容斥原理 引入 入门例题 假设班里有 1 0 10 个学生喜欢数学,1 5 15 个学生喜欢语文,2 1 21 个学生喜欢编程,班里至少喜欢一门学科的有多少个学生呢?
是 1 0 + 1 5 + 2 1 = 4 6 10 + 15 + 21 = 46 个吗?不是的,因为有些学生可能同时喜欢数学和语文,或者语文和编程,甚至还有可能三者都喜欢。
为了叙述方便,我们把喜欢语文、数学、编程的学生集合分别用 𝐴 , 𝐵 , 𝐶 A , B , C 表示,则学生总数等于 | 𝐴 ∪ 𝐵 ∪ 𝐶 | | A ∪ B ∪ C | 。刚才已经讲过,如果把这三个集合的元素个数 | 𝐴 | , | 𝐵 | , | 𝐶 | | A | , | B | , | C | 直接加起来,会有一些元素重复统计了,因此需要扣掉 | 𝐴 ∩ 𝐵 | , | 𝐵 ∩ 𝐶 | , | 𝐶 ∩ 𝐴 | | A ∩ B | , | B ∩ C | , | C ∩ A | ,但这样一来,又有一小部分多扣了,需要加回来,即 | 𝐴 ∩ 𝐵 ∩ 𝐶 | | A ∩ B ∩ C | 。即
| 𝐴 ∪ 𝐵 ∪ 𝐶 | = | 𝐴 | + | 𝐵 | + | 𝐶 | − | 𝐴 ∩ 𝐵 | − | 𝐵 ∩ 𝐶 | − | 𝐶 ∩ 𝐴 | + | 𝐴 ∩ 𝐵 ∩ 𝐶 | | A ∪ B ∪ C | = | A | + | B | + | C | − | A ∩ B | − | B ∩ C | − | C ∩ A | + | A ∩ B ∩ C |
把上述问题推广到一般情况,就是我们熟知的容斥原理。
定义 设 U 中元素有 n 种不同的属性,而第 i 种属性称为 𝑃 𝑖 P i ,拥有属性 𝑃 𝑖 P i 的元素构成集合 𝑆 𝑖 S i ,那么
∣ 𝑛 ⋃ 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 ∣ = ∑ 𝑖 | 𝑆 𝑖 | − ∑ 𝑖 < 𝑗 | 𝑆 𝑖 ∩ 𝑆 𝑗 | + ∑ 𝑖 < 𝑗 < 𝑘 | 𝑆 𝑖 ∩ 𝑆 𝑗 ∩ 𝑆 𝑘 | − ⋯ + ( − 1 ) 𝑚 − 1 ∑ 𝑎 𝑖 < 𝑎 𝑖 + 1 ∣ 𝑚 ⋂ 𝑖 = 1 𝑆 𝑎 𝑖 ∣ + ⋯ + ( − 1 ) 𝑛 − 1 | 𝑆 1 ∩ ⋯ ∩ 𝑆 𝑛 | | ⋃ i = 1 n S i | = ∑ i | S i | − ∑ i < j | S i ∩ S j | + ∑ i < j < k | S i ∩ S j ∩ S k | − ⋯ + ( − 1 ) m − 1 ∑ a i < a i + 1 | ⋂ i = 1 m S a i | + ⋯ + ( − 1 ) n − 1 | S 1 ∩ ⋯ ∩ S n | 即
∣ 𝑛 ⋃ 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 ∣ = 𝑛 ∑ 𝑚 = 1 ( − 1 ) 𝑚 − 1 ∑ 𝑎 𝑖 < 𝑎 𝑖 + 1 ∣ 𝑚 ⋂ 𝑖 = 1 𝑆 𝑎 𝑖 ∣ | ⋃ i = 1 n S i | = ∑ m = 1 n ( − 1 ) m − 1 ∑ a i < a i + 1 | ⋂ i = 1 m S a i | 证明 对于每个元素使用二项式定理计算其出现的次数。对于元素 x,假设它出现在 𝑇 1 , 𝑇 2 , ⋯ , 𝑇 𝑚 T 1 , T 2 , ⋯ , T m 的集合中,那么它的出现次数为
𝐶 𝑛 𝑡 = | { 𝑇 𝑖 } | − | { 𝑇 𝑖 ∩ 𝑇 𝑗 | 𝑖 < 𝑗 } | + ⋯ + ( − 1 ) 𝑘 − 1 ∣ { 𝑘 ⋂ 𝑖 = 1 𝑇 𝑎 𝑖 | 𝑎 𝑖 < 𝑎 𝑖 + 1 } ∣ + ⋯ + ( − 1 ) 𝑚 − 1 | { 𝑇 1 ∩ ⋯ ∩ 𝑇 𝑚 } | = ( 𝑚 1 ) − ( 𝑚 2 ) + ⋯ + ( − 1 ) 𝑚 − 1 ( 𝑚 𝑚 ) = ( 𝑚 0 ) − 𝑚 ∑ 𝑖 = 0 ( − 1 ) 𝑖 ( 𝑚 𝑖 ) = 1 − ( 1 − 1 ) 𝑚 = 1 C n t = | { T i } | − | { T i ∩ T j | i < j } | + ⋯ + ( − 1 ) k − 1 | { ⋂ i = 1 k T a i | a i < a i + 1 } | + ⋯ + ( − 1 ) m − 1 | { T 1 ∩ ⋯ ∩ T m } | = ( m 1 ) − ( m 2 ) + ⋯ + ( − 1 ) m − 1 ( m m ) = ( m 0 ) − ∑ i = 0 m ( − 1 ) i ( m i ) = 1 − ( 1 − 1 ) m = 1 于是每个元素出现的次数为 1,那么合并起来就是并集。证毕。
补集 对于全集 U 下的 集合的并 可以使用容斥原理计算,而集合的交则用全集减去 补集的并集 求得:
∣ 𝑛 ⋂ 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 ∣ = | 𝑈 | − ∣ 𝑛 ⋃ 𝑖 = 1 ―― 𝑆 𝑖 ∣ | ⋂ i = 1 n S i | = | U | − | ⋃ i = 1 n S i ― | 右边使用容斥即可。
可能接触过容斥的读者都清楚上述内容,而更关心的是容斥的应用。
那么接下来我们给出 3 个层次不同的例题来为大家展示容斥原理的应用。
不定方程非负整数解计数 不定方程非负整数解计数 给出不定方程 ∑ 𝑛 𝑖 = 1 𝑥 𝑖 = 𝑚 ∑ i = 1 n x i = m 和 𝑛 n 个限制条件 𝑥 𝑖 ≤ 𝑏 𝑖 x i ≤ b i ,其中 𝑚 , 𝑏 𝑖 ∈ ℕ m , b i ∈ N . 求方程的非负整数解的个数。
没有限制时 如果没有 𝑥 𝑖 ≤ 𝑏 𝑖 x i ≤ b i 的限制,那么不定方程 ∑ 𝑛 𝑖 = 1 𝑥 𝑖 = 𝑚 ∑ i = 1 n x i = m 的非负整数解的数目为 ( 𝑚 + 𝑛 − 1 𝑛 − 1 ) ( m + n − 1 n − 1 ) .
