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容斥原理 期望 莫比乌斯函数

时间:2020-10-26 11:06:34      阅读:20      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:str   欧拉函数   引入   string   htm   mamicode   不同   空间   not   

新章节 容斥原理

基本思路:根据给出的N一般很小的原理,我们需要明确三个事情

集合是什么,条件是什么,什么满足什么不满足

然后通过二进制状态压缩的方式枚举每一个变量的存在与否

根据奇偶性对答案+或者-就可以统计出原来的答案

一般来说,其中会有很明显的集合重叠特征

t1牛皮的鲜花

  • 发现n很小,但是每一个集合都有限制
  • 考虑去掉一部分条件(解题法)
  • 如果没有限制的话
  • 知识点,不定方程 Σxi=M(xi>=0)
  • 令yi=xi+1,那么转化为 Σ y=M+N (yi>=1) 这个时候可以用隔板法解决
  • 答案为C(n-1,n+m+1)
  • 然后考虑加上限制,直接求不好求,我们求不合法的方案数
  • 如何不合法 (xi<=ai) 那么我们直接先取出(ai+1)只花就一定不满足条件i
  • 根据容斥原理,奇数减偶数加就可
  • C(N-1,N-M+1-(A[J]+1)
  • 考虑优化的第一个思路:避免冗余计算
  • 计算组合数的第一个办法:定义法:因为M很大,没有办法打表,但是发现N很小,根据组合数的性质计算一个组合数的时间不超过N
  • 所以可以之间使用定义计算
  • 除法要取模:我们使用逆元
  • 观察到:每次我们的分母都是一样的,所以只需要计算一次就好
  • 具体细节见代码:
  • #include <stdio.h>
    #include <algorithm>
    #include <cstring>
    
    using namespace std;
    
    typedef long long ll;
    ll a[30];
    ll n,m;
    int down=1;
    const int q=1e9+7;
    
    int ksm(int a,int k,int q)
    {
        ll temp=1;
        while(k)
        {
            if(k&1) temp=(ll)temp*a%q;//开ll防爆 
            a=(ll)a*a%q;
            k>>=1;
        }
        return temp;
    }
    ll C(ll a,ll b)
    {
        if(a<b) return 0;//C(A,B)=0
        ll up=1;
        for(ll i=a;i>a-b;i--) up=(ll)i%q*up%q;//这里要先把imod了,因为i是ll,再乘就爆炸 
        return up*down%q;
    }
    int main()
    {
        scanf("%lld%lld",&n,&m);
        for(int i=0;i<n;i++) scanf("%lld",&a[i]);
        for(int i=1;i<=n-1;i++) down=(ll)down*i%q;
        down=ksm(down,q-2,q);//费马小定理,使用于mod数是质数 
        int res=0;
        for(int i=0;i<(1<<n);i++)
        {
            ll A=n+m-1,B=n-1;//每次定义一个变量;他有什么计算而来,要计算什么,会不会爆炸 
            int sign=1;
            for(int j=0;j<n;j++)
            {
                if(i>>j&1)
                {
                    A-=a[j]+1;
                    sign*=-1;//容斥原理 
                }
            }
            res=(ll)(res+C(A,B)*sign)%q;//每次modq,防止爆ll 
        }
        printf("%d",(res+q)%q);//变成正整数 
        return 0;
    }

    int 10e9 ll 1e18

  • 莫比乌斯函数:
  • 质因数分解:pI^ai
  • ai>1 0 指数和偶数:1 指数和奇数 -1
  • 问题抽象:求1-n中和n互质的数的个数 欧拉函数:
  • 代码:
  • void getmu(int maxx)
    {
        mu[1]=1;
        for(int i=2;i<=maxx;i++)
        {
            if(!vis[i])
            {
                prime[cnt++]=i;
                mu[i]=-1;
            }
            for(int j=0;j<cnt,i*prime[j]<=maxx;j++)
            {
                vis[i*prime[j]]=1;
                if(i%prime[j]==0) break;
                else mu[i*prime[j]]=-mu[i];//指数的奇偶性改变
            }
        }

     

  • 6.除数函数
    1.表示n的因子的k次方之和 Σ(d|n) d^k 表示对n的所有约数求和
    2.k=0 时是约数个数 成为 d(n) k=1 的时候记为 bulabula(n)
    除数函数都是积性函数:
    约数个数:分解后为 (1+a1)*)(1+a2)... 各个素因子的贡献独立

    7.欧拉函数 φ(n)表示 1-n 和 n互质的正整数的个数
    1.由n的分解,加上容斥原理来求解
    φ(n)=n - n/p1 -n / p2 .... 容斥原理(剪多了
    =n(1-1/p1)(1-1/p2)...
    =(p1^a1-1(p1-1))*(p2^a-1(p2-1))..
    也就是每个质因子要单独考虑 独立性 所以是积性函数
    【积性函数都有独立性】
    2.n=Σ(d|n) φ(n);技术图片

