BZOJ 3143: [Hnoi2013]游走 【概率DP+高斯消元】

本文探讨了在无向图中,从特定起点出发,随机行走至终点过程中,每条边被经过的期望次数的计算方法。通过定义概率转移矩阵和使用高斯消元法求解无穷序列的期望值,文章详细解析了如何计算这一问题。
题目描述:

无向图,初始1号点,每次随机走,n点结束,问题相当于求每条边的期望经过次数

题目分析:

Pk(i)P_k(i)Pk(i)为第k步走到i号点的概率(PkP_kPkPk−1P_{k-1}Pk1转移)
那么边(x,y)在第k步到第k+1步被经过的概率=Pk(x)∗1d[x]+Pk(y)∗1d[y]=P_k(x)*\frac 1{d[x]}+P_k(y)*\frac 1{d[y]}=Pk(x)d[x]1+Pk(y)d[y]1 (x,y!=n)

f(i)=∑k=0∞Pk(i)f(i)=\sum_{k=0}^{\infty}P_k(i)f(i)=k=0Pk(i)
那么边(x,y)被经过的期望次数=f(x)∗1d[x]+f(y)∗1d[y]=f(x)*\frac 1{d[x]}+f(y)*\frac 1{d[y]}=f(x)d[x]1+f(y)d[y]1 (x,y!=n)

因为PkP_kPkPk−1P_{k-1}Pk1转移,所以有如下转移:f(i)=∑e[j][i],j!=nf(j)∗1d[j]f(i)=\sum_{e[j][i],j!=n}f(j)*\frac 1{d[j]}f(i)=e[j][i],j!=nf(j)d[j]1
因为Pk(0)=1P_k(0)=1Pk(0)=1,所以f(1)f(1)f(1)要额外+1
至此这题用高斯消元解就可以了。
由于n号点是终点,P(n)不会再继续转移,会发现对于确定的k,∑iPk(i)\sum_iP_k(i)iPk(i)在逐渐减小,由最开始等于1,最终收敛于0,所以虽然是无限项,但期望仍然是可求的。

#include<cstdio>
#include<vector>
#include<cmath>
#include<algorithm>
#define pb(x) push_back(x)
#define maxn 505
using namespace std;
const double eps = 1e-10;
int n,m,x[maxn*maxn],y[maxn*maxn];
vector<int>e[maxn];
double a[maxn][maxn],b[maxn*maxn],ans;
inline bool no(double x){return fabs(x)<eps;}
void Gauss(int N)
{
    for(int i=1;i<=N;i++){
        if(no(a[i][i])) for(int j=i+1;j<=N;j++) if(!no(a[j][i])) {swap(a[i],a[j]);break;}
        if(no(a[i][i])) continue;
        for(int j=1;j<=N;j++) 
            if(i!=j&&!no(a[j][i]))
            {
                double t=a[j][i]/a[i][i];
                for(int k=i;k<=N+1;k++) a[j][k]-=a[i][k]*t;
            }
    }
	for(int i=1;i<=n;i++) a[i][N+1]/=a[i][i];
}
int main()
{
	scanf("%d%d",&n,&m);
	for(int i=1;i<=m;i++) scanf("%d%d",&x[i],&y[i]),e[x[i]].pb(y[i]),e[y[i]].pb(x[i]);
	for(int i=1;i<=n;i++){
		a[i][i]=-1;
		for(int j=e[i].size()-1;j>=0;j--) if(e[i][j]!=n) a[i][e[i][j]]+=1.0/e[e[i][j]].size();
	}
	a[1][n+1]=-1;
	Gauss(n);
	for(int i=1;i<=m;i++){
		if(x[i]!=n) b[i]+=a[x[i]][n+1]/e[x[i]].size();
		if(y[i]!=n) b[i]+=a[y[i]][n+1]/e[y[i]].size();
	}
	sort(b+1,b+1+m);
	for(int i=1;i<=m;i++) ans+=b[i]*(m-i+1);
	printf("%.3f",ans);
}
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