【408考点之数据结构】数组和特殊矩阵的压缩存储

数组和特殊矩阵的压缩存储

在数据结构中，数组是一种基础的数据结构，用于存储相同类型的元素的集合。矩阵则是一个二维数组，常用于表示图像、图形以及数学运算中的系数。随着矩阵的广泛应用，一些特殊类型的矩阵也被引入并得到了有效的压缩存储方法。这些特殊矩阵包括稀疏矩阵、对称矩阵、三角矩阵和对角矩阵等。

一、数组

数组是连续内存空间中存储的一组相同类型的数据。它允许通过索引快速访问元素，但插入和删除操作相对复杂，因为需要移动其他元素来保持数组的连续性。

数组的特点

1. 固定大小：数组在定义时需要指定大小，大小一旦确定就无法改变。
2. 连续存储：数组元素在内存中是连续存储的，允许快速访问任意元素。
3. 索引访问：通过数组的索引可以快速访问任意元素，时间复杂度为O(1)。
4. 插入和删除操作复杂：由于数组的连续存储特性，插入和删除元素需要移动其他元素，时间复杂度为O(n)。

二、特殊矩阵

特殊矩阵是指具有某些特定结构或属性的矩阵，这些属性允许我们对它们进行有效的压缩存储，从而节省内存空间并提高计算效率。

1. 稀疏矩阵

稀疏矩阵中大部分元素为零，只有少数非零元素。为了节省空间，我们可以只存储非零元素及其位置。

稀疏矩阵的压缩存储方法

• 三元组表：用三元组形式存储非零元素，每个三元组包含行索引、列索引和非零元素的值。例如，对于矩阵：

  0 0 3
  4 0 0
  0 5 0
  

  可以用三元组表表示为：[(0, 2, 3), (1, 0, 4), (2, 1, 5)]
• 压缩行存储：存储每行的非零元素及其列索引，行之间用分隔符区分。例如，上述矩阵可以表示为：[3, 2, /, 4, 0, /, 5, 1]

2. 对称矩阵

对称矩阵是指矩阵关于主对角线对称，即A[i][j] == A[j][i]。由于对称矩阵的对称性，我们只需存储其一半的元素。

对称矩阵的压缩存储方法

• 上三角压缩：只存储上三角部分（包括对角线）元素。例如，对于对称矩阵：

  1 2 3
  2 4 5
  3 5 6
  

  我们只需存储：[1, 2, 3, 4, 5, 6]
• 下三角压缩：只存储下三角部分（包括对角线）元素。对于上述矩阵，我们可以存储：[1, 2, 3, 4, 5, 6]

3. 三角矩阵

三角矩阵包括上三角矩阵和下三角矩阵。上三角矩阵是指所有元素位于主对角线及其上方，其他元素为零；下三角矩阵是指所有元素位于主对角线及其下方，其他元素为零。

三角矩阵的压缩存储方法

• 上三角矩阵：只存储上三角部分（包括对角线）元素。例如：

  1 2 3
  0 4 5
  0 0 6
  

  我们存储：[1, 2, 3, 4, 5, 6]
• 下三角矩阵：只存储下三角部分（包括对角线）元素。例如：

  1 0 0
  4 5 0
  7 8 9
  

  我们存储：[1, 4, 5, 7, 8, 9]

4. 对角矩阵

对角矩阵是指主对角线以外的所有元素均为零的矩阵。例如：

1 0 0
0 2 0
0 0 3

我们只需存储主对角线上的元素：[1, 2, 3]

特殊矩阵的压缩存储总结

通过对特殊矩阵的压缩存储，我们可以显著减少内存占用，并在进行矩阵运算时提高效率。不同类型的特殊矩阵有不同的压缩方法，具体选择哪种方法取决于矩阵的具体结构和应用场景。