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  • 生成函数(母函数)入门详解

    本文章从以上两位大佬的博客参考而来!再次感谢!

    母函数,又称生成函数,是ACM竞赛中经常使用的一种解题算法,常用来解决组合方面的题目。

    在数学中,某个序列的母函数(Generating function,又称生成函数)是一种形式幂级数,其每一项的系数可以提供

    关于这个序列的信息。使用母函数解决问题的方法称为母函数方法。

    母函数可分为很多种,包括普通母函数指数母函数、L级数、贝尔级数和狄利克雷级数。对每个序列都可以写出以

    上每个类型的一个母函数。构造母函数的目的一般是为了解决某个特定的问题,因此选用何种母函数视乎序列本身的

    特性和问题的类型。

    这里先给出两句话

    1.“把组合问题的加法法则和幂级数的乘幂对应起来”

    2.“母函数的思想很简单 — 就是把离散数列和幂级数一 一对应起来,把离散数列间的相互结合关系对应成为幂级数间的

    运算关系,最后由幂级数形式来确定离散数列的构造. “

    我们首先来看下这个多项式乘法:

    母函数图(1)

    由此可以看出:

    1.x的系数是a1,a2,…an 的单个组合的全体。

    2. x^2的系数是a1,a2,…a2的两个组合的全体。

    ………

    n. x^n的系数是a1,a2,….an的n个组合的全体(只有1个)。

    进一步得到:

    母函数图(2)

    母函数的定义

    对于序列a0,a1,a2,…构造一函数:

    母函数图(3)

    称函数G(x)是序列a0,a1,a2,…的母函数。

    第一种:

    有1克、2克、3克、4克的砝码各一枚,能称出哪几种重量?每种重量各有几种可能方案?

    考虑用母函数来解决这个问题:

    我们假设x表示砝码,x的指数表示砝码的重量,这样:

    1个1克的砝码可以用函数1+1*x^1表示,

    1个2克的砝码可以用函数1+1*x^2表示,

    1个3克的砝码可以用函数1+1*x^3表示,

    1个4克的砝码可以用函数1+1*x^4表示,

    上面这四个式子懂吗?

    我们拿1+x^2来说,前面已经说过,x表示砝码,x的指数表示砝码的重量!初始状态时,这里就是一个质量为2的砝码。

    那么前面的1表示什么?按照上面的理解,1其实应该写为:1*x^0,即1代表重量为2的砝码数量为0个。

    所以这里1+1*x^2 = 1*x^0 + 1*x^2,即表示2克的砝码有两种状态,不取或取,不取则为1*x^0,取则为1*x^2

    不知道大家理解没,我们这里结合前面那句话:

    “把组合问题的加法法则和幂级数的乘幂对应起来“

    接着讨论上面的1+x^2,这里x前面的系数有什么意义?

    这里的系数表示状态数(方案数)

    1+x^2,也就是1*x^0 + 1*x^2,也就是上面说的不取2克砝码,此时有1种状态;或者取2克砝码,此时也有1种状态。(分析!)

    所以,前面说的那句话的意义大家可以理解了吧?

    几种砝码的组合可以称重的情况,可以用以上几个函数的乘积表示:

    (1+x)(1+x^2)(1+x^3)(1+x^4)

    =(1+x+x^2+x^4)(1+x^3+^4+x^7)

    =1 + x + x^2 + 2*x^3 + 2*x^4 + 2*x^5 + 2*x^6 + 2*x^7 + x^8 + x^9 + x^10

    从上面的函数知道:可称出从1克到10克,系数便是方案数。(!!!经典!!!)

    例如右端有2^x^5 项,即称出5克的方案有2种:5=3+2=4+1;同样,6=1+2+3=4+2;10=1+2+3+4。

    故称出6克的方案数有2种,称出10克的方案数有1种 。


    接着上面,接下来是第二种情况:

    第二种:

    求用1分、2分、3分的邮票贴出不同数值的方案数:

    大家把这种情况和第一种比较有何区别?第一种每种是一个,而这里每种是无限的。

    母函数图(4)

    以展开后的x^4为例,其系数为4,即4拆分成1、2、3之和的拆分方案数为4;

    即 :4=1+1+1+1=1+1+2=1+3=2+2

    母函数通常解决类似如下的问题:

    给5张1元,4张2元,3张5元,要得到15元,有多少种组合?

