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Strassen算法详解实现

1. 算法原理详解

1.1 传统矩阵乘法的问题

传统矩阵乘法(三层循环)的时间复杂度是O(n³)。对于n×n矩阵,需要n³次乘法和n²(n-1)次加法。

1.2 Strassen算法的核心思想

Strassen算法通过分治策略将矩阵乘法的时间复杂度降低到O(n^log₂7) ≈ O(n^2.807)。核心思想是将矩阵分块,通过7次而不是8次乘法来完成计算。

1.3 数学原理

矩阵分块

对于两个n×n矩阵A和B(n为2的幂),我们将其分为4个(n/2)×(n/2)的子矩阵:

A = | A11  A12 |    B = | B11  B12 |   | A21  A22 |        | B21  B22 |

传统方法需要计算:

C11 = A11×B11 + A12×B21
C12 = A11×B12 + A12×B22  
C21 = A21×B11 + A22×B21
C22 = A21×B12 + A22×B22

这需要8次乘法和4次加法。

Strassen的7次乘法

Strassen定义了7个中间矩阵:

  1. M1 = (A11 + A22) × (B11 + B22)

  2. M2 = (A21 + A22) × B11

  3. M3 = A11 × (B12 - B22)

  4. M4 = A22 × (B21 - B11)

  5. M5 = (A11 + A12) × B22

  6. M6 = (A21 - A11) × (B11 + B12)

  7. M7 = (A12 - A22) × (B21 + B22)

然后通过加减法组合得到结果:

C11 = M1 + M4 - M5 + M7
C12 = M3 + M5
C21 = M2 + M4
C22 = M1 - M2 + M3 + M6

1.4 算法流程示意图

输入: 矩阵A, B
输出: 矩阵C = A × B
​
1. 如果矩阵足够小,使用传统方法
2. 否则将A, B各分为4个子矩阵
3. 计算7个中间矩阵M1-M7(递归调用)
4. 通过M1-M7组合得到C的4个子矩阵
5. 合并子矩阵得到最终结果

