• 【XSY3918】数数(矩阵树定理,分治NTT)


    题面

    数数

    题解

    tm怎么天天数数(

    考虑一个点数为 (n) 的有向完全图:对于边 (i o j) 来说,若 (i<j) 则边权为 (x),否则边权为 (1)

    显然答案就是这张图中以 (r) 为根的且边权乘积为 (x^m) 的内向树个数。

    考虑矩阵树定理。

    先推出基尔霍夫矩阵 (K)

    [egin{aligned} K=&D-A\ =& egin{vmatrix} (n-1)x&0&cdots&0\ 0&(n-2)x+1&cdots&0\ vdots&vdots&ddots&vdots\ 0&0&cdots&n-1 end{vmatrix}_{n imes n} -egin{vmatrix} 0&x&cdots&x\ 1&0&cdots&x\ vdots&vdots&ddots&vdots\ 1&1&cdots&0 end{vmatrix}_{n imes n}\ =& egin{vmatrix} (n-1)x&-x&cdots&-x\ -1&(n-2)x+1&cdots&-x\ vdots&vdots&ddots&vdots\ -1&-1&cdots&n-1 end{vmatrix}_{n imes n} end{aligned} ]

    其中:

    • (D) 为度数矩阵(加权),只有 ((i,i)) 有值。同时这是内向树,统计的是每个点的加权出度。

    • (A) 为邻接矩阵(加权),除了 ((i,i)) 都有值。

    由于需要以 (r) 为根,所以我们去掉第 (r) 行和第 (r) 列,变成一个 ((n-1) imes(n-1)) 的矩阵(设去掉第 (r) 行和去掉第 (r) 列之前的 (n imes n) 的矩阵为 (S))。那么答案为:

    [egin{aligned} &[x^m] egin{vmatrix} (n-1)x&-x&cdots&-x\ -1&(n-2)x+1&cdots&-x\ vdots&vdots&ddots&vdots\ -1&-1&cdots&n-1 end{vmatrix}_{(n-1) imes (n-1)}\ =&(-1)^{n+1}[x^m] egin{vmatrix} 1&1&cdots&1&1\ (n-1)x&-x&cdots&-x&0\ -1&(n-2)x+1&cdots&-x&0\ vdots&vdots&ddots&vdots&vdots\ -1&-1&cdots&n-1&0 end{vmatrix}_{n imes n}\ end{aligned} ]

    上面这里我们是新加了一行和一列,我们来证明这个等式为什么是对的:

    不妨设原来的行列式的值为 (v),新加了一行一列的行列式的值为 (v')。结合行列式的定义,显然当矩阵第一行选最后一个 (1) 的时候才对行列式的值有贡献,此时会比没有新添加一行一列时多出 (n-1) 个逆序对。所以得到 (v imes (-1)^{n-1}=v'),也就得到 (v=v' imes (-1)^{n-1})

    那么由于矩阵的一行加上另一行的倍数后行列式不变,所以不妨将第 (2sim n) 行都加上第 (1) 行,那么此时原式变为:

    [egin{aligned} =&(-1)^{n+1}[x^m] egin{vmatrix} 1&1&cdots&1&1\ (n-1)x+1&1-x&cdots&1-x&1\ 0&(n-2)x+2&cdots&1-x&1\ vdots&vdots&ddots&vdots&vdots\ 0&0&cdots&n&1 end{vmatrix}_{n imes n}\ end{aligned} ]

    设最后推出来的这个矩阵为 (T)。(注意:(T) 不是上三角矩阵,因为对角线是 (1,underbrace{1-x,cdots,1-x}_{(n-2) ext{个}},1)

    由于我们一开始删掉了第 (r) 行和第 (r) 列,所以我们不妨设 (T) 矩阵的第 (i) 列代表的是一开始 (S) 矩阵的第 (a_i) 列,那么易知 (a_i=i+[igeq r](1leq i <n))

    (C_i) 表示由 (T) 矩阵第 (isim n) 列和第 (isim n) 行构成的矩阵,(det olimits_i) 表示 (C_i) 的行列式。

    按第一列选哪个分类讨论,易得下面的递推式:((2leq i<n)(det olimits_{n}=1)

    [egin{aligned} det olimits_i=&(1-x)det olimits_{i+1}-ig[(n-a_i)x+a_iig]det olimits_{i+1}\ =&ig[(a_i-n-1)x+1-a_iig]det olimits_{i+1} end{aligned} ]

    (f_i=(a_i-n-1)x+1-a_i)(特判 (f_n=1)),显然有 (det olimits_2=prodlimits_{i=2}^{n}f_i)

