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  • 「JSOI2018」机器人

    在本题当中为了方便,我们将坐标范围改至 \((0 \sim n - 1, 0 \sim m - 1)\),行走即可视作任意一维在模意义下 \(+1\).

    同时,注意到一个位置只能经过一次,则可以令 \(a_{x, y}\)\((x, y)\) 这个位置往外走是向下还是向,方便考察。

    首先考虑这个问题的方案数,此类网格图行走的问题一般需要考察对角线的特殊性质。

    • 观察 1\(\forall (x, y)\),若 \(a_{(x - 1) \bmod n, y} \ne a_{x, (y - 1) \bmod m}\),则要么 \((x, y)\) 被经过了两次,要么没有被经过。

    • 推论 1:\(\forall a, x, y, a_{x, y} = a_{(x + a) \bmod n, (y - a) \bmod m}\)

    考察推论 1 的组合表示,相当于将整个网格图分为了若干个组,每个组由若干条完整的副对角线构成,每组内 \(a\) 相同,很自然地我们可以进一步考虑每个组对角线的构成。

    将网格图往左右不断复制延伸,考察一下此时 \((0, 0)\) 所在组内副对角线的在第一行的开头位置构成的集合。

    不难发现即为 \(nx(x \in \mathbb{N})\),对应到原网格图内就是 \(nx \bmod m(x \in \mathbb{N})\) 的值。

    根据裴蜀定理,这个值一定是 \(dx(d = (n, m), 0 \le x < \frac{m}{d})\),因此可以知道 \((0, 0)\) 所在组的对角线集合就是从 \(x + y = 0\) 开始每 \(d\) 个间距分布的对角线。

    推广到所有组,发现第 \(i\) 组就是 \(x + y = i + dx(0 \le x < \frac{n + m}{d})\).

    因此这个问题只需要确定 \(x + y = 0 \sim d - 1\)\(d\) 条对角线上是如何走的即可确定全图是怎么走的,也即确定前 \(d\) 步是怎么走的。

    考虑前 \(d\) 步怎么走是合法的,当且仅当第一次遇到走过的点在恰好走了 \(nm\) 步以后。

    首先我们发现:对于某条对角线上的点 \(x + y = k\) 一定要恰好走 \(n + m(d \mid (n + m))\) 步以后才能再次回到这条对角线,在此期间,一定走了若干次完整的周期,则:

    • 观察 2:第一次走到一个重复点时一定恰好走完了若干个整周期。

    • 观察 3:同一周期内,决定第一次走到重复点时刻的与周期内走的顺序无关,只与周期内往下 / 往右走的次数有关。

    假设一个周期内往下走了 \(a\) 步,则根据裴蜀定理,在第一维走回来需要 \(\frac{n}{(n, a)}d\) 步,第二维类似地需要 \(\frac{m}{(m, d - a)}d\) 步,因此第一次走回来的时刻为:\(\mathrm{lcm}\left(\frac{n}{(n, a)}, \frac{m}{(m, d - a)}\right)d\),我们需要满足:

    \[\mathrm{lcm}\left(\frac{n}{(n, a)}, \frac{m}{(m, d - a)}\right)d = nm \Longleftrightarrow \mathrm{lcm}\left(\frac{n}{(n, a)}, \frac{m}{(m, d - a)}\right) = \mathrm{lcm}(n, m) \]

    对此,我们考察 \(n, m\) 所包含的每个质因子 \(p\),令 \(\alpha_1 = \max_{p ^ i \mid n} i, \alpha_2 = \max_{p ^ i \mid m} i\)

    1. \(\min(\alpha_1, \alpha_2) = 0\).

    \(p \mid (n, a)\)\(\alpha_1 > 0\),可知等式左侧一定比右侧少了至少一个因子 \(p\),故 \(p \nmid (n, a)\),同理 \(p \nmid (m, d - a)\).

    1. \(\min(\alpha_1, \alpha_2) > 0\)

    \(p \mid d\),若 \(p \mid (n, a)\)\(p \mid a \Rightarrow p \mid (m, d - a)\) 故左侧两项均除去了至少一个 \(p\),一定比右式至少少了一个 \(p\).

    同理可得 \(p \nmid (m, d - a)\)

    综上,\(\forall p \mid n \lor p \mid m\) 总有 \(p \nmid (n, a), p \nmid (m, d - a)\) 故有上式成立的必要条件 \((n, a) = (m, d - a) = 1\)

    而这显然也是充分条件,因此所有的方案数即:\(\sum\limits_{a} ^ d \binom{d}{a}[(n, a) = (m, d - a) = 1]\),考虑回到原问题。

    首先枚举合法的 \(a\),对于每个 \((x, y)(x \le a, y \le d - a)\),其如果在第一周期走的路径内那么所有周期当中第 \(x + y + 1\) 步的位置都将随之确定,因此也可以确定这些位置当中最靠前的障碍的位置是在第几步,记作 \(w_{x, y}\).

    于是有一个简单 \(\rm dp\),记 \(f_{i, j, k}\) 为第一周期当中,确定了前 \(i + j\) 步的走法,第 \(i + j\) 步在 \((i, j)\) 当前走到的所有位置中 \(w\) 的最小值为 \(k\) 的方案,转移显然,复杂度 \(\mathcal{O}(Tn ^ 5)\).

    通过一定的常数优化已经可以通过了,但本题存在更优的解法。

    既然是周期性移动,那么自然可以将碰到障碍的步数分解为:第几周期 + 第一周期内的第几步。

    枚举最终碰到障碍步数在第 \(t\) 周期,求出 \(f_{i, j}\) 考虑完第一周期的前 \(i + j\) 步,第 \(i + j\) 步在 \((i, j)\),走到的每一个位置的 \(w\) 都至少在在第 \(t + 1\) 周期之后的方案,以及 \(g_{i, j}\) 为确定了第 \(i + j + 1 \sim d\) 步(走到 \((a, d - a)\))第 \(i + j + 1\) 前位置为 \((i, j)\),路径上的每个位置的 \(w\) 至少在第 \(t\) 周期之后的方案。

    枚举在哪个位置第一次碰到障碍,利用 \(f, g\) 合并即可,复杂度 \(\mathcal{O}(Tn ^ 4)\).

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