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  • 浅谈满足四边形不等式的序列划分问题的答案凸性

    原论文

    (Monge 大概就是满足四边形不等式的意思……)

    一切还要从某位毒瘤把邮局加强到 (5 imes 10^5) 还自己不会证明说起

    感谢 gcz、rushcheyo 和 300iq 帮助我找到了这篇轮文


    首先定义“满足四边形不等式的序列划分问题”:

    给出 (n,k) 和一个 ((n+1) imes (n+1)) 的矩阵 (c_{i,j}),你需要给出一个长度为 (k+1) 的序列 (p_0 = 0 < p_1 < p_2 < ldots < p_{k-1} < p_k = n),定义该序列的价值为 (sumlimits_{i=1}^k c_{p_{i-1},p_i})。你需要求出所有合法的序列的最小价值。

    其中特殊性质是矩阵 (c) 满足四边形不等式,即 (forall i < j leq k < l,c_{i,k} + c_{j,l} leq c_{i,l} + c_{j,k})

    先给出结论:设当 (k=p(p in [1,n-1])) 时答案为 (f(p))(f'(p)(p in [2,n-1]) = f(p-1) - f(p)),则 (f'(p)) 单调不增,即 (forall q in [3,n-1],f'(q) leq f'(q-1))


    为此我们需要证明以下结论:

    • (forall 1 leq s < r < t leq n-1)(f(r) + f(s + t - r) leq f(s) + f(t))

    Proof.

    设序列 (P)(f(s)) 对应的最优解,序列 (Q)(f(t)) 对应的最优解,(Delta = r - s)。根据鸽巢原理可知存在 (x in [0,s-1]) 满足 (P_x < Q_{x+Delta} < Q_{x + Delta + 1} leq P_{x+1})。此时考虑两个序列 (R = {P_0,P_1, ldots, P_x,Q_{x + Delta + 1},ldots,Q_t} , S = {Q_0,Q_1,ldots,Q_{x + Delta},P_{x+1},ldots,P_s})。显然 (R)(S) 分别是 (k=s+t-r)(k=r) 的一组合法解。

    设某个序列 (X) 的权值为 (w(X)),那么 (w(R)+w(S)-w(P)-w(Q) = c_{P_x,Q_{x+Delta+1}}+c_{Q_{x+Delta},P_{x+1}}-(c_{P_x,P_{x+1}}+c_{Q_{x+Delta},Q_{x+Delta+1}}))

    而根据四边形不等式上式 (leq 0),同时 (f(r) + f(s+t-r) leq w(R)+w(S)),故 (f(r) + f(s+t-r) leq f(s) + f(t)),结论成立。


    使用以上结论有 (f(x) + f(x) leq f(x-1)+f(x+1)),即 (f(x-1)-f(x) geq f(x)-f(x + 1)),即 (f'(x) geq f'(x+1)),故结论成立。

    这意味着答案对于段数是一个下凸的函数,可以使用斜率凸优化等技巧优化。

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