稀疏矩阵基本操作 实验报告.docx
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稀疏矩阵基本操作实验报告
稀疏矩阵基本操作实验报告
一、实验内容
稀疏矩阵得压缩储存结构,以及稀疏矩阵得三元组表表示方法下得转置、相加、相乘等算法
二、实验目得
1.熟悉数组、矩阵得定义与基本操作
2.熟悉稀疏矩阵得储存方式与基本运算
3.理解稀疏矩阵得三元组表类型定义,掌握稀疏矩阵得输入、输出与转置算法
三、实验原理
1.使用三元组储存矩阵中得非零元素(三元组分别储存非零元素得行下标,列下标与元素值)。
除了三元组表本身,储存一个稀疏矩阵还需要额外得三个变量,分别储存矩阵得非零元个数,矩阵得行数与矩阵得列数。
2.稀疏矩阵得创建算法:
第一步:
根据矩阵创建一个二维数组,表示原始矩阵
第二步:
取出二维数组中得元素(从第一个元素开始取),判断取出元素就是否为非零元素,如果为非零元素,把该非零元素得数值以及行下标与列下表储存到三元数组表里,否则取出下一个元素,重复该步骤。
第三步:
重复第二步,知道二维数组中所有得元素已经取出。
3.稀疏矩阵倒置算法:
第一步:
判断进行倒置得矩阵就是否为空矩阵,如果就是,则直接返回错误信息、
第二步:
计算要倒置得矩阵每列非零元素得数量,存入到num数组(其中num[i] 代表矩阵中第i列非零元素得个数)、以及倒置后矩阵每行首非零元得位置,存入cpot数组中(其中cpot表示倒置后矩阵每行非零元得位置,对应表示原矩阵每列中第一个非零元得位置)。
第三步:
确定倒置后矩阵得行数与列数。
第四步:
取出表示要导致矩阵中三元组表元素{e,I,j}(第一次取出第一个,依次取出下一个元素),从第二步cpot数组中确定该元素倒置后存放得位置(cpot[j]),把该元素得行下标与列下标倒置以后放入新表得指定位置中。
cpot[j]变量加一。
第五步:
重复第四步,直到三元组表中所有得元素都完成倒置。
第六步:
把完成倒置运算得三元组表输出、
4.稀疏矩阵加法算法:
第一步:
检查相加两个矩阵得行数与列数就是否相同,如果相同,则进入第二步,否则输出错误信息。
第二步:
定义变量i与j,用于控制三元组表得遍历。
第三步:
比较变量矩阵M中第i个元素与矩阵N中第j个元素,如果两个元素就是同一行元素,如果不就是则进入第四步,如果就是,再继续比较两个元素就是否为同一列元素,如果就是,把两个元素值相加,放到三元组表中;否则把列下表小得元素依次放到三元组表中。
进入第五步
第四步:
如果矩阵M中第i个元素得行下标大于矩阵N中第j个元素得行下标,则把矩阵N中第j个元素所在行得所有非零元素添加到三元组表中;如果矩阵M中第i个元素得行下标小于矩阵N中第j个元素得下标,则把M中第i个元素所在行得所有非零元素依次添加到三元组表中。
第五步:
重复第三步,直到矩阵M与矩阵N中所有元素都非零元素添加到三元组表中、
第六步:
输出运算结果
5.稀疏矩阵乘法算法:
第一步:
检查矩阵M与矩阵N能否参与乘法运算(即矩阵M得列数等于矩阵N得行数),如果两个矩阵可以参与乘法运算,进入下一步,否则输出错误信息
第二步:
检查两个矩阵相乘以后就是否为零矩阵,如果相乘结果就是零矩阵,直接返回一个零矩阵、
第三步:
分别计算矩阵M与矩阵N中每行非零元得个数(分别存放到num_m与num_n数组中),并计算出每行首非零元得位置(分别存放到cpot_m与cpot_n中)。
第四步:
依次取矩阵M中得非零元(第一次取出矩阵M中得第一个非零元),求出该非零元所在行与所在列乘积得与,然后把值放到结果三元组表得特定位置。
第五步:
重复第四步,直到矩阵M中所有非零元都已经参与运算、
第六步:
输出结果
四、
程序流程图
五、实验结果
5.1
程序主菜单
5.2
稀疏矩阵三元组得创建与倒置
5.3稀疏矩阵得加法运算并以三元组输出结果
5.4
稀疏矩阵得乘法运算并以矩阵方式输出结果
六、操作说明
