#算法学习录#Strassen矩阵乘法

今天我们谈谈一个“土豪”算法——Strasen矩阵算法
之说以说它“土豪”就是因为其带来了巨大的空间开销。
先来考察一个问题:请用三次实数乘法计算复数a+bi和c+di相乘。
由于:
a×(c+d)=ac+ad=s1 ;
b×(c-d)=bc-bd=s2 ;
d×(a+b)=ad+bd=s3 ;
故有实部:s1 -s3 =ac-bd,
虚部:s2+ s3 =ad+bc。
这样,四次的乘法就变成三次乘法。

Strassen矩阵乘法也是如此,把A,B,C矩阵分解为n/2×n/2子矩阵,进行7次递归计算n/2×n/2矩阵的乘法,其运行时间的递归式:

T(n)= Θ(1)             if n=1;

      7T(n/2)+Θ(n^2 )    if n>1;

令:
S1=B12-B22;
S2=A11+A12;
S3=A21+A22;
S4=B21-B22;
S5=A11+A22;
S6=B11+B22;
S7=A12-A22;
S8=B21+B22;
S9=A11-A21;
S10=B11+B12;
那么: P1= A11·S1 = A11·(B12-B22)
P2= B22·S2 = B22·(A11+A12)
P3= B11·S3 = B11·(A21+A22)
P4= A22·S4 = A22·(B21-B22)
P5= S5·S6 = (A11+A22)·(B11+B22)
P6= S7·S8 = (A12-A22)·(B21+B22)
P7= S9·S10 = (A11-A21)·(B11+B12)

C11= P5 + P4 - P2 + P6=A11×B11+A12×B21
C12= P1 + P2=A11×B12+A12×B22
C21= P3 + P4=A21×B11+A22×B21
C22= P5 + P1 – P3 – P7=A21×B21+A22×B22

Strassen算法的具体实现(C语言):
int Strassen(int **A, int **B, int **Result, int Size){
 if (Size == 1){
  //直接计算C11
  Result[0][0] = A[0][0] * B[0][0];
  return 0;
 }
 int NewSize = Size / 2;
 /*分块矩阵*/
 int **A11, **A12, **A21, **A22;
 int **B11, **B12, **B21, **B22;
 int **C11, **C12, **C21, **C22;

 int **P1, **P2, **P3, **P4, **P5, **P6, **P7;
 /*存放数组A、B(i、j)的临时变量*/
 int **AResult, **BResult;

 A11 = new int*[NewSize];
 A12 = new int*[NewSize];
 A21 = new int*[NewSize];
 A22 = new int*[NewSize];

 B11 = new int*[NewSize];
 B12 = new int*[NewSize];
 B21 = new int*[NewSize];
 B22 = new int*[NewSize];

 C11 = new int*[NewSize];
 C12 = new int*[NewSize];
 C21 = new int*[NewSize];
 C22 = new int*[NewSize];

 P1 = new int*[NewSize];
 P2 = new int*[NewSize];
 P3 = new int*[NewSize];
 P4 = new int*[NewSize];
 P5 = new int*[NewSize];
 P6 = new int*[NewSize];
 P7 = new int*[NewSize];

 AResult = new int*[NewSize];
 BResult = new int*[NewSize];

 for (int i = 0; i < NewSize; i++)
 {
  A11[i] = new int[NewSize];
  A12[i] = new int[NewSize];
  A21[i] = new int[NewSize];
  A22[i] = new int[NewSize];

  B11[i] = new int[NewSize];
  B12[i] = new int[NewSize];
  B21[i] = new int[NewSize];
  B22[i] = new int[NewSize];

  C11[i] = new int[NewSize];
  C12[i] = new int[NewSize];
  C21[i] = new int[NewSize];
  C22[i] = new int[NewSize];

  P1[i] = new int[NewSize];
  P2[i] = new int[NewSize];
  P3[i] = new int[NewSize];
  P4[i] = new int[NewSize];
  P5[i] = new int[NewSize];
  P6[i] = new int[NewSize];
  P7[i] = new int[NewSize];

  AResult[i] = new int[NewSize];
  BResult[i] = new int[NewSize];


 }

 //对分块矩阵赋值
 for (int i = 0; i < NewSize; i++)
 {
  for (int j = 0; j < NewSize; j++)
  {
   A11[i][j] = A[i][j];
   A12[i][j] = A[i][j + NewSize];
   A21[i][j] = A[i + NewSize][j];
   A22[i][j] = A[i + NewSize][j + NewSize];

