HDU-6050 Funny Function

本文详细解析了一道关于矩阵快速幂的算法题,通过数学归纳法证明了递推公式,并给出了具体的矩阵构造方法和代码实现。

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2017 Multi-University Training Contest - Team 2 - 1006

HDU-6050 Funny Function


题意:

题目1
给出n, m
n代表  Fi,j   等于上一行从j开始往后n个元素的和
然后求第m行第一个元素  Fm,1  的值


思路:

先证

Fi,j=Fi,j1+2Fi,j2

这里用数学归纳法来证明

取 i = 2 ,n = 1

F2,j=F1,j 可以推出 F2,j=F2,j1+2F2,j2

假设 n = x 时 F2,j=F2,j1+2F2,j2 成立

j+2+x1k=jF1,k=j+1+x1k=j+1F1,k+2j+x1k=jF1,k     - - - - - -    ① 成立

当 n = x + 1 时

F2,j+2=j+2+xk=j+2F1,k=j+2+x1k=j+2F1,k+F1,j+2+x

F2,j+1=j+1+xk=j+1F1,k=j+1+x1k=j+1F1,k+F1,j+1+x

F2,j=j+xk=jF1,k=j+x1k=jF1,k+F1,j+x

由题目中 F1j=F1j1+2F1,j2 得出 F1j+2=F1j+1+2F1,j

又因为 ① 所以我们可以得出 F2j=F2j1+2F2,j2 n1 时成立

然后以此类推 i = 3, 4, 5, 6 ······ 时也成立

证毕

再证

jk=1Fi,k=Fi,j+1Fi,1 ( j 为偶数时)

jk=1Fi,k=Fi,j+1+Fi,1Fi,2 ( j 为奇数时)

由上一步的公式 Fi,j=Fi,j1+2Fi,j2


当 j 为偶数时

Fi,j+1=Fi,j+2Fi,j1

Fi,j1=Fi,j2+2Fi,j3

Fi,j3=Fi,j4+2Fi,j5

······

Fi,3=Fi,2+2Fi,1

我们把等号左右分别加起来得到

Fi,j+1=Fi,j+Fi,j1+Fi,j2++Fi,2+2Fi,1

            =Fi,j+Fi,j1+Fi,j2++Fi,2+Fi,1+Fi,1

            =jk=1Fi,j+Fi,1

移项得 jk=1Fi,k=Fi,j+1Fi,1 ( j 为偶数时)


当 j 为奇数时

Fi,j+1=Fi,j+2Fi,j1

Fi,j1=Fi,j2+2Fi,j3

Fi,j3=Fi,j4+2Fi,j5

······

Fi,4=Fi,3+2Fi,2

把等号左右分别加起来得

Fi,j+1=Fi,j+Fi,j1+Fi,j2++Fi,2+2Fi,2

等号两边分别加上 Fi,1

Fi,j+1+Fi,1=Fi,j+Fi,j1+Fi,j2++Fi,2+Fi,2+Fi,1+Fi,2

Fi,j+1+Fi,1=jk=1Fi,k+Fi,2

移项得 jk=1Fi,k=Fi,j+1+Fi,1Fi,2 ( j 为奇数时)

证毕

然后是

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB0)m1 ( n 为偶数时)

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB1)m1 ( n 为奇数时)

由第一步的递推公式 Fi,j=Fi,j1+2Fi,j2 来构造矩阵

(Fi,j1,Fi,j)=(Fi,j2,Fi,j1)(0121)

A=(0121)

(Fi,j,Fi,j+1)=(Fi,j1,Fi,j)A=(Fi,1,Fi,2)Aj1     - - - - - -    ①


当 n 为偶数时

由题目所给公式可得

Fi,1=nk=1Fi1,k         由第二步公式得

         =Fi1,n+1Fi1,1

Fi,2=n+1k=1Fi1,kFi1,1         由第二步公式得

         =Fi1,n+2+Fi1,1Fi1,2Fi1,1

         =Fi1,n+2Fi1,2

则可以得出

(Fi,1,Fi,2)=(Fi1,n+1Fi1,1,Fi1,n+2Fi1,2)

                    =(Fi1,n+1,Fi1,n+2)(Fi1,1,Fi1,2)          令①中 j = n + 1 带入得

                    =(Fi1,1,Fi1,2)An(Fi1,1,Fi1,2)(1001)

B0=(1001) 则可以得到

(Fi,1,Fi,2)=(Fi1,1,Fi1,2)(AnB0)

而这又是一个递推关系,我们就可以得到

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB0)m1


当 n 为奇数时

Fi,1=nk=1Fi1,k         由第二步公式得

         =Fi1,n+1+Fi1,1Fi1,2

Fi,2=n+1k=1Fi1,kFi1,1         由第二步公式得

         =Fi1,n+2Fi1,1Fi1,1

         =Fi1,n+22Fi1,1

则可以得出

(Fi,1,Fi,2)=(Fi1,n+1+Fi1,1Fi1,2,Fi1,n+22Fi1,1)

