<=M.tu;k++)
	{
		i=M.data[k].i;
		j=M.data[k].j;
		a[i][j]=M.data[k].e;
	}
	printf("Matrix is : \\n");
	for(i=1;i<=M.mu;i++)
	{
		for(j=1;j<=M.nu;j++)
			printf("%4d",a[i][j]);
		printf("\\n");
	}
}

void main()
{
	Matrix M,X;
	Create(&M);
	print(M);
	FastTransposeSMatrix(M,&X);
	print(X);
}	

 运行结构如下：