Задачи на умножение матриц - Алгоритмика
Задачи на умножение матриц

Задачи на умножение матриц

авторы Сергей Слотин Максим Иванов
обновлено авг. 30, 2021
пререквизиты Бинарное возведение в степень Матрицы

Когда мы говорили о линейных функциях и матрицах, все примеры были про геометрию. Так просто проще думать: представлять в уме повороты и растяжения векторов на плоскости легче, чем рассуждать о свойствах абстрактных n-мерных пространств. Однако мы программисты, и нас в основном интересуют задачи вне геометрии.

Большинство применений в контексте олимпиад опираются на ассоциативность матричного умножения:

$$ ABC = (AB)C = A(BC) $$ Если задачу можно свести к возведению матрицы $A$ в какую-то большую степень $n$ — то есть к домножению единичной матрицы $n$ раз на матрицу $A$ — то можно просто воспользоваться свойством ассоциативности и посчитать результат бинарным возведением в степень: $$ A^8 = A^{2^{2^{2}}} = ((AA)(AA))((AA)(AA)) $$

Такой подход имеет множество применений в динамическом программировании, комбинаторике, теории вероятностей и математике в целом.

Линейные рекурренты

Задача. Дано число $n < 10^{18}$. Требуется вычислить $n$-ное число Фибоначчи:

$$ \begin{aligned} f_0 &= 0 \\ f_1 &= 1 \\ f_{n} &= f_{n-1} + f_{n-2} \end{aligned} $$

Заметим, что вычисление очередного числа Фибоначчи выражается как линейная функция от двух предыдущих чисел Фибоначчи — а именно, как их сумма.

Это означает, что мы можем построить матрицу $2 \times 2$, которая будет соответствовать этому преобразованию: как по двум соседним числам Фибоначчи $(f_n, f_{n+1})$ вычислить следующее число, то есть перейти к паре $(f_{n+1}, f_{n+2})$.

$$ \begin{pmatrix} f_{n+1} \\ f_{n+2} \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 + f_{n+1} \\ f_{n} + f_{n+1} \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 1 \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} f_{n} \\ f_{n+1} \\ \end{pmatrix} $$

Обозначим за $A$ эту матрицу перехода. Чтобы посчитать $n$-ное число Фибоначчи, нужно применить $n$ раз эту матрицу к вектору $(f_0, f_1) = (0, 1)$.

Так как размер матрицы $A$ константный, её умножение саму на себя будет работать за $O(1)$. Значит, можно посчитать $A^n$ бинарным возведением в степень за $O(\log n)$ операций, домножить на вектор $(0, 1)$ и взять первый элемент результата — он будет равен в точности $f_n$, что мы и искали.

Примечание. Домножать на вектор явно даже не обязательно — если нам нужен только первый элемент, можно посмотреть на выражение для итогового результата и понять, что достаточно просто взять верхний правый элемент итоговой матрицы.

Общий случай

В общем случае, когда мы учитываем не $2$, а $k$ последних элементов, причём с разными весами, линейная рекуррента $f_n = a_1 f_{n-1} + a_2 f_{n-2} + \ldots + a_k f_{n-k}$ имеет такую матрицу перехода:

$$ \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & 0 & 1 & \ldots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \ldots & 1 \\ a_k & a_{k-1} & a_{k-2} & \ldots & a_1 \\ \end{pmatrix} $$

При домножении на вектор $(f_n, f_{n+1}, \ldots, f_{n+k-1})$ для последнего элемента получается в точности формула из определения, а все $(k-1)$ предыдущих просто перекопируются.

Отметим, что рекуррентные последовательности задаются не только коэффициентами $a_i$, но и начальными значениями $(f_1, f_2, \ldots, f_k)$.

Упражнение. Для линейной рекурренты порядка $k$ известны её коэффициенты $a_i$ и $k$ пар вида $(i, f_i)$. Восстановите первые $k$ элементов последовательности.

Геометрическая прогрессия

В статье про бинарное возведение в степень мы обсуждали модификацию алгоритма для нахождения суммы геометрической прогрессии:

$$ f(n) = 1 + a + a^2 + \ldots + a^{n-1} $$ Можно подойти к этой задаче с другой стороны. Заметим, что сумма первых $n$ степеней следующим образом выражается через сумму первых $(n-1)$ степеней: $$ f(n) = f(n-1) \cdot a + 1 $$ Это почти линейная зависимость от предыдущего — только ещё добавляется неудобная константа. Можно применить следующий трюк: представить, что мы также зависим ещё и от $(n-2)$-го элемента, но положить его постоянно равным единице: $$ \begin{pmatrix} f_{n+1} \\ 1 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} f_n \cdot a + 1 \\ 0 + 1 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a & 1 \\ 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} f_{n} \\ 1 \\ \end{pmatrix} $$

Тогда эту матрицу можно аналогично возвести в степень $n$ и вернуть её правое верхнее поле.

