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  • 快速沃尔什变换(FWT)快速莫比乌斯变换(FMT)

    虽然一点不懂,但是看着代码短得感人,背过就好了吧。

    [FWT(A) = (FWT(A_0), FWT(A_1 + A_0)) ]

    [IFWT(A) = (IFWT(A_0), IFWT(A_1 - A_0)) ]

    [FWT(A) = (FWT(A_0 + A_1), FWT(A_1)) ]

    [IFWT(A) = (IFWT(A_0 - A_1), IFWT(A_1)) ]

    异或

    [FWT(A) = (FWT(A_0 + A_1), FWT(A_0 - A_1)) ]

    [FWT(A) = (FWT(frac{A_0 + A_1}{2}), FWT(frac{A_0 - A_1}{2})) ]

    代码实现

    记忆

    有些东西不用全靠硬背,可以有技巧地背

    进行或运算,通常数会往大里走,所以较高位的数要加上较低位的数 (雾)

    与 与 或 相反,通常数会往小里走,于是 是较低位的数加上较高位的数 (大雾)

    异或

    有点特殊? 有点像 FFT?那就记成 FFT 的形式就好了吧...

    IFWT

    IFWT 就是把 FWT 给还原一下就好了吧。

    之前某位置加上了一个数,而现在那个数还没变 (大雾),那么就把那个数减掉就好了吧。

    (对于异或)找不到之前那个数?没关系,可以列个方程解出来 (大雾)

    注意!!

    • FWT不用倍长,不用蝴蝶变换

    • FWT里面还是尽量用<=比较安全,只要空间足够就没啥问题。特别注意一点:选取limit时要while (limi <= n)!!这时候一定要小于等于,否则不全!!

    • 其余各项同ntt里面的注意

    补充说明:

    对于或卷积:((FWT:f[] -> f'[]))

    [f'[i]=sum_{j|i=i}f[j] ]

    发现 (f'[i])(i) 的子集的权值和,因此可以做一些子集问题,如:P3175 [HAOI2015]按位或

    子集卷积

    P6097 【模板】子集卷积

    给定(a, b)数组,令:

    [c_k = sum_{i~and~j=0,i~or~j=k}a_i * b_j ]

    即在 (k) 中找到两个互不相交的子集 (i,j),计算 (a_i * b_j) 的总和

    如果不要求互不相交,那么就是个 FWT_OR 的板子题了。如果要求互不相交,那么只需加上限制 (|i| + |j| = |k|)

    于是,我们可以枚举 (|i|,|j|,|k|),然后将所有大小为 (|i|,|j|)(|a_i|,|b_j|) 的总和乘一块加给 (c_k),然后再将 (c) 数组卷回去,即为答案。

    例题:P6570 [NOI Online #3 提高组]优秀子序列(民间数据)(洛谷数据可以被暴力水过,随机数据下本机也可过,但是CCF的评测机太慢,过不去

    例题:P4221 [WC2018]州区划分:自己卷自己的子集卷积。


    7.29 Update:

    从ztb那里学到的一些东西(对快速沃尔什变换的深入理解,后来发现似乎是快速莫比乌斯变换)

    或卷积

    我们定义一个高维前缀和数组:

    [hat f_S = sum_{Tsubseteq S}f_T ]

    我们发现如果这样的卷积符合 或卷积 的性质:

    [hat h_S = sum_{T subseteq S} h_T]

    [=sum_{T subseteq S} sum_{A|B = T} f_Ag_B ]

    [=sum_{A subseteq S} sum_{B subseteq S}f_A g_B ]

    [= hat f_A hat g_B ]

    这样就可以 (O(n)) 乘法了。( (n) 为总状态数,或者说是(2^{|U|}))

    如何求 (hat f(S)) ? 可以使用高维前缀和的方法(for(维度i) for (所有状态S) S += S - i),其中 (S - i) 需要特判。复杂度 (O(nlogn))。因此,如果我们直接枚举 (S)(i) 两边的维度就可以使常数降为 (1/2)

    与卷积

    我们定义一个类高维前缀和数组:

    [hat f_S = sum_{Ssubseteq T}f_T ]

    这个数组符合与卷积的性质:

    [hat h(S) = sum_{S subseteq T} h(T)]

    [=sum_{S subseteq T} sum_{A andB = T} f_Ag_B ]

    [= sum_{T, A, B}f_Ag_B[S subseteq T][A and B = T] ]

    [=sum_{A} sum_{B}f_A g_B[S subseteq A and B] ]

    [=sum_{S subseteq A} sum_{S subseteq B} f_Ag_B ]

    [= hat f_A hat g_B ]

    代码实现就是反过来(0看作1,1看作0)做一遍高维前缀和。

    异或卷积

    这个就用不了 FMT 了。

    我们定义一个根本不是前缀和的辅助数组:

    [hat f_S = sum_{T}(-1)^{|S & T|}f_T ]