1.在创建稀疏矩阵得时候,可以每次输入一个数据,也可以一次输入多个数据,程序会自动根据输入元素得个数对矩阵数据进行填充
2.每次矩阵运算失败时(无论就是输入得矩阵不符合矩阵运算得条件,参与运算其中一个矩阵为空矩阵,或者分配不到临时空间),程序都会返回到主菜单。
输入得数据都会被清空。
七、附录:
代码
#include〈stdio、h〉
#include〈stdlib。
h〉
#include
#defineMAXSIZE1000
#defineOK0
#define MALLOC_FAIL -1ﻩﻩ//表示分配空间时发生错误
#defineEMPTY_MATRIX-2// 表示正尝试对一个空矩阵进行运算操作
#defineMATRIX_NOT_MATCH-3ﻩ// 表示尝试对不符合运算条件得矩阵进行运算操作(例如非相同行数列数矩阵相加)
/*-----------结构体声明部分----—-—---—--——-*/
typedefstruct
{
ﻩint row;//非零元得行下标
intcol;//非零元得列下标
inte;ﻩ// 非零元得值
}Triple;
typedefstruct
{
ﻩTriple*data;ﻩﻩ//非零元素得元素表
ﻩintrownum;ﻩﻩﻩ// 矩阵得行数
ﻩintcolnum;ﻩﻩﻩﻩ//矩阵得列数
intnum;ﻩﻩﻩ//矩阵非零元得个数
}TSMatrix,*PTSMatrix;
/*—--——-———--函数声明部分—-----—--—---—--—-*/
// 初始化稀疏矩阵结构
intTSMatrix_Init(TSMatrix*M);
// 以三元组得方式输出稀疏矩阵
voidTSMatrix_PrintTriple(TSMatrix*M);
// 以矩阵得方式输出稀疏矩阵
voidTSMartix_PrintMatrix(TSMatrix *M);
// 从一个二维数组(普通矩阵)创建一个稀疏矩阵
TSMatrix*TSMatrix_Create(int *a,int row,intcol);
//从键盘录入数据创建一个稀疏矩阵
TSMatrix*TSMatrix_CreateFromInput();
//求稀疏矩阵M 得转置矩阵T
intTSMatrix_FastTranspose(TSMatrix M, TSMatrix*T);
// 如果稀疏矩阵M 与N得行数得列数相同,计算 Q =M+N
intTSMatrix_Add(TSMatrixM,TSMatrix N,TSMatrix*Q);
//如果稀疏矩阵M得列数等于N得行数,计算Q= Mx N;
intTSMatrix_Multply(TSMatrixM,TSMatrixN,TSMatrix*Q);
//把光标位置移动到该行行首
void ResetCursor();
/*—---—--—-—- 程序主函数 —--—--—----———-————-*/
intmain(void)
{
ﻩintinfo;
charch;
ﻩ//从一个二维数组创建一个系数矩阵
ﻩTSMatrix*M;
ﻩTSMatrix *N;
ﻩ// 用来接收运算结果得空间
TSMatrix*T =(TSMatrix*)malloc(sizeof(TSMatrix));
while
(1)
ﻩ{
fflush(stdin);
system(”cls");
ﻩprintf("稀疏矩阵基本操作演示\n");
ﻩﻩprintf(”1、矩阵得创建与转置\n");
printf("2. 矩阵得加法运算并以三元组输出结果\n”);
ﻩprintf("3.矩阵得乘法运算并以矩阵输出结果\n”);
ﻩﻩprintf(”\n");
ﻩprintf(”Q、退出程序\n");
ﻩprintf("\n”);
printf(”请输入选项:
");
ﻩscanf("%c”,&ch);
ﻩswitch (ch)
{
ﻩﻩcase'1':
system("cls”);
ﻩﻩM=TSMatrix_CreateFromInput();
ﻩﻩﻩif(M!
