算法竞赛模板

本文最后更新于:2021年5月28日 凌晨

一、基础

1. 二分

具有单调性的一组数据

1.1. 整数二分查找

//有序的两种属性A,B
while(L < R){	//左边界的右端点
	int mid = L + R + 1 >> 1;
	if(check(...)) L = mid;
  else R = mid - 1;
}

while(L < R){	//右边界的左端点
  int mid = L + R >> 1;
  if(check(...)) R = mid;
  else L = mid + 1;
}

1.2. 实数二分查找

//求根
while(L - R > 1e-6){	//精度1e-4(多取两位)
	double mid = (L + R) / 2;
  if(check(...)) L = mid;
  else R = mid;
}

2.离散化

vector<int> alls;                // 存储所有待离散化的值
sort(alls.begin(), alls.end());  // 将所有值排序
alls.erase(unique(alls.begin(), alls.end()), alls.end());  // 去掉重复元素

// 二分求出x对应的离散化的值
// 找到第一个大于等于x的位置
int find(int x) {
  int l = 0, r = alls.size() - 1;
  while (l < r) {
    int mid = l + r >> 1;
    if (alls[mid] >= x)
      r = mid;
    else
      l = mid + 1;
  }
  return r + 1;  // 映射到1, 2, ...n
}

3.区间合并

// 将所有存在交集的区间合并
void merge(vector<PII> &segs) {
  vector<PII> res;

  sort(segs.begin(), segs.end());

  int st = -2e9, ed = -2e9;
  for (auto seg : segs)
    if (ed < seg.first) {
      if (st != -2e9) res.push_back({st, ed});
      st = seg.first, ed = seg.second;
    } else
      ed = max(ed, seg.second);

  if (st != -2e9) res.push_back({st, ed});

  segs = res;
}

4.排序

4.1 快速排序

void qs(int l, int r) {
  if (l >= r) return;
  int x = a[l + r >> 1];
  int i = l - 1, j = r + 1;
  while (i < j) {
    while (a[++i] < x);
    while (a[--j] > x);
    if (i < j) swap(a[i], a[j]);
  }
  qs(l, j);
  qs(j + 1, r);
}

4.2 归并排序

void ms(int l, int r) {
  if (l >= r) return;
  int mid = l + r >> 1;
  ms(l, mid);
  ms(mid + 1, r);
  int i = l, j = mid + 1, k = l;
  while (i <= mid && j <= r)
    tmp[k++] = a[i] < a[j] ? a[i++] : a[j++];
  while (i <= mid) tmp[k++] = a[i++];
  while (j <= r) tmp[k++] = a[j++];
  for (int i = l; i <= r; ++i) a[i] = tmp[i];
}

4.3 堆排序

#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 1e5 + 10;

int h[N], cnt, n, m;

void down(int u) {
  int t = u, uu = u << 1;
  if (uu <= cnt && h[uu] < h[t]) t = uu;
  if (uu +1 <= cnt && h[uu + 1] < h[t]) t = uu + 1;
  if (t != u) {
    swap(h[t], h[u]);
    down(t);
  }
}

int main(){
  cin >> n >> m;
  for (int i = 1; i <= n; ++i) scanf("%d", &h[i]);
  cnt = n;
  for (int i = n >> 1; i ; --i) down(i);
  
  while (m--) {
    printf("%d ", h[1]);
    h[1] = h[cnt--];
    down(1);
  }
  return 0;
}

5. 高精度

5.1 高精度加法

// C = A + B, A >= 0, B >= 0
vector<int> add(vector<int> &A, vector<int> &B)
{
    if (A.size() < B.size()) return add(B, A);

    vector<int> C;
    int t = 0;
    for (int i = 0; i < A.size(); i ++ )
    {
        t += A[i];
        if (i < B.size()) t += B[i];
        C.push_back(t % 10);
        t /= 10;
    }

    if (t) C.push_back(t);
    return C;
}

5.2 高精度减法

// C = A - B, 满足A >= B, A >= 0, B >= 0
vector<int> sub(vector<int> &A, vector<int> &B)
{
    vector<int> C;
    for (int i = 0, t = 0; i < A.size(); i ++ )
    {
        t = A[i] - t;
        if (i < B.size()) t -= B[i];
        C.push_back((t + 10) % 10);
        if (t < 0) t = 1;
        else t = 0;
    }

    while (C.size() > 1 && C.back() == 0) C.pop_back();
    return C;
}

5.3 高精度乘低精度

// A / b = C ... r, A >= 0, b > 0
vector<int> div(vector<int> &A, int b, int &r)
{
    vector<int> C;
    r = 0;
    for (int i = A.size() - 1; i >= 0; i -- )
    {
        r = r * 10 + A[i];
        C.push_back(r / b);
        r %= b;
    }
    reverse(C.begin(), C.end());
    while (C.size() > 1 && C.back() == 0) C.pop_back();
    return C;
}

