Happy Necklace(HDU-6030)

博客围绕求出长度为n的01串种类数展开,该01串需满足任意长度为质数p的子串中1的个数不少于0的个数。通过证明得出只需长度为2和3的子串满足条件即可。采用矩阵快速幂解决,给出转移公式,时间复杂度为O(Tlog(n))。

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题意

  求出长度为 n n n 01 01 01串的种类数,满足任意长度为 p p p的子串所包含的 1 1 1的个数不少于 0 0 0的个数,其中 p p p为质数。
  链接:link

思路

  命题:任意长度为 p p p的子串所包含的 1 1 1的个数不少于 0 0 0的个数,当且仅当,长度为 2 2 2和长度为 3 3 3的子串满足 1 1 1的个数不少于 0 0 0的个数。
  证明
  充分性:任意质数都可以分解为若干个 2 2 2和若干个 3 3 3相加,如果长度为 2 2 2和长度为 3 3 3的满足,那么任意质数长度也一定满足。
  必要性:如果任意质数长度都满足,那么长度为2和长度为3肯定满足。

矩阵快速幂

  假设 d p [ i ] dp[i] dp[i]表示长度为 i i i 01 01 01串满足条件的个数, d p [ i ] dp[i] dp[i]通过如下方式转移。

  1. 可以在 i − 1 i-1 i1的串后直接加 1 1 1
  2. 0 0 0要满足 i − 1 i-1 i1串的末尾不能是 0 0 0,且倒数第二位也不能是 0 0 0,因此在 n − 3 n-3 n3串后直接加 110 110 110

  可得到 d p [ i ] = d p [ i − 1 ] + d p [ i − 3 ] dp[i]=dp[i-1]+dp[i-3] dp[i]=dp[i1]+dp[i3],更准确来说应该是 d p [ i ] = 1 ∗ d p [ i − 1 ] + 0 ∗ d p [ i − 2 ] + 1 ∗ d p [ i − 3 ] dp[i]=1*dp[i-1]+0*dp[i-2]+1*dp[i-3] dp[i]=1dp[i1]+0dp[i2]+1dp[i3],可直接用矩阵快速幂解决,请参考:link

  这道题矩阵快速幂的公式为: [ f ( n ) f ( n − 1 ) f ( n − 2 ) ] = [ 1 0 1 1 0 0 0 1 0 ] n − 3 [ f ( 3 ) f ( 2 ) f ( 1 ) ] \left[\begin{array}{c} f(n) \\ f(n-1) \\ f(n-2) \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} 1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{array}\right]^{n-3}\left[\begin{array}{c} f(3) \\ f(2) \\ f(1) \end{array}\right] f(n)f(n1)f(n2)=110001100n3f(3)f(2)f(1)

时间复杂度分析

  快速幂的时间复杂度为 O ( log ⁡ ( n ) ) \mathcal{O}(\log(n)) O(log(n)),一共询问 T T T次,所以总的时间复杂度为 O ( T log ⁡ ( n ) ) \mathcal{O}(T\log(n)) O(Tlog(n))

实现

#include<iostream>
using namespace std;
typedef long long ll;
const int MOD=1e9+7;
typedef struct Matrix{
    ll data[3][3];
}matrix;
ll prime[3][3]={{1,0,1},{1,0,0},{0,1,0}},e[3][3]={{1,0,0},{0,1,0},{0,0,1}};
ll f[4]={0,2,3,4};
matrix P,I;
matrix operator*(matrix& a,matrix& b){
    matrix res;
    for(int i=0;i<3;i++){
        for(int j=0;j<3;j++){
            ll tmp=0;
            for(int k=0;k<3;k++){
                tmp=(tmp+(a.data[i][k]*b.data[k][j])%MOD)%MOD;
            }
            res.data[i][j]=tmp;
        }
    }
    return res;
}
ll qpow(ll x){
    matrix res=I,rem=P;
    while(x){
        if(x&1) res=res*rem;
        rem=rem*rem;
        x>>=1;
    }
    ll tmp=0;
    for(int i=0;i<3;i++) tmp=(tmp+(res.data[0][i]*f[3-i])%MOD)%MOD;
    return tmp;
}
int main(){
    for(int i=0;i<3;i++){
        for(int j=0;j<3;j++){
            P.data[i][j]=prime[i][j];
            I.data[i][j]=e[i][j];
        }
    }
    int T;cin>>T;
    while(T--){
        ll n;cin>>n;
        if(n<=3) cout<<f[n]<<endl;
        else cout<<qpow(n-3)<<endl;
    }
    return 0;
}
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