= NULL)
{
ﻩﻩprintf("\n\n以三元组输出稀疏矩阵:
\n");
ﻩﻩTSMatrix_PrintTriple(M);
ﻩprintf("\n倒置后稀疏矩阵得三元组输出:
\n");
ﻩﻩTSMatrix_FastTranspose(*M,T);
ﻩﻩﻩTSMatrix_PrintTriple(T);
ﻩﻩﻩsystem("pause”);
ﻩﻩ}
ﻩelse
{
ﻩﻩﻩprintf(”创建矩阵过程发生错误");
ﻩsystem("pause");
}
ﻩbreak;
ﻩcase'2’:
ﻩsystem(”cls”);
ﻩﻩM =TSMatrix_CreateFromInput();
ﻩN=TSMatrix_CreateFromInput();
if (M == NULL||N ==NULL)
ﻩﻩ{
ﻩprintf("创建矩阵过程中发生错误!
\n”);
ﻩﻩsystem(”pause");
ﻩﻩbreak;
ﻩ}
ﻩinfo =TSMatrix_Add(*M,*N,T);
ﻩﻩif(info ==MATRIX_NOT_MATCH)
ﻩ{
ﻩﻩprintf("这两个矩阵不能运算呢!
!
⊙﹏⊙\n”);
ﻩ}
ﻩelseif (info ==OK)
ﻩ{
ﻩprintf("\n运算结果:
\n");
ﻩﻩﻩTSMatrix_PrintTriple(T);
ﻩﻩ}
ﻩﻩsystem("pause");
ﻩbreak;
ﻩcase’3’:
ﻩﻩsystem(”cls");
ﻩﻩﻩM= TSMatrix_CreateFromInput();
ﻩﻩﻩN= TSMatrix_CreateFromInput();
ﻩﻩif (M ==NULL|| N==NULL)
ﻩ{
printf("创建矩阵过程中发生错误!
\n");
ﻩﻩﻩﻩsystem("pause");
ﻩﻩﻩbreak;
ﻩﻩﻩ}
ﻩinfo =TSMatrix_Multply(*M,*N,T);
ﻩﻩif(info==MATRIX_NOT_MATCH)
ﻩﻩﻩ{
printf("这两个矩阵不能运算呢!
!
⊙﹏⊙\n");
ﻩ}
ﻩﻩelseif(info== OK)
ﻩﻩ{
ﻩﻩﻩprintf("\n运算结果:
\n");
ﻩﻩTSMartix_PrintMatrix(T);
ﻩﻩ}
ﻩﻩsystem("pause”);
ﻩﻩbreak;
ﻩcase'q':
ﻩﻩcase'Q':
ﻩﻩexit(0);
ﻩ}
}
ﻩreturn0;
}
//初始化稀疏矩阵结构
int TSMatrix_Init(TSMatrix *M)
{
ﻩM->data=(Triple*)malloc(MAXSIZE * sizeof(Triple));
ﻩif(!
M—>data)
ﻩﻩreturnMALLOC_FAIL;
ﻩM->num=0;
M->colnum =0;
M—>rownum=0;
ﻩreturn OK;
}
//从一个二维数组创建一个稀疏矩阵
TSMatrix *TSMatrix_Create(int*a,int row,int col)
{
ﻩinti, j;
ﻩTSMatrix*P = (TSMatrix*)malloc(sizeof(TSMatrix));
ﻩTSMatrix_Init(P);
ﻩ// 设置稀疏矩阵得行数与列数
P->rownum= row;
P-〉colnum= col;
for(i =0; i〈row;i++)
ﻩ{
for(j= 0;j〈col;j++)
ﻩﻩ{
// 如果第i+1行第i+1列元素就是非零元素
ﻩﻩif(0!
=*(a+ i *col + j))
ﻩ{
ﻩﻩﻩ//把非零元得元素与位置信息保存到稀疏矩阵中
ﻩﻩﻩﻩP->data[P->num]。
e=*(a+ i*col +j);
ﻩP->data[P-〉num]、row =i+1;
ﻩﻩP—>data[P->num]。
col=j + 1;
ﻩﻩ//把稀疏矩阵中得非零元个数加一
ﻩﻩP—〉num++;
ﻩ}
ﻩ}
ﻩ}
ﻩreturn P;
}
// 以三元组得方式输出稀疏矩阵
void TSMatrix_PrintTriple(TSMatrix*M)
{
inti;
ﻩif(0==M->num)
ﻩ{
ﻩprintf("稀疏矩阵为空!
