《算法竞赛·快冲300题》每日一题：“矩阵”

《算法竞赛·快冲300题》将于2024年出版，是《算法竞赛》的辅助练习册。
所有题目放在自建的OJ New Online Judge。
用C/C++、Java、Python三种语言给出代码，以中低档题为主，适合入门、进阶。

“ 质数拼图游戏” ，链接： http://oj.ecustacm.cn/problem.php?id=1814

题目描述

【题目描述】 给定两个nn的矩阵A和B，记C=AB（此处为矩阵乘法），存在m次询问。
   每次询问C中一个子矩阵中所有数字之和。
   每次询问给定a,b,c,d四个数字，表示所求子矩阵为第a行第b列到第c行第d列的子矩阵。
【输入格式】 输入第一行为n和m(1≤n≤2000，m≤50000)。
   接下来n行，每行n个数字表示矩阵A。
   再接下来n行，每行n个数字表示矩阵B。矩阵中每个数字不超过100。
   接下来m行，每行4个数字a,b,c,d表示询问的子矩阵，（1≤a,b,c,d≤n）。
   本题输入数据量大，建议使用快速读入。
【输出格式】 对于每组询问，输出一行，包含一个数字表示答案。
【输入样例】

3 2
1 9 8
3 2 0
1 8 3
9 8 4
0 5 15
1 9 6
1 1 3 3
2 3 1 2

【输出样例】

661
388

---

题解

   如果只要求询问一个给定矩阵的子矩阵数字之和，是一个很直白的前缀和应用。
为快速得到一个矩阵的任意子矩阵的和，可以用“二维前缀和”。定义二维数组s[][]，$s[i][j]$表示子矩阵$[1,1][i,j]$的和。预计算出s[][]后，可以快速计算出任意的子矩阵和。如下图所示，阴影子矩阵$[i_1,j_1][i_2,j_2]$的和等于：
    $s[i_2][j_2]-s[i_2][j_1-1]-s[i_1-1][j_2]+s[i_1-1][j_1-1]$
  其中$s[i_1-1][j_1-1]$被减了2次，需要加回来1次。
  用上述公式查询一次子矩阵和，计算量仅为O(1)。

  预计算一个矩阵A的所有s[][]，计算量为$n^2$。代码这样写：

for(int i=1;i<=n;i++)
        for(int j=1;j<=n;j++)
            cin >> A[i][j], s[i][j] = s[i-1][j]+s[i][j-1]-s[i-1][j-1]+A[i][j];//预计算s[][]

  本题如果用上述方法，需要先求矩阵乘法C=A*B。但是矩阵乘法的计算量是$n^3$，而n≤2000，肯定超时，所以必须避免直接计算矩阵乘法。
  下面分析矩阵乘法C=A*B的计算过程，看能不能利用前缀和，从而减少计算量。下图画出了矩阵乘法的细节，求C中子矩阵(a, b) ~ (c, d)的和。