    证明 (n,i)=d, 那么(n/d,i/d)=1 i/d<=n/d 所以这样的i一共有φ(n/d)个
    所以考虑所有的d|n 也就考虑了 1-n 的所有整数
    由此 n=Σ(d|n)φ(n/d) 要注意 d和n/d 再某种意义上遍历过程是等价的,只不过是顺序相反而已
    以6为例

引入新的函数 g(x)

技术图片

 

 技术图片

 

 所以说 [a/g(x)]>=[a/x]并且[a/g(x)]<=[a/x]所以说两者相等

再证明第二个定义:技术图片

 

 结论2:[a/i]中一共最多有2根号a个不同的值,可以分块跳

#include <stdio.h>
#include <algorithm>
#include <cstring>

using namespace std;

typedef long long ll;
const int maxn=50020;

bool st[maxn];
int prime[maxn],mob[maxn],sum[maxn];
int cnt;

void init(int n)
{
    mob[1]=1;
    for(int i=2;i<=n;i++)
    {
        if(!st[i])
        {
            prime[cnt++]=i;
            mob[i]=-1;
        }
        for(int j=0;j<cnt,i*prime[j]<=n;j++)
        {
            int t=prime[j]*i;
            st[t]=true;
            if(i%prime[j]==0) break;
            mob[t]=-mob[i];
        }
    }
    for(int i=1;i<=n;i++) sum[i]=sum[i-1]+mob[i];//因为是单独计算每一段的贡献,所以需要对mob做一个前缀和
}
int main()
{
    init(50000);
    //for(int i=1;i<=30;i++) printf("%d ",mob[i]);
    int T;
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        int a,b,c;
        scanf("%d%d%d",&a,&b,&c);
        a/=c;b/=c;
        ll res=0;
        int n=min(a,b);
        for(int l=1,r;l<=n;l=r+1)
        {
            r=min(n,min(a/(a/l),b/(b/l)));
            res+=(ll)(sum[r]-sum[l-1])*(a/l)*(b/l);
        }
        printf("%lld\n",res);
    }
    return 0;
}
 

 #莫比乌斯函数相关网站:https://www.cnblogs.com/peng-ym/p/8647856.html

对于狄利克雷卷积我们再进行一下复习:

8.dieichlet 狄利克雷卷积
1.设f,g是数论函数 h(n)=Σ(d|n)f(d)g(n/d)
h = f * g;【是函数一卷卷出来另一个函数,也就是两个函数的值】
2.单位函数是狄利克雷卷积的单位元 也就是 e*f=f*e=f 
3.满足交换律和结合律 (d和n/d的相对性)
证明结合律:考虑求和变换顺序
4.若f,g都是积性函数 则f*g也是积性函数【保持了元素因子独立的特性】
5.许多关系可以用卷积来表示 1表示为1的常函数
6.idk(n)=n^k,id1=id(n的取值就是n)
7.除数函数:西格玛k=1*idk 
8.欧拉函数 id=φ*1

然后,来到莫比乌斯变化:

1.莫比乌斯函数的两个性质

技术图片

 

 2.关于莫比乌斯反演的证明

 

首先:我们需要对求和符号进行说明(文章:https://blog.csdn.net/a574780196/article/details/82932986?utm_medium=distribute.pc_aggpage_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_v2~rank_v25-7-82932986.nonecase&utm_term=%E6%B1%82%E5%92%8C%E7%AC%A6%E5%8F%B7%E8%BF%90%E7%AE%97%E6%B3%95%E5%88%99&spm=1000.2123.3001.4430

首先需要关注的是求和符号的三个性质 :结合律,分配率,函数律

2.二级求和符号需要前后两者等价,一般是可以将其中一种东西当做常量来求

3.非常重要的一点就是:如果说在高一级的求和符号中使用了某种变量来约束下标的话,那么之后一定要用其他的字母来作为循环变量

证明如下:

技术图片

 

 关注求和的顺序改变:前面一个是对于每一个d,i求和,下面一个就是对于每一个i,d求和,两者是相乘的性质,分配率显然满足

由此我们可以得到莫比乌斯反演的两种形式:

技术图片

 

 技术图片

 

 专题二:期望和概率

  • 即期望可以通过子事件的发生期望乘以概率来求,这就是可以用dp来做的基础
  • 期望问题的一般性质:起点唯一,终点不唯一
  • 那么我们可以也就是定义状态到终点的期望:f(n)=0,求解f(1)
  • 本质上就是要求解一个递归关系,也就是一个dp
  • 那么计算一个状态时只要保证前面的状态都被计算完(简单的记忆化搜索实现)了就好
  • 那么我们要考虑爆栈的问题(现在不用了)
  • 本题的本质就是寻找递推式,然后根据题目之间的依赖关系求解求解
  • #include <stdio.h>
    #include <algorithm>
    #include <cstring>
    
    using namespace std;
    
    const int maxn=3e5+20;
    
