洛谷 P4708 - 画画(Burnside 引理+组合数学)

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神仙题 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

题解搬运人来了

首先看到本质不同(无标号)的图计数咱们可以想到 Burnside 引理,具体来说,我们枚举一个排列 \(p\),并统计有多少张图中的点集在置换 \(p\) 的作用下能够保持不变,记这个数目为 \(c(p)\),那么答案就是 \(\dfrac{1}{n!}\sum\limits_{p}c(p)\)。由于此题 \(n\) 高达 \(50\),因此暴力枚举 \(p\) 显然是不合理的,不过注意到合法的图的数量并不取决于 \(p\) 具体每个元素是什么,而取决于 \(p\) 中每个置换环的大小分别是多少,而 \(50\) 的整数拆分数量并不是很多,因此考虑枚举 \(p\) 中置换环的大小,设为 \(s_1,s_2,s_3,\cdots,s_k\),其中 \(s_1<s_2<\cdots<s_k\),那么符合条件的排列 \(p\) 的个数可以这样计算:

  • 首先,对于所有置换环选出属于该置换环的 \(s_i\) 个点,这显然是一个多重组合数的形式,方案数为 \(\dfrac{n!}{\prod\limits_{i=1}^ks_i!}\)。
  • 其次,每个置换环,根据圆排列的计数方法,将其进行排列有 \((s_i-1)!\)​ 种方案,因此还需乘上个 \(\prod\limits_{i=1}^k(s_i-1)!\)​
  • 再其次,所有大小相同的置换环是视作相同的,因此假设大小为 \(x\)​ 的置换环有 \(cnt_x\)​ 个,那么答案还需除以 \(\prod\limits_{i=1}^{s_k}cnt_i!\)

因此对于一组大小分别为 \(s_1,s_2,\cdots,s_k\)​​ 的置换环,有 \(\dfrac{n!}{\prod\limits_{i=1}^ks_i!\prod\limits_{i=1}^{s_k}cnt_i!}·\prod\limits_{i=1}^k(s_i-1)!\)​​ 个排列 \(p\),满足其置换环的大小组成的集合恰好是 \(\{s_1,s_2,\cdots,s_k\}\)

接下来考虑如何计算对于一个置换环大小分别为 \(s_1,s_2,\cdots,s_k\) 的置换 \(p\)​,有多少张图满足其在 \(p\) 的作用下能够保持同构且每个连通块都有欧拉回路,即每个点的度都是偶数。考虑分两部分处理:

  1. 每个置换环内部点与点之间的边
  2. 置换环与置换环之间的边

首先对于第一部分而言,假设我们考虑第 \(i\)​​ 个置换环,那么显然图在 \(p\)​​ 的作用下保持同构的必要条件是第 \(i\)​​ 个置换环中所有距离相同的边存在/不存在的状态都相同,我们先不考虑每个点度都要是偶数这个条件,那么显然有 \(2^{\lfloor\dfrac{s_i}{2}\rfloor}\)​​ 种连边的情况,接下来考虑加上每个点度都要是偶数这个条件后怎么处理,不难发现,对于一般的情况,距离为 \(d\)​​ 的边都连上是不影响这个连通块中所有点的奇偶性的,唯独一种情况——\(d=\dfrac{s_i}{2}\)​​,且 \(s_i\)​​ 为偶数的情况,这种情况下,这个置换环中所有点度数的奇偶性都会反转,也就是说对于 \(s_i\)​​ 是偶数的情况,选择另外 \(d\)​ 种距离的方案数为 \(2^{\lfloor\dfrac{s_i}{2}\rfloor-1}\)​ 种,而对于 \(d=\dfrac{s_i}{2}\)​​ 的情况,相当于我们给了这个连通块一次改变所有点奇偶性的机会,可选可不选。