5.4 高精度乘高精度

vector<int> mul( vector<int> &A, vector<int> &B) {
    int la = A.size(),lb = B.size();
    vector<int> C(la+lb+10,0);//提前申请结果所需的空间
    for(int i=0;i<la;i++){
        for(int j=0;j<lb;j++){
            C[i+j] += A[i] * B[j];
        }
    }
    for(int i=0;i<C.size();i++){
        if(C[i] >= 10){
            C[i + 1] += C[i] / 10;
            C[i] %= 10;
        }
    }
    //处理前导0
    while(C.size() > 1 && C.back() == 0)C.pop_back();
    return C;
}

5.5 高精度除高精度

vector<int> div(vector<int> A,vector<int> B){
    int la = A.size(),lb = B.size();
    int dv = la - lb; // 相差位数
    vector<int> C(dv+1,0);//提前申请结果所需空间
    //将除数扩大,使得除数和被除数位数相等
    reverse(B.begin(),B.end());
    for(int i=0;i<dv;i++)B.push_back(0);
    reverse(B.begin(),B.end());
    lb = la;
    for(int j=0;j<=dv;j++){
        while(!cmp(A,B)){//这里用到一个比较函数,cmp返回的是A是否比B小,此处判断的是A是否大于等于B,该循环当A无法再进行减法时结束
            A = sub(A,B);
            C[dv-j]++;//答案里相应的那一位数字++
        }
        B.erase(B.begin());//缩小被除数
    }
    while(C.size()>1 && C.back() == 0)C.pop_back();
    return C;
}

模板只提供了正整数的运算,对于含有负整数的运算,只需要进行合理的转换即可,见下表

A B + - * /
+ + $\left A \right +\left B \right
+ - $\left A \right -\left B \right
- + $\left B \right -\left A \right
- - $-(\left A \right +\left B \right

二、数据结构

2.1 单链表

// head存储链表头,e[]存储节点的值,ne[]存储节点的next指针,idx表示当前用到了哪个节点
int head, e[N], ne[N], idx;

// 初始化
void init()
{
    head = -1;
    idx = 0;
}

// 在链表头插入一个数a
void insert(int a)
{
    e[idx] = a, ne[idx] = head, head = idx ++ ;
}

// 将头结点删除,需要保证头结点存在
void remove()
{
    head = ne[head];
}

2.2 双链表

// e[]表示节点的值,l[]表示节点的左指针,r[]表示节点的右指针,idx表示当前用到了哪个节点
int e[N], l[N], r[N], idx;

// 初始化
void init()
{
    //0是左端点,1是右端点
    r[0] = 1, l[1] = 0;
    idx = 2;
}

// 在节点a的右边插入一个数x
void insert(int a, int x)
{
    e[idx] = x;
    l[idx] = a, r[idx] = r[a];
    l[r[a]] = idx, r[a] = idx ++ ;
}

// 删除节点a
void remove(int a)
{
    l[r[a]] = l[a];
    r[l[a]] = r[a];
}

2.3 栈

// tt表示栈顶
int stk[N], tt = 0;

// 向栈顶插入一个数
stk[ ++ tt] = x;

// 从栈顶弹出一个数
tt -- ;

// 栈顶的值
stk[tt];

// 判断栈是否为空
if (tt > 0)
{

}

2.4 队列

// hh 表示队头,tt表示队尾
int q[N], hh = 0, tt = -1;

// 向队尾插入一个数
q[ ++ tt] = x;

// 从队头弹出一个数
hh ++ ;

// 队头的值
q[hh];

// 判断队列是否为空
if (hh <= tt)
{

}

2.5 循环队列

// hh 表示队头,tt表示队尾的后一个位置
int q[N], hh = 0, tt = 0;

// 向队尾插入一个数
q[tt ++ ] = x;
if (tt == N) tt = 0;

// 从队头弹出一个数
hh ++ ;
if (hh == N) hh = 0;

// 队头的值
q[hh];

// 判断队列是否为空
if (hh != tt)
{

}

2.6 单调栈

常见模型:找出每个数左边离它最近的比它大/小的数
int tt = 0;
for (int i = 1; i <= n; i ++ )
{
    while (tt && check(stk[tt], i)) tt -- ;
    stk[ ++ tt] = i;
}

2.7 单调队列

常见模型:找出滑动窗口中的最大值/最小值
int hh = 0, tt = -1;
for (int i = 0; i < n; i ++ )
{
    while (hh <= tt && check_out(q[hh])) hh ++ ;  // 判断队头是否滑出窗口
    while (hh <= tt && check(q[tt], i)) tt -- ;
    q[ ++ tt] = i;
}

2.8 KMP

// s[]是长文本,p[]是模式串,n是s的长度,m是p的长度
求模式串的Next数组:
for (int i = 2, j = 0; i <= m; i ++ )
{
    while (j && p[i] != p[j + 1]) j = ne[j];
    if (p[i] == p[j + 1]) j ++ ;
    ne[i] = j;
}

