lsj2009
2024-10-07 22:16:00
本文主要记录了由 NOI2010 超级钢琴 所引出的一类技巧的本质;不过我可能更偏向于记录其为 Shopping Plans' Tirck,因为我只在 Shopping Plans 的题解区看到了对于这一类问题最正确的解答(但可能也没有从头到尾和本质地介绍这一 trick,所以有了这篇 Blog),而 Super Piano 的题解区并没有揭示这一点。
需要说明的是:其中使用特殊标记起来的部分视为批注,可能和正文关系不大,不必要一定理解。
批注:
Like This。
下面我们进入正文。
先举出一个最平凡的例子:Luogu P1631 序列合并:
给出两个单调不降的序列
\{a_n\},\{b_n\} ,求出a_i+b_j(1\le i,j\le n) 的前n 小值。
更一般的,我们可能会要求求出前
对于这一题,大多给出了如下解答:
我们注意到由于
则我们得到了一个很显然的思路:维护一个堆(以
取出堆顶
将
但这样子会有一个问题是:我会出现这样的转移:
这样子我们的
处理其实是平凡的,我们取出一个 pair 时判断他是否出现过即可。
这样子复杂度容易说明是正确的,即
你可能会看到题解区里给出了另一种神秘的不需要判断一个 pair 是否出现过的方法,但是我们这里先 skip 这个东西,将会在后面进行讨论。
wait,先别急着学习
事实上我们将要讨论的东西和 【模板】
并且事实上在这里和
批注:
注意!这里我们建出的图不一定有
|V|=\mathcal{O}(n) ,而往往是|V|=\mathcal{O}(\operatorname{poly}(n)) ,所以直接暴力建出整张图然后跑最短路的做法我们认为是不可以接受的!
考虑上面那个问题:我们将一个 pair
事实上你会惊讶地发现:其实刚才这个算法和我们最开始提出的算法是等价的!
对于任意一条边
批注:
这其实是这张图特殊的部分:建出来的图是一张 DAG(并且是根据
dis 确定拓扑序的 DAG)。对于一般图,我们根据 Dijkstra 算法取出堆的节点顺序也可以将图定向成一个 DAG(即按
dis 定向),我们称其为 最短路 DAG。批注:
当然由于他是一个 DAG,所以你可以直接 Toposort 用
\mathcal{O}(|V|) 复杂度(视|V| 和|E| 同级)求出所有节点的dis ,不过我们上面提到了|V|=\mathcal{O}(\operatorname{poly}(n)) ,所以这并不比我们跑 Dijkstra 然后到达k 个节点就直接break
要优秀(因为这样复杂度是\mathcal{O}(k\log{n}) ,如果认为出边个数是\mathcal{O}(1) 的话)。
这样子,我们就将上面这个问题转换成了这一种「
考虑这样一个问题:
给出
n 个单调不降的序列\{a_{1,l_1}\},\{a_{2,l_2}\},\cdots,\{a_{n,l_n}\} ,你需要在每一个序列中恰好选取一个数,我们定义一种选取方案的价值是选的数之和,求前k 小的价值。
为啥不行嘞??
因为你 check
一个节点是否出现过的复杂度爆炸了,并且空间复杂度也爆炸了。
该问题会在 Shopping Plans 部分的 Part 2 部分给出解答。
那个做法大抵是说:我再往 pair 里塞一个 tag
换句话说,我将
为啥这样子是对的??
从两点来说明:
这样子不会有取出状态的重复 or 遗漏。
因为我们前面有状态重复的原因是我可能先移动了第一行的,又移动了第二行的;或者我先移动了第二行的,又移动了第一行的,而在这里后者情况不会发生,因为第一行操作必然在第二行之前。
或者形式化的,我们也可以考虑构造一个状态
操作序列
状态
那么我们这里的状态只可能由一种操作序列生成,并且必然会被生成,所以不会有重复。
这样子肯定不会落掉前
首先根据第一点,我们不会有状态丢失。
在这里我们再重新回过头去看那个
存在负权边。因为我们实质上是在跑一个 Dijkstra,如果有负权边我们就似了。
那么有没有呢?显然是没有的。因为我们仍然有
这样子我们就严谨的说明了这一做法的正确性。
在这里我们直接指出这种通用方法的本质:对于一个状态
构成一棵外向树。
外向树的根节点是最优状态(即
不能存在某个状态不在该树上。
我们需要有
批注:
需要注意的是:这里的
\ge 不一定是比较大小,而可能是题目要求的一种偏序关系,可能表示成不优于会更为准确。
而我们就是在对这个外向树去跑一个 Dijkstra。
但其实因为这个图有很好的性质,所以我们也不太算是去跑 Dijkstra,而基本上是在从上往下对着这棵树进行了一次遍历。
因为这一个性质,所以我们不需要判断一个节点是否有被重复经过(因为其必然只会被取出一次)(还会有一些其他优点),也就保证了复杂度为
回顾上面那个做法:
我们证明的第一点就是这里的「构成外向树」和「不存在某个状态不在该树上」(对应着根节点到一个节点的路径唯一)。
而第二点其实就是要满足
Luogu P2048 超级钢琴。
给定一个序列
\{a_n\} 和正整数k,L,R ,我们定义一个区间[l,r] 的权值为\sum\limits_{i=l}^r a_i 。称一个区间
[l,r] 是合法的当且仅当L\le r-l+1\le R 。求权值前
k 小的合法区间。
将一个区间的权值刻画为前缀和:
则对于一个
则我们去考虑记录状态为一个二元组:
这时候,我们要引入「决策」的定义:
那么我们的一个「状态」就可以视作是若干个「决策」的集合。
在本题中,我们的一个状态