\n");
ﻩﻩreturn;
ﻩ}
printf(”i jv \n");
printf("===============\n");
ﻩfor(i= 0;i<M->num; i++)
ﻩ{
ﻩprintf(”%3d %3d %3d\n",M->data[i].row,M—>data[i]。
col,M->data[i]。
e);
ﻩ}
printf(”===============\n");
}
// 求稀疏矩阵M 得转置矩阵 T
intTSMatrix_FastTranspose(TSMatrix M, TSMatrix*T)
{
ﻩint *num, *cpot, i,t;
//如果矩阵 M 为空矩阵,返回错误信息
ﻩif(M。
num ==0)
ﻩﻩreturnEMPTY_MATRIX;
ﻩ//分配临时得工作空间
num=(int*)malloc((M。
colnum+1)*sizeof(int));
ﻩcpot=(int *)malloc((M。
colnum +1)*sizeof(int));
ﻩ//如果临时得工作空间分配不成功
if(num==NULL||cpot==NULL)
ﻩreturnMALLOC_FAIL;
ﻩ//初始化临时工作空间(把num 数组用 0 填充)
ﻩfor (i= 1;i<=M.rownum;i++)
ﻩﻩnum[i]=0;
//统计倒置后每行得元素数量(即统计倒置前矩阵每列元素得数量)
for(i=1;i<= M、num;i++)
ﻩnum[M。
data[i—1]。
col]++;
ﻩ//设置 T矩阵每行首个非零元得位置
ﻩcpot[1]=0;
for(i=2;i 〈=M。
colnum;i++)
cpot[i]=cpot[i-1] +num[i -1];
// 把T 矩阵得信息清空
TSMatrix_Init(T);
//把矩阵 M得信息填充到 T中。
//矩阵倒置以后,T得行数等于M 得列数,T得列数等于M得行数
ﻩT—>num=M。
num;
ﻩT—>colnum=M。
rownum;
T-〉rownum= M。
colnum;
ﻩ//对M 矩阵中每个非零元素进行转置操作
for(i =0; i〈 M、num;i++)
{
ﻩt= cpot[M.data[i]。
col];
T—>data[t].col =M。
data[i]。
row;
ﻩT—〉data[t]。
row=M.data[i].col;
ﻩT—〉data[t]、e =M。
data[i]。
e;
ﻩ++cpot[M.data[i]、col];
ﻩ}
ﻩ//转置完成后释放临时工作空间
free(num);
ﻩfree(cpot);
return OK;
}
//如果稀疏矩阵 M与 N得行数得列数相同,计算Q=M+ N
intTSMatrix_Add(TSMatrixM,TSMatrixN,TSMatrix *Q)
{
ﻩint i=0, j= 0,k= 0;
if(M、colnum !
=N、colnum ||M、rownum!
=N。
rownum)
ﻩreturnMATRIX_NOT_MATCH;
ﻩ//填充结果矩阵信息
ﻩTSMatrix_Init(Q);
ﻩQ—>colnum =M。
colnum;
Q->rownum= M。
rownum;
ﻩQ—〉num=0;
ﻩwhile(i<M、num&& j 〈 N、num)
ﻩ{
ﻩﻩ//如果 ij 指向元素就是同一行得元素
ﻩif(M.data[i]、row==N。
data[j]。
row)
ﻩﻩ{
ﻩﻩ//如果i与 j指向得元素指向得就是同一个元素
ﻩif(M。
data[i].col==N。
data[j].col)
ﻩﻩ{
ﻩQ->data[k].row=M。
data[i].row;
ﻩﻩQ->data[k]。
col =M、data[i].col;
ﻩﻩﻩQ-〉data[k]。
e= M、data[i].e+N.data[j]、e;
ﻩQ->num++;
ﻩﻩi++;
ﻩﻩj++;
ﻩﻩk++;
ﻩﻩﻩ}
ﻩ//如果 i指向元素得列下标大于j指向元素得列下标
ﻩﻩ//把下标小(j指向得元素)得放入到Q矩阵中
ﻩelseif(M、data[i]。
col>N。
data[j]、col)
ﻩﻩ{
ﻩﻩQ—>data[k]。