略证:插板法。
相当于你有 𝑚 m 个球要分给 𝑛 n 个盒子,允许某个盒子是空的。这个问题不能直接用组合数解决。
于是我们再加入 𝑛 − 1 n − 1 个球,于是问题就变成了在一个长度为 𝑚 + 𝑛 − 1 m + n − 1 的球序列中选择 𝑛 − 1 n − 1 个球,然后这个 𝑛 − 1 n − 1 个球把这个序列隔成了 𝑛 n 份,恰好可以一一对应放到 𝑛 n 个盒子中。那么在 𝑚 + 𝑛 − 1 m + n − 1 个球中选择 𝑛 − 1 n − 1 个球的方案数就是 ( 𝑚 + 𝑛 − 1 𝑛 − 1 ) ( m + n − 1 n − 1 ) 。
容斥模型 接着我们尝试抽象出容斥原理的模型:
全集 U:不定方程 ∑ 𝑛 𝑖 = 1 𝑥 𝑖 = 𝑚 ∑ i = 1 n x i = m 的非负整数解 元素:变量 𝑥 𝑖 x i . 属性:𝑥 𝑖 x i 的属性即 𝑥 𝑖 x i 满足的条件,即 𝑥 𝑖 ≤ 𝑏 𝑖 x i ≤ b i 的条件 目标:所有变量满足对应属性时集合的大小,即 | ⋂ 𝑛 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 | | ⋂ i = 1 n S i | .
这个东西可以用 | ⋂ 𝑛 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 | = | 𝑈 | − ∣ ⋃ 𝑛 𝑖 = 1 ―― 𝑆 𝑖 ∣ | ⋂ i = 1 n S i | = | U | − | ⋃ i = 1 n S i ― | 求解。| 𝑈 | | U | 可以用组合数计算,后半部分自然使用容斥原理展开。
那么问题变成,对于一些 ――― 𝑆 𝑎 𝑖 S a i ― 的交集求大小。考虑 ――― 𝑆 𝑎 𝑖 S a i ― 的含义,表示 𝑥 𝑎 𝑖 ≥ 𝑏 𝑎 𝑖 + 1 x a i ≥ b a i + 1 的解的数目。而交集表示同时满足这些条件。因此这个交集对应的不定方程中,有些变量有 下界限制 ,而有些则没有限制。
能否消除这些下界限制呢?既然要求的是非负整数解,而有些变量的下界又大于 0 0 ,那么我们直接 把这个下界减掉 ,就可以使得这些变量的下界变成 0 0 ,即没有下界啦。因此对于
∣ 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑘 ⋂ 𝑎 𝑖 < 𝑎 𝑖 + 1 𝑆 𝑎 𝑖 ∣ | ⋂ a i < a i + 1 1 ≤ i ≤ k S a i | 的不定方程形式为
𝑛 ∑ 𝑖 = 1 𝑥 𝑖 = 𝑚 − 𝑘 ∑ 𝑖 = 1 ( 𝑏 𝑎 𝑖 + 1 ) ∑ i = 1 n x i = m − ∑ i = 1 k ( b a i + 1 ) 于是这个也可以组合数计算啦。这个长度为 𝑘 k 的 𝑎 a 数组相当于在枚举子集。
HAOI2008 硬币购物 HAOI2008 硬币购物 4 种面值的硬币,第 i 种的面值是 𝐶 𝑖 C i 。𝑛 n 次询问,每次询问给出每种硬币的数量 𝐷 𝑖 D i 和一个价格 𝑆 S ,问付款方式。
𝑛 ≤ 1 0 3 , 𝑆 ≤ 1 0 5 n ≤ 10 3 , S ≤ 10 5 .
如果用背包做的话复杂度是 𝑂 ( 4 𝑛 𝑆 ) O ( 4 n S ) ,无法承受。这道题最明显的特点就是硬币一共只有四种。抽象模型,其实就是让我们求方程 ∑ 4 𝑖 = 1 𝐶 𝑖 𝑥 𝑖 = 𝑆 , 𝑥 𝑖 ≤ 𝐷 𝑖 ∑ i = 1 4 C i x i = S , x i ≤ D i 的非负整数解的个数。
采用同样的容斥方式,𝑥 𝑖 x i 的属性为 𝑥 𝑖 ≤ 𝐷 𝑖 x i ≤ D i . 套用容斥原理的公式,最后我们要求解
4 ∑ 𝑖 = 1 𝐶 𝑖 𝑥 𝑖 = 𝑆 − 𝑘 ∑ 𝑖 = 1 𝐶 𝑎 𝑖 ( 𝐷 𝑎 𝑖 + 1 ) ∑ i = 1 4 C i x i = S − ∑ i = 1 k C a i ( D a i + 1 ) 也就是无限背包问题。这个问题可以预处理,算上询问,总复杂度 𝑂 ( 4 𝑆 + 2 4 𝑛 ) O ( 4 S + 2 4 n ) 。
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using namespace std ;
constexpr long long S = 1e5 + 5 ;
long long c [ 5 ], d [ 5 ], n , s ;
long long f [ S ];
int main () {
cin . tie ( nullptr ) -> sync_with_stdio ( false );
cin >> c [ 1 ] >> c [ 2 ] >> c [ 3 ] >> c [ 4 ] >> n ;
f [ 0 ] = 1 ;
for ( long long j = 1 ; j <= 4 ; j ++ )
for ( long long i = 1 ; i < S ; i ++ )
if ( i >= c [ j ]) f [ i ] += f [ i - c [ j ]]; // f[i]:价格为i时的硬币组成方法数
for ( long long k = 1 ; k <= n ; k ++ ) {
cin >> d [ 1 ] >> d [ 2 ] >> d [ 3 ] >> d [ 4 ] >> s ;
long long ans = 0 ;
for ( long long i = 1 ; i < 16 ;
i ++ ) { // 容斥,因为物品一共有4种,所以从1到2^4-1=15循环
long long m = s , bit = 0 ;
for ( long long j = 1 ; j <= 4 ; j ++ ) {
if (( i >> ( j - 1 )) % 2 == 1 ) {
m -= ( d [ j ] + 1 ) * c [ j ];
bit ++ ;
}
}
if ( m >= 0 ) ans += ( bit % 2 * 2 - 1 ) * f [ m ];
}
cout << f [ s ] - ans << '\n' ;
}
return 0 ;
}
完全图子图染色问题 前面的三道题都是容斥原理的正向运用,这道题则需要用到容斥原理逆向分析。
完全图子图染色问题 A 和 B 喜欢对图(不一定连通)进行染色,而他们的规则是,相邻的结点必须染同一种颜色。今天 A 和 B 玩游戏,对于 𝑛 n 阶 完全图 𝐺 = ( 𝑉 , 𝐸 ) G = ( V , E ) 。他们定义一个估价函数 𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) ,其中 S 是边集,𝑆 ⊆ 𝐸 S ⊆ E .𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) 的值是对图 𝐺 ′ = ( 𝑉 , 𝑆 ) G ′ = ( V , S ) 用 𝑚 m 种颜色染色的总方案数。他们的另一个规则是,如果 | 𝑆 | | S | 是奇数,那么 A 的得分增加 𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) ,否则 B 的得分增加 𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) . 问 A 和 B 的得分差值。