（1）计算C的第b列的区间和，即$C[a][b]+C[a+1][b]+...+C[c][b]$。
  先看C中第b列标’*’的$C[a][b]$的计算过程，它等于A第a行乘以B第b列：
    $C[a][b]=A[a][1]\times B[1][b]+A[a][2]\times B[2][b]+...+A[a][n]\times B[n][b]$
  同理，C中第b列的其他坐标的计算过程是：
    $C[a+1][b]=A[a+1][1]\times B[1][b]+A[a+1][2]\times B[2][b]+...+A[a+1][n]\times B[n][b]$
    …
    $C[c][b]=A[c][1]\times B[1][b]+A[c][2]\times B[2][b]+...+A[c][n]\times B[n][b]$ （式3-1）
  把（式3-1）上下相加得C的子矩阵第b列的区间和：
    $C[a][b]+C[a+1][b]+...+C[c][b]$
    $=(A[a][1]+A[a+1][1]+...+A[c][1])\times B[1][b]+$
    $(A[a][2]+A[a+1][2]+...+A[c][2])\times B[2][b]+$
     …
    $(A[a][n]+A[a+1][n]+...+A[c][n])\times B[n][b]$ （式3-2）
  式中的 A[a][1]+A[a+1][1]+…+A[c][1]正好是A的第1列的区间和，A[a][2]+A[a+1][2]+…+A[c][2]是第2列的区间和，…，等等。
  记s1[][j]为A的第j列的前缀和，有:
    $A[a][1]+A[a+1][1]+...+A[c][1]=s1[c][1]-s1[a-1][1]$
    $A[a][2]+A[a+1][2]+...+A[c][2]=s1[c][2]-s1[a-1][2]$
    …
    $A[a][n]+A[a+1][n]+...+A[c][n]=s1[c][n]-s1[a-1][n]$
  则C的子矩阵第b列的区间和（式3-2）简化为：
    $C[ac][b]$
    $=(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times B[1][b]+(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times B[2][b]+...+s1[c][n]-s1[a-1][n]\times B[n][b]$
(2)计算C的子矩阵的和，即把C的第b列、b+1列、…、d列相加。根据(1)的讨论，有：
    $C[ac][b]+C[ac][b+1]+...+C[ac][d]$
    $=(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times B[1][b]+(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times B[2][b]+...$
     $(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times B[1][b+1]+(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times B[2][b+1]+...$
    $(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times B[1][b+2]+(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times B[2][b+2]+...$
    …
    $(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times B[1][d]+(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times B[2][d]+...$ （式3-3）
  把（式3-3）上下相加，得：
    $C[ac][b]+C[ac][b+1]+...+C[ac][d]$
    $=(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times (B[1][b]+B[1][b+1]+...+B[1][d])+$
    $(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times (B[2][b]+B[2][b+1]+...+B[2][d])+$
    …
    $(s1[c][n]-s1[a-1][n])\times (B[n][b]+B[n][b+1]+...+B[n][d])$ （式3-4）
  记s2[i][]为B的第i行的前缀和，有:
    $B[1][b]+B[1][b+1]+...+B[1][d]=s2[1][d]-s2[1][b-1]$
    $B[2][b]+B[2][b+1]+...+B[2][d]=s2[2][d]-s2[2][b-1]$
    …
    $B[n][b]+B[n][b+1]+...+B[n][d]=s2[n][d]-s2[n][b-1]$
  则（式3-4）改写为：
    $C[ac][b]+C[ac][b+1]+...+C[ac][d]$
    $=(s1[c][1]-s1[a-1][1])\times (s2[1][d]-s2[1][b-1])+$
    $(s1[c][2]-s1[a-1][2])\times (s2[2][d]-s2[2][b-1])+$
    …
    $(s1[c][n]-s1[a-1][n])\times (s2[n][d]-s2[n][b-1])$
  这是最后的式子，每一行是两个区间和的乘法，共n行，有n次乘法计算。
  总计算量是多少？（1）预计算s1[][]和s2[][]，是$O(n^2)$的；（2）查询m次子矩阵和，每次有n次乘法计算，是$O(mn)$的；（3）总计算量等于$O(n^2)+O(mn)$，刚好通过测试。

【重点】 前缀和，矩阵计算 。

C++代码

   题目中提到“本题输入数据量大，建议使用快速读入”。
   C++的标准输入输出函数是cin/cout、scanf/printf，在默认情况下，cin/cout比scanf/printf慢得多。在需要大量输入输出的场合，一般用scanf、printf就可以。如果还要提高速度，输入用getchar()，输出用putchar()，它们更快。
   自己写一个快读函数read()，用到getchar()。getchar()的功能是读1 byte的数据，按char类型读入。下面代码中的read()是整数输入的快读模板，用getchar()读入每个字符，然后转成数字。例如输入“245”，用getchar()分3次读入‘2’、‘4’、‘5’，然后组合成数字“345”。注意可能有负数，所以需要判断‘-’号。
   自己写一个快写函数write()，用到putchar()。putchar()的功能是输出一个字符，当需要输出一个数时，把它的每一位转成字符，然后用putchar()输出。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
const int N=2010;
int n,m,a,b,c,d;
int A[N][N],B[N][N],s1[N][N],s2[N][N];
inline int read(int &x) {
    
             //快读int型整数。如果需要读long long，把int改成long long
    x = 0;
    int w = 1;//w:判断正负号
    char ch = 0;
    while (ch < '0' || ch > '9') {
    
     //读字符
        if (ch == '-') w = -1;     //这是一个负整数数
        ch = getchar();            //读一个字符
    }
    while (ch >= '0' && ch <= '9') {
    
     //读数字
        x = x * 10 + (ch - '0');
        ch = getchar();
    }
    return x = x * w;
}
void write(ll x) {
    
                    //快写long long型整数
    if (x < 0) {
    
                      // 判断正负。如果是负数，输出负号
        putchar('-');      
x = -x;                   //记得把负数变正，方便下面输出数字         
    }
    if (x > 9) write(x / 10);     // 递归，将除最后一位外的其他部分放到递归中输出
    putchar(x % 10 + '0');        // 已经输出（递归）完 x 末位前的所有数字，输出末位
}
ll query(int a,int b,int c,int d){
    