                    =(Fi1,n+1,Fi1,n+2)(Fi1,1+Fi1,2,2Fi1,1)          令①中 j = n + 1 带入得

                    =(Fi1,1,Fi1,2)An(Fi1,1,Fi1,2)(1120)

B1=(1120) 则可以得到

(Fi,1,Fi,2)=(Fi1,1,Fi1,2)(AnB1)

而这又是一个递推关系,我们就可以得到

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB1)m1

综上我们得出了两个公式

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB0)m1 ( n 为偶数时)

(Fm,1,Fm,2)=(F1,1,F1,2)(AnB1)m1 ( n 为奇数时)

及公式中的 A,B0,B1 矩阵

A=(0121)      B0=(1001)      B1=(1120)

然后就可以愉快的使用矩阵快速幂求解了


代码:

#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

const int mod = 1e9 + 7;
struct S
{
    long long a[2][2];
};
S cheng(S a, S b)  // 矩阵乘法
{
    S temp;
    memset(temp.a, 0, sizeof(temp.a));
    for(int i = 0; i < 2; ++i)
    {
        for(int j = 0; j < 2; ++j)
        {
            for(int k = 0; k  < 2; ++k)
            {
                temp.a[i][j] += a.a[i][k] * b.a[k][j] % mod;
                temp.a[i][j] %= mod;
            }
        }
    }
    return temp;
}

int main()
{
    S a, b[2], f, temp;
    int t;
    long long n, m, n1;
    while(~scanf("%d", &t))
    {
        while(t--)
        {
            memset(a.a, 0, sizeof(a.a));  // 初始化 A B0 B1 矩阵
            memset(b[0].a, 0, sizeof(b[0].a));
            memset(b[1].a, 0, sizeof(b[1].a));
            memset(f.a, 0, sizeof(f.a));
            memset(temp.a, 0, sizeof(temp.a));
            a.a[0][1] = b[1].a[0][1] = 2;
            a.a[1][0] = a.a[1][1] = b[0].a[0][0] = b[0].a[1][1] = b[1].a[1][0]  = f.a[0][0] = f.a[0][1] = 1;
            b[1].a[0][0] = -1;
            temp.a[0][0] = temp.a[1][1] = 1;

            scanf("%lld%lld", &n, &m);
            n1 = n;
            while(n)  // temp保存A^n的值
            {
                if(n & 1)
                {
                    temp = cheng(temp, a);
                }
                n >>= 1;
                a = cheng(a, a);
            }

            for(int i = 0; i < 2; ++i)  // A 保存 A^n - B 的值
            {
                for(int j = 0; j < 2; ++j)
                {
                    a.a[i][j] = temp.a[i][j] - b[n1 % 2].a[i][j];
                }
            }

            memset(temp.a, 0, sizeof(temp.a));
            temp.a[0][0] = temp.a[1][1] = 1;
            --m;
            while(m)  // 求(A^n - B)^(m - 1)保存在temp中
            {
                if(m & 1)
                {
                    temp = cheng(temp, a);
                }
                m >>= 1;
                a = cheng(a, a);
            }

            f = cheng(f, temp); // 最后再用 {F(1,1) = 1 , F(1,2) = 1 } 乘上 (A^n - B)^(m - 1)
            cout << f.a[0][0] << endl;
        }
    }
    return 0;
}

### 关于HDU - 6609 的题目解析 由于当前未提供具体关于 HDU - 6609 题目的详细描述,以下是基于一般算法竞赛题型可能涉及的内容进行推测和解答。 #### 可能的题目背景 假设该题目属于动态规划类问题(类似于多重背包问题),其核心在于优化资源分配或路径选择。此类问题通常会给出一组物品及其属性(如重量、价值等)以及约束条件(如容量限制)。目标是最优地选取某些物品使得满足特定的目标函数[^2]。 #### 动态转移方程设计 如果此题确实是一个变种的背包问题,则可以采用如下状态定义方法: 设 `dp[i][j]` 表示前 i 种物品,在某种条件下达到 j 值时的最大收益或者最小代价。对于每一种新加入考虑范围内的物体 k ,更新规则可能是这样的形式: ```python for i in range(n): for s in range(V, w[k]-1, -1): dp[s] = max(dp[s], dp[s-w[k]] + v[k]) ``` 这里需要注意边界情况处理以及初始化设置合理值来保证计算准确性。 另外还有一种可能性就是它涉及到组合数学方面知识或者是图论最短路等相关知识点。如果是后者的话那么就需要构建相应的邻接表表示图形结构并通过Dijkstra/Bellman-Ford/Floyd-Warshall等经典算法求解两点间距离等问题了[^4]。 最后按照输出格式要求打印结果字符串"Case #X: Y"[^3]。 #### 示例代码片段 下面展示了一个简单的伪代码框架用于解决上述提到类型的DP问题: ```python def solve(): t=int(input()) res=[] cas=1 while(t>0): n,k=list(map(int,input().split())) # Initialize your data structures here ans=find_min_unhappiness() # Implement function find_min_unhappiness() res.append(f'Case #{cas}: {round(ans)}') cas+=1 t-=1 print("\n".join(res)) solve() ```
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