A708

Задача

Даны квадратная матрица [latex]A[/latex] порядка [latex]m[/latex], натуральное число [latex]n[/latex]. Получить матрицу [latex]E+A+A^2+A^3+\dots+A^n,[/latex] где [latex]E[/latex] — единичная матрица порядка [latex]m[/latex].

Тесты

m, n матрица А результат
3 3 3 2 1

5 7 3

9 7 3

359 358 158

1028 1047 460

1156 1162 513

2 2 6 7

12 54

127 427

732 3055

Код на языке С++:

Ссылка на программу:http://ideone.com/3B9ti7

Код на языке Java:

Ссылка на программу: http://ideone.com/hOFldD

Решение:

Заводим четыре матрицы: исходную, вспомогательную, матрицу в степени [latex]n[/latex] и результирующую;  обнуляем все матрицы, тем самым очищаем память. Дальше возводим матрицу в степень [latex]n[/latex],  добавляем к результирующей и заменяем вспомогательную матрицу. В завершении мы прибавим единичную матрицу к ответы и выведем его.

А706 Алгоритм быстрого возведения в степень

Степень Входная матрица Результирующая матрица
2
0 1
2 3
2 3
6 11
3
0 1
2 3
6 11
22 39

Пусть даны квадратная матрица [latex]A[/latex] порядка [latex]m[/latex] и натуральное число [latex]n[/latex]; требуется найти [latex]A^{n}[/latex]. Алгоритм, основанный на непосредственной применении формулы [latex]A^{n} = A*A*A…*A [/latex]([latex]n[/latex] сомножителей), слишком разорителен. Например, [latex]A^{4}[/latex] экономичнее вычислять как [latex]A^{2^{2}}[/latex]. Идея одного достаточно экономичного алгоритма вычисления [latex]A^{n}[/latex] заключается в следующем: если  [latex]n = 2k[/latex], то [latex]A^{n} = (A^{2})^{k}[/latex]; если же [latex]n = 2k + 1[/latex], то [latex]A^{n} = (A^{2})^{k} * A[/latex]. Степень с показателем [latex]k[/latex] вычисляется с учетом этих же соображений. Итак, надо разделить [latex]n[/latex] на [latex]2[/latex] с остатком:[latex] n = 2k + l [/latex] [latex](0\le l\le 1[/latex]), потом это же проделать с [latex]k[/latex] и т.д. Эти действия приводят, как известно, к построению двоичной записи [latex]n[/latex]. Алгоритм, основанный на этой идее, состоит в том, что последовательно вычисляются [latex]A^{a_{0}}, A^{a_{1}*a_{0}}, …,A^{a_{l}*…*a_{0}}, a_{l}*…*a_{0}[/latex] — двоичная запись числа [latex]n[/latex]. Для этого вычисляется, цифра за цифрой, двоичная запись [latex]n[/latex] и, параллельно, степень за степенью,[latex]A^{(2^{0})}, A^{(2^{1})}, …[/latex] — каждая следующая степень получается из предыдущей возведением в квадрат. Подсчитывается произведение тех из вычисленных степеней, для которых соответствующая цифра двоичного представления равна 1. Например, запись [latex]9[/latex] в двоичной системе есть [latex]1001[/latex][latex](9 = 1*8 + 0*4 + 0*2 + 1)[/latex]; для вычисления [latex]A^{9}[/latex] достаточно найти [latex]A^{2},A^{4},A^{8},[/latex]([latex]3[/latex] умножения), а затем определить [latex]A*A^{8},[/latex] ([latex]1[/latex] умножение).

Преимущество этого алгоритма в сравнении с простейшим состоит в том, что простейший алгоритм требует числа умножений, растущего как линейная функция от [latex]n[/latex], а здесь число умножений грубо говоря, пропорционально количеству цифр числа [latex]n[/latex] или двоичному логарифму [latex]n[/latex]. Это преимущество весьма ощутимо при работе с матрицами (из-за трудоемкости каждого умножения), хотя, разумеется, этот алгоритм может быть использован и для вычисления степени любого числа.

Написать программу, реализующую предположенный алгоритм.

Суть алгоритма была описана в задании. Реализация была через свою структуру данных, такую как матрица. В ней мы определили умножение и присваивание, для удобства. Есть несколько конструкторов, но нужен по сути только самый первый, остальные для разыгравшейся фантазии. Инициализация при создании матрицы обязательна, поскольку может выдавать неправильный ответ в связи с забытым  в памяти мусором. Как перемножать матрицы можно узнать здесь. Нам понадобятся три матрицы, исходная, временная и матрица для ответа. Само двоичное представление удобно хранить в строке, поскольку идя по ней и находя [latex]1[/latex] мы можем домножить на  временную  матрицу матрицу ответ.

 

link.