接下来考虑不同置换环之间连边的方案,我们假设现在考虑了编号为 \(i,j\)​ 的两个置换环,那么考虑将两个置换环上的点顺次编号 \(0,1,2,3,\cdots,s_i-1\)​ 以及 \(0,1,2,3,\cdots,s_j-1\)​。考虑记 \(d=\gcd(s_i,s_j)\)​,那么显然,图在 \(p\)​ 的作用下保持同构的必要条件是对于第 \(i\)​ 个置换环上的点 \(x\)​ 和第 \(j\)​ 个置换环上的点 \(y\)​ 而言,将 \((x,y)\)​ 沿着置换环旋转得到的所有点对的连边状况都与 \((x,y)\)​ 的连边状况相同,而对于所有 \((x,y)\)​,转 \(\dfrac{s_is_j}{\gcd(s_i,s_j)}=\text{lcm}(s_i,s_j)\)​ 步就能转回原位,因此有 \(\dfrac{s_is_j}{s_is_j/\gcd(s_i,s_j)}=\gcd(s_i,s_j)=d\)​ 个本质不同的二元组。接下来考虑每个点度必须要是偶数这个条件,显然对于第 \(i\)​ 个置换环上的每个点 \(x\)​,包含 \(x\)​ 的二元组恰有 \(s_j\)​ 个,而这当中又会有 \(d\)​ 组二元组能够通过旋转得到,因此将这 \(d\)​ 个本质不同的二元组中任意一组连上,都会导致第 \(i\)​ 个置换环上每一个点多连出 \(\dfrac{s_j}{d}\)​ 条边,同理也会使第 \(j\)​ 个置换环上每一个点多连出\(\dfrac{s_i}{d}\)​ 条边。记 \(x_1=\dfrac{s_j}{d},x_2=\dfrac{s_i}{d}\),现在考虑分情况讨论:

  • 如果 \(x_1,x_2\) 都是偶数,那么显然这 \(d\) 个二元组不对两个置换环中任何一个点的度数的奇偶性产生影响,也就是说这 \(d\) 组边连与不连皆可,方案数乘上 \(2^d\)
  • 如果 \(x_1\)​ 为偶数,\(x_2\)​ 为奇数,那么连上这 \(d\)​ 个二元组中的一个不对第 \(i\)​ 个置换环中任何一个点的度数的奇偶性产生影响,但会改变第 \(j\)​ 个连通块中所有点的奇偶性,也就相当于我们给了第 \(j\)​ 个连通块 \(d\)​​ 次改变所有点奇偶性的机会。
  • 如果 \(x_1\)​ 为奇数,\(x_2\)​ 为偶数,类似于上面的情况,不过这次是我们给第 \(i\)​ 个连通块 \(d\)​ 次改变所有点奇偶性的机会
  • 如果 \(x_1,x_2\) 都是奇数,那么连上这 \(d\) 个二元组中的一个会同时改变第 \(i\) 个和第 \(j\) 个置换环中所有点度数的奇偶性,也就是说给了 \(d\) 次同时改变置换环 \(i,j\)​ 所有点奇偶性的机会。

这样问题就转化为这样一个问题

有一张 \(k\) 个点的图,点上有点权,初始每个点点权为 \(0\),每个点 \(i\) 上有 \(cp_i\) 个不同的开关,拉上这 \(cp_i\) 个开关中的任何一个都会使第 \(i\) 个点的点权异或 \(1\);每条边 \((i,j)\) 上有 \(ce_{i,j}\) 个不同的开关,拉上这 \(ce_{i,j}\) 个开关中的任何一个都会使 \(i,j\) 的点权同时异或 \(1\),问有多少个拉开关的集合,满足拉上这些开关,能够使每个点点权都是 \(0\)。

这里有一个性质,就是对于所有连通块而言:

  • 我们考虑找出连通块的一棵 DFS 树(这里 DFS 树的定义为,将所有点对 \((i,j)\) 之间连上 \(ce_{i,j}\) 条边后图的 DFS 树,也就是如果两点间有多条边那么最多只能有一条边在 DFS 树上),如果我们确定了所有非树边的状态,那么树边的状态已经唯一确定了,具体方案就是从叶子开始,如果叶子权值为 \(1\) 就拉上与叶子相连那条边上的开关,否则不拉,然后删去那个叶子。
  • 能够将连通块中所有点点权变为 \(0\)​ 还有一个必要条件,就是对点的操作的数量必须是偶数,因为对边的操作不会改变连通块中所有点权的异或和。