数学形式 一看这道题的算法趋向并不明显,因此对于棘手的题目首先抽象出数学形式。得分差即为奇偶对称差,可以用 -1 的幂次来作为系数。我们求的是
𝐴 𝑛 𝑠 = ∑ 𝑆 ⊆ 𝐸 ( − 1 ) | 𝑆 | − 1 𝐹 ( 𝑆 ) A n s = ∑ S ⊆ E ( − 1 ) | S | − 1 F ( S ) 容斥模型 相邻结点染同一种颜色,我们把它当作属性。在这里我们先不遵守染色的规则,假定我们用 m 种颜色直接对图染色。对于图 𝐺 ′ = ( 𝑉 , 𝑆 ) G ′ = ( V , S ) ,我们把它当作 元素 。属性 𝑥 𝑖 = 𝑥 𝑗 x i = x j 的含义是结点 i,j 染同色(注意,并未要求 i,j 之间有连边)。
而属性 𝑥 𝑖 = 𝑥 𝑗 x i = x j 对应的 集合 定义为 𝑄 𝑖 , 𝑗 Q i , j ,其含义是所有满足该属性的图 𝐺 ′ G ′ 的染色方案,集合的大小就是满足该属性的染色方案数,集合内的元素相当于所有满足该属性的图 𝐺 ′ G ′ 的染色图。
回到题目,「相邻的结点必须染同一种颜色」,可以理解为若干个 𝑄 Q 集合的交集。因此可以写出
𝐹 ( 𝑆 ) = ∣ ⋂ ( 𝑖 , 𝑗 ) ∈ 𝑆 𝑄 𝑖 , 𝑗 ∣ F ( S ) = | ⋂ ( i , j ) ∈ S Q i , j | 上述式子右边的含义就是说对于 S 内的每一条边 ( 𝑖 , 𝑗 ) ( i , j ) 都满足 𝑥 𝑖 = 𝑥 𝑗 x i = x j 的染色方案数,也就是 𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) .
是不是很有容斥的味道了?由于容斥原理本身没有二元组的形式,因此我们把 所有 的边 ( 𝑖 , 𝑗 ) ( i , j ) 映射到 𝑇 = 𝑛 ( 𝑛 + 1 ) 2 T = n ( n + 1 ) 2 个整数上,假设将 ( 𝑖 , 𝑗 ) ( i , j ) 映射为 𝑘 , 1 ≤ 𝑘 ≤ 𝑇 k , 1 ≤ k ≤ T ,同时 𝑄 𝑖 , 𝑗 Q i , j 映射为 𝑄 𝑘 Q k . 那么属性 𝑥 𝑖 = 𝑥 𝑗 x i = x j 则定义为 𝑃 𝑘 P k .
同时 S 可以表示为若干个 k 组成的集合,即 𝑆 ⟺ 𝐾 = { 𝑘 1 , 𝑘 2 , ⋯ , 𝑘 𝑚 } S ⟺ K = { k 1 , k 2 , ⋯ , k m } .(也就是说我们在边集与数集间建立了等价关系)。
而 E 对应集合 𝑀 = { 1 , 2 , ⋯ , 𝑛 ( 𝑛 + 1 ) 2 } M = { 1 , 2 , ⋯ , n ( n + 1 ) 2 } . 于是乎
𝐹 ( 𝑆 ) ⟺ 𝐹 ( { 𝑘 𝑖 } ) = ∣ ⋂ 𝑘 𝑖 𝑄 𝑘 𝑖 ∣ F ( S ) ⟺ F ( { k i } ) = | ⋂ k i Q k i | 逆向分析 那么要求的式子展开
𝐴 𝑛 𝑠 = ∑ 𝐾 ⊆ 𝑀 ( − 1 ) | 𝐾 | − 1 ∣ ⋂ 𝑘 𝑖 ∈ 𝐾 𝑄 𝑘 𝑖 ∣ = ∑ 𝑖 | 𝑄 𝑖 | − ∑ 𝑖 < 𝑗 | 𝑄 𝑖 ∩ 𝑄 𝑗 | + ∑ 𝑖 < 𝑗 < 𝑘 | 𝑄 𝑖 ∩ 𝑄 𝑗 ∩ 𝑄 𝑘 | − ⋯ + ( − 1 ) 𝑇 − 1 ∣ 𝑇 ⋂ 𝑖 = 1 𝑄 𝑖 ∣ A n s = ∑ K ⊆ M ( − 1 ) | K | − 1 | ⋂ k i ∈ K Q k i | = ∑ i | Q i | − ∑ i < j | Q i ∩ Q j | + ∑ i < j < k | Q i ∩ Q j ∩ Q k | − ⋯ + ( − 1 ) T − 1 | ⋂ i = 1 T Q i | 于是就出现了容斥原理的展开形式,因此对这个式子逆向推导
𝐴 𝑛 𝑠 = ∣ 𝑇 ⋃ 𝑖 = 1 𝑄 𝑖 ∣ A n s = | ⋃ i = 1 T Q i | 再考虑等式右边的含义,只要满足 1 ∼ 𝑇 1 ∼ T 任一条件即可,也就是存在两个点同色(不一定相邻)的染色方案数!而我们知道染色方案的全集是 𝑈 U ,显然 | 𝑈 | = 𝑚 𝑛 | U | = m n . 而转化为补集,就是求两两异色的染色方案数,即 𝐴 𝑛 𝑚 = 𝑚 ! ( 𝑚 − 𝑛 ) ! A m n = m ! ( m − n ) ! . 因此
𝐴 𝑛 𝑠 = 𝑚 𝑛 − 𝐴 𝑛 𝑚 A n s = m n − A m n 解决这道题,我们首先抽象出题目数学形式,然后从题目中信息量最大的条件,𝐹 ( 𝑆 ) F ( S ) 函数的定义入手,将其转化为集合的交并补。然后将式子转化为容斥原理的形式,并 逆向推导 出最终的结果。这道题体现的正是容斥原理的逆用。
数论中的容斥 使用容斥原理能够巧妙地求解一些数论问题。
容斥原理求最大公约数为 k 的数对个数 考虑下面的问题:
求最大公约数为 𝑘 k 的数对个数 设 1 ≤ 𝑥 , 𝑦 ≤ 𝑁 1 ≤ x , y ≤ N ,𝑓 ( 𝑘 ) f ( k ) 表示最大公约数为 𝑘 k 的有序数对 ( 𝑥 , 𝑦 ) ( x , y ) 的个数,求 𝑓 ( 1 ) f ( 1 ) 到 𝑓 ( 𝑁 ) f ( N ) 的值。
这道题固然可以用欧拉函数或莫比乌斯反演的方法来做,但是都不如用容斥原理来的简单。
由容斥原理可以得知,先找到所有以 𝑘 k 为 公约数 的数对,再从中剔除所有以 𝑘 k 的倍数为 公约数 的数对,余下的数对就是以 𝑘 k 为 最大公约数 的数对。即 𝑓 ( 𝑘 ) = f ( k ) = 以 𝑘 k 为 公约数 的数对个数 − − 以 𝑘 k 的倍数为 公约数 的数对个数。
进一步可发现,以 𝑘 k 的倍数为 公约数 的数对个数等于所有以 𝑘 k 的倍数为 最大公约数 的数对个数之和。于是,可以写出如下表达式:
𝑓 ( 𝑘 ) = ⌊ ( 𝑁 / 𝑘 ) ⌋ 2 − 𝑖 ∗ 𝑘 ≤ 𝑁 ∑ 𝑖 = 2 𝑓 ( 𝑖 ∗ 𝑘 ) f ( k ) = ⌊ ( N / k ) ⌋ 2 − ∑ i = 2 i ∗ k ≤ N f ( i ∗ k ) 由于当 𝑘 > 𝑁 / 2 k > N / 2 时,我们可以直接算出 𝑓 ( 𝑘 ) = ⌊ ( 𝑁 / 𝑘 ) ⌋ 2 f ( k ) = ⌊ ( N / k ) ⌋ 2 ,因此我们可以倒过来,从 𝑓 ( 𝑁 ) f ( N ) 算到 𝑓 ( 1 ) f ( 1 ) 就可以了。于是,我们使用容斥原理完成了本题。