// 匹配
for (int i = 1, j = 0; i <= n; i ++ )
{
    while (j && s[i] != p[j + 1]) j = ne[j];
    if (s[i] == p[j + 1]) j ++ ;
    if (j == m)
    {
        j = ne[j];
        // 匹配成功后的逻辑
    }
}

2.9 Trie树

int son[N][26], cnt[N], idx;
// 0号点既是根节点,又是空节点
// son[][]存储树中每个节点的子节点
// cnt[]存储以每个节点结尾的单词数量

// 插入一个字符串
void insert(char *str)
{
    int p = 0;
    for (int i = 0; str[i]; i ++ )
    {
        int u = str[i] - 'a';
        if (!son[p][u]) son[p][u] = ++ idx;
        p = son[p][u];
    }
    cnt[p] ++ ;
}

// 查询字符串出现的次数
int query(char *str)
{
    int p = 0;
    for (int i = 0; str[i]; i ++ )
    {
        int u = str[i] - 'a';
        if (!son[p][u]) return 0;
        p = son[p][u];
    }
    return cnt[p];
}

2.10 并查集

(1)朴素并查集:

    int p[N]; //存储每个点的祖宗节点

    // 返回x的祖宗节点
    int find(int x)
    {
        if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
        return p[x];
    }

    // 初始化,假定节点编号是1~n
    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;

    // 合并a和b所在的两个集合:
    p[find(a)] = find(b);


(2)维护size的并查集:

    int p[N], size[N];
    //p[]存储每个点的祖宗节点, size[]只有祖宗节点的有意义,表示祖宗节点所在集合中的点的数量

    // 返回x的祖宗节点
    int find(int x)
    {
        if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
        return p[x];
    }

    // 初始化,假定节点编号是1~n
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        p[i] = i;
        size[i] = 1;
    }

    // 合并a和b所在的两个集合:
    size[find(b)] += size[find(a)];
    p[find(a)] = find(b);


(3)维护到祖宗节点距离的并查集:

    int p[N], d[N];
    //p[]存储每个点的祖宗节点, d[x]存储x到p[x]的距离

    // 返回x的祖宗节点
    int find(int x)
    {
        if (p[x] != x)
        {
            int u = find(p[x]);
            d[x] += d[p[x]];
            p[x] = u;
        }
        return p[x];
    }

    // 初始化,假定节点编号是1~n
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        p[i] = i;
        d[i] = 0;
    }

    // 合并a和b所在的两个集合:
    p[find(a)] = find(b);
    d[find(a)] = distance; // 根据具体问题,初始化find(a)的偏移量

2.11 堆

// h[N]存储堆中的值, h[1]是堆顶,x的左儿子是2x, 右儿子是2x + 1
// ph[k]存储第k个插入的点在堆中的位置
// hp[k]存储堆中下标是k的点是第几个插入的
int h[N], ph[N], hp[N], size;

// 交换两个点,及其映射关系
void heap_swap(int a, int b)
{
    swap(ph[hp[a]],ph[hp[b]]);
    swap(hp[a], hp[b]);
    swap(h[a], h[b]);
}

void down(int u)
{
    int t = u;
    if (u * 2 <= size && h[u * 2] < h[t]) t = u * 2;
    if (u * 2 + 1 <= size && h[u * 2 + 1] < h[t]) t = u * 2 + 1;
    if (u != t)
    {
        heap_swap(u, t);
        down(t);
    }
}

void up(int u)
{
    while (u / 2 && h[u] < h[u / 2])
    {
        heap_swap(u, u / 2);
        u >>= 1;
    }
}

// O(n)建堆
for (int i = n / 2; i; i -- ) down(i);

2.12 STL

vector, 变长数组,倍增的思想
    size()  返回元素个数
    empty()  返回是否为空
    clear()  清空
    front()/back()
    push_back()/pop_back()
    begin()/end()
    []
    支持比较运算,按字典序

pair<int, int>
    first, 第一个元素
    second, 第二个元素
    支持比较运算,以first为第一关键字,以second为第二关键字(字典序)

string,字符串
    size()/length()  返回字符串长度
    empty()
    clear()
    substr(起始下标,(子串长度))  返回子串
    c_str()  返回字符串所在字符数组的起始地址

queue, 队列
    size()
    empty()
    push()  向队尾插入一个元素
    front()  返回队头元素
    back()  返回队尾元素
    pop()  弹出队头元素

priority_queue, 优先队列,默认是大根堆
    size()
    empty()
    push()  插入一个元素
    top()  返回堆顶元素
    pop()  弹出堆顶元素
    定义成小根堆的方式:priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;

stack,size()
    empty()
    push()  向栈顶插入一个元素
    top()  返回栈顶元素
    pop()  弹出栈顶元素

deque, 双端队列
    size()
    empty()
    clear()
    front()/back()
    push_back()/pop_back()
    push_front()/pop_front()
    begin()/end()
    []

