Codeforces 102346 problem K Keep Calm and Sell Balloons

这道题重点要说矩阵快速幂,公式不会推。用了一个Berlekamp-Massey algorithm的模板。最主要想将一般情况下线性递推式怎么用矩阵快速幂优化。
本题目的递推公式是:$F(n)=6*F(n-1)-8*F(n-2)-8*F(n-3)+16*F(n-4)$。
故构造矩阵递推公式:
$$
\begin{bmatrix}
F(n) \\
F(n-1) \\
F(n-2) \\
F(n-3)
\end{bmatrix} =
\begin{bmatrix}
6 & -8 & -8 & 16 \\
1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0
\end{bmatrix} *
\begin{bmatrix}
F(n-1) \\
F(n-2) \\
F(n-3) \\
F(n-4)
\end{bmatrix}
$$

$$
\begin{bmatrix}
F(n) \\
F(n-1) \\
F(n-2) \\
F(n-3)
\end{bmatrix} =
\begin{bmatrix}
6 & -8 & -8 & 16 \\
1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0
\end{bmatrix}^{n-4} *
\begin{bmatrix}
F(4) \\
F(3) \\
F(2) \\
F(1)
\end{bmatrix}
$$

对于一般的线性递推公式$F(n)=a_1*F(n-1)+a_2*F(n-2)+…+a_{k-1}*F(n-k+1)+a_k*F(n-k)$,
可以构造一长宽都为k的矩阵,满足:
$$
\begin{bmatrix}
F(n) \\
F(n-1) \\
… \\
F(n-k+2) \\
F(n-k+1)
\end{bmatrix} =
\begin{bmatrix}
a_1 & a_2 & … & a_{n-k+1} & a_{n-k} \\
1 & 0 & … & 0 & 0 \\
0 & 1 & … & 0 & 0 \\
… & … & … & … & … \\
0 & 0 & … & 1 & 0
\end{bmatrix} *
\begin{bmatrix}
F(n-1) \\
F(n-2) \\
… \\
F(n-k+1) \\
F(n-k)
\end{bmatrix}
$$
因此只需对该矩阵做快速幂,即可以以$O(k^3logn)$的复杂度推出任意n情况下的数列的值。
本题代码如下:

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#include <iostream>
using namespace std;
const long long MOD = 1e9 + 7;
const int maxtrixN=4;
struct matrix {
    long long arr[maxtrixN][maxtrixN];
    matrix operator * (matrix m2) {
        matrix result;
        long long(&arr)[maxtrixN][maxtrixN] = result.arr;
        const long long(&arr1)[maxtrixN][maxtrixN] = this->arr;
        const long long(&arr2)[maxtrixN][maxtrixN] = m2.arr;
        for (int i = 0; i < maxtrixN; i++) {
            for (int j = 0; j < maxtrixN; j++) {
                arr[i][j] = 0;
                for (int k = 0; k < maxtrixN; k++) {
                    arr[i][j] += arr1[i][k] * arr2[k][j] % MOD;
                    arr[i][j] += MOD;
                    arr[i][j] %= MOD;
                }
            }
        }
        return result;
    }
};
const matrix c = { 6,-8,-8,16,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0 };
matrix quickpow(long long n) {
    if (n == 1)return c;
    matrix half = quickpow(n / 2);
    matrix result = half * half;
    if (n & 1)result = result * c;
    return result;
}
long long getValue(long long n) {
    matrix result = quickpow(n);
    long long(&arr)[4][4] = result.arr;
    return (arr[0][0] * 1536 % MOD + arr[0][1] * 416 % MOD + arr[0][2] * 96 % MOD + arr[0][3] * 24 % MOD +MOD) % MOD;
}
int main() {
    int n;
    long long a1[] = { 0,2,24,96,416,1536 };
    cin >> n;
    if (n < 6)cout << a1[n];
    else cout << getValue(n-5);
}

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