而一个「决策」显然是有明确的权值定义的(在本题中就是
则我们令一个状态的定义就是其包含的所有决策中的最小权值。
接下来考虑构造
实际上我们画出转移树,其实一个外向树森林(每个
批注:
我们不妨建一个超级源点连向所有外向树的根,超级源点的权值可以视作所有根的最小权值,这样子也就符合上面的理论了。
关于其正确性说明:对应上面的
因为对于两个状态
则前者说明了建出来的必然是一个 DAG。
后者进一步说明了不会出现
或者从另一个角度来看:我们惊讶地发现,其实我们建出来的图恰恰是由
那么得到算法流程:
取出堆中的最优状态
找到其得到其最小权值的取值点
得到两个新的状态
由于
我们注意到在上面这个问题中我们又引入了一个「决策」的定义,这在我们最开始提出的理论和序列合并的问题当中是不存在的,这是什么原因??
实际上在序列合并的问题中,我们令一个
而显然在这些决策中
根据这一点,我们需要再将该做法成立的条件加上第
设状态
并且对于任意
满足上面两个条件的转移函数
Luogu P6646 Shopping Plans。
给定
n 个物品和两个正整数m,k ,每个物品有一个权值c_i ,我们定义一个集合S 的权值是\sum\limits_{x\in S}c_x ,称一个集合是合法的当且仅当|S|=m 。求权值前
k 小的集合,输出其权值。
先将物品按权值从小到大排序。
我们认为一个决策就是题目里一个合法的集合
则一个状态
则该状态对应的最优决策显然就是
我们考虑从右往左依次去移动指针。记
从这个状态考虑去构造转移函数:
连边
进一步地,我们发现其实我们完全没有必要记录
批注:
注意!可能这里叫「压缩」不是很准确!
因为我们不一定只有一个
(i,j) ,但是每个(i,j) 对应的实际状态肯定都是不同的。或者说可能我在这里仅仅只是在 pair 里面少保存了一些无用信息以优化空间复杂度。
而如果真把这个当作一个全新的状态定义,然后按转移函数连边
(i,j)\to (i-1,x) 然后做 Dijkstra,那就错完了!因为如果真要这样子搞,建出来的图显然不是一棵外向树!我们仍然是在对最开始的树进行 Dijkstra,只不过是一个节点的信息变少了(正因为他是一棵树我们才可以这样做),而下面也将这个节点(状态)简记成他所要保留的信息。
所以我们取出一个状态
由于
虽然我们得到了
考虑慢在了哪里:
考虑优化:注意到我们的转移大概是这样子:
我们将所有儿子按权值大小排序,断掉除了最小的儿子到父亲的边,然后再依次将儿子们之间连边,像这样:
显然我们这样子建图后的转移仍然是符合要求的,而这样子我们将
实际上这就是所谓的「多叉树转二叉树」(或者可能和「前缀优化建图」差不多?)。
在原问题中表现出来就是原来转移是一口气挪到,现在是一步一步挪过去。
形式上,我们改
给定
n 个物品和两个正整数l,r,k ,每个物品有一个权值c_i ,我们定义一个集合S 的权值是\sum\limits_{x\in S}c_x ,称一个集合是合法的当且仅当l\le |S|\le r 。求权值前
k 小的集合,输出其权值。
这也就是说集合的大小是不确定的。
事实上处理是简单的。
一个无脑的方法是我初始时把所有
进一步分析,如果我们建一个超级源点连向所有
具体的,我们认为状态
复杂度仍然是
给定
n 个物品,每个物品有种类a_i 和权值c_i 。你需要对于每个种类恰好选择一个物品,一种选取方案的权值是选取物品权值之和。
求权值前
k 小的方案,输出其权值。
做法和 Part 1 整体思想大差不差。
将相同种类的物品丢到同一行,将同一行按
首先最优状态肯定是每一行都选最小的那个数;考虑转移那么我们就要将每一行的指针向后挪,记
这里大概意思就是令
注意到我们在这里并不关心
这样子
考虑优化,我们对
对于
对于
这里给出最终的转移(我们定义
具体推导留给读者。
这样子我们将这个 Part 做到了
有
n 个物品,每个物品有种类a_i 和权值c_i 。对于第
i 类物品,必须选取[l_i,r_i] 个物品。求出权值前
k 的方案对应的权值。
我们发现:其实 Part 1 Extend 就是
我们基于 Part 1 Extend 和 Part 2 给出该题的完整做法。
我们将第
这样子我们会得到一个全新的矩阵,我们对着这个东西做 Part 2 即可。
更具体地,我们将每一行看作一个独立的「问题」,我们对于每个「问题」去封装一个「黑盒」,我喂给这个「黑盒」一个数
我们用 Part 2 的算法去跑这个问题,就是要对于每一行快速获知其第
复杂度均摊是
给出代码可能会清晰很多:
#include<bits/stdc++.h>
//#pragma GCC optimize(3,"Ofast","inline")
#define int long long
#define i128 __int128
#define ll long long
#define ull unsigned long long
#define ld double
#define PII pair<int,int>
#define INF 0x3f3f3f3f
#define INFLL 0x3f3f3f3f3f3f3f3f
#define chkmax(a,b) a=max(a,b)
#define chkmin(a,b) a=min(a,b)
#define rep(k,l,r) for(int k=l;k<=r;++k)
#define per(k,r,l) for(int k=r;k>=l;--k)
#define cl(f,x) memset(f,x,sizeof(f))