set, map, multiset, multimap, 基于平衡二叉树(红黑树),动态维护有序序列
    size()
    empty()
    clear()
    begin()/end()
    ++, -- 返回前驱和后继,时间复杂度 O(logn)

    set/multiset
        insert()  插入一个数
        find()  查找一个数
        count()  返回某一个数的个数
        erase()
            (1) 输入是一个数x,删除所有x   O(k + logn)
            (2) 输入一个迭代器,删除这个迭代器
        lower_bound()/upper_bound()
            lower_bound(x)  返回大于等于x的最小的数的迭代器
            upper_bound(x)  返回大于x的最小的数的迭代器
    map/multimap
        insert()  插入的数是一个pair
        erase()  输入的参数是pair或者迭代器
        find()
        []  注意multimap不支持此操作。 时间复杂度是 O(logn)
        lower_bound()/upper_bound()

unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, unordered_multimap, 哈希表
    和上面类似,增删改查的时间复杂度是 O(1)
    不支持 lower_bound()/upper_bound(), 迭代器的++--

bitset, 圧位
    bitset<10000> s;
    ~, &, |, ^
    >>, <<
    ==, !=
    []

    count()  返回有多少个1

    any()  判断是否至少有一个1
    none()  判断是否全为0

    set()  把所有位置成1
    set(k, v)  将第k位变成v
    reset()  把所有位变成0
    flip()  等价于~
    flip(k) 把第k位取反

三、数论

1. 素数打表

埃氏筛

//在primes中值为true的是合数 
bool primes[MAXN] = {1, 1, 0};

void eraSieve(int n){
	for(int i = 2; i * i < n; ++i)
		if(!primes[i])							//i为素数
			for(int j = i * i; j <= n; j += i)	//标记i的倍数为合数
				primes[j] = 1;
}
-------
int primes[N], cnt;     // primes[]存储所有素数
bool st[N];         // st[x]存储x是否被筛掉

void get_primes(int n)
{
    for (int i = 2; i <= n; i ++ )
    {
        if (st[i]) continue;
        primes[cnt ++ ] = i;
        for (int j = i + i; j <= n; j += i)
            st[j] = true;
    }
}

欧拉筛

int primes[MAXN];		//0~N内的素数集合 

void eulerSieve(int n){
	int sum = 0;		//已经找到的素数的数量 
	bool flag[MAXN] = {false};		//标记是否为合数  
	for(int i = 2; i <= n; ++i){
		if(!flag[i])
			primes[sum++] = i;
		for(int j = 0; i * primes[j] <= n; ++j){
			flag[i * primes[j]] = true;		//标记素数的倍数为合数 
			if(i % primes[j] == 0) break;	//primes[j]同时是i和i*primes[j]的最小质因数 
		}
	}
}
--------
int primes[N], cnt;     // primes[]存储所有素数
bool st[N];         // st[x]存储x是否被筛掉

void get_primes(int n)
{
    for (int i = 2; i <= n; i ++ )
    {
        if (!st[i]) primes[cnt ++ ] = i;
        for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
        {
            st[primes[j] * i] = true;
            if (i % primes[j] == 0) break;
        }
    }
}

2. 试除法分解质因数

void divide(int x)
{
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            int s = 0;
            while (x % i == 0) x /= i, s ++ ;
            cout << i << ' ' << s << endl;
        }
    if (x > 1) cout << x << ' ' << 1 << endl;
    cout << endl;
}

3.试除法求所有约数

vector<int> get_divisors(int x)
{
    vector<int> res;
    for (int i = 1; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            res.push_back(i);
            if (i != x / i) res.push_back(x / i);
        }
    sort(res.begin(), res.end());
    return res;
}

4. 约数个数、约束之和

如果 N = p1^c1 * p2^c2 * ... *pk^ck
约数个数: (c1 + 1) * (c2 + 1) * ... * (ck + 1)
约数之和: (p1^0 + p1^1 + ... + p1^c1) * ... * (pk^0 + pk^1 + ... + pk^ck)

5. 欧几里得

int gcd(int a, int b)
{
    return b ? gcd(b, a % b) : a;
}

int lcm(int a, int b)
{
    return a * b / gcd(a, b);
}

6. 欧拉函数

6.1 公式法

//欧拉函数公式:euler(x) = x * (1 - 1 / p1)...(1 - 1 / pn)    p为x的质因数 
int Euler(int n){
     int ans = n;  
     for(int i = 2; i * i <= n; ++i){  
         if(n % i == 0){  
             ans = ans / i * (i - 1);//先进行除法是为了防止中间数据的溢出   
             while(n % i == 0) n /= i;  
         }  
     }  
     if(n > 1) ans = ans / n * (n - 1);  
     return ans;  
}