         //C=A*B，计算C的子矩阵和
    ll ans = 0;
    for(int k=1;k<=n;k++){
    
    
        ll ans1 = s1[c][k] - s1[a-1][k];
        ll ans2 = s2[k][d] - s2[k][b-1];
        ans += ans1*ans2;
    }
    return ans;
}
int main(){
    
    
    read(n),read(m);
    for(int i=1;i<=n;i++)
        for(int j=1;j<=n;j++)
            read(A[i][j]), s1[i][j] = s1[i-1][j]+A[i][j];   //输入A。s1[][j]是第j列的前缀和
                  //read(A[i][j])等于scanf("%d",&A[i][j])或cin>>A[i][j]
    for(int i=1;i<=n;i++)
        for(int j=1;j<=n;j++)
            read(B[i][j]), s2[i][j] = s2[i][j-1]+B[i][j];   //输入B。s2[i][]是第i行的前缀和
    while(m--){
    
    
        read(a),read(b),read(c),read(d);  //等于scanf("%d%d%d%d",&a,&b,&c,&d);
        if(a > c) swap(a, c);             //可能存在a>c、b>d的情况
        if(b > d) swap(b, d);
        ll ans = query(a,b,c,d);
        write(ans); putchar('\n');       //等于printf("%lld\n",query(a,b,c,d));
    }
    return 0;
}

Java代码

import java.util.*;  
import java.io.*; 
class Main {
    
    
    static FastReader scanner = new FastReader();
    static int N = 2010;
    static int n, m, a, b, c, d;
    static int[][] A = new int[N][N], B = new int[N][N], s1 = new int[N][N], s2 = new int[N][N];
     public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        n = scanner.nextInt();
        m = scanner.nextInt(); 
        for (int i = 1; i <= n; i++) 
            for (int j = 1; j <= n; j++) {
    
    
                A[i][j] = scanner.nextInt();;
                s1[i][j] = s1[i - 1][j] + A[i][j];
            } 
        for (int i = 1; i <= n; i++) 
            for (int j = 1; j <= n; j++) {
    
    
                B[i][j] = scanner.nextInt();;
                s2[i][j] = s2[i][j - 1] + B[i][j];
            } 
        while (m-- > 0) {
    
    
            a = scanner.nextInt();
            b = scanner.nextInt();
            c = scanner.nextInt();
            d = scanner.nextInt();
            if (a > c) {
    
     int temp = a;  a = c;  c = temp;  }
            if (b > d) {
    
     int temp = b;  b = d;  d = temp;  }
            long ans = query(a, b, c, d);
            System.out.println(ans);
        } 
    } 
    static long query(int a, int b, int c, int d) {
    
    
        long ans = 0;
        for (int k = 1; k <= n; k++) {
    
    
            long ans1 = s1[c][k] - s1[a - 1][k];
            long ans2 = s2[k][d] - s2[k][b - 1];
            ans += ans1 * ans2;
        }
        return ans;
    } 
    static class FastReader {
    
    
        BufferedReader br;
        StringTokenizer st;  
        public FastReader() {
    
    
            br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        }  
        String next() {
    
    
            while (st == null || !st.hasMoreElements()) {
    
    
                try {
    
    st = new StringTokenizer(br.readLine());} 
                catch (IOException e) {
    
     e.printStackTrace(); }
            }
            return st.nextToken();
        }  
        int nextInt() {
    
         return Integer.parseInt(next());    }  
        long nextLong() {
    
       return Long.parseLong(next());      }  
        double nextDouble() {
    
     return Double.parseDouble(next());     }  
        String nextLine() {
    
    
            String str = "";
            try {
    
     str = br.readLine();  } 
            catch (IOException e) {
    
      e.printStackTrace();   }
            return str;
        }
    }
}

Python代码

  

#pypy
import sys
input = sys.stdin.readline
def query(a, b, c, d):
    ans = 0
    for k in range(1, n+1):
        ans1 = s1[c][k] - s1[a-1][k]
        ans2 = s2[k][d] - s2[k][b-1]
        ans += ans1 * ans2
    return ans
n, m = list(map(int, input().split()))
N = n+1
s1 = [[0] * N for _ in range(N)]
s2 = [[0] * N for _ in range(N)]
A = [0] * N
B = [0] * N 
for i in range(1, n+1):
    A[i] = [0] + list(map(int, input().split()))
    for j in range(1, n+1):  s1[i][j] = s1[i-1][j] + A[i][j]   
for i in range(1, n+1):
    B[i] = [0] + list(map(int, input().split()))
    for j in range(1, n+1):  s2[i][j] = s2[i][j-1] + B[i][j]     
for _ in range(m):
    a, b, c, d = list(map(int, input().split()))
    if a > c:   a, c = c, a
    if b > d:   b, d = d, b
    sys.stdout.write(str(query(a, b, c, d)) + '\n')