也就是说假设 \(S_p\) 为这个连通块中所有点 \(cp\) 之和,\(S_e\) 为这个连通块两两之间 \(ce\) 之和,\(S\) 为该连通块的点数,那么方案数就是

\[2^{\max(S_p-1,0)+S_e-(S-1)} \]

并查集维护一下即可。

时间复杂度 \(\mathcal O(\text{Can pass})\).

const int MAXN=50;
const int MOD=998244353;
int n,fac[MAXN+5],ifac[MAXN+5],pw2[MAXN*MAXN*MAXN+5];
int g[MAXN+5][MAXN+5];
void init_fac(){
	for(int i=(pw2[0]=fac[0]=ifac[0]=ifac[1]=1)+1;i<=MAXN;i++) ifac[i]=1ll*ifac[MOD%i]*(MOD-MOD/i)%MOD;
	for(int i=1;i<=MAXN;i++) fac[i]=1ll*fac[i-1]*i%MOD,ifac[i]=1ll*ifac[i-1]*ifac[i]%MOD;
	for(int i=1;i<=MAXN*MAXN*MAXN;i++) pw2[i]=(pw2[i-1]<<1)%MOD;
}
int s[MAXN+5],cnt[MAXN+5],ans=0;
int f[MAXN+5],c1[MAXN+5],c2[MAXN+5],siz[MAXN+5];
int find(int x){return (!f[x])?x:f[x]=find(f[x]);}
void merge(int x,int y,int z){
	x=find(x);y=find(y);
	if(x==y) c2[x]+=z;
	else{
		if(siz[x]<siz[y]) swap(x,y);
		f[y]=x;siz[x]+=siz[y];
		c1[x]+=c1[y];c2[x]+=c2[y];
		c2[x]+=z;
	}
}
int calc(int k){
	int res=1;
	for(int i=1;i<=k;i++) res=1ll*res*ifac[s[i]]%MOD*fac[s[i]-1]%MOD;
	for(int i=1;i<=n;i++) res=1ll*res*ifac[cnt[i]]%MOD;
	memset(f,0,sizeof(f));memset(c1,0,sizeof(c1));memset(c2,0,sizeof(c2));
	for(int i=1;i<=k;i++) siz[i]=1;
	for(int i=1;i<=k;i++){
		res=1ll*res*pw2[s[i]-1>>1]%MOD;
		if(~s[i]&1) c1[i]++;
	}
	for(int i=1;i<=k;i++) for(int j=i+1;j<=k;j++){
		int d=g[s[i]][s[j]];
		int d1=s[j]/d,d2=s[i]/d;
		if((~d1&1)&&(~d2&1)) res=1ll*res*pw2[d]%MOD;
		else if((d1&1)&&(d2&1)) merge(i,j,d);
		else if(d1&1) c1[find(i)]+=d;
		else c1[find(j)]+=d;
	}
	for(int i=1;i<=k;i++) if(find(i)==i){
		res=1ll*res*pw2[max(c1[i]-1,0)+c2[i]-siz[i]+1]%MOD;
	}
//	for(int i=1;i<=k;i++) printf("%d%c",s[i]," \n"[i==k]);
//	printf("%d\n",res);
	return res;
}
void dfs(int x,int sum,int pre){
	if(sum==n) return ans=(ans+calc(x-1))%MOD,void();
	for(int i=pre;sum+i<=n;i++){
		s[x]=i;cnt[i]++;dfs(x+1,sum+i,i);cnt[i]--;
	}
}
int main(){
	scanf("%d",&n);init_fac();
	for(int i=1;i<=n;i++) for(int j=1;j<=n;j++)
		g[i][j]=__gcd(i,j);
	dfs(1,0,1);printf("%d\n",ans);
	return 0;
}
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