-------
  
int phi(int x)
{
    int res = x;
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            res = res / i * (i - 1);
            while (x % i == 0) x /= i;
        }
    if (x > 1) res = res / x * (x - 1);

    return res;
}

6.2 打表法

void Euler(){
	euler[1] = 1;
	for(int i = 2; i < MAXN; ++i)
		euler[i] = i;
	for(int i = 2; i < MAXN; ++i)
		if(euler[i] == i)
			for(int j = i; j < MAXN; j += i)
				euler[j] = euler[j] / i * (i - 1);
}

-------
  
int primes[N], cnt;     // primes[]存储所有素数
int euler[N];           // 存储每个数的欧拉函数
bool st[N];         // st[x]存储x是否被筛掉


void get_eulers(int n)
{
    euler[1] = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i ++ )
    {
        if (!st[i])
        {
            primes[cnt ++ ] = i;
            euler[i] = i - 1;
        }
        for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
        {
            int t = primes[j] * i;
            st[t] = true;
            if (i % primes[j] == 0)
            {
                euler[t] = euler[i] * primes[j];
                break;
            }
            euler[t] = euler[i] * (primes[j] - 1);
        }
    }
}

7. 快速幂

求 m^k mod p,时间复杂度 O(logk)int qmi(int m, int k, int p)
{
    int res = 1 % p, t = m;
    while (k)
    {
        if (k&1) res = res * t % p;
        t = t * t % p;
        k >>= 1;
    }
    return res;
}

8. 扩展欧几里得

// 求x, y,使得ax + by = gcd(a, b)
int exgcd(int a, int b, int &x, int &y)
{
    if (!b)
    {
        x = 1; y = 0;
        return a;
    }
    int d = exgcd(b, a % b, y, x);
    y -= (a/b) * x;
    return d;
}

9. 高斯消元

// a[N][N]是增广矩阵
int gauss()
{
    int c, r;
    for (c = 0, r = 0; c < n; c ++ )
    {
        int t = r;
        for (int i = r; i < n; i ++ )   // 找到绝对值最大的行
            if (fabs(a[i][c]) > fabs(a[t][c]))
                t = i;

        if (fabs(a[t][c]) < eps) continue;

        for (int i = c; i <= n; i ++ ) swap(a[t][i], a[r][i]);      // 将绝对值最大的行换到最顶端
        for (int i = n; i >= c; i -- ) a[r][i] /= a[r][c];      // 将当前行的首位变成1
        for (int i = r + 1; i < n; i ++ )       // 用当前行将下面所有的列消成0
            if (fabs(a[i][c]) > eps)
                for (int j = n; j >= c; j -- )
                    a[i][j] -= a[r][j] * a[i][c];

        r ++ ;
    }

    if (r < n)
    {
        for (int i = r; i < n; i ++ )
            if (fabs(a[i][n]) > eps)
                return 2; // 无解
        return 1; // 有无穷多组解
    }

    for (int i = n - 1; i >= 0; i -- )
        for (int j = i + 1; j < n; j ++ )
            a[i][n] -= a[i][j] * a[j][n];

    return 0; // 有唯一解
}

10. 递归求组合数

// c[a][b] 表示从a个苹果中选b个的方案数
for (int i = 0; i < N; i ++ )
    for (int j = 0; j <= i; j ++ )
        if (!j) c[i][j] = 1;
        else c[i][j] = (c[i - 1][j] + c[i - 1][j - 1]) % mod;

11. 通过预处理逆元的方式求组合数

首先预处理出所有阶乘取模的余数fact[N],以及所有阶乘取模的逆元infact[N]
如果取模的数是质数,可以用费马小定理求逆元
int qmi(int a, int k, int p)    // 快速幂模板
{
    int res = 1;
    while (k)
    {
        if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
        a = (LL)a * a % p;
        k >>= 1;
    }
    return res;
}

// 预处理阶乘的余数和阶乘逆元的余数
fact[0] = infact[0] = 1;
for (int i = 1; i < N; i ++ )
{
    fact[i] = (LL)fact[i - 1] * i % mod;
    infact[i] = (LL)infact[i - 1] * qmi(i, mod - 2, mod) % mod;
}

12. Lucas定理

若p是质数,则对于任意整数 1 <= m <= n,有:
    C(n, m) = C(n % p, m % p) * C(n / p, m / p) (mod p)

int qmi(int a, int k, int p)  // 快速幂模板
{
    int res = 1 % p;
    while (k)
    {
        if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
        a = (LL)a * a % p;
        k >>= 1;
    }
    return res;
}

int C(int a, int b, int p)  // 通过定理求组合数C(a, b)
{
    if (a < b) return 0;

    LL x = 1, y = 1;  // x是分子,y是分母
    for (int i = a, j = 1; j <= b; i --, j ++ )
    {
        x = (LL)x * i % p;
        y = (LL) y * j % p;
    }

    return x * (LL)qmi(y, p - 2, p) % p;
}

int lucas(LL a, LL b, int p)
{
    if (a < p && b < p) return C(a, b, p);
    return (LL)C(a % p, b % p, p) * lucas(a / p, b / p, p) % p;
}