for ( long long k = N ; k >= 1 ; k -- ) {
f [ k ] = ( N / k ) * ( N / k );
for ( long long i = k + k ; i <= N ; i += k ) f [ k ] -= f [ i ];
}
上述方法的时间复杂度为 𝑂 ( ∑ 𝑁 𝑖 = 1 𝑁 / 𝑖 ) = 𝑂 ( 𝑁 ∑ 𝑁 𝑖 = 1 1 / 𝑖 ) = 𝑂 ( 𝑁 l o g 𝑁 ) O ( ∑ i = 1 N N / i ) = O ( N ∑ i = 1 N 1 / i ) = O ( N log N ) 。
附赠三倍经验供大家练手。
容斥原理推导欧拉函数 考虑下面的问题:
欧拉函数公式 求欧拉函数 𝜑 ( 𝑛 ) φ ( n ) 。其中 𝜑 ( 𝑛 ) = | { 1 ≤ 𝑥 ≤ 𝑛 | g c d ( 𝑥 , 𝑛 ) = 1 } | φ ( n ) = | { 1 ≤ x ≤ n | gcd ( x , n ) = 1 } | 。
直接计算是 𝑂 ( 𝑛 l o g 𝑛 ) O ( n log n ) 的,用线性筛是 𝑂 ( 𝑛 ) O ( n ) 的,杜教筛是 𝑂 ( 𝑛 2 3 ) O ( n 2 3 ) 的(话说一道数论入门题用容斥做为什么还要扯到杜教筛上),接下来考虑用容斥推出欧拉函数的公式
判断两个数是否互质,首先分解质因数
𝑛 = 𝑘 ∏ 𝑖 = 1 𝑝 𝑖 𝑐 𝑖 n = ∏ i = 1 k p i c i 那么就要求对于任意 𝑝 𝑖 p i ,𝑥 x 都不是 𝑝 𝑖 p i 的倍数,即 𝑝 𝑖 ∤ 𝑥 p i ∤ x . 把它当作属性,对应的集合为 𝑆 𝑖 S i ,因此有
𝜑 ( 𝑛 ) = ∣ 𝑘 ⋂ 𝑖 = 1 𝑆 𝑖 ∣ = | 𝑈 | − ∣ 𝑘 ⋃ 𝑖 = 1 ―― 𝑆 𝑖 ∣ φ ( n ) = | ⋂ i = 1 k S i | = | U | − | ⋃ i = 1 k S i ― | 全集大小 | 𝑈 | = 𝑛 | U | = n ,而 ―― 𝑆 𝑖 S i ― 表示的是 𝑝 𝑖 ∣ 𝑥 p i ∣ x 构成的集合,显然 | ―― 𝑆 𝑖 | = 𝑛 𝑝 𝑖 | S i ― | = n p i ,并由此推出
∣ ⋂ 𝑎 𝑖 < 𝑎 𝑖 + 1 𝑆 𝑎 𝑖 ∣ = 𝑛 ∏ 𝑝 𝑎 𝑖 | ⋂ a i < a i + 1 S a i | = n ∏ p a i 因此可得
𝜑 ( 𝑛 ) = 𝑛 − ∑ 𝑖 𝑛 𝑝 𝑖 + ∑ 𝑖 < 𝑗 𝑛 𝑝 𝑖 𝑝 𝑗 − ⋯ + ( − 1 ) 𝑘 𝑛 𝑝 1 𝑝 2 ⋯ 𝑝 𝑘 = 𝑛 ( 1 − 1 𝑝 1 ) ( 1 − 1 𝑝 2 ) ⋯ ( 1 − 1 𝑝 𝑘 ) = 𝑛 𝑘 ∏ 𝑖 = 1 ( 1 − 1 𝑝 𝑖 ) φ ( n ) = n − ∑ i n p i + ∑ i < j n p i p j − ⋯ + ( − 1 ) k n p 1 p 2 ⋯ p k = n ( 1 − 1 p 1 ) ( 1 − 1 p 2 ) ⋯ ( 1 − 1 p k ) = n ∏ i = 1 k ( 1 − 1 p i ) 这就是欧拉函数的数学表示啦
容斥原理一般化 容斥原理常用于集合的计数问题,而对于两个集合的函数 𝑓 ( 𝑆 ) , 𝑔 ( 𝑆 ) f ( S ) , g ( S ) ,若
𝑓 ( 𝑆 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 𝑔 ( 𝑇 ) f ( S ) = ∑ T ⊆ S g ( T ) 那么就有
𝑔 ( 𝑆 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑆 | − | 𝑇 | 𝑓 ( 𝑇 ) g ( S ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | S | − | T | f ( T ) 证明 接下来我们简单证明一下。我们从等式的右边开始推:
∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑆 | − | 𝑇 | 𝑓 ( 𝑇 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑆 | − | 𝑇 | ∑ 𝑄 ⊆ 𝑇 𝑔 ( 𝑄 ) = ∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) ∑ 𝑄 ⊆ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑆 | − | 𝑇 | ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | S | − | T | f ( T ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | S | − | T | ∑ Q ⊆ T g ( Q ) = ∑ Q g ( Q ) ∑ Q ⊆ T ⊆ S ( − 1 ) | S | − | T | 我们发现后半部分的求和与 𝑄 Q 无关,因此把后半部分的 𝑄 Q 剔除:
= ∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) ∑ 𝑇 ⊆ ( 𝑆 ∖ 𝑄 ) ( − 1 ) | 𝑆 ∖ 𝑄 | − | 𝑇 | = ∑ Q g ( Q ) ∑ T ⊆ ( S ∖ Q ) ( − 1 ) | S ∖ Q | − | T | 记关于集合 𝑃 P 的函数 𝐹 ( 𝑃 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑃 ( − 1 ) | 𝑃 | − | 𝑇 | F ( P ) = ∑ T ⊆ P ( − 1 ) | P | − | T | ,并化简这个函数:
𝐹 ( 𝑃 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑃 ( − 1 ) | 𝑃 | − | 𝑇 | = | 𝑃 | ∑ 𝑖 = 0 ( | 𝑃 | 𝑖 ) ( − 1 ) | 𝑃 | − 𝑖 = | 𝑃 | ∑ 𝑖 = 0 ( | 𝑃 | 𝑖 ) 1 𝑖 ( − 1 ) | 𝑃 | − 𝑖 = ( 1 − 1 ) | 𝑃 | = 0 | 𝑃 | F ( P ) = ∑ T ⊆ P ( − 1 ) | P | − | T | = ∑ i = 0 | P | ( | P | i ) ( − 1 ) | P | − i = ∑ i = 0 | P | ( | P | i ) 1 i ( − 1 ) | P | − i = ( 1 − 1 ) | P | = 0 | P | 因此原来的式子的值是
∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) ∑ 𝑇 ⊆ ( 𝑆 ∖ 𝑄 ) ( − 1 ) | 𝑆 ∖ 𝑄 | − | 𝑇 | = ∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) 𝐹 ( 𝑆 ∖ 𝑄 ) = ∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) ⋅ 0 | 𝑆 ∖ 𝑄 | ∑ Q g ( Q ) ∑ T ⊆ ( S ∖ Q ) ( − 1 ) | S ∖ Q | − | T | = ∑ Q g ( Q ) F ( S ∖ Q ) = ∑ Q g ( Q ) ⋅ 0 | S ∖ Q | 分析发现,仅当 | 𝑆 ∖ 𝑄 | = 0 | S ∖ Q | = 0 时有 0 0 = 1 0 0 = 1 ,这时 𝑄 = 𝑆 Q = S ,对答案的贡献就是 𝑔 ( 𝑆 ) g ( S ) ,其他时侯 0 | 𝑆 ∖ 𝑄 | = 0 0 | S ∖ Q | = 0 ,则对答案无贡献。于是得到
∑ 𝑄 𝑔 ( 𝑄 ) ⋅ 0 | 𝑆 ∖ 𝑄 | = 𝑔 ( 𝑆 ) ∑ Q g ( Q ) ⋅ 0 | S ∖ Q | = g ( S ) 综上所述,得证。
推论 该形式还有这样一个推论。在全集 𝑈 U 下,对于函数 𝑓 ( 𝑆 ) , 𝑔 ( 𝑆 ) f ( S ) , g ( S ) ,如果
𝑓 ( 𝑆 ) = ∑ 𝑆 ⊆ 𝑇 𝑔 ( 𝑇 ) f ( S ) = ∑ S ⊆ T g ( T ) 那么
𝑔 ( 𝑆 ) = ∑ 𝑆 ⊆ 𝑇 ( − 1 ) | 𝑇 | − | 𝑆 | 𝑓 ( 𝑇 ) g ( S ) = ∑ S ⊆ T ( − 1 ) | T | − | S | f ( T ) 这个推论其实就是补集形式,证法类似。
DAG 计数 DAG 计数 对 𝑛 n 个点带标号的有向无环图进行计数,对 1 0 9 + 7 10 9 + 7 取模。𝑛 ≤ 5 × 1 0 3 n ≤ 5 × 10 3 。
直接 DP 考虑 DP,定义 𝑓 [ 𝑖 , 𝑗 ] f [ i , j ] 表示 𝑖 i 个点的 DAG,有 𝑗 j 点个入度为 0 0 的图的个数。假设去掉这 𝑗 j 个点后,有 𝑘 k 个点入度为 0 0 ,那么在去掉前这 𝑘 k 个点至少与这 𝑗 j 个点中的某几个有连边,即 2 𝑗 − 1 2 j − 1 种情况;而这 𝑗 j 个点除了与 𝑘 k 个点连边,还可以与剩下的点任意连边,有 2 𝑖 − 𝑗 − 𝑘 2 i − j − k 种情况。因此方程如下:
𝑓 [ 𝑖 , 𝑗 ] = ( 𝑖 𝑗 ) 𝑖 − 𝑗 ∑ 𝑘 = 1 ( 2 𝑗 − 1 ) 𝑘 2 ( 𝑖 − 𝑗 − 𝑘 ) 𝑗 𝑓 [ 𝑖 − 𝑗 , 𝑘 ] f [ i , j ] = ( i j ) ∑ k = 1 i − j ( 2 j − 1 ) k 2 ( i − j − k ) j f [ i − j , k ] 计算上式的复杂度是 𝑂 ( 𝑛 3 ) O ( n 3 ) 的。
放宽限制 上述 DP 的定义是恰好 𝑗 j 个点入度为 0 0 , 太过于严格,可以放宽为至少 𝑗 j 个点入度为 0 0 。直接定义 𝑓 [ 𝑖 ] f [ i ] 表示 𝑖 i 个点的 DAG 个数。可以直接容斥。考虑选出的 𝑗 j 个点,这 𝑗 j 个点可以和剩下的 𝑖 − 𝑗 i − j 个点有任意的连边,即 ( 2 𝑖 − 𝑗 ) 𝑗 = 2 ( 𝑖 − 𝑗 ) 𝑗 ( 2 i − j ) j = 2 ( i − j ) j 种情况:
𝑓 [ 𝑖 ] = 𝑖 ∑ 𝑗 = 1 ( − 1 ) 𝑗 − 1 ( 𝑖 𝑗 ) 2 ( 𝑖 − 𝑗 ) 𝑗 𝑓 [ 𝑖 − 𝑗 ] f [ i ] = ∑ j = 1 i ( − 1 ) j − 1 ( i j ) 2 ( i − j ) j f [ i − j ] 计算上式的复杂度是 𝑂 ( 𝑛 2 ) O ( n 2 ) 的。
Min-max 容斥 对于满足 全序 关系并且其中元素满足可加减性的序列 { 𝑥 𝑖 } { x i } ,设其长度为 𝑛 n ,并设 𝑆 = { 1 , 2 , 3 , ⋯ , 𝑛 } S = { 1 , 2 , 3 , ⋯ , n } ,则有:
m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 max i ∈ S x i = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 min j ∈ T x j m i n 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 m a x 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 min i ∈ S x i = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 max j ∈ T x j 证明: 考虑做一个到一般容斥原理的映射。对于 𝑥 ∈ 𝑆 x ∈ S ,假设 𝑥 x 是第 𝑘 k 小的元素。那么我们定义一个映射 𝑓 : 𝑥 ↦ { 1 , 2 , ⋯ , 𝑘 } f : x ↦ { 1 , 2 , ⋯ , k } 。显然这是一个双射。
那么容易发现,对于 𝑥 , 𝑦 ∈ 𝑆 x , y ∈ S ,𝑓 ( m i n ( 𝑥 , 𝑦 ) ) = 𝑓 ( 𝑥 ) ∩ 𝑓 ( 𝑦 ) f ( min ( x , y ) ) = f ( x ) ∩ f ( y ) ,𝑓 ( m a x ( 𝑥 , 𝑦 ) ) = 𝑓 ( 𝑥 ) ∪ 𝑓 ( 𝑦 ) f ( max ( x , y ) ) = f ( x ) ∪ f ( y ) 。因此我们得到:
∣ 𝑓 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) ∣ = ∣ ⋃ 𝑖 ∈ 𝑆 𝑓 ( 𝑥 𝑖 ) ∣ = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 ∣ ⋂ 𝑗 ∈ 𝑇 𝑓 ( 𝑥 𝑗 ) ∣ = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 ∣ 𝑓 ( m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) ∣ | f ( max i ∈ S x i ) | = | ⋃ i ∈ S f ( x i ) | = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 | ⋂ j ∈ T f ( x j ) | = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 | f ( min j ∈ T x j ) | 然后再把 | 𝑓 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) | | f ( max i ∈ S x i ) | 映射回 m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 max i ∈ S x i ,而 m i n min 是类似的。