    这是简单的分治 NTT,可以轻松实现。

    但你发现 (det olimits_1) 好像不太好处理。

    我们还是按第一列哪一个分类讨论:

    • 如图,如果我们第一列选了第一个数 (1),那么我们之后选的数只能在红框里面选了:

      在这里插入图片描述

      又由于第一列第一个数不会和后面的数产生逆序对,所以易知这种情况的贡献为 (1 imes f_2=f_2)

    • 如图,如果我们第一列选了第二个数 ((n-a_1)x+a_1)

      在这里插入图片描述

      显然,我们并不能用 (f_2) 转移,因为第一行后面是 (1),而第二行后面是 (1-x),它们不相同。

      那么我们枚举第一行选了哪一个,设第一行选了第 (i) 列的 (1):((1<ileq n)

      (十分抱歉,笔者下面的所有图中所有的 ((n-a_i)x+a_i) 都写成了 ((n-a_i)+a_i),请自行脑补一个 (x) 上去)

      在这里插入图片描述

      然后你发现,第二列只能选第三个数,因为前两行都被选过了,而选第四行以后都是 (0) 没有贡献。

      然后再推一推就能发现,对于前 (i-1) 列中的每一列 (j(1leq j<i)),都只能选第 (j+1) 行,而对于第 (i) 列后面的所有列,它们可以且只能在 (C_{i+1}) 里面选:

      在这里插入图片描述

      那么对于这种情况,显然它的贡献为:

      [egin{aligned} &(-1)^{i-1}left(prod_{j=1}^{i-1}(n-a_j)x+a_j ight)det olimits_{i+1}\ =&left(prod_{j=1}^{i-1}(a_j-n)x-a_j ight)left(prod_{j=i+1}^{n}f_i ight) end{aligned} ]

      (p_j=(a_j-n)x-a_j)(p_{l..r}=prodlimits_{j=l}^r p_j)(f_{l..r}=prodlimits_{j=l}^r f_j)

      然后枚举每一个 (i),统计第一列选第二个时的答案:

      [sum_{i=2}^n p_{1..i-1}f_{i+1..n} ]

      这是简单的分治 NTT,可以轻松实现。

      具体来说,假设当前要求 (S_{l,r}=sumlimits_{i=l}^r p_{l-1..i-1}f_{i+1...r+1}),而且左右都分治好了,那么:

      [S_{l,r}=S_{l,mid}f_{mid+2..r+1}+p_{l-1..mid-1}S_{mid+1,r} ]

    那么两种情况都处理完了,最后得到:

    [det olimits_{1}=det olimits_2+S_{2,n} ]

    输出 (det_1)(m) 次项系数即可。

    时间复杂度 (O(nlog^2n))

    注意所有的东西都可以用一次分治 NTT 求出来,不需要求两次。

    代码如下:

    #include<bits/stdc++.h>
    
    #define LN 18
    #define N 100010
    #define mod 998244353
    
    using namespace std;
    
    inline int read()
    {
    	int x=0,f=1;
    	char ch=getchar();
    	while(ch<'0'||ch>'9')
    	{
    		if(ch=='-') f=-1;
    		ch=getchar();
    	}
    	while(ch>='0'&&ch<='9')
    	{
    		x=(x<<1)+(x<<3)+(ch^'0');
    		ch=getchar();
    	}
    	return x*f;
    }
    
    namespace modular
    {
    	int add(int x,int y){if((x+=y)>=mod)x-=mod; return x;}
    	int dec(int x,int y){if((x-=y)<0)x+=mod; return x;}
    	int mul(int x,int y){return 1ll*x*y%mod;}
    }
    
    using namespace modular;
    
    int n,rt,m;
    int rev[N<<1],w[LN][N<<1][2];
    int sl[N<<1],sr[N<<1],fl[N<<1],fr[N<<1],pl[N<<1],pr[N<<1];
    int ns[N<<1],nf[N<<1],np[N<<1];
    
    vector<int>f[N<<2],p[N<<2],s[N<<2];
    
    int poww(int a,int b)
    {
    	int ans=1;
    	while(b)
    	{
    		if(b&1) ans=mul(ans,a);
    		a=mul(a,a);
    		b>>=1;
    	}
    	return ans;
    }
    
    void init(int limit)
    {
    	for(int bit=0,mid=1;mid<limit;bit++,mid<<=1)
    	{
    		int len=mid<<1;
    		int gn=poww(3,(mod-1)/len);
    		int ign=poww(gn,mod-2);
    		int g=1,ig=1;
    		for(int j=0;j<mid;g=mul(g,gn),ig=mul(ig,ign),j++)
    			w[bit][j][0]=g,w[bit][j][1]=ig;
    	}
    }
    