13. 分解质因数求组合数

当我们需要求出组合数的真实值,而非对某个数的余数时,分解质因数的方式比较好用:
    1. 筛法求出范围内的所有质数
    2. 通过 C(a, b) = a! / b! / (a - b)! 这个公式求出每个质因子的次数。 n! 中p的次数是 n / p + n / p^2 + n / p^3 + ...
    3. 用高精度乘法将所有质因子相乘

int primes[N], cnt;     // 存储所有质数
int sum[N];     // 存储每个质数的次数
bool st[N];     // 存储每个数是否已被筛掉


void get_primes(int n)      // 线性筛法求素数
{
    for (int i = 2; i <= n; i ++ )
    {
        if (!st[i]) primes[cnt ++ ] = i;
        for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
        {
            st[primes[j] * i] = true;
            if (i % primes[j] == 0) break;
        }
    }
}


int get(int n, int p)       // 求n!中的次数
{
    int res = 0;
    while (n)
    {
        res += n / p;
        n /= p;
    }
    return res;
}


vector<int> mul(vector<int> a, int b)       // 高精度乘低精度模板
{
    vector<int> c;
    int t = 0;
    for (int i = 0; i < a.size(); i ++ )
    {
        t += a[i] * b;
        c.push_back(t % 10);
        t /= 10;
    }

    while (t)
    {
        c.push_back(t % 10);
        t /= 10;
    }

    return c;
}

get_primes(a);  // 预处理范围内的所有质数

for (int i = 0; i < cnt; i ++ )     // 求每个质因数的次数
{
    int p = primes[i];
    sum[i] = get(a, p) - get(b, p) - get(a - b, p);
}

vector<int> res;
res.push_back(1);

for (int i = 0; i < cnt; i ++ )     // 用高精度乘法将所有质因子相乘
    for (int j = 0; j < sum[i]; j ++ )
        res = mul(res, primes[i]);

14. 卡特兰数

给定n个0和n个1,它们按照某种顺序排成长度为2n的序列,满足任意前缀中0的个数都不少于1的个数的序列的数量为: Cat(n) = C(2n, n) / (n + 1)

15. NIM游戏

给定N堆物品,第i堆物品有Ai个。两名玩家轮流行动,每次可以任选一堆,取走任意多个物品,可把一堆取光,但不能不取。取走最后一件物品者获胜。两人都采取最优策略,问先手是否必胜。

我们把这种游戏称为NIM博弈。把游戏过程中面临的状态称为局面。整局游戏第一个行动的称为先手,第二个行动的称为后手。若在某一局面下无论采取何种行动,都会输掉游戏,则称该局面必败。
所谓采取最优策略是指,若在某一局面下存在某种行动,使得行动后对面面临必败局面,则优先采取该行动。同时,这样的局面被称为必胜。我们讨论的博弈问题一般都只考虑理想情况,即两人均无失误,都采取最优策略行动时游戏的结果。
NIM博弈不存在平局,只有先手必胜和先手必败两种情况。

定理: NIM博弈先手必胜,当且仅当 A1 ^ A2 ^ … ^ An != 0


公平组合游戏ICG

若一个游戏满足:

  1. 由两名玩家交替行动;
  2. 在游戏进程的任意时刻,可以执行的合法行动与轮到哪名玩家无关;
  3. 不能行动的玩家判负;

则称该游戏为一个公平组合游戏。
NIM博弈属于公平组合游戏,但城建的棋类游戏,比如围棋,就不是公平组合游戏。因为围棋交战双方分别只能落黑子和白子,胜负判定也比较复杂,不满足条件2和条件3。


有向图游戏

给定一个有向无环图,图中有一个唯一的起点,在起点上放有一枚棋子。两名玩家交替地把这枚棋子沿有向边进行移动,每次可以移动一步,无法移动者判负。该游戏被称为有向图游戏。
任何一个公平组合游戏都可以转化为有向图游戏。具体方法是,把每个局面看成图中的一个节点,并且从每个局面向沿着合法行动能够到达的下一个局面连有向边。


Mex运算

设S表示一个非负整数集合。定义mex(S)为求出不属于集合S的最小非负整数的运算,即:
mex(S) = min{x}, x属于自然数,且x不属于S


SG函数

在有向图游戏中,对于每个节点x,设从x出发共有k条有向边,分别到达节点y1, y2, …, yk,定义SG(x)为x的后继节点y1, y2, …, yk 的SG函数值构成的集合再执行mex(S)运算的结果,即:
SG(x) = mex({SG(y1), SG(y2), …, SG(yk)})
特别地,整个有向图游戏G的SG函数值被定义为有向图游戏起点s的SG函数值,即SG(G) = SG(s)。