Динамическое программирование

Переходы в некоторых динамиках иногда тоже можно выразить в терминах матричного умножения.

Задача. Дана ориентированный граф $G$ размера $n < 500$. Требуется найти количество путей из $s$ в $t$ через ровно $k < 10^{18}$ переходов.

Если бы ограничение на $k$ было сильно меньше, мы бы ввели динамику $f_{i,v}$, равную количеству способов дойти до $v$-той вершины через ровно $i$ переходов. Пересчёт — перебор предпоследней вершины в пути:

$$ f_{i,v} = \sum_{u \in g_v} f_{i-1,u} $$ Перепишем эту динамику в терминах матрицы смежности, в ячейке $G_{uv}$ которой содержится число ребер между $u$ и $v$ (ровно поэтому она называется матрицей). $$ f_{i,v} = \sum_u f_{i-1,u} \cdot G_{uv} $$ Выясняется, что вектор $f_{i}$ зависит от $f_{i-1}$ линейно: его $v$-тый элемент получается скалярным умножением вектора $f_{i-1}$ и $v$-того столбца матрицы смежности $G$. Значит, имеет место следующее равенство: $$ f_i = G \cdot f_{i-1} $$

Получается, $f_k$ можно раскрыть как $f_k = f_0 \cdot G \cdot G \cdot \ldots \cdot G$ и применить бинарное возведение в степень.

По этой формуле нам потребуется $O(\log k)$ раз перемножить две матрицы размера $n \times n$, что суммарно будет работать за $O(n^3 \log k)$.

const int n;

matrix binpow(matrix a, int p) {
    // создадим единичную матрицу
    matrix b(n, vector<int>(n, 0));
    for (int i = 0; i < n; i++)
        b[i][i] = 1;

    while (p > 0) {
        if (p & 1)
            b = matmul(b, a);
         a = matmul(a, a);
         p >>= 1;
    }

    return b;
}

В получившейся матрице в ячейке $G_{ij}$ будет находиться количество способов дойти из $i$-той вершины в $j$-тую, используя ровно $k$ переходов. Ответом нужно просто вывести $G_{st}$.

Модификации задачи

С небольшими изменениями этим методом можно решать много похожих задач:

  • Практически не меняя сам алгоритм, можно решить задачу «с какой вероятностью мы попадём из вершины $s$ в вершину $t$», если вместо матрицы смежности даны вероятности, с которыми мы переходим из вершины в вершину в марковской цепи.
  • Если нам не нужно количество способов, а только сам факт, можно ли дойти за ровно $k$ переходов, то можно обернуть матрицу в битсеты и сильно ускорить решение.
  • Если нас спрашивают «за не более, чем $k$ переходов», то вместо $k$-той степени матрицы мы можем вышеописанным методом посчитать сумму геометрической прогрессии. Альтернативно, можно для каждой вершины добавить вторую, в которую будет вести ребро из изначальной, а единственное исходящее ребро — это петля в саму себя.

Эту технику можно применить и к другим динамикам, где нужно посчитать количество способов что-то сделать — иногда очень неочевидными способами.

Например, можно решить такую задачу: найти количество строк длины $k \approx 10^{18}$, не содержащих данные маленькие запрещённые подстроки. Для этого нужно построить граф «легальных» переходов в Ахо-Корасике, возвести его матрицу смежности в $k$-тую степень и просуммировать в нём первую строчку.

В некоторых изощрённых случаях в матричном умножении вместо умножения и сложения нужно использовать другие операции, которые ведут себя как умножение и сложение. Пример задачи: «найти путь от $s$ до $t$ с минимальным весом ребра, использующий ровно $k$ переходов»; здесь нужно возводить в $(k-1)$-ую степень матрицу весов графа, и вместо и сложения, и умножения использовать минимум из двух весов.

Также в контексте нахождения кратчайших путей известен «distance product»:

$$ C_{ij} = \min_k \{ a_{ik} + b_{kj} \} $$ Возводя матрицу весов в $k$-тую степень мы получаем, соответственно, минимальное расстояние от $a$ до $b$, используя не более $k$ переходов. В частности, при $k=n$ мы за $O(n^3 \log n)$ операций получим матрицу кратчайших расстояний между всеми парами вершины, хотя для этого есть и более прямые методы.