证毕。
但是你可能觉得这个式子非常蠢,最大值明明可以直接求。之所以 min-max 容斥这么重要,是因为它在期望上也是成立的,即:
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐸 ( m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) E ( max i ∈ S x i ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 E ( min j ∈ T x j ) 𝐸 ( m i n 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐸 ( m a x 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) E ( min i ∈ S x i ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 E ( max j ∈ T x j ) 证明: 我们考虑计算期望的一种方法:
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑦 𝑃 ( 𝑦 = 𝑥 ) m a x 𝑗 ∈ 𝑆 𝑦 𝑗 E ( max i ∈ S x i ) = ∑ y P ( y = x ) max j ∈ S y j 其中 𝑦 y 是一个长度为 𝑛 n 的序列。
我们对后面的 m a x max 使用之前的式子:
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑦 𝑃 ( 𝑦 = 𝑥 ) m a x 𝑗 ∈ 𝑆 𝑦 𝑗 = ∑ 𝑦 𝑃 ( 𝑦 = 𝑥 ) ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑦 𝑗 E ( max i ∈ S x i ) = ∑ y P ( y = x ) max j ∈ S y j = ∑ y P ( y = x ) ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 min j ∈ T y j 调换求和顺序:
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑦 𝑃 ( 𝑦 = 𝑥 ) ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑦 𝑗 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 ∑ 𝑦 𝑃 ( 𝑦 = 𝑥 ) m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑦 𝑗 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐸 ( m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑦 𝑗 ) E ( max i ∈ S x i ) = ∑ y P ( y = x ) ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 min j ∈ T y j = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 ∑ y P ( y = x ) min j ∈ T y j = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 E ( min j ∈ T y j ) m i n min 是类似的。
证毕。
还有更强的:
k t h m a x 𝑥 𝑖 𝑖 ∈ 𝑆 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 kthmax x i i ∈ S = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) min j ∈ T x j k t h m i n 𝑥 𝑖 𝑖 ∈ 𝑆 = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) m a x 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 kthmin x i i ∈ S = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) max j ∈ T x j 𝐸 ( k t h m a x 𝑥 𝑖 𝑖 ∈ 𝑆 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) 𝐸 ( m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) E ( kthmax x i i ∈ S ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) E ( min j ∈ T x j ) 𝐸 ( k t h m i n 𝑥 𝑖 𝑖 ∈ 𝑆 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) 𝐸 ( m a x 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) E ( kthmin x i i ∈ S ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) E ( max j ∈ T x j ) 规定若 𝑛 < 𝑚 n < m ,则 ( 𝑛 𝑚 ) = 0 ( n m ) = 0 。
证明: 不妨设 ∀ 1 ≤ 𝑖 < 𝑛 , 𝑥 𝑖 ≤ 𝑥 𝑖 + 1 ∀ 1 ≤ i < n , x i ≤ x i + 1 。则有:
∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) [ 𝑥 𝑖 = m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ] = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 𝑛 ∑ 𝑗 = 𝑘 ( 𝑛 − 𝑖 𝑗 − 1 ) ( 𝑗 − 1 𝑘 − 1 ) ( − 1 ) 𝑗 − 𝑘 ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) min j ∈ T x j = ∑ i ∈ S x i ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) [ x i = min j ∈ T x j ] = ∑ i ∈ S x i ∑ j = k n ( n − i j − 1 ) ( j − 1 k − 1 ) ( − 1 ) j − k 又因为有组合恒等式:( 𝑎 𝑏 ) ( 𝑏 𝑐 ) = ( 𝑎 𝑐 ) ( 𝑎 − 𝑐 𝑏 − 𝑐 ) ( a b ) ( b c ) = ( a c ) ( a − c b − c ) ,所以有:
∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 𝑘 ( | 𝑇 | − 1 𝑘 − 1 ) m i n 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 𝑛 ∑ 𝑗 = 𝑘 ( 𝑛 − 𝑖 𝑗 − 1 ) ( 𝑗 − 1 𝑘 − 1 ) ( − 1 ) 𝑗 − 𝑘 = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 𝑛 ∑ 𝑗 = 𝑘 ( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 − 𝑘 ) ( − 1 ) 𝑗 − 𝑘 = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 ( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) 𝑥 𝑖 𝑛 ∑ 𝑗 = 𝑘 ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 − 𝑘 ) ( − 1 ) 𝑗 − 𝑘 = ∑ 𝑖 ∈ 𝑆 ( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) 𝑥 𝑖 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 ∑ 𝑗 = 0 ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 ) ( − 1 ) 𝑗 ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − k ( | T | − 1 k − 1 ) min j ∈ T x j = ∑ i ∈ S x i ∑ j = k n ( n − i j − 1 ) ( j − 1 k − 1 ) ( − 1 ) j − k = ∑ i ∈ S x i ∑ j = k n ( n − i k − 1 ) ( n − i − k + 1 j − k ) ( − 1 ) j − k = ∑ i ∈ S ( n − i k − 1 ) x i ∑ j = k n ( n − i − k + 1 j − k ) ( − 1 ) j − k = ∑ i ∈ S ( n − i k − 1 ) x i ∑ j = 0 n − i − k + 1 ( n − i − k + 1 j ) ( − 1 ) j 当 𝑖 = 𝑛 − 𝑘 + 1 i = n − k + 1 时:
( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 ∑ 𝑗 = 0 ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 ) ( − 1 ) 𝑗 = 1 ( n − i k − 1 ) ∑ j = 0 n − i − k + 1 ( n − i − k + 1 j ) ( − 1 ) j = 1 否则:
( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 ∑ 𝑗 = 0 ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 ) ( − 1 ) 𝑗 = 0 ( n − i k − 1 ) ∑ j = 0 n − i − k + 1 ( n − i − k + 1 j ) ( − 1 ) j = 0 所以:
∑ 𝑖 ∈ 𝑆 ( 𝑛 − 𝑖 𝑘 − 1 ) 𝑥 𝑖 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 ∑ 𝑗 = 0 ( 𝑛 − 𝑖 − 𝑘 + 1 𝑗 ) ( − 1 ) 𝑗 = k t h m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ∑ i ∈ S ( n − i k − 1 ) x i ∑ j = 0 n − i − k + 1 ( n − i − k + 1 j ) ( − 1 ) j = kthmax i ∈ S x i 剩下三个是类似的。
证毕。
根据 min-max 容斥,我们还可以得到下面的式子:
l c m 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 = ∏ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( g c d 𝑗 ∈ 𝑇 𝑥 𝑗 ) ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 lcm i ∈ S x i = ∏ T ⊆ S ( gcd j ∈ T x j ) ( − 1 ) | T | − 1 因为 l c m , g c d , 𝑎 1 , 𝑎 − 1 lcm , gcd , a 1 , a − 1 分别相当于 m a x , m i n , + , − max , min , + , − ,就是说相当于对于指数做了一个 min-max 容斥,自然就是对的了
PKUWC2018 随机游走 PKUWC2018 随机游走 给定一棵 𝑛 n 个点的树,你从 𝑥 x 出发,每次等概率随机选择一条与所在点相邻的边走过去。
有 𝑄 Q 次询问。每次询问给出一个集合 𝑆 S ,求如果从 𝑥 x 出发一直随机游走,直到点集 𝑆 S 中的点都至少经过一次的话,期望游走几步。
特别地,点 𝑥 x (即起点)视为一开始就被经过了一次。