    然后艰难地寻找其有关卷积的性质:

    [hat h_S = sum_{T}(-1)^{|S & T|}h_T ]

    [= sum_{T}sum_{A wedge B=T}(-1)^{|S & T|} f_A g_B ]

    [=sum_{A, B}(-1)^{|S & (A wedge B)|}f_Ag_B ]

    看起来推不下去了?仔细观察 (|S & (A wedge B)|) 这个式子,想一想它和 (|S & A| + |S & B|) 的关系。

    考虑按位拆分统计贡献(这显然是可行的),先刨除掉 (S) 没出现的位,考虑剩下的 (S) 出现的位。如果 (a = b),则 (a wedge b = 0),对原式子的贡献是0,对后面的式子的贡献是偶数,因此等效;如果 (a ot= b),则 (a wedge b = 1),对原式子的贡献是1,对后面的式子的贡献同样是1.

    于是我们有了一个惊人的发现:((-1)^{|S & (A wedge B)|} = (-1)^{|S & A| + |S & B|}),于是可以继续推:

    [hat h_S = sum_{A, B}(-1)^{|S & A|} f_A (-1)^{|S & B|} g_B ]

    [=hat f_A hat g_B ]

    这样我们就可以快速推异或卷积了。

    可是这个 (hat f(S)) 怎么搞?总不能再高维前缀和了吧。实际上我们可以模仿 DFT ,分奇偶分组分治讨论。

    一维一维地考虑。初始时(只考虑自己) (hat f(S) = (-1)^{|0 & 0|}f(S) = f(S))。对于当前维度(首位)是0的那一组(左边的那一组),它的值应该是原来的左边对应(hat f) 值(因为(|0S & 0S|=|S|))再加上原来右边对应(hat f) 值(因为(|0S & 1S|=|S|));对于当前维度(首位)是1的那一组(右边),它的值应该是原来负的右边的对应的 (hat f) 值(因为 (|1S & 1S| = |S| + 1),只有右边的和右边的与才会 +1)再加上左边的对应的 (hat f) 值(因为(|1S & 0S|=|S|))。复杂度:(O(nlogn))

    然后是逆变换。实际上还有个式子:

    [f_S = frac{1}{2^n} sum_T (-1)^{|S & T|} hat f_T ]

    也比较好证,展开一下 (hat f_T) ,再交换一下求和号可得:

    [right = 1/2^n sum_{P}f_Psum_{T}(-1)^{|S & T| + |P & T|} ]

    右上角的式子很熟悉,它等于:(|(S wedge P) & T|),于是:

    [right = 1/2^n sum_{P}f_Psum_{T}(-1)^{|(S wedge P) & T|} ]

    关键在于证得:

    [sum_{T subseteq U} (-1)^{|T & Q|} = 2^n[Q=phi] ]

    这是因为只要 (Q) 有一维有数,那么我们就可以摁着这一位,将 (T) 分成有这一位的和没有这一位的,这两类数量相同,且存在奇偶性不同的一一映射关系,然后式子就被消成 0 了。

    然后就什么都好说了,这里就不再证了。

    而这个 (frac{1}{2^n} sum_T (-1)^{|S & T|} hat f_T) 也好算,再来一遍 FWT ,最终除掉 (1/2^n) 即可(或者每层除以一个二也可)

    (其实最简单的方法莫过于干了什么就“撤回”什么,可以直接推得沃尔什逆变换)。

    小结

    • 或:

    [hat f_S = sum_{T subseteq S} f_T ]

    意义:(同高维前缀和)(S) 的所有子集的和。

    • 与:

    [hat f_S = sum_{S subseteq T} f_T ]

    意义:包含 (S) 的所有集合的和。

    • 异或:

    [hat f_S = sum_{T}(-1)^{|S & T|}f_T ]

    意义:?????

    应用

    4589: Hard Nim

    经典Nim游戏(轮流取石子,无法操作者为负)。

    n堆石子满足每堆石子的初始数量是不超过m的质数。

    求先手必败局面数。

    n <= 1e9, m <= 5e4


    最朴素的方法自然是枚举每一种方案,判断其合法不合法。

    [sum_{i=1}^{m}sum_{j=1}^{m}sum_{k=1}^m...(n~sigma)...sum_{l=1}^m[i,j,k,...,l=prime,i~xor~j~xor~k~xor~...~xor~l=0] ]

    复杂度:O((nm^n))

    当只有两个sigma(n=2)的时候是:

    [sum_{i=1}^msum_{j=1}^m[i,j=prime,i~xor~j=0] ]

    [sum_{i~xor~j=0}{[i,j=prime]} ]

    是异或卷积的形式。

    (思维逐渐混乱)


    根据FFT相关计数题目的经验,我们可以用权值数组。即 (a[i]) 表示异或值为 (i) 有多少种情况。然后就可以用FWT了。

    考虑类似快速幂的方法,以快速幂的格式,把 (a[~]) 当作 (x),做多项式快速幂,最终答案就是 (a[0])。复杂度大概(O(m~logm~logn))(有点悬?)