有向图游戏的和

在有向图游戏中,对于每个节点x,设从x出发共有k条有向边,分别到达节点y1, y2, …, yk,定义SG(x)为x的后继节点y1, y2, …, yk 的SG函数值构成的集合再执行mex(S)运算的结果,即:
SG(x) = mex({SG(y1), SG(y2), …, SG(yk)})
特别地,整个有向图游戏G的SG函数值被定义为有向图游戏起点s的SG函数值,即SG(G) = SG(s)。


定理

有向图游戏的某个局面必胜,当且仅当该局面对应节点的SG函数值大于0。
有向图游戏的某个局面必败,当且仅当该局面对应节点的SG函数值等于0。

四、图论

1. 链式前向星

//存储结构 
struct Edge{
	int to;		//边的终点 
	int w;		//边的起点 
	int next;	//同起点的下一条边 
}edge[M]; 		//M为边的最大数,N为点的 
int cnt;		//使用cnt来计数 
int head[N];	//存储点,用来索引每个点下边的分布 

//初始化 
cnt = 0;		//计数0 
memset(head, -1, sizeof(head));	//head为存储点,将head的值设为-1 

//添加边 
void addEdge(int u, int v, int w){	//u v w 分别表示起点 终点 权值 
	edge[cnt].to = v;		//记录终点 
	edge[cnt].w = w;		//记录权值 
	edge[cnt].next = head[u];	//将构造好的边放进对应的head 
	head[u] = cnt++;	//	更新head和cnt 
} 

//遍历以u为起点的每一条边 
for(int i = head[u]; ~i; i = edge[i].next){
	int to = edge[i].to;
	int w = edge[i].w; 
} 

-------
  
// 对于每个点k,开一个单链表,存储k所有可以走到的点。h[k]存储这个单链表的头结点
int h[N], e[N], ne[N], idx;

// 添加一条边a->b
void add(int a, int b)
{
    e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx ++ ;
}

// 初始化
idx = 0;
memset(h, -1, sizeof h);

2. dfs

int dfs(int u)
{
    st[u] = true; // st[u] 表示点u已经被遍历过

    for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!st[j]) dfs(j);
    }
}

3. bfs

queue<int> q;
st[1] = true; // 表示1号点已经被遍历过
q.push(1);

while (q.size())
{
    int t = q.front();
    q.pop();

    for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!st[j])
        {
            st[j] = true; // 表示点j已经被遍历过
            q.push(j);
        }
    }
}

4. 拓扑排序

bool topsort()
{
    int hh = 0, tt = -1;

    // d[i] 存储点i的入度
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (!d[i])
            q[ ++ tt] = i;

    while (hh <= tt)
    {
        int t = q[hh ++ ];

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (-- d[j] == 0)
                q[ ++ tt] = j;
        }
    }

    // 如果所有点都入队了,说明存在拓扑序列;否则不存在拓扑序列。
    return tt == n - 1;
}

5.最短路

5.1 Dijkstra(朴素)

int g[N][N];  // 存储每条边
int dist[N];  // 存储1号点到每个点的最短距离
bool st[N];   // 存储每个点的最短路是否已经确定

// 求1号点到n号点的最短路,如果不存在则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )
    {
        int t = -1;     // 在还未确定最短路的点中,寻找距离最小的点
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        // 用t更新其他点的距离
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            dist[j] = min(dist[j], dist[t] + g[t][j]);

        st[t] = true;
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

5.2 Dijkstra(堆优化)

typedef pair<int, int> PII;

int n;      // 点的数量
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储所有点到1号点的距离
bool st[N];     // 存储每个点的最短距离是否已确定

// 求1号点到n号点的最短距离,如果不存在,则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;
    priority_queue<PII, vector<PII>, greater<PII>> heap;
    heap.push({0, 1});      // first存储距离,second存储节点编号

    while (heap.size())
    {
        auto t = heap.top();
        heap.pop();

        int ver = t.second, distance = t.first;

        if (st[ver]) continue;
        st[ver] = true;

        for (int i = h[ver]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > distance + w[i])
            {
                dist[j] = distance + w[i];
                heap.push({dist[j], j});
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

5.3 Bellman-Ford

int n, m;       // n表示点数,m表示边数
int dist[N];        // dist[x]存储1到x的最短路距离

struct Edge     // 边,a表示出点,b表示入点,w表示边的权重
{
    int a, b, w;
}edges[M];

// 求1到n的最短路距离,如果无法从1走到n,则返回-1。
int bellman_ford()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    // 如果第n次迭代仍然会松弛三角不等式,就说明存在一条长度是n+1的最短路径,由抽屉原理,路径中至少存在两个相同的点,说明图中存在负权回路。
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        for (int j = 0; j < m; j ++ )
        {
            int a = edges[j].a, b = edges[j].b, w = edges[j].w;
            if (dist[b] > dist[a] + w)
                dist[b] = dist[a] + w;
        }
    }

    if (dist[n] > 0x3f3f3f3f / 2) return -1;
    return dist[n];
}

5.4 SPFA

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储每个点到1号点的最短距离
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 求1号点到n号点的最短路距离,如果从1号点无法走到n号点则返回-1
int spfa()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    queue<int> q;
    q.push(1);
    st[1] = true;