    int head[maxn],nex[maxn],ver[maxn],wei[maxn],tot;
    int n,m;
    double f[maxn];
    int dout[maxn];
    
    void add(int x,int y,int z)
    {
        ver[++tot]=y;
        wei[tot]=z;
        nex[tot]=head[x];
        head[x]=tot;
    }
    double dp(int x)
    {
        if(f[x]>=0) return x;
        if(x==n) return 0;
        f[x]=0;
        for(int i=head[x];i;i=nex[i])
        {
            int y=ver[i];
            f[x]+=(wei[i]+f[y])/dout[x];//推导出来的递推式
        }
        return f[x];
    }
    int main()
    {
        scanf("%d%d",&n,&m);
        for(int i=1;i<=m;i++)
        {
            int a,b,c;
            scanf("%d%d%d",&a,&b,&c);
            add(a,b,c);
            dout[a]++;//
        }
        memset(f,-1,sizeof(f));//记忆化搜索记住要初始化成“not number”
        printf("%.2f",dp(1));
        return 0;
    }

    对于空间复杂度计算的补充:

  • 32位系统下,int、long、long long、__int64所占字节数和取值范围
    字节数
    char: 1字节(8位)
    int: 4字节 (32位,取值范围 -2^31 ~ 2^31-1)
    unsigned int : 4字节 (32位,取值范围 0 ~ 2^32-1)
    long: 4字节 (32位,取值范围 -2^31 ~ 2^31-1)
    unsigned long : 4字节 (32位,取值范围 0 ~ 2^32-1)
    long long : 8字节(64位,取值范围 -2^63 ~ 2^63-1)
    取值范围
    int   :   -2147483648 ~ 2147483647 
    unsigned  int  :    0 ~ 4294967295   
    long   :  -2147483648 ~ 2147483647
    unsigned long  :  0 ~ 4294967295
    long long   :  -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807
    unsigned long long  :  0 ~ 1844674407370955161

    __int64  :  -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807
    unsigned __int64  :  0 ~ 1844674407370955161

  • 也就数数组大小*字节数/1024/1024的出来的单位是MB就可以比较了
  • 在多维的数组空间判断终有用

T2:扑克牌

  • 经过两道水题(bushi)的洗礼,我们大概知道了到底应该怎么做期望:
  • 期望的本质仍旧是dp,只不过初始量是终点状态为0;
  • 我们需要寻找:状态的表示,状态的转移(转移过程一定要注意判断越界),记忆化搜索的实现
  • 同时,我们还需要判断期望过大的情况:也就是E>INF/2,(INF=1E20),同时期望过小也是一个道理;
  • 用终点状态来想表示f(a,b,c,d,x,y);来表示四张牌以及两张特殊牌的表达方式
  • 剩下就是一下细节,见代码就好:
#include <stdio.h>
#include <algorithm>
#include <cstring>

using namespace std;

const int N=15;
const double INF=1e20;
double f[N][N][N][N][5][5];
int A,B,C,D;

double dp(int a,int b,int c,int d,int x,int y)
{
    double &v=f[a][b][c][d][x][y];
    if(a>13||b>13||c>13||d>13) return INF;
    if(v>=0) return v;
    int as=a+(x==0)+(y==0);
    int bs=b+(x==1)+(y==1);
    int cs=c+(x==2)+(y==2);
    int ds=d+(x==3)+(y==3);
    if(as>=A&&bs>=B&&cs>=C&&ds>=D) return v=0;//达到了终点状态
    int sum=a+b+c+d+(x!=4)+(y!=4);
    sum=54-sum;//计算概率
    if(sum<=0) return v=INF;//判断是否越界,这里统一用INF表示不存在的数
    v=1;
    if(a<13) v+=(13.0-a)/sum*dp(a+1,b,c,d,x,y);
    if(b<13) v+=(13.0-b)/sum*dp(a,b+1,c,d,x,y);
    if(c<13) v+=(13.0-c)/sum*dp(a,b,c+1,d,x,y);
    if(d<13) v+=(13.0-d)/sum*dp(a,b,c,d+1,x,y);
    if(x==4)
    {
        double t=INF;
        for(int i=0;i<=3;i++) t=min(t,1.0/sum*dp(a,b,c,d,i,y));//注意要写上dp函数
        v+=t;
    }
    if(y==4)
    {
        double t=INF;
        for(int i=0;i<=3;i++) t=min(t,1.0/sum*dp(a,b,c,d,x,i));
        v+=t;
    }
    return v;
    
}
int main()
{
    scanf("%d%d%d%d",&A,&B,&C,&D);
    memset(f,-1,sizeof(f));
    double t=dp(0,0,0,0,4,4);
    if(t>INF/2) t=-1;//判断越界
    printf("%.3lf",t);
    return 0;
}

 

容斥原理 期望 莫比乌斯函数

标签:str   欧拉函数   引入   string   htm   mamicode   不同   空间   not   

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