分治FFT&&多项式求逆学习笔记

分治FFT:

解决的是形似以下的问题:

给定n次多项式\(g(x)\),求多项式\(f(x)\),其中\(f\)的第\(i\)项系数的表达式为\(\sum f_{j}\times g_{i-j}\)

解法:

不难发现式子也是卷积的形式,但是与普通多项式乘法不一样的是,每一项的系数依赖前面的项的系数,使得普通的FFT无法起作用。

考虑分治,将区间\([l,r]\)分为\([l,mid],[mid+1,r]\)两个区间计算,计算完\([l,mid]\)中的多项式的系数之后,可以很方便的将\([l,mid]\)\([mid+1,r]\)的贡献给算出来,贡献的计算同上面的递推式。

由于贡献的计算也需要依赖前面的系数,所以分治时的进程是:
divide(l,mid);
calc([l,mid]->[mid+1,r]);
divide(mid+1,r);

不难发现每个点之前的部分会被拆成若干个区间累加到这个位置上,所以正确性显而易见。

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 * Author : ylsoi
 * Time : 2019.1.29
 * Problem : luogu4721
 * E-mail : [email protected]
 * ====================================*/
#include<bits/stdc++.h>

#define REP(i,a,b) for(int i=a,i##_end_=b;i<=i##_end_;++i)
#define DREP(i,a,b) for(int i=a,i##_end_=b;i>=i##_end_;--i)
#define debug(x) cout<<#x<<"="<<x<<" "
#define fi first
#define se second
#define mk make_pair
#define pb push_back
typedef long long ll;

using namespace std;

void File(){
    freopen("luogu4721.in","r",stdin);
    freopen("luogu4721.out","w",stdout);
}

template<typename T>void read(T &_){
    _=0; T fl=1; char ch=getchar();
    for(;!isdigit(ch);ch=getchar())if(ch=='-')fl=-1;
    for(;isdigit(ch);ch=getchar())_=(_<<1)+(_<<3)+(ch^'0');
    _*=fl;
}

const int maxn=1e5+10;
const int mod=998244353;

ll qpow(ll x,ll y){
    ll ret=1; x%=mod;
    while(y){
        if(y&1)ret=ret*x%mod;
        x=x*x%mod;
        y>>=1;
    }
    return ret;
}

struct ksslbh{
    int lim,cnt,dn[maxn<<2];
    ll g[maxn<<2],ig[maxn<<2];
    void ntt(ll *A,int ty){
        REP(i,0,lim-1)if(i<dn[i])swap(A[i],A[dn[i]]);
        for(int len=1;len<lim;len<<=1){
            ll w= ty==1 ? g[len<<1] : ig[len<<1];
            for(int L=0;L<lim;L+=len<<1){
                ll wk=1;
                REP(i,L,L+len-1){
                    ll u=A[i],v=A[i+len]*wk%mod;
                    A[i]=(u+v)%mod;
                    A[i+len]=(u-v)%mod;
                    wk=wk*w%mod;
                }
            }
        }
    }
    void work(int n,int m,ll *a,ll *b){
        lim=1,cnt=0;
        while(lim<=n+m)lim<<=1,++cnt;
        if(!cnt)cnt=1;
        REP(i,0,lim){
            dn[i]=dn[i>>1]>>1|((i&1)<<(cnt-1));
            if(i>n)a[i]=0;
            if(i>m)b[i]=0;
        }
        g[lim]=qpow(3,(mod-1)/lim);
        ig[lim]=qpow(g[lim],mod-2);
        for(int i=lim>>1;i;i>>=1){
            g[i]=g[i<<1]*g[i<<1]%mod;
            ig[i]=ig[i<<1]*ig[i<<1]%mod;
        }
        ntt(a,1),ntt(b,1);
        REP(i,0,lim-1)a[i]=a[i]*b[i]%mod;
        ntt(a,-1);
        ll inv=qpow(lim,mod-2);
        REP(i,0,lim-1)a[i]=a[i]*inv%mod;
    }
}T;

int n;
ll f[maxn<<2],g[maxn<<2],a[maxn<<2],b[maxn<<2];

void divide(int l,int r){
    if(l==r)return;
    int mid=(l+r)>>1;
    divide(l,mid);
    int nn=mid-l,mm=r-l-1;
    //nn means the pows of f/a
    //mm means the pows of g/b
    REP(i,0,nn)a[i]=f[l+i];
    REP(i,0,mm)b[i]=g[i+1];
    T.work(nn,mm,a,b);
    REP(i,mid+1,r)f[i]=(f[i]+a[i-1-l])%mod;
    divide(mid+1,r);
}

int main(){
    //File();
    read(n);
    REP(i,1,n-1)read(g[i]);
    f[0]=1;
    divide(0,n);
    REP(i,0,n-1)printf("%lld ",(f[i]+mod)%mod);
    return 0;
}

多项式求逆:

对于一个多项式\(A(x)\),找到一个多项式\(A^{-1}(x)\),使得\(A(x)\times A^{-1}(x)\)只有常数项的系数为1,其余项的系数全部为0,那么我们称\(A^{-1}(x)\)为多项式\(A(x)\)的逆。

当常数项存在逆元的时候,利用递推的方法去求解多项式的逆,不难发现所得的多项式是一个无限项的级数,所以我们一般只取前面\(n-1\)次,即对\(x^n\)取模。

暴力求法:

从低次依次向高次递推,每次求解\(n\)次项的系数\(a_n\)时,将前\(n\)项带入,所得的和需为\(0\),直接解出来即可。

优化:

观察上面的递推过程,不难发现后面的项求解需要用到前面的项的信息,利用分治FFT可以优化到\(n\log^2n\)

