第八周 【项目8-稀疏矩阵的三元组表示的实现及应用】

稀疏矩阵的三元组表示相关的算法库采用程序的多文件组织形式，包括两个文件：

　　1.头文件：tup.h，包含定义稀疏矩阵的三元组表示数据结构的代码、宏定义、要实现算法的函数的声明；

#ifndef TUP_H_INCLUDED#define TUP_H_INCLUDED#define M 6#define N 7#define MaxSize  100         //矩阵中非零元素最多个数typedef int ElemType;typedef struct{    int r;                  //行号    int c;                  //列号    ElemType d;             //元素值} TupNode;                  //三元组定义typedef struct{    int rows;               //行数    int cols;               //列数    int nums;               //非零元素个数    TupNode data[MaxSize];} TSMatrix;                 //三元组顺序表定义void CreatMat(TSMatrix &t,ElemType A[M][N]);  //从一个二维稀疏矩阵创建其三元组表示bool Value(TSMatrix &t,ElemType x,int i,int j);  //三元组元素赋值bool Assign(TSMatrix t,ElemType &x,int i,int j); //将指定位置的元素值赋给变量void DispMat(TSMatrix t);//输出三元组void TranTat(TSMatrix t,TSMatrix &tb);//矩阵转置#endif // TUP_H_INCLUDED
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2.源文件：tup.cpp，包含实现各种算法的函数的定义

#include "stdio.h"#include "tup.h"void CreatMat(TSMatrix &t,ElemType A[M][N])  //从一个二维稀疏矩阵创建其三元组表示{    int i,j;    t.rows=M;    t.cols=N;    t.nums=0;    for (i=0; i<M; i++)    {        for (j=0; j<N; j++)            if (A[i][j]!=0)     //只存储非零元素            {                t.data[t.nums].r=i;                t.data[t.nums].c=j;                t.data[t.nums].d=A[i][j];                t.nums++;            }    }}bool Value(TSMatrix &t,ElemType x,int i,int j)  //三元组元素赋值{    int k=0,k1;    if (i>=t.rows || j>=t.cols)        return false;               //失败时返回false    while (k<t.nums && i>t.data[k].r) k++;                  //查找行    while (k<t.nums && i==t.data[k].r && j>t.data[k].c) k++;//查找列    if (t.data[k].r==i && t.data[k].c==j)   //存在这样的元素        t.data[k].d=x;    else                                    //不存在这样的元素时插入一个元素    {        for (k1=t.nums-1; k1>=k; k1--)        {            t.data[k1+1].r=t.data[k1].r;            t.data[k1+1].c=t.data[k1].c;            t.data[k1+1].d=t.data[k1].d;        }        t.data[k].r=i;        t.data[k].c=j;        t.data[k].d=x;        t.nums++;    }    return true;                        //成功时返回true}bool Assign(TSMatrix t,ElemType &x,int i,int j)  //将指定位置的元素值赋给变量{    int k=0;    if (i>=t.rows || j>=t.cols)        return false;           //失败时返回false    while (k<t.nums && i>t.data[k].r) k++;                  //查找行    while (k<t.nums && i==t.data[k].r && j>t.data[k].c) k++;//查找列    if (t.data[k].r==i && t.data[k].c==j)        x=t.data[k].d;    else        x=0;                //在三元组中没有找到表示是零元素    return true;            //成功时返回true}void DispMat(TSMatrix t)        //输出三元组{    int i;    if (t.nums<=0)          //没有非零元素时返回        return;    printf("\t%d\t%d\t%d\n",t.rows,t.cols,t.nums);    printf("\t------------------\n");    for (i=0; i<t.nums; i++)        printf("\t%d\t%d\t%d\n",t.data[i].r,t.data[i].c,t.data[i].d);}void TranTat(TSMatrix t,TSMatrix &tb)       //矩阵转置{    int p,q=0,v;                    //q为tb.data的下标    tb.rows=t.cols;    tb.cols=t.rows;    tb.nums=t.nums;    if (t.nums!=0)                  //当存在非零元素时执行转置    {        for (v=0; v<t.cols; v++)        //tb.data[q]中的记录以c域的次序排列            for (p=0; p<t.nums; p++)    //p为t.data的下标                if (t.data[p].c==v)                {                    tb.data[q].r=t.data[p].c;                    tb.data[q].c=t.data[p].r;                    tb.data[q].d=t.data[p].d;                    q++;                }    }}
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3.在同一项目（project）中建立一个源文件(如main.cpp)，编制main函数，完成相关的测试工作。 例：