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                if (!st[j])     // 如果队列中已存在j,则不需要将j重复插入
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

5.5 SPFA判断负环

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N], cnt[N];        // dist[x]存储1号点到x的最短距离,cnt[x]存储1到x的最短路中经过的点数
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 如果存在负环,则返回true,否则返回false。
bool spfa()
{
    // 不需要初始化dist数组
    // 原理:如果某条最短路径上有n个点(除了自己),那么加上自己之后一共有n+1个点,由抽屉原理一定有两个点相同,所以存在环。

    queue<int> q;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        q.push(i);
        st[i] = true;
    }

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                cnt[j] = cnt[t] + 1;
                if (cnt[j] >= n) return true;       // 如果从1号点到x的最短路中包含至少n个点(不包括自己),则说明存在环
                if (!st[j])
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    return false;
}

5.6 Floyd

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N], cnt[N];        // dist[x]存储1号点到x的最短距离,cnt[x]存储1到x的最短路中经过的点数
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 如果存在负环,则返回true,否则返回false。
bool spfa()
{
    // 不需要初始化dist数组
    // 原理:如果某条最短路径上有n个点(除了自己),那么加上自己之后一共有n+1个点,由抽屉原理一定有两个点相同,所以存在环。

    queue<int> q;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        q.push(i);
        st[i] = true;
    }

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                cnt[j] = cnt[t] + 1;
                if (cnt[j] >= n) return true;       // 如果从1号点到x的最短路中包含至少n个点(不包括自己),则说明存在环
                if (!st[j])
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    return false;
}

5.7 朴素prim

int n;      // n表示点数
int g[N][N];        // 邻接矩阵,存储所有边
int dist[N];        // 存储其他点到当前最小生成树的距离
bool st[N];     // 存储每个点是否已经在生成树中


// 如果图不连通,则返回INF(值是0x3f3f3f3f), 否则返回最小生成树的树边权重之和
int prim()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);

    int res = 0;
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        int t = -1;
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        if (i && dist[t] == INF) return INF;

        if (i) res += dist[t];
        st[t] = true;

        for (int j = 1; j <= n; j ++ ) dist[j] = min(dist[j], g[t][j]);
    }

    return res;
}

5.8 Kruskal

int n, m;       // n是点数,m是边数
int p[N];       // 并查集的父节点数组

struct Edge     // 存储边
{
    int a, b, w;

    bool operator< (const Edge &W)const
    {
        return w < W.w;
    }
}edges[M];

int find(int x)     // 并查集核心操作
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

int kruskal()
{
    sort(edges, edges + m);

    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;    // 初始化并查集

    int res = 0, cnt = 0;
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a = edges[i].a, b = edges[i].b, w = edges[i].w;

        a = find(a), b = find(b);
        if (a != b)     // 如果两个连通块不连通,则将这两个连通块合并
        {
            p[a] = b;
            res += w;
            cnt ++ ;
        }
    }

    if (cnt < n - 1) return INF;
    return res;
}

5.9 染色法判别二分图

int n;      // n表示点数
int h[N], e[M], ne[M], idx;     // 邻接表存储图
int color[N];       // 表示每个点的颜色,-1表示未染色,0表示白色,1表示黑色

// 参数:u表示当前节点,c表示当前点的颜色
bool dfs(int u, int c)
{
    color[u] = c;
    for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (color[j] == -1)
        {
            if (!dfs(j, !c)) return false;
        }
        else if (color[j] == c) return false;
    }

    return true;
}

bool check()
{
    memset(color, -1, sizeof color);
    bool flag = true;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (color[i] == -1)
            if (!dfs(i, 0))
            {
                flag = false;
                break;
            }
    return flag;
}

5.10 匈牙利算法

int n1, n2;     // n1表示第一个集合中的点数,n2表示第二个集合中的点数
int h[N], e[M], ne[M], idx;     // 邻接表存储所有边,匈牙利算法中只会用到从第一个集合指向第二个集合的边,所以这里只用存一个方向的边
int match[N];       // 存储第二个集合中的每个点当前匹配的第一个集合中的点是哪个
bool st[N];     // 表示第二个集合中的每个点是否已经被遍历过

bool find(int x)
{
    for (int i = h[x]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!st[j])
        {
            st[j] = true;
            if (match[j] == 0 || find(match[j]))
            {
                match[j] = x;
                return true;
            }
        }
    }

    return false;
}

// 求最大匹配数,依次枚举第一个集合中的每个点能否匹配第二个集合中的点
int res = 0;
for (int i = 1; i <= n1; i ++ )
{
    memset(st, false, sizeof st);
    if (find(i)) res ++ ;
}

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