一个简单的求Bell数的方法

本文介绍了一种基于第二类斯特林数的贝尔数高效计算方法,通过优化多项式的运算,实现O(nlogn)的时间复杂度。

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前言

贝尔数大概大家都不陌生,但是怎么求却有许多种方式,有根据定义O(n2)O(n^2)O(n2)求的,有用NTTNTTNTT或者多项式求逆O(nlogn)O(nlogn)O(nlogn)的求法。这些做法都太垃圾了 这里给大家介绍一种O(nlogn)O(nlogn)O(nlogn)的做法。

正文

首先根据贝尔数的定义,有Bn=∑m=0nS(n,m)B_n = \sum _{m=0}^n S(n,m)Bn=m=0nS(n,m)其中S(n,m)S(n,m)S(n,m)是第二类斯特林数。
那么再由第二类斯特林数的展开式可得原式=∑m=0n1m!∑k=0m(−1)kC(m,k)(m−k)n=∑m=0n∑k=0m(−1)kk!(m−k)n(m−k)!原式= \sum _{m=0}^n \frac{1}{m!}\sum_{k=0}^m(-1)^kC(m,k) (m-k)^n \\= \sum _{m=0}^n \sum_{k=0}^m \frac{(-1)^k}{k!} \frac{(m-k)^n}{(m-k)!}=m=0nm!1k=0m(1)kC(m,k)(mk)n=m=0nk=0mk!(1)k(mk)!(mk)n
这样子,设Ai=(−1)ii!A_i = \frac{(-1)^i}{i!}Ai=i!(1)iBi=ini!B_i = \frac{i^n}{i!}Bi=i!in,这样子就是原式=∑m=0n∑k=0mAkBm−k原式= \sum _{m=0}^n \sum_{k=0}^m A_k B_{m-k}=m=0nk=0mAkBmk可以NTTNTTNTT,但是太麻烦,我们注意到对于AiA_iAi这一项,它只会与B0,B1,B2...Bn−iB_0,B_1,B_2...B_{n-i}B0B1B2...Bni相乘,就是一个前缀和的形式,所以AiA_iAi这一项的贡献就算了出来,这样子的话,预处理A,BA,BA,B以及其前缀和,然后forforfor一遍,把每一项AiA_iAi的贡献算出来加上去就可以了,这样子是O(nlogn)O(nlogn)O(nlogn)的(要算快速幂)。
代码如下:

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
const int p = 998244353;
const int N = 1e5+10;
int fac[N] , facinv[N] , n , a[N] , b[N] , sum[N] , ans;
int qpow(int a, int b, int p) {
	int res = 1;
	for(; b; b >>= 1, a = 1ll * a * a % p) {
		if(b & 1) res = 1ll * res * a % p;
	}
	return res;
}
void pre() {
	facinv[0] = fac[0] = 1;
	for(int i = 1; i <= n; i ++ ) {
		fac[i] = 1ll * fac[i-1] * i % p ;
		facinv[i] = qpow( fac[i] , p - 2 , p ) ;
	}
}

int main() {
	scanf("%d", &n);
	pre();
	for (int i = 1 ; i <= n ; i++) {
		a[i] = facinv[i];
		if ( i & 1 ) a[i] = p - a[i] ;
		b[i] = 1ll * qpow( i , n , p ) * facinv[i] % p;
		sum[i] = ( ( i ? sum[i-1] : sum[i] ) + b[i] ) % p;
	}
	for (int i = 0 ; i <= n ; i++ ) ans = ( ans + 1ll * a[i] * sum[n-i] % p ) % p;
	cout<<ans;
	return 0;
}
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