#include <stdio.h>#include "tup.h"int main(){    TSMatrix t,tb;    int x,y=10;    int A[6][7]=    {        {0,0,1,0,0,0,0},        {0,2,0,0,0,0,0},        {3,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,5,0,0,0},        {0,0,0,0,6,0,0},        {0,0,0,0,0,7,4}    };    CreatMat(t,A);    printf("b:\n");    DispMat(t);    if (Assign(t,x,2,5)==true)  //调用时返回true        printf("Assign(t,x,2,5)=>x=%d\n",x);    else  //调用时返回false        printf("Assign(t,x,2,5)=>参数错误\n");    Value(t,y,2,5);    printf("执行Value(t,10,2,5)\n");    if (Assign(t,x,2,5)==true)  //调用时返回true        printf("Assign(t,x,2,5)=>x=%d\n",x);    else  //调用时返回false        printf("Assign(t,x,2,5)=>参数错误\n");    printf("b:\n");    DispMat(t);    TranTat(t,tb);    printf("矩阵转置tb:\n");    DispMat(tb);    return 0;}

【项目 - 稀疏矩阵相加】 
　　采用三元组存储稀疏矩阵，设计两个稀疏矩阵相加的运算算法 
提示1：两个行数、列数相同的矩阵可以相加 
提示2：充分利用已经建立好的算法库解决问题

[参考解答1]（程序中使用的头文件”tup.h”见稀疏矩阵的三元组表示算法库）　

#include <stdio.h>#include "tup.h"bool MatAdd(TSMatrix a,TSMatrix b,TSMatrix &c){    int i,j;    ElemType va,vb,vc;    if (a.rows!=b.rows || a.cols!=b.cols)        return false;                        //行数或列数不等时不能进行相加运算    c.rows=a.rows;    c.cols=a.cols;       //c的行列数与a的相同    c.nums=0;    for(i=0; i<M; i++)        for(j=0; j<N; j++)        {            Assign(a,va,i,j);            Assign(b,vb,i,j);            vc=va+vb;            if(vc)                Value(c,vc,i,j);        }    return true;}int main(){    TSMatrix ta,tb,tc;    int A[M][N]=    {        {0,0,1,0,0,0,0},        {0,2,0,0,0,0,0},        {3,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,5,0,0,0},        {0,0,0,0,6,0,0},        {0,0,0,0,0,7,4}    };    int B[M][N]=    {        {0,0,10,0,0,0,0},        {0,0,0,20,0,0,0},        {0,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,50,0,0,0},        {0,0,20,0,0,0,0},        {0,0,0,10,0,0,4}    };    CreatMat(ta,A);    CreatMat(tb,B);    printf("A:\n");    DispMat(ta);    printf("B:\n");    DispMat(tb);    if(MatAdd(ta, tb, tc))    {        printf("A+B:\n");        DispMat(tc);    }    else    {        printf("相加失败\n");    }    return 0;}
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[参考解答2] 
　　下面给出的解答，没有利用算法库中已经实现的Assign和Value两个基本运算，而是直接e采取了更为直接的方法去完成。用i和j两个变量扫描三元组a和b，按行序优先的原则进行处理，将结果存放于c中。当a的当前元素和b的当前元素的行号和列号均相等时，将它们的值相加，只有在相加值不为0时，才在c中添加一个新的元素。

#include <stdio.h>#include "tup.h"bool MatAdd(TSMatrix a,TSMatrix b,TSMatrix &c){    int i=0,j=0,k=0;    ElemType v;    if (a.rows!=b.rows || a.cols!=b.cols)        return 0;        //行数或列数不等时不能进行相加运算    c.rows=a.rows;    c.cols=a.cols;       //c的行列数与a的相同    while (i<a.nums && j<b.nums)         //处理a和b中的每个元素    {        if (a.data[i].r==b.data[j].r)    //行号相等时        {            if(a.data[i].c<b.data[j].c)  //a元素的列号小于b元素的列号            {                c.data[k].r=a.data[i].r;//将a元素添加到c中                c.data[k].c=a.data[i].c;                c.data[k].d=a.data[i].d;                k++;                i++;            }            else if (a.data[i].c>b.data[j].c)//a元素的列号大于b元素的列号            {                c.data[k].r=b.data[j].r;      //将b元素添加到c中                c.data[k].c=b.data[j].c;                c.data[k].d=b.data[j].d;                k++;                j++;            }            else                    //a元素的列号等于b元素的列号            {                v=a.data[i].d+b.data[j].d;                if (v!=0)           //只将不为0的结果添加到c中                {                    c.data[k].r=a.data[i].r;                    c.data[k].c=a.data[i].c;                    c.data[k].d=v;                    k++;                }                i++;                j++;            }        }        else if (a.data[i].r<b.data[j].r) //a元素的行号小于b元素的行号        {            c.data[k].r=a.data[i].r;      //将a元素添加到c中            c.data[k].c=a.data[i].c;            c.data[k].d=a.data[i].d;            k++;            i++;        }        else                              //a元素的行号大于b元素的行号        {            c.data[k].r=b.data[j].r;      //将b元素添加到c中            c.data[k].c=b.data[j].c;            c.data[k].d=b.data[j].d;            k++;            j++;        }    }    while (i<a.nums)         //a中尚有元素时    {        c.data[k].r=a.data[i].r;//将a元素添加到c中        c.data[k].c=a.data[i].c;        c.data[k].d=a.data[i].d;        k++;        i++;    }    while (j<b.nums)         //b中尚有元素时    {        c.data[k].r=b.data[j].r;      //将b元素添加到c中        c.data[k].c=b.data[j].c;        c.data[k].d=b.data[j].d;        k++;        j++;    }    c.nums=k;    return true;}int main(){    TSMatrix ta,tb,tc;    int A[M][N]=    {        {0,1,0,0,0,0,0},        {0,2,0,0,0,0,0},        {3,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,5,0,0,0},        {0,0,0,0,6,0,0},        {0,0,0,0,0,7,4}    };    int B[M][N]=    {        {0,0,10,0,0,0,0},        {0,0,0,20,0,0,0},        {0,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,50,0,0,0},        {0,0,20,0,0,0,0},        {0,0,0,10,0,0,4}    };    CreatMat(ta,A);    CreatMat(tb,B);    printf("A:\n");    DispMat(ta);    printf("B:\n");    DispMat(tb);    if(MatAdd(ta, tb, tc))    {        printf("A+B:\n");        DispMat(tc);    }    else    {        printf("相加失败\n");    }    return 0;}
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　　对比两种方案，“参考解答1”利用Assign和Value两个基本运算的方案，可以在只知道“矩阵加法是对应位置的元素相加”的基础上就可以求解；而“参考解答2”则不得不关注在数据存储层面的细节，以致于矩阵加法的规则都不容易看出来了。“参考解答2”中繁杂的代码，违反了程序设计中诸多的原则（例如模块化），相对“参考解答1”的简洁中透出的优雅，该不是学习者效仿的思维。

