第一章、线性代数(1)矩阵乘法

一、矩阵相关概念

【矩阵】

由n×m个数排成n行m列的数表称为n行m列的矩阵,简称n×m矩阵。记作:

在学习图论时,存储图的一种方式------邻接矩阵,就是矩阵。所以矩阵用二维数组就可以存储。

【特殊的矩阵】

1、方阵

行数等于列数的矩阵称为方阵。方阵中行数等于列数的元素构成主对角线。

2、三角矩阵

如果方阵主对角线左下方的元素均为0,称为上三角矩阵。例如:

如果方阵主对角线右上方的元素均为0,称为下三角矩阵。例如:

3、对角矩阵

主对角线之外的元素均为0的方阵称为对角矩阵。例如:

4、单位矩阵

主对角线的元素均为1的对角矩阵。例如:

【矩阵的运算】

1、加法、减法和数乘

两个矩阵的加减法为对应元素分别作加减法。注意:只有同型矩阵之间可以做对应相加减!

数乘即为矩阵乘以一个数,结果为矩阵中每个元素都乘以这个数。

矩阵的加减与数乘称为矩阵的线性运算。

2、矩阵乘法

矩阵相乘时只有第一个矩阵的列数第二个矩阵的行数相同时才有意义!

设A为n×s的矩阵,B为s×m的矩阵,那么矩阵A与矩阵B的乘积为n×m的矩阵C,其中cij表示矩阵A的第i行与矩阵B的第j列元素分别相乘再相加。

【矩阵的运算规律】

1、线性运算满足交换律、结合律、分配律

·A+B = B+A

·A+B+C = A+(B+C)

·k*(A+B)= k*A + k*B

2、矩阵乘法只满足结合律和分配律

·ABC = A(BC)

·A(B+C) = AB + AC

注意:矩阵乘法可能不满足交换律。因此,在计算矩阵乘法时,前后顺序很重要!

特殊的,任何矩阵乘单位矩阵E,都不会改变:AE = EA = A 。因此,单位矩阵相当于数字1。

二、【模板】矩阵乘法

cpp 复制代码
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;

const int N = 110;

int n, m, s;
int a[N][N], b[N][N], c[N][N];

int main()
{
	cin >> n >> m >> s;

	for (int i = 1;i <= n;i++)
		for (int j = 1;j <= m;j++)
			cin >> a[i][j];

	for (int i = 1;i <= m;i++)
		for (int j = 1;j <= s;j++)
			cin >> b[i][j];

	for (int i = 1;i <= n;i++)
	{
		for (int j = 1;j <= s;j++)
		{
			for (int k = 1;k <= m;k++)
			{
				c[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
			}
		}
	}

	for (int i = 1;i <= n;i++)
	{
		for (int j = 1;j <= s;j++)
		{
			cout << c[i][j] << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	return 0;
}

三、【模板】矩阵快速幂

cpp 复制代码
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

typedef long long LL;
const int N = 110, mod = 1e9 + 7;

LL k, n;

// 矩阵的结构体
struct matrix
{
	LL m[N][N];

	// 构造函数
	matrix()
	{
		memset(m, 0, sizeof m);
	}

	// 重载乘法运算符
	matrix operator*(const matrix& B) const
	{
		matrix C;
		for (int i = 1;i <= n;i++)
		{
			for (int j = 1;j <= n;j++)
			{
				for (int k = 1;k <= n;k++)
				{
					C.m[i][j] = (C.m[i][j] + m[i][k] * B.m[k][j]) % mod;
				}
			}
		}
		return C;
	}

}A, RET;

void qpow(LL b)
{
    // 把RET变为单位矩阵
	for (int i = 1;i <= n;i++)
		RET.m[i][i] = 1;

	while (b)
	{
		if (b & 1)
		{
			RET = RET * A;
		}

		b >>= 1;
		A = A * A;
	}
}

int main()
{
	cin >> n >> k;
	for (int i = 1;i <= n;i++)
		for (int j = 1;j <= n;j++)
			cin >> A.m[i][j];

	qpow(k);

	for (int i = 1;i <= n;i++)
	{
		for (int j = 1;j <= n;j++)
		{
			cout << RET.m[i][j] << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	return 0;
}

四、【练习】矩阵加速

解法:利用矩阵快速幂加速递推,构造出矩阵相乘的形式。

cpp 复制代码
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

typedef long long LL;
const int N = 5, mod = 1e9 + 7;

struct matrix
{
	LL m[N][N];

	matrix()
	{
		memset(m, 0, sizeof m);
	}

	matrix operator*(const matrix& B) const
	{
		matrix C;
		for (int i = 1;i <= 3;i++)
		{
			for (int j = 1;j <= 3;j++)
			{
				for (int k = 1;k <= 3;k++)
				{
					C.m[i][j] = (C.m[i][j] + m[i][k] * B.m[k][j]) % mod;
				}
			}
		}
		return C;
	}

	void clear()
	{
		memset(m, 0, sizeof m);
	}

}A, RET;

void qpow(LL b)
{
	RET.m[1][1] = RET.m[1][2] = RET.m[1][3] = 1;
	A.m[1][1] = A.m[1][2] = A.m[2][3] = A.m[3][1] = 1;

	while (b)
	{
		if (b & 1)
			RET = RET * A;

		b >>= 1;
		A = A * A;
	}
}

int main()
{
	int T;
	cin >> T;
	while (T--)
	{
		int n;
		cin >> n;

		A.clear();
		RET.clear();

		if (n == 1 || n == 2 || n == 3)
		{
			cout << 1 << endl;
			continue;
		}

		qpow(n - 3);

		cout << RET.m[1][1] << endl;
	}

	return 0;
}
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