    void NTT(int *a,int limit,int opt)
    {
    	opt=(opt<0);
    	for(int i=0;i<limit;i++)
    		rev[i]=(rev[i>>1]>>1)|((i&1)*(limit>>1));
    	for(int i=0;i<limit;i++)
    		if(i<rev[i]) swap(a[i],a[rev[i]]);
    	for(int bit=0,mid=1;mid<limit;bit++,mid<<=1)
    	{
    		for(int len=mid<<1,i=0;i<limit;i+=len)
    		{
    			for(int j=0;j<mid;j++)
    			{
    				int x=a[i+j],y=mul(w[bit][j][opt],a[i+mid+j]);
    				a[i+j]=add(x,y),a[i+mid+j]=dec(x,y);
    			}
    		}
    	}
    	if(opt)
    	{
    		int tmp=poww(limit,mod-2);
    		for(int i=0;i<limit;i++)
    			a[i]=mul(a[i],tmp);
    	}
    }
    
    void solve(int k,int l,int r)
    {
    	if(l==r)
    	{
    		if(l<n-1)
    		{
    			int a=(l+1)+((l+1)>=rt);
    			f[k].push_back(dec(1,a));
    			f[k].push_back(dec(a,n+1));
    		}
    		else
    		{
    			f[k].push_back(1);
    			f[k].push_back(0);
    		}
    		int a=(l-1)+((l-1)>=rt);
    		p[k].push_back(dec(0,a));
    		p[k].push_back(dec(a,n));
    		s[k].push_back(mul(f[k][0],p[k][0]));
    		s[k].push_back(add(mul(f[k][1],p[k][0]),mul(f[k][0],p[k][1])));
    		s[k].push_back(mul(f[k][1],p[k][1]));
    		return;
    	}
    	int mid=(l+r)>>1,lc=k<<1,rc=k<<1|1;
    	solve(lc,l,mid),solve(rc,mid+1,r);
    	
    	for(int i=0,size=s[lc].size();i<size;i++) sl[i]=s[lc][i];
    	for(int i=0,size=s[rc].size();i<size;i++) sr[i]=s[rc][i];
    	for(int i=0,size=f[lc].size();i<size;i++) fl[i]=f[lc][i];
    	for(int i=0,size=f[rc].size();i<size;i++) fr[i]=f[rc][i];
    	for(int i=0,size=p[lc].size();i<size;i++) pl[i]=p[lc][i];
    	for(int i=0,size=p[rc].size();i<size;i++) pr[i]=p[rc][i];
    	
    	int limit=1;
    	while(limit<=(r-l+2)) limit<<=1;
    	NTT(sl,limit,1),NTT(sr,limit,1),NTT(fl,limit,1),NTT(fr,limit,1),NTT(pl,limit,1),NTT(pr,limit,1);
    	for(int i=0;i<limit;i++)
    	{
    		ns[i]=add(mul(sl[i],fr[i]),mul(pl[i],sr[i]));
    		nf[i]=mul(fl[i],fr[i]);
    		np[i]=mul(pl[i],pr[i]);
    	}
    	NTT(ns,limit,-1),NTT(nf,limit,-1),NTT(np,limit,-1);
    	
    	for(int i=0;i<=(r-l+2);i++) s[k].push_back(ns[i]);
    	for(int i=0;i<=(r-l+1);i++) f[k].push_back(nf[i]);
    	for(int i=0;i<=(r-l+1);i++) p[k].push_back(np[i]);
    	
    	for(int i=0;i<limit;i++) sl[i]=sr[i]=fl[i]=fr[i]=pl[i]=pr[i]=ns[i]=nf[i]=np[i]=0;
    }
    
    int main()
    {
    	n=read(),rt=read(),m=read();
    	if(n==1)
    	{
    		cout<<1<<endl;
    		return 0;
    	}
    	int limit=1;
    	while(limit<=n) limit<<=1;
    	init(limit);
    	solve(1,2,n);
    	if(2<n-1)
    	{
    		int a=2+(2>=rt);
    		fl[0]=dec(1,a),fl[1]=dec(a,n+1);
    	}
    	else fl[0]=1;
    	for(int i=0,size=f[1].size();i<size;i++) fr[i]=f[1][i];
    	NTT(fl,limit,1),NTT(fr,limit,1);
    	for(int i=0;i<limit;i++)
    		fl[i]=mul(fl[i],fr[i]);
    	NTT(fl,limit,-1);
    	int ans=add(m<n-1?fl[m]:0,s[1][m]);
    	printf("%d
    ",(n&1)?ans:dec(0,ans));
    	return 0;
    }
    /*
    4 3 2
    */
    
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