    某些时候会规定至少使用3张1元、1张2元、0张5元。

    某些时候会规定有无数张1元、2元、5元。

    ……

    解题过程

    解题时,首先要写出表达式,通常是多项的乘积,每项由多个x^y组成。如(1+x+x^2)(1+x^4+x^8)(x^5+x^10+x^15)。

    通用表达式为

    (x^(v[0]*n1[0])+x^(v[0]*(n1[0]+1))+x^(v[0]*(n1[0]+2))+...+x^(v[0]*n2[0]))
    (x^(v[1]*n1[1])+x^(v[1]*(n1[1]+1))+x^(v[1]*(n1[1]+2))+...+x^(v[1]*n2[1]))
    ...
    (x^(v[K]*n1[K])+x^(v[K]*(n1[K]+1))+x^(v[K]*(n1[K]+2))+...+x^(v[K]*n2[K]))

    K对应具体问题中物品的种类数。

    v[i]表示该乘积表达式第i个因子的权重,对应于具体问题的每个物品的价值或者权重。

    n1[i]表示该乘积表达式第i个因子的起始系数,对应于具体问题中的每个物品的最少个数,即最少要取多少个。

    n2[i]表示该乘积表达式第i个因子的终止系数,对应于具体问题中的每个物品的最多个数,即最多要取多少个。

    对于表达式(1+x+x^2)(x^8+x^10)(x^5+x^10+x^15+x^20),v[3]={1,2,5},n1[3]={0,4,1},n2[3]={2,5,4}。

    解题的关键是要确定v、n1、n2数组的值。

    通常n1都为0,但有时候不是这样。

    n2有时候是无限大。

    通用模板:

     1 #include<stdio.h>
     2 #include<string.h>
     3 #include<algorithm>
     4 #include<stack>
     5 #include<queue>
     6 #include<iostream>
     7 #include<map>
     8 #include<vector>
     9 #define Inf 0x3f3f3f3f
    10 #define PI acos(-1.0)
    11 using namespace std;
    12 const int MXAN=300+10;
    13 int dp[1234];
    14 int str[1234];
    15 int main()
    16 {
    17     int m,n,i,j,pos;
    18     int a[MXAN];
    19     int b[MXAN];
    20     while(cin>>n&&n)
    21     {
    22         for(int i=0;i<=300;i++)
    23         {
    24             a[i]=1;
    25             b[i]=0;
    26         }
    27         for(int i=2;i<=17;i++)
    28         {
    29             for(int j=0;j<=n;j++)
    30             {
    31                 for(int k=0;k+j<=n;k+=i*i)
    32                 {
    33                     b[k+j]+=a[j];
    34                 }
    35             }
    36             for(int j=0;j<=n;j++)
    37             {
    38                 a[j]=b[j];
    39                 b[j]=0;
    40             }
    41         }
    42         cout<<a[n]<<endl;
    43     }
    44     return 0;
    45 }

    我们来解释下上面标志的各个地方:(***********!!!重点!!!***********)

    ①  、首先对c1初始化,由第一个表达式(1+x+x^2+..x^n)初始化,把质量从0到n的所有砝码都初始化为1.

    ②  、 i从2到n遍历,这里i就是指第i个表达式,上面给出的第二种母函数关系式里,每一个括号括起来的就是一个表达式。

    ③、j 从0到n遍历,这里j就是(前面几个表达式累乘的表达式)里第j个变量,如(1+x)(1+x^2)(1+x^3),j先指示的是1和x的系数,i=2执行完之后变为

    (1+x+x^2+x^3)(1+x^3),这时候j应该指示的是合并后的第一个括号的四个变量的系数。

    ④ 、 k表示的是第j个指数,所以k每次增i(因为第i个表达式的增量是i)。

    ⑤  、把c2的值赋给c1,而把c2初始化为0,因为c2每次是从一个表达式中开始的。

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