[BZOJ2004][Hnoi2010]Bus 公交线路(状压DP+矩阵乘法)

本文介绍了一种基于动态规划和矩阵优化的方法,解决公交车站台间的距离限制问题,通过构建特定的DP模型并利用矩阵乘法优化,实现了高效求解。

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一、问题分析

将问题转化为:一个N个数的序列,序列的每个位置需要填充一个[1,K]范围内的数。同时对于任意的1iK,序列的第i个位置已经被填充,填充的数为i。同时[NK+1,N]区间内填充的数必须包含[1,K]的所有数。而「一辆公交车经过的相邻两个站台间距离不得超过Pkm」这个条件,等价于序列中任意一个长度为P一段,都必须填充有[1,K]的所有数。

二、DP模型

分析后可以得出,由于前K个填充的数已经确定,所以这里只关心序列中的数相同或不相同,而和具体数值无关。因此设f[i][S]为序列中[1,i1]已经填充完,[i,i+P1]这一段填充的状态为S的方案数。S是一个长度为P01串,从高往低(之后的「第几位」都是从高位往低位)第j位为1表示位置i+j1已经被填充,否则位置i+j1还没被填充。

三、DP转移

为了保证每个位置都能被填充,规定在转移过程中,S的第1位恒为1。同时由于[i,i+P1]区间里必须有填充所有K个数,所以再规定在转移过程中S必须包含且仅包含K1
而判断S2能否从S1转移,就是把S1最高位的1去掉之后在末尾再补一个0(记为S3),如果S3中的K11能够恰好与S2K1其中K1个一一对应,,那么S2能从S1转移。

四、矩阵优化

考虑到N109的数据范围,想到矩阵乘法。这时根据上面推出的转移条件,得到有用的状态只有CK1P1个。可以得到矩阵规模的最大值为C929=126
复杂度O((CK1P1)3logN)

五、代码

#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int N = 134, ZZQ = 30031;
int n, K, P, tot, sta[N];
struct cyx {
    int n, m, a[N][N];
    cyx() {}
    cyx(int _n, int _m) :
        n(_n), m(_m) {memset(a, 0, sizeof(a));}
    friend inline cyx operator * (cyx a, cyx b) {
        int i, j, k; cyx res = cyx(a.n, b.m);
        for (i = 1; i <= res.n; i++) for (j = 1; j <= res.m; j++)
        for (k = 1; k <= a.m; k++)
            (res.a[i][j] += a.a[i][k] * b.a[k][j]) %= ZZQ;
        return res;
    }
    friend inline cyx operator ^ (cyx a, int b) {
        int i; cyx res = cyx(a.n, a.m);
        for (i = 1; i <= res.n; i++) res.a[i][i] = 1;
        while (b) {
            if (b & 1) res = res * a;
            a = a * a;
            b >>= 1;
        }
        return res;
    }
} Orz, Zzq;
int main() {
    int i, j, k; cin >> n >> K >> P;
    for (i = (1 << P - 1); i < (1 << P); i++) {
        int cnt = 0; for (j = 0; j < P; j++) if ((i >> j) & 1) cnt++;
        if (cnt == K) sta[++tot] = i;
    }
    Orz = cyx(tot, tot); Zzq = cyx(tot, 1);
    for (i = 1; i <= tot; i++) for (j = 1; j <= tot; j++) {
        int S1 = sta[i], S2 = sta[j]; S1 = S1 - (1 << P - 1) << 1;
        for (k = 0; k < P; k++) if (!((S1 >> k) & 1) && S1 + (1 << k) == S2)
            Orz.a[j][i] = 1;
    }
    Zzq.a[tot][1] = 1; Orz = (Orz ^ n - K) * Zzq;
    cout << Orz.a[tot][1] << endl;
    return 0;
}
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