附：1楼评论中带bug的解答，原参考解答2。重点观察少了while (i<a.nums)、while (j<b.nums)两个循环，当a和b的最后一个元素不在同一行同一列时，会丢数据的。这个bug的漏网，和main函数中采用的测试数据不够好有关，让两个矩阵非0元素在同一行同一列，忽略了“边界”数据的重要性。 
　　与此同时，再次体会参考解答1的好处，缺少了一层抽象，对应的就是处处要考虑细节。智者千虑，必有一失，还是要运用上工程中的原则为好。

#include <stdio.h>#include "tup.h"bool MatAdd(TSMatrix a,TSMatrix b,TSMatrix &c){    int i=0,j=0,k=0;    ElemType v;    if (a.rows!=b.rows || a.cols!=b.cols)        return 0;        //行数或列数不等时不能进行相加运算    c.rows=a.rows;    c.cols=a.cols;       //c的行列数与a的相同    while (i<a.nums && j<b.nums)         //处理a和b中的每个元素    {        if (a.data[i].r==b.data[j].r)    //行号相等时        {            if(a.data[i].c<b.data[j].c)  //a元素的列号小于b元素的列号            {                c.data[k].r=a.data[i].r;//将a元素添加到c中                c.data[k].c=a.data[i].c;                c.data[k].d=a.data[i].d;                k++;                i++;            }            else if (a.data[i].c>b.data[j].c)//a元素的列号大于b元素的列号            {                c.data[k].r=b.data[j].r;      //将b元素添加到c中                c.data[k].c=b.data[j].c;                c.data[k].d=b.data[j].d;                k++;                j++;            }            else                    //a元素的列号等于b元素的列号            {                v=a.data[i].d+b.data[j].d;                if (v!=0)           //只将不为0的结果添加到c中                {                    c.data[k].r=a.data[i].r;                    c.data[k].c=a.data[i].c;                    c.data[k].d=v;                    k++;                }                i++;                j++;            }        }        else if (a.data[i].r<b.data[j].r) //a元素的行号小于b元素的行号        {            c.data[k].r=a.data[i].r;      //将a元素添加到c中            c.data[k].c=a.data[i].c;            c.data[k].d=a.data[i].d;            k++;            i++;        }        else                              //a元素的行号大于b元素的行号        {            c.data[k].r=b.data[j].r;      //将b元素添加到c中            c.data[k].c=b.data[j].c;            c.data[k].d=b.data[j].d;            k++;            j++;        }        c.nums=k;    }    return true;}int main(){    TSMatrix ta,tb,tc;    int A[M][N]=    {        {0,0,1,0,0,0,0},        {0,2,0,0,0,0,0},        {3,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,5,0,0,0},        {0,0,0,0,6,0,0},        {0,0,0,0,0,7,4}    };    int B[M][N]=    {        {0,0,10,0,0,0,0},        {0,0,0,20,0,0,0},        {0,0,0,0,0,0,0},        {0,0,0,50,0,0,0},        {0,0,20,0,0,0,0},        {0,0,0,10,0,0,4}    };    CreatMat(ta,A);    CreatMat(tb,B);    printf("A:\n");    DispMat(ta);    printf("B:\n");    DispMat(tb);    if(MatAdd(ta, tb, tc))    {        printf("A+B:\n");        DispMat(tc);    }    else    {        printf("相加失败\n");    }    return 0;}