试题 算法训练 奇异的虫群 -> 矩阵快速幂

2021-02-10 16:20

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#include using namespace std; 

const int mod = 1000000007;

typedef long long ll;

int main() 
{
    ll n;
    cin >> n;
    ll a = 1;
    ll b = 1;
    ll ans = 1;
    for (int i = 2; i ) 
    {
        int temp = a;
        a = (a % mod + b % mod) % mod;
        b = temp; 
    }
    cout  endl;
    return 0;
}
// 超时代码

这里我们先引入复习一下快速幂模板

#include using namespace std; 
typedef long long ll;

ll mul(ll a, ll b, ll p)
{
    ll ans = 1;
    while (b)
    {
        if (b & 1) ans = ans * a % p;
        a = a * a % p;
        b >>= 1;
    }
    return ans ;
}

int main() 
{
    ll a, b, p;
    cin >> a >> b >> p;
    cout  endl;
    return 0;
}

这里贴上新学习的矩阵快速幂的模板

个人认为比较好理解一些

#include 
#include 
#include 
#include using namespace std; 

typedef long long ll;

const int N = 105, mod = 1000000007;

int n;
ll k;

struct Mat
{
    ll a[N][N]; // longlong存矩阵 否则过程中会爆掉
    Mat()
    {
        memset(a, 0, sizeof a);
    }
    inline void build() //建造单位矩阵
    {
        for (int i = 1; i 1;
    }
}mat;

Mat operator * (const Mat &x, const Mat &y) //重载运算符
{
    Mat z;
    for (int k = 1; k  )
        for (int i = 1; i  )
            for (int j = 1; j  )
                z.a[i][j] = (z.a[i][j] + x.a[i][k] * y.a[k][j] % mod) % mod;
            
    return z;
}

int main() 
{
    cin >> n >> k;
    for (int i = 1; i )
        for (int j = 1; j  )
            cin >> mat.a[i][j];
    
    Mat ans; 
    ans.build(); // 实际相当于求快速幂中ans=1 这里ans为矩阵 所以初始化为单位矩阵
    while (k)
    {
        if (k & 1) ans = ans * mat;
        mat = mat * mat;
        k >>= 1;
    }
    for (int i = 1; i  )
    {
        for (int j = 1; j  )
            cout ‘ ;
        cout  endl;
    }
    return 0;
}

在求斐波那契数列 可以使用矩阵快速幂

矩阵快速幂是用来求解递推式的,所以第一步先要列出递推式:

 f(n)=f(n-1)+f(n-2)

第二步是建立矩阵递推式,找到转移矩阵:

技术图片,简写成T * A(n-1)=A(n),T矩阵就是那个2*2的常数矩阵,而技术图片

 

这里就是个矩阵乘法等式左边:1*f(n-1)+1*f(n-2)=f(n);1*f(n-1)+0*f(n-2)=f(n-1);

所以这里相乘就是矩阵n-1次相乘,然后输出第一行第二个元素,也就是a[0][1];

把第一个矩阵设为A,第二个矩阵设为B,第三个矩阵设为C。

总而言之 :最终斐波那契数列可以从矩阵中对应此公式

技术图片

 

 由 F2  F1  F1 F0   组成的矩阵的n次方  的左下角就是Fn。

所以可以上代码 

注:此题和标准的斐波那契数列(1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, ...)有不同处 

标准的即f0=0,f1=1,f2=1,f3=2  而此题中f1=1,f2=2

所以我们最后实则应该求f的n+1项

#include 
#include 
#include 
#include using namespace std; 

typedef long long ll;

const int mod = 1000000007;

ll n, k;

struct Mat
{
    ll a[2][2];
    Mat()
    {
        memset(a, 0, sizeof a);
    }
    inline void build()
    {
        for (int i = 0; i 2; i ++ )
            a[i][i] = 1;
    }
}base;

Mat operator * (const Mat &x, const Mat &y)
{
    Mat z;
    for (int k = 0; k 2; k ++ )
        for (int i = 0; i 2; i ++ )
            for (int j = 0; j 2; j ++) 
                z.a[i][j] = (z.a[i][j] + x.a[i][k] * y.a[k][j] % mod) % mod;
    return z;
}

int main() 
{
    cin >> n;
    base.a[0][0] = 1, base.a[0][1] = 1, base.a[1][0] = 1, base.a[1][1] = 0; //将base初始化为要求n次幂的矩阵
    Mat ans;
    ans.build();
    while (n)
    {
        if (n & 1) ans = ans * base;
        base = base * base;
        n >>= 1;
    }
    cout 0][0]  endl;
    // cout 
    return 0;
}

 


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