对 9 9 8 2 4 4 3 5 3 998244353 取模。
1 ≤ 𝑛 ≤ 1 8 , 1 ≤ 𝑄 ≤ 5 0 0 0 , 1 ≤ | 𝑆 | ≤ 𝑛 1 ≤ n ≤ 18 , 1 ≤ Q ≤ 5000 , 1 ≤ | S | ≤ n 。
期望游走的步数也就是游走的时间。那么设随机变量 𝑥 𝑖 x i 表示第一次走到结点 𝑖 i 的时间。那么我们要求的就是
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) E ( max i ∈ S x i ) 使用 min-max 容斥可以得到
𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = 𝐸 ( ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 m i n 𝑖 ∈ 𝑇 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐸 ( m i n 𝑖 ∈ 𝑇 𝑥 𝑖 ) E ( max i ∈ S x i ) = E ( ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 min i ∈ T x i ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 E ( min i ∈ T x i ) 对于一个集合 𝑇 ∈ [ 𝑛 ] T ∈ [ n ] ,考虑求出 𝐹 ( 𝑇 ) = 𝐸 ( m i n 𝑖 ∈ 𝑇 𝑥 𝑖 ) F ( T ) = E ( min i ∈ T x i ) 。
考虑 𝐸 ( m i n 𝑖 ∈ 𝑇 𝑥 𝑖 ) E ( min i ∈ T x i ) 的含义,是第一次走到 𝑇 T 中某一个点的期望时间。不妨设 𝑓 ( 𝑖 ) f ( i ) 表示从结点 𝑖 i 出发,第一次走到 𝑇 T 中某个结点的期望时间。
对于 𝑖 ∈ 𝑇 i ∈ T ,有 𝑓 ( 𝑖 ) = 0 f ( i ) = 0 。 对于 𝑖 ∉ 𝑇 i ∉ T ,有 𝑓 ( 𝑖 ) = 1 + 1 d e g ( 𝑖 ) ∑ ( 𝑖 , 𝑗 ) ∈ 𝐸 𝑓 ( 𝑗 ) f ( i ) = 1 + 1 deg ( i ) ∑ ( i , j ) ∈ E f ( j ) 。 如果直接高斯消元,复杂度 𝑂 ( 𝑛 3 ) O ( n 3 ) 。那么我们对每个 𝑇 T 都计算 𝐹 ( 𝑇 ) F ( T ) 的总复杂度就是 𝑂 ( 2 𝑛 𝑛 3 ) O ( 2 n n 3 ) ,不能接受。我们使用树上消元的技巧。
不妨设根结点是 1 1 ,结点 𝑢 u 的父亲是 𝑝 𝑢 p u 。对于叶子结点 𝑖 i ,𝑓 ( 𝑖 ) f ( i ) 只会和 𝑖 i 的父亲有关(也可能 𝑓 ( 𝑖 ) = 0 f ( i ) = 0 ,那样更好)。因此我们可以把 𝑓 ( 𝑖 ) f ( i ) 表示成 𝑓 ( 𝑖 ) = 𝐴 𝑖 + 𝐵 𝑖 𝑓 ( 𝑝 𝑖 ) f ( i ) = A i + B i f ( p i ) 的形式,其中 𝐴 𝑖 , 𝐵 𝑖 A i , B i 可以快速计算。
对于非叶结点 𝑖 i ,考虑它的儿子序列 𝑗 1 , ⋯ , 𝑗 𝑘 j 1 , ⋯ , j k 。由于 𝑓 ( 𝑗 𝑒 ) = 𝐴 𝑗 𝑒 + 𝐵 𝑗 𝑒 𝑓 ( 𝑖 ) f ( j e ) = A j e + B j e f ( i ) 。因此可以得到
𝑓 ( 𝑖 ) = 1 + 1 d e g ( 𝑖 ) 𝑘 ∑ 𝑒 = 1 ( 𝐴 𝑗 𝑒 + 𝐵 𝑗 𝑒 𝑓 ( 𝑖 ) ) + 𝑓 ( 𝑝 𝑖 ) d e g ( 𝑖 ) f ( i ) = 1 + 1 deg ( i ) ∑ e = 1 k ( A j e + B j e f ( i ) ) + f ( p i ) deg ( i ) 那么变换一下可以得到
𝑓 ( 𝑖 ) = d e g ( 𝑖 ) + ∑ 𝑘 𝑒 = 1 𝐴 𝑗 𝑒 d e g ( 𝑖 ) − ∑ 𝑘 𝑒 = 1 𝐵 𝑗 𝑒 + 𝑓 ( 𝑝 𝑖 ) d e g ( 𝑖 ) − ∑ 𝑘 𝑒 = 1 𝐵 𝑗 𝑒 f ( i ) = deg ( i ) + ∑ e = 1 k A j e deg ( i ) − ∑ e = 1 k B j e + f ( p i ) deg ( i ) − ∑ e = 1 k B j e 于是我们把 𝑓 ( 𝑖 ) f ( i ) 也写成了 𝐴 𝑖 + 𝐵 𝑖 𝑓 ( 𝑝 𝑖 ) A i + B i f ( p i ) 的形式。这样可以一直倒推到根结点。而根结点没有父亲。也就是说
𝑓 ( 1 ) = d e g ( 1 ) + ∑ 𝑘 𝑒 = 1 𝐴 𝑗 𝑒 d e g ( 1 ) − ∑ 𝑘 𝑒 = 1 𝐵 𝑗 𝑒 f ( 1 ) = deg ( 1 ) + ∑ e = 1 k A j e deg ( 1 ) − ∑ e = 1 k B j e 解一下这个方程我们就得到了 𝑓 ( 1 ) f ( 1 ) ,再从上往下推一次就得到了每个点的 𝑓 ( 𝑖 ) f ( i ) 。那么 𝐹 ( 𝑇 ) = 𝑓 ( 𝑥 ) F ( T ) = f ( x ) 。时间复杂度 𝑂 ( 𝑛 ) O ( n ) 。
这样,我们可以对于每一个 𝑇 T 计算出 𝐹 ( 𝑇 ) F ( T ) ,时间复杂度 𝑂 ( 2 𝑛 𝑛 ) O ( 2 n n ) 。
回到容斥的部分,我们知道 𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐹 ( 𝑇 ) E ( max i ∈ S x i ) = ∑ T ⊆ S ( − 1 ) | T | − 1 F ( T ) 。
不妨设 𝐹 ′ ( 𝑇 ) = ( − 1 ) | 𝑇 | − 1 𝐹 ( 𝑇 ) F ′ ( T ) = ( − 1 ) | T | − 1 F ( T ) ,那么进一步得到 𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) = ∑ 𝑇 ⊆ 𝑆 𝐹 ′ ( 𝑇 ) E ( max i ∈ S x i ) = ∑ T ⊆ S F ′ ( T ) 。因此可以使用 FMT(也叫子集前缀和,或者 FWT 或变换)在 𝑂 ( 2 𝑛 𝑛 ) O ( 2 n n ) 的时间内对每个 𝑆 S 计算出 𝐸 ( m a x 𝑖 ∈ 𝑆 𝑥 𝑖 ) E ( max i ∈ S x i ) ,这样就可以 𝑂 ( 1 ) O ( 1 ) 回答询问了。
习题 参考文献 王迪《容斥原理》,2013 年信息学奥林匹克中国国家队候选队员论文集
Cyhlnj《有标号的 DAG 计数系列问题》
Wikipedia - 全序关系
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