BZOJ4589 Hard Nim(快速沃尔什变换FWT)
这是我第一道独立做出来的FWT的题目,所以写篇随笔纪念一下。
(这还要纪念,我太弱了)
题目链接:
题目大意:两人玩nim游戏(多堆石子,每次可以从其中一堆取任意多个,不能操作就输)。$T$ 组数据,现在问如果 $n$ 堆石子,每堆石子个数都是不超过 $m$ 的素数,有多少种不同的石子序列使得先手没有必胜策略,答案对 $10^9+7$ 取模。(石子堆顺序不同也算不同)
$1\leq T\leq 80,1\leq n\leq 10^9,1\leq m\leq 5\times 10^4$。
首先肯定要把 $m$ 以内的素数筛出来。
nim游戏的SG函数大家都知道吧!就是它本身。
所以若先手没有必胜策略,那么所有石子堆的石子个数的异或和为 $0$。
考虑 $dp[i][j]$ 为前 $i$ 堆石子,异或和为 $j$ 的石子序列总数。题目要求即为 $dp[n][0]$。
另外令 $g[x]=[x\leq m \&\& x\in prime]$,即若 $x$ 为 $m$ 以内的素数则 $g[x]=1$ 否则 $g[x]=0$。
(以下 $\oplus$ 均代表异或)
那么有边界:
$dp[1][x]=[g[x]==1]$
考虑到 $j\oplus k\oplus k=j$,那么转移方程:
$dp[i][j]=\sum^m_{k=1}dp[i-1][j\oplus k]\quad [g[k]==1]$
这样暴力转移复杂度是 $O(Tm^2n)$ 的,考虑优化。
可以发现 $g[x]=[g[x]==1]$,那么边界和转移方程可以化为:
$dp[1][x]=g[x]$
$dp[i][j]=\sum^m_{k=1}dp[i-1][j\oplus k]g[k]$
发现这其实是个多项式异或卷积的形式(因为 $dp[i-1][j\oplus k]g[k]$ 会贡献到 $dp[i][j]=dp[i][(j\oplus k)\oplus k]$)
那么用 $FWT$ 优化转移。时间复杂度优化至 $O(Tm(\log m)n)$。但还是不够!
我们发现:
$dp[1][x]=g[x]$,也就是 $dp[1]$ 是 $g$ 本身,即异或卷积意义下的 $g^1$
$dp[2][x]=\sum^m_{k=1}dp[1][x\oplus k]g[k]=\sum^m_{k=1}g[x\oplus k]g[k]$,也就是 $dp[2]$ 是异或卷积意义下的 $g^2$
$\dots\dots$
至于 $dp[3]$ 我推不出来
我们科学证明一下:异或卷积是满足结合律的,所以若 $dp[i-1]$ 是 $g^{i-1}$,那么 $dp[i]$ 就是 $dp[i-1]\times g=g^{i-1}\times g=g^i$。
所以 $dp[i]=g^i$。
刚刚说了异或卷积满足结合律,所以可以快速幂加速求 $dp[n]=g^n$,那么 $dp[n][0]$ 也就求完了,问题迎刃而解。
时间复杂度 $O(Tm\log m\log n)$,还差一点点才能通过。
加一个小优化就行了:在快速幂中乘法要乘很多次,如果每乘完一次就要 $O(mlogm)$ 变换就浪费了。可以一开始 $FWT$,快速幂的过程中只有点值相乘没有变换,完了之后再 $FWT$,少了很多运算。
这样就可以用 $O(Tm(\log m+\log n))$ 通过了。
(p.s:$FWT$ 是对模数没有要求的,不要被 $10^9+7$ 吓到了。)
上代码:
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int mod=,inv=; //2的逆元为500000004
int n,m,limit;
int a[],ans[];
int prime[],pl;
bool vis[];
void FWT(int *c,int type){ //模板
for(int mid=;mid<limit;mid<<=)
for(int r=mid<<,j=;j<limit;j+=r)
for(int k=;k<mid;k++){
int x=c[j+k],y=c[j+k+mid];
c[j+k]=(x+y)%mod;c[j+k+mid]=(x-y+mod)%mod;
if(type==-){
c[j+k]=1ll*c[j+k]*inv%mod;c[j+k+mid]=1ll*c[j+k+mid]*inv%mod;
}
}
}
void mult(int *a,int *b,int *c){ //点值相乘(为何这里面没有FWT?上面说过这会浪费时间)
for(int i=;i<limit;i++) c[i]=1ll*a[i]*b[i]%mod;
}
void quickpow(int *a,int b){
memset(ans,,sizeof(ans));
ans[]=; //初始化
FWT(a,);FWT(ans,); //一开始就变换
while(b){ //快速幂
if(b&) mult(ans,a,ans);
mult(a,a,a);
b>>=;
} //中间不变换
FWT(a,-);FWT(ans,-); //这时才变换回去
}
void init(){ //筛素数,作为转移数组
vis[]=true;
for(int i=;i<=;i++){
if(!vis[i]) prime[++pl]=i;
for(int j=;j<=pl && i*prime[j]<=;j++){
vis[i*prime[j]]=true;
if(i%prime[j]==) break;
}
}
}
int main(){
init();
while(~scanf("%d%d",&n,&m)){
memset(a,,sizeof(a));
for(limit=;limit<=m;limit<<=);
for(int i=;i<=pl && prime[i]<=m;i++) a[prime[i]]=; //转移数组
quickpow(a,n);
printf("%d\n",ans[]);
}
}
FWT
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