row=N、data[j]。
row;
ﻩﻩﻩQ-〉data[k].col =N.data[j]、col;
ﻩﻩQ—>data[k].e= N.data[j]、e;
ﻩﻩQ—>num++;
ﻩj++;
ﻩk++;
ﻩﻩ}
ﻩﻩ//如果 i指向元素得列下标小于j指向元素得列下标
// 把下标小(i指向得元素)得放入到Q 矩阵中
ﻩﻩelseif(M.data[i].col〈N、data[j]、col)
ﻩﻩ{
ﻩﻩQ->data[k]、row= M、data[i]、row;
ﻩﻩﻩQ-〉data[k]。
col =M.data[i]。
col;
ﻩﻩﻩQ—>data[k]。
e =M。
data[i]、e;
ﻩﻩﻩﻩQ->num++;
ﻩﻩi++;
ﻩﻩk++;
ﻩﻩ}
}
ﻩﻩ// 如果 i指向得元素行下标大于j指向元素得行下标
else if(M.data[i]、row>N.data[j].row)
ﻩ{
ﻩQ—〉data[k]。
row= N、data[j].row;
ﻩQ-〉data[k]。
col=N。
data[j].col;
ﻩQ—〉data[k].e= N、data[j].e;
Q—〉num++;
ﻩk++;
ﻩj++;
ﻩ}
// 如果i指向元素行下标小于 j指向元素得行下标
elseif (M.data[i].rowdata[j]、row)
ﻩ{
ﻩﻩQ—〉data[k]。
row=M、data[i].row;
ﻩQ->data[k]、col=M。
data[i].col;
ﻩQ—〉data[k]、e=M.data[i]、e;
ﻩﻩQ->num++;
i++;
ﻩk++;
ﻩ}
ﻩ}
ﻩ//如果还有剩余元素,按顺序把元素添加到结果矩阵中
ﻩwhile(i ﻩ{
Q->data[k]、row=M。
data[i]。
row;
ﻩQ->data[k]。
col=M、data[i].col;
ﻩﻩQ->data[k].e= M。
data[i]、e;
ﻩQ-〉num++;
i++;
ﻩk++;
ﻩ}
while (jﻩ{
ﻩﻩQ—〉data[k].row=N.data[j]。
row;
ﻩQ->data[k]。
col=N。
data[j]。
col;
ﻩQ-〉data[k].e=N。
data[j].e;
Q->num++;
ﻩj++;
ﻩﻩk++;
}
ﻩreturn OK;
}
// 如果稀疏矩阵M得列数等于N得行数,计算Q=MxN;
intTSMatrix_Multply(TSMatrix M,TSMatrix N,TSMatrix *Q)
{
int*num_m,*cpot_m,*num_n, *cpot_n,i,j,k, s,col;
ﻩint a, ri,rj;
ﻩ//如果两个矩阵不满足矩阵相乘得条件,返回错误信息
ﻩif (M.colnum!
=N、rownum)
returnMATRIX_NOT_MATCH;
ﻩ//分配临时空间
ﻩnum_m =(int*)malloc((M。
rownum+1)* sizeof(int));
cpot_m= (int*)malloc((M、rownum+1)* sizeof(int));
ﻩnum_n=(int*)malloc((N.rownum+1)*sizeof(int));
cpot_n=(int*)malloc((N、rownum +1)*sizeof(int));
ﻩ//填充结果矩阵得信息
TSMatrix_Init(Q);
Q-〉rownum=M。
rownum;
Q—〉colnum=N、colnum;
ﻩQ->num = 0;
//如果相乘为零矩阵,直接返回
if(0==M。
num*N、num)
ﻩﻩreturnOK;
//初始化临时空间
for(i= 1;i <=M、colnum;i++)
ﻩﻩnum_m[i]=0;
ﻩfor (i= 1; i<=N.colnum;i++)
num_n[i]=0;
//计算矩阵每行非零元元素得数量
for(i =0;i<M。
num;i++)
ﻩnum_m[M。
data[i].row]++;
ﻩfor(i=0;i 〈 N.num;i++)
num_n[N、data[i]。
row]++;
cpot_m[1]= cpot_n[1] =0;
ﻩfor(i =2;i〈=