   B11[i][j] = B[i][j];
   B12[i][j] = B[i][j + NewSize];
   B21[i][j] = B[i + NewSize][j];
   B22[i][j] = B[i + NewSize][j + NewSize];

  }
 }

 //计算P1 = A11*(B12-B22)
 Sub(B12, B22, BResult, NewSize);
 Strassen(A11, BResult, P1, NewSize);

 //计算P2 = (A11+A12)*B22
 Add(A11, A12, AResult, NewSize);
 Strassen(AResult, B22, P2, NewSize);

 //计算P3 = (A21+A22)*B11
 Add(A21, A22, AResult, NewSize);
 Strassen(AResult, B11, P3, NewSize);

 //计算P4 = A22*(B21-B11)
 Sub(B21, B11, BResult, NewSize);
 Strassen(A22, BResult, P4, NewSize);

 //计算P5 = (A11+A22)*(B11+B22)
 Add(A11, A22, AResult, NewSize);
 Add(B11, B22, BResult, NewSize);
 Strassen(AResult, BResult, P5, NewSize);

 //计算P6 = (A12-A22)*(B21+B22)
 Sub(A12, A22, AResult, NewSize);
 Add(B21, B22, BResult, NewSize);
 Strassen(AResult, BResult, P6, NewSize);

 //计算P7 = (A11-A21)*(B11+B12)
 Sub(A11, A21, AResult, NewSize);
 Add(B11, B12, BResult, NewSize);
 Strassen(AResult, BResult, P7, NewSize);

 //计算C11,C12,C21,C22
 //C11 = P5 + P4 - P2 + P6;
 Add(P5, P4, AResult, NewSize);
 Sub(AResult, P2, BResult, NewSize);
 Add(BResult, P6, C11, NewSize);

 //C12=P1+P2
 Add(P1, P2, C12, NewSize);

 //C21=P3+P4
 Add(P3, P4, C21, NewSize);

 //C22=P5+P1-P3-P7
 Add(P5, P1, C22, NewSize);
 Sub(C22, P3, C22, NewSize);
 Sub(C22, P7, C22, NewSize);

 //合并C11,C12,C21,C22
 for (int i = 0; i < NewSize; i++)
 {
  for (int j = 0; j < NewSize; j++)
  {
   Result[i][j] = C11[i][j];
   Result[i][j + NewSize] = C12[i][j];
   Result[i + NewSize][j] = C21[i][j];
   Result[i + NewSize][j + NewSize] = C22[i][j];
  }
 }

 //删除数组,回收资源
 for (int i = 0; i < NewSize; i++){
  delete[] A11[i]; delete[] A12[i]; delete[] A21[i]; delete[] A22[i];
  delete[] B11[i]; delete[] B12[i]; delete[] B21[i]; delete[] B22[i];
  delete[] C11[i]; delete[] C12[i]; delete[] C21[i]; delete[] C22[i];
  delete[] P1[i]; delete[] P2[i]; delete[] P3[i]; delete[] P4[i]; delete[] P5[i]; delete[] P6[i]; delete[] P7[i];
  delete[] AResult[i]; delete[] BResult[i];
 }
 delete[] A11; delete[] A12; delete[] A21; delete[] A22;
 delete[] B11; delete[] B12; delete[] B21; delete[] B22;
 delete[] C11; delete[] C12; delete[] C21; delete[] C22;
 delete[] P1; delete[] P2; delete[] P3; delete[] P4; delete[] P5; delete[] P6; delete[] P7;
 delete[] AResult; delete[] BResult;
 return 0;
}


//矩阵相加
void Add(int **A, int **B, int **Q, int Size){
 for (int i = 0; i < Size; i++){
  for (int j = 0; j < Size; j++){
   Q[i][j] = A[i][j] + B[i][j];
  }
 }
}

//矩阵相减
void Sub(int**A, int**B, int **Q, int Size){
 for (int i = 0; i < Size; i++){
  for (int j = 0; j < Size; j++){
   Q[i][j] = A[i][j] - B[i][j];
  }
 }
}
演示结果:
 


与暴力求解相比:
   for(i=0;i<m;i++)
     for(j=0;j<m;j++){
         C[i][j]=0;
      for(k=0;k<n;k++)
            C[i][j]+=A[i][k]*B[k][j];            
}   
其运行时间(n^lg7,2.80<lg7<2.81)比暴力求解(n3)稍快,但其精度较低(在处理小数计算时),且消耗了大量存储空间。

最后附上源代码:https://github.com/LRC-cheng/Algorithms_Practise.git

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