更加优秀的解法:

直接一项一项地递推显然太浪费时间,考虑利用倍增的思想来利用前面的项推出后面的项。

假设我们现在得到了前\(\frac{n}{2}\)项的系数,那么我们就要想办法得出前\(n\)项的系数。

假设前\(\frac{n}{2}\)项的多项式为\(B(x)\),最终的多项式为\(A^{-1}(x)\),那么我们可以得到
\[ A^{-1}(x)-B(x)\equiv 0 \mod x^{\frac{n}{2}} \]
为了使模数提升至\(x^{n}\),可以将等式两边平方得:
\[ (A^{-1}(x)-B(x))^2\equiv 0 \mod x^{n} \]
考虑证明这一步,任意一个\(i (i < n)\)次项的系数的拆分必定有一个数\(< \frac{n}{2}\),而任意\(< \frac{n}{2}\)次项的系数都为0,所以\(i (i<n)\)次项的系数都为\(0\)

同时注意这种变化只有在等号右边等于\(0\)时才成立,这也是为什么要拿两式相减的理由。

然后将平方项拆开:
\[ A^{-2}(x)-2\times A^{-1}(x)\times B(x)+B^{2}(x)\equiv 0 \mod x^n\\ \]
两边同时乘以\(A(x)\)
\[ A^{-1}(x)-2\times B(x)+A(x)\times B^2(x)\equiv 0 \mod x^n\\ A^{-1}(x)\equiv 2\times B(x)-A(x)\times B^{2}(x) \mod x^n\\ \]
然后我们就成功地得到了在模\(x^n\)意义下的多项式\(A^{-1}(x)\)

具体实现:

考虑递归实现上述过程。

实现过程中,理论上\(A(x)\)\(B(x)\)项数都很多,但为了保证复杂度,\(A(x)\)每次取对计算有贡献的前\(n\)项,而\(B(x)\)原本是在模\(x^\frac{n}{2}\)意义下的多项式,只取前\(\frac{n}{2}\)项即可,所以最后乘出来的多项式为\(2n\)次的,时间复杂度满足\(T(n)=n\log n+T(\frac{n}{2})\)

所以最终时间复杂度为\(n\log n\)


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 * Author : ylsoi
 * Time : 2019.2.2
 * Problem : luogu4238
 * E-mail : [email protected]
 * ====================================*/
#include<bits/stdc++.h>

#define REP(i,a,b) for(int i=a,i##_end_=b;i<=i##_end_;++i)
#define DREP(i,a,b) for(int i=a,i##_end_=b;i>=i##_end_;--i)
#define debug(x) cout<<#x<<"="<<x<<" "
#define fi first
#define se second
#define mk make_pair
#define pb push_back
typedef long long ll;

using namespace std;

void File(){
    freopen("luogu4238.in","r",stdin);
    freopen("luogu4238.out","w",stdout);
}

template<typename T>void read(T &_){
    _=0; T fl=1; char ch=getchar();
    for(;!isdigit(ch);ch=getchar())if(ch=='-')fl=-1;
    for(;isdigit(ch);ch=getchar())_=(_<<1)+(_<<3)+(ch^'0');
    _*=fl;
}

const int maxn=1e5+10;
const int mod=998244353;

int lim,cnt,dn[maxn<<2];
ll g[maxn<<2],ig[maxn<<2];

ll qpow(ll x,ll y){
    ll ret=1; x%=mod;
    while(y){
        if(y&1)ret=ret*x%mod;
        x=x*x%mod;
        y>>=1;
    }
    return ret;
}

void ntt(ll *A,int ty){
    REP(i,0,lim-1)if(i<dn[i])swap(A[i],A[dn[i]]);
    for(int len=1;len<lim;len<<=1){
        ll w= ty==1 ? g[len<<1] : ig[len<<1];
        for(int L=0;L<lim;L+=len<<1){
            ll wk=1;
            REP(i,L,L+len-1){
                ll u=A[i],v=A[i+len]*wk%mod;
                A[i]=(u+v)%mod;
                A[i+len]=(u-v)%mod;
                wk=wk*w%mod;
            }
        }
    }
}

int n;
ll f[maxn<<2],a[maxn<<2],b[maxn<<2];

void init(){
    read(n);
    REP(i,0,n-1)read(f[i]);
    lim=1;
    while(lim<=n+n)lim<<=1;
    g[lim]=qpow(3,(mod-1)/lim);
    ig[lim]=qpow(g[lim],mod-2);
    for(int i=lim>>1;i;i>>=1){
        g[i]=g[i<<1]*g[i<<1]%mod;
        ig[i]=ig[i<<1]*ig[i<<1]%mod;
    }
}

void poly_inv(int k){
    if(k==1){
        b[0]=qpow(f[0],mod-2);
        return;
    }
    poly_inv((k+1)>>1);
    lim=1,cnt=0;
    while(lim<=k+k)lim<<=1,++cnt;
    if(!cnt)cnt=1;
    REP(i,0,lim-1)dn[i]=dn[i>>1]>>1|((i&1)<<(cnt-1));
    REP(i,0,k-1)a[i]=f[i];
    REP(i,k,lim-1)a[i]=0;
    ntt(a,1),ntt(b,1);
    REP(i,0,lim-1)b[i]=b[i]*(2ll-a[i]*b[i]%mod)%mod;
    ntt(b,-1);
    ll inv=qpow(lim,mod-2);
    REP(i,0,k-1)b[i]=b[i]*inv%mod;
    REP(i,k,lim)b[i]=0;
}

int main(){
    File();
    init();
    poly_inv(n);
    REP(i,0,n-1)printf("%lld ",(b[i]%mod+mod)%mod);
    return 0;
}

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