2. 算法实现细节

2.1 边界处理

  • 当矩阵大小≤阈值(通常为64)时,切换回传统算法

  • 处理非2的幂次矩阵:填充0使其成为2的幂次

2.2 内存优化

  • 避免不必要的矩阵拷贝

  • 使用原地操作减少内存分配

3. 多语言实现

3.1 C语言实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
​
// 传统矩阵乘法
void standard_multiply(int **A, int **B, int **C, int n) {   for (int i = 0; i < n; i++) {       for (int j = 0; j < n; j++) {           C[i][j] = 0;           for (int k = 0; k < n; k++) {               C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];           }       }   }
}
​
// 矩阵加法
void matrix_add(int **A, int **B, int **C, int n) {   for (int i = 0; i < n; i++) {       for (int j = 0; j < n; j++) {           C[i][j] = A[i][j] + B[i][j];       }   }
}
​
// 矩阵减法
void matrix_sub(int **A, int **B, int **C, int n) {   for (int i = 0; i < n; i++) {       for (int j = 0; j < n; j++) {           C[i][j] = A[i][j] - B[i][j];       }   }
}
​
// 分配矩阵内存
int** allocate_matrix(int n) {   int **matrix = (int**)malloc(n * sizeof(int*));   for (int i = 0; i < n; i++) {       matrix[i] = (int*)malloc(n * sizeof(int));   }   return matrix;
}
​
// 释放矩阵内存
void free_matrix(int **matrix, int n) {   for (int i = 0; i < n; i++) {       free(matrix[i]);   }   free(matrix);
}
​
// Strassen算法核心实现
void strassen_multiply(int **A, int **B, int **C, int n) {   // 阈值,小于等于64使用传统算法   if (n <= 64) {       standard_multiply(A, B, C, n);       return;   }      int new_size = n / 2;      // 分配子矩阵内存   int **A11 = allocate_matrix(new_size);   int **A12 = allocate_matrix(new_size);   int **A21 = allocate_matrix(new_size);   int **A22 = allocate_matrix(new_size);      int **B11 = allocate_matrix(new_size);   int **B12 = allocate_matrix(new_size);   int **B21 = allocate_matrix(new_size);   int **B22 = allocate_matrix(new_size);      // 分割矩阵   for (int i = 0; i < new_size; i++) {       for (int j = 0; j < new_size; j++) {           A11[i][j] = A[i][j];           A12[i][j] = A[i][j + new_size];           A21[i][j] = A[i + new_size][j];           A22[i][j] = A[i + new_size][j + new_size];                      B11[i][j] = B[i][j];           B12[i][j] = B[i][j + new_size];           B21[i][j] = B[i + new_size][j];           B22[i][j] = B[i + new_size][j + new_size];       }   }      // 分配中间矩阵内存   int **M1 = allocate_matrix(new_size);   int **M2 = allocate_matrix(new_size);   int **M3 = allocate_matrix(new_size);   int **M4 = allocate_matrix(new_size);   int **M5 = allocate_matrix(new_size);   int **M6 = allocate_matrix(new_size);   int **M7 = allocate_matrix(new_size);      int **temp1 = allocate_matrix(new_size);   int **temp2 = allocate_matrix(new_size);      // 计算M1 = (A11 + A22) × (B11 + B22)   matrix_add(A11, A22, temp1, new_size);   matrix_add(B11, B22, temp2, new_size);   strassen_multiply(temp1, temp2, M1, new_size);      // 计算M2 = (A21 + A22) × B11   matrix_add(A21, A22, temp1, new_size);   strassen_multiply(temp1, B11, M2, new_size);      // 计算M3 = A11 × (B12 - B22)   matrix_sub(B12, B22, temp2, new_size);   strassen_multiply(A11, temp2, M3, new_size);      // 计算M4 = A22 × (B21 - B11)   matrix_sub(B21, B11, temp2, new_size);   strassen_multiply(A22, temp2, M4, new_size);      // 计算M5 = (A11 + A12) × B22   matrix_add(A11, A12, temp1, new_size);   strassen_multiply(temp1, B22, M5, new_size);      // 计算M6 = (A21 - A11) × (B11 + B12)   matrix_sub(A21, A11, temp1, new_size);   matrix_add(B11, B12, temp2, new_size);   strassen_multiply(temp1, temp2, M6, new_size);      // 计算M7 = (A12 - A22) × (B21 + B22)   matrix_sub(A12, A22, temp1, new_size);   matrix_add(B21, B22, temp2, new_size);   strassen_multiply(temp1, temp2, M7, new_size);      // 计算C的子矩阵   int **C11 = allocate_matrix(new_size);   int **C12 = allocate_matrix(new_size);   int **C21 = allocate_matrix(new_size);   int **C22 = allocate_matrix(new_size);      // C11 = M1 + M4 - M5 + M7   matrix_add(M1, M4, temp1, new_size);   matrix_sub(temp1, M5, temp2, new_size);   matrix_add(temp2, M7, C11, new_size);      // C12 = M3 + M5   matrix_add(M3, M5, C12, new_size);      // C21 = M2 + M4   matrix_add(M2, M4, C21, new_size);      // C22 = M1 - M2 + M3 + M6   matrix_sub(M1, M2, temp1, new_size);   matrix_add(temp1, M3, temp2, new_size);   matrix_add(temp2, M6, C22, new_size);      // 合并结果   for (int i = 0; i < new_size; i++) {       for (int j = 0; j < new_size; j++) {           C[i][j] = C11[i][j];           C[i][j + new_size] = C12[i][j];           C[i + new_size][j] = C21[i][j];           C[i + new_size][j + new_size] = C22[i][j];       }   }      // 释放内存   free_matrix(A11, new_size); free_matrix(A12, new_size);   free_matrix(A21, new_size); free_matrix(A22, new_size);   free_matrix(B11, new_size); free_matrix(B12, new_size);   free_matrix(B21, new_size); free_matrix(B22, new_size);   free_matrix(M1, new_size); free_matrix(M2, new_size);   free_matrix(M3, new_size); free_matrix(M4, new_size);   free_matrix(M5, new_size); free_matrix(M6, new_size);   free_matrix(M7, new_size);   free_matrix(temp1, new_size); free_matrix(temp2, new_size);   free_matrix(C11, new_size); free_matrix(C12, new_size);   free_matrix(C21, new_size); free_matrix(C22, new_size);
}
​
// 测试函数
int main() {   int n = 4;&nbs
http://www.dtcms.com/a/415709.html

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