    一想到多项式快速幂,我们就成功的走向了大弯路,甚至复杂度都有点保不住。不要忘记FFT,NTT,FWT都是借助点值表示加速的本质。在转化成点值表示以后,仍支持交换律,结合律等,因此可以直接把每个点值做快速幂。复杂度(O(m~logm~+~m~logn))

    (Code:)

    limi = 1;
    while (limi <= m)	limi <<= 1;
    for (register int i = 0; i <= m; ++i)	A[i] = (!depri[i]);
    FWT_xor(A, 1);
    for (register int i = 0; i <= limi; ++i)	A[i] = quickpow(A[i], n);
    FWT_xor(A, -1);
    printf("%lld
    ", A[0]);
    

    CF662C Binary Table

    先看题解 CF662C 【Binary Table】吧。

    有一个 n 行 m 列的表格,每个元素都是 0/1 ,每次操作可以选择一行或一列,把 0/1 翻转,即把 0 换为 1 ,把 1 换为 0 。请问经过若干次操作后,表格中最少有多少个 1 。

    (n<=20, m<=1e5)


    考虑枚举行翻转情况为State。设一开始第 i 列的情况为 (S_i),则对于每个 (State) 来说,答案为((F_s)表示某一列状态为 (s) 的最大贡献(1个数):

    [sum_{i=1}^m{F_{State~xor~S_i}} ]

    转换枚举对象: 枚举 对行操作后的列状态 X(方便直接使用 (F_X) 统计答案) 和 (S_i) ((Q_s) 表示状态为 (S) 的列有多少个):

    [sum_{X=0}^{2^n}sum_{S = 0}^{2^n}{[State~xor~S = X]F_{X}* Q_{S}} ]

    稍作变换:

    [sum_{X=0}^{2^n}sum_{S = 0}^{2^n}{[State = X~xor~S]F_{X}* Q_{S}} ]

    即:

    [sum_{X~xor~S=State}{F_X * Q_S} ]

    然后预处理出 F 和 Q ,FWT即可。

    练习题

    P3175 [HAOI2015]按位或

    A国的贸易

    FWT模板(调试用)

    inline void FWT_or(ll *a, int type) {
    	for (register int i = 1; i < limi; i <<= 1) {
    		for (register int j = 0; j < limi; j += (i << 1)) {
    			for (register int p = 0; p < i; ++p) {
    				a[i + j + p] = (a[i + j + p] + a[j + p] * type) % P;
    				if (a[i + j + p] < 0)	a[i + j + p] += P;
    			}
    		}
    	}
    }
    
    inline void sol_or() {
    	memcpy(tp1, A, sizeof(A));
    	memcpy(tp2, B, sizeof(B));
    	FWT_or(tp1, 1); FWT_or(tp2, 1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	C[i] = tp1[i] * tp2[i] % P;
    	FWT_or(C, -1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	printf("%lld ", C[i]);
    	puts("");
    }
    
    inline void FWT_and(ll *a, int type) {
    	for (register int i = 1; i < limi; i <<= 1) {
    		for (register int j = 0; j < limi; j += (i << 1)) {
    			for (register int p = 0; p < i; ++p) {
    				a[j + p] = (a[j + p] + a[i + j + p] * type) % P;
    				if (a[j + p] < 0)	a[j + p] += P;
    			}
    		}
    	}
    }
    
    inline void sol_and() {
    	memcpy(tp1, A, sizeof(A));
    	memcpy(tp2, B, sizeof(B));
    	FWT_and(tp1, 1); FWT_and(tp2, 1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	C[i] = tp1[i] * tp2[i] % P;
    	FWT_and(C, -1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	printf("%lld ", C[i]);
    	puts("");
    }
    
    inline void FWT_xor(ll *a, int type) {
    	for (register int i = 1; i < limi; i <<= 1) {
    		for (register int j = 0; j < limi; j += (i << 1)) {
    			for (register int p = 0; p < i; ++p) {
    				ll nx = a[j + p], ny = a[i + j + p];
    				a[j + p] = (nx + ny) % P;
    				a[i + j + p] = (nx - ny + P) % P;
    				if (type == -1) {
    					a[j + p] = a[j + p] * inv2 % P;
    					a[i + j + p] = a[i + j + p] * inv2 % P;
    				}
    			}
    		}
    	}
    }
    
    inline void sol_xor() {
    	memcpy(tp1, A, sizeof(A));
    	memcpy(tp2, B, sizeof(B));
    	FWT_xor(tp1, 1); FWT_xor(tp2, 1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	C[i] = tp1[i] * tp2[i] % P;
    	FWT_xor(C, -1);
    	for (register int i = 0; i < limi; ++i)	printf("%lld ", C[i]);
    	puts("");
    }
    
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