#define pcnt(x) __builtin_popcount(x)
#define lg(x) (31-__builtin_clz(x))
using namespace std;
void file_IO() {
// system("fc .out .ans");
freopen(".in","r",stdin);
freopen(".out","w",stdout);
}
bool M1;
const int N=2e5+5;
struct solve_line {
struct node {
int x,y,z,val;
bool operator < (const node &tmp) const {
return val>tmp.val;
}
};
priority_queue<node> heap;
vector<int> vec,ans;
int l,r,k;
void ins(int x) {
vec.push_back(x);
}
int get(int p) {
if(p<(int)ans.size())
return ans[p];
while(p>=(int)ans.size()) {
if(heap.empty())
return INFLL;
node tmp=heap.top(); heap.pop();
int x=tmp.x,y=tmp.y,z=tmp.z,val=tmp.val;
ans.push_back(val);
if(y>=0&&y+1<=z)
heap.push({x,y+1,z,val+vec[y+1]-vec[y]});
if(x>=0&&x+1<=y-1)
heap.push({x-1,x+1,y-1,val+vec[x+1]-vec[x]});
if(z==(int)vec.size()-1&&x+1==y&&y+1<r)
heap.push({x+1,y+1,z,val+vec[y+1]});
}
return ans[p];
}
void init() {
sort(vec.begin(),vec.end());
if((int)vec.size()<l) {
ans.push_back(INFLL);
return;
}
int tot=0;
rep(i,0,l-1)
tot+=vec[i];
chkmin(r,(int)vec.size());
heap.push({l-2,l-1,(int)vec.size()-1,tot});
}
}; solve_line a[N];
struct node {
int val,x,y;
bool operator < (const node &tmp) const {
return val>tmp.val;
}
};
int p[N];
void solve() {
int n,m,k;
scanf("%lld%lld%lld",&n,&m,&k);
while(n--) {
int x,y;
scanf("%lld%lld",&x,&y);
a[x].ins(y);
}
int tot=0;
rep(i,1,m) {
p[i]=a[i].k=i;
scanf("%lld%lld",&a[i].l,&a[i].r);
a[i].init();
int val=a[i].get(0);
if(val>=INFLL) {
while(k--)
puts("-1");
return;
}
tot+=val;
}
printf("%lld\n",tot);
sort(p+1,p+m+1,[](const int &x,const int &y) {
return a[x].get(1)-a[x].get(0)<a[y].get(1)-a[y].get(0);
});
priority_queue<node> heap;
heap.push({tot+a[p[1]].get(1)-a[p[1]].get(0),1,1});
while(--k) {
node tmp=heap.top(); heap.pop();
int ans=tmp.val,x=tmp.x,y=tmp.y;
if(ans>=INFLL) {
puts("-1");
continue;
}
printf("%lld\n",ans);
heap.push({ans+a[p[x]].get(y+1)-a[p[x]].get(y),x,y+1});
if(x+1<=m)
heap.push({ans+a[p[x+1]].get(1)-a[p[x+1]].get(0),x+1,1});
if(x+1<=m&&y==1)
heap.push({ans-(a[p[x]].get(1)-a[p[x]].get(0))+a[p[x+1]].get(1)-a[p[x+1]].get(0),x+1,1});
}
}
bool M2;
signed main() {
// file_IO();
int testcase=1;
//scanf("%d",&testcase);
while(testcase--)
solve();
fprintf(stderr,"used time = %ldms\n",1000*clock()/CLOCKS_PER_SEC);
fprintf(stderr,"used memory = %lldMB\n",(&M2-&M1)/1024/1024);
return 0;
}
需要注意的是,代码一些状态定义可能会和上面说的有一些细小区别(包括一些 corner case 的处理,还有每一行的下标从