浅谈矩阵[简洁易懂]——上篇

Posted 2020-11-29 light-house

我这种小蒟蒻就只能浅谈一下矩阵这种神奇的东西啦。

但正因为是蒟蒻，所以讲的比较好懂（大概）。

本篇分为两部分——>上：矩阵加速递归+下：高斯消元

如果没有你想看的那我深感抱歉...我太弱了只会讲这两个（说不定以后有补充）

——正片开始——

首先，不知道什么是矩阵的这里请：必应

我们用矩阵优化递推一般只需要会矩阵乘法和矩阵加法，矩阵乘法当然用得最多...

既然是浅谈，我就简单讲讲矩阵的这两个基本运算吧。

1. 矩阵加法：
要求：两个矩阵同型（即行列数相同）。然后我们对应位置的元素加起来就好了...

一个N*M的矩阵A加一个N*M的矩阵B会得到一个N*M的矩阵。

2. 矩阵乘法：
要求：两个矩阵中的一个矩阵的列数等于另一个矩阵的行数。

一个N*K的矩阵A和一个K*M的矩阵B相乘会得到一个N*M的矩阵C。

我懒得敲Latex了，自己找去...

好吧，我敲...对于它任意一个元素，值为：

$$C_{i,j}=sum_{k=1}^{n}a_{i,k}b_{k,j} $$

我这是为了美观...

然后就给段代码吧。

 

struct Matrix{
    int a[N][N];
    Matrix(){memset(a,0,sizeof a);}
    int ln,lm;//长度
    Matrix operator *(const Matrix&b)const{
        Matrix res;res.ln=ln;res.lm=b.lm;
        for(int i=1;i<=ln;i++)
            for(int j=1;j<=b.lm;j++)
                for(int k=1;k<=lm;k++)
                    res.a[i][j]=(res.a[i][j]+a[i][k]*b.a[k][j])%MOD;
    } 
};

 

挺简单的吧？那么它有什么用呢？
用处很多。比如：加速递推，加速递推，……（省略10w+字）。

好啦，just a joke，只是我们只讲加速递推。

你可能会想，一般递推都已经O(n)了，你还要加速？

当然了，一些丧心病狂的出题人超喜欢巨型数据。

比如给你个1e9的递推啥的，都是经常的事了。

想到递推，我就想到今年下半年斐波那契数列。

递推式：$ ext{f(n)=f(n-1)+f(n-2)}$

咳咳，只是为了美观

然后我们来构造递推矩阵。对了，有件事忘说了。

我们考虑使用矩阵乘法加速递推也是有前提的：
决策点的个数少，数据范围大，线性的递推或类线性的递推（以后会讲）

我们注意到，fib只有两个决策点，于是我们尝试使用二维矩阵，不行就加维呗。

然后我们就构造出来了。（告诉我怎么构造的啊？不说锤爆你狗头）

首先，我们构造一个答案矩阵。（???）

看，就是这个：淦，怎么又要用Latex...

$F(n)= left|egin{matrix} f(n) & f(n-1) end{matrix} ight| $

你可能会疑惑，为什么要这么构造？

实际上，我们希望通过F(n)得到F(n+1)来完成一个递推。

我们知道$F(n+1)= left|egin{matrix} f(n+1) & f(n) end{matrix} ight| $

F(n)包含了f(n)和f(n-1)两个信息，正是我们得到f(n+1)所需要的。

那么我们设F(n)*base=F(n+1)。所以我们希望构造出一个base矩阵来满足它的心愿。

由于F(n)*base=F(n+1)，所以我们可以设$base= left|egin{matrix} a & b \\ c & d end{matrix} ight| $

然后我们需要知道a,b,c,d的值。（为什么base是2*2的啊）

（ans矩阵是1*2的，base矩阵得要是2*2的，才能得到1*2的ans矩阵）。

然后我们先把ans和base乘起来再说：
这篇怎么这么多Latex，点个推荐吧，我太难了TuT

$$left|egin{matrix} f(n) & f(n-1) end{matrix} ight| imes left|egin{matrix} a & b \\ c & d end{matrix} ight| = left|egin{matrix} af(n)+cf(n-1) & bf(n)+df(n-1))end{matrix} ight| = left|egin{matrix} f(n+1) & f(n) end{matrix} ight|$$

我们再根据递推式可以得到$base= left|egin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 end{matrix} ight| $

我们得到了递推矩阵，怎么加速呢？这时我们就要用到强大的快速幂了。

以防有读者不知道快速幂，我这里简单讲解一下，快速幂就是利用二进制划分思想加速幂运算的一个简单算法。

正整数快速幂可以这样写：

ll qpow(int x,int y){
    ll tmp=x,con=1;
    while(y){
        if(y&1)con=con*tmp%MOD;
        tmp=tmp*tmp%MOD;
        y>>=1;
    }return con;
}

但是这里我们需要矩阵快速幂。

我们简单分析可以得到：$F(n)=F(2) imes base imes base imes ... imes base$，base累乘了n-2次。

为什么是从F(2)开始计算呢?

我们知道$F(2)= left|egin{matrix} f(2) & f(1) end{matrix} ight| $

还知道$F(1)= left|egin{matrix} f(1) & f(0) end{matrix} ight| $，然而我们并不能计算f(0)。

于是我们从F(2)开始计算，矩阵乘法满足结合律，所以我们可以得到最终的结果：
$F(n)= left|egin{matrix} f(2) & f(1) end{matrix} ight| imes left|egin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 end{matrix} ight|$

至此得解，给出代码：

 

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
long long n;
const long long mod=1e9+7;
struct Matrix{//封装成结构体更方便食用
    long long a[3][3];
    Matrix(){memset(a,0,sizeof(a));}
    Matrix operator *(const Matrix &b)const{
        Matrix res;
        for(int i=1;i<=2;i++)
            for(int j=1;j<=2;j++)
                for(int k=1;k<=2;k++)
                    res.a[i][j]=(res.a[i][j]+a[i][k]*b.a[k][j])%mod;
        return res;
    }
}ans,base;
void init(){//初始化ans和base矩阵
    base.a[1][1]=base.a[1][2]=base.a[2][1]=1;
    ans.a[1][1]=ans.a[1][2]=1;
}
void qpow(long long b){//矩阵快速幂
    while(b){
        if(b&1)ans=ans*base;
        base=base*base;
        b>>=1;
    }
}
int main(){
    scanf("%lld",&n);
    if(n<=2){
        puts("1");return 0;
    }
    init();
    qpow(n-2);
    printf("%lld",ans.a[1][1]%mod);
    return 0;
}

斐波那契数列算是最基础的矩阵加速递推的例子了，接下来我们来看看更难一点的。

比如说，我们有这样一个递推式：$f(n)=3 imes f(n-1)+2 imes f(n-2)+f(n-3)+3$

（我为啥要给自己挖这么大一个坑...），这待会儿Latex要写死我

然后我们一起来推一下吧：
首先是答案矩阵！

还是一样，我们设$F(n)=left| egin{matrix}f(n) & f(n-1) & f(n-2) & 3end{matrix} ight|$

记住常数项也需要加一维，那我们的base矩阵是什么样的呢？

推导过程与上面一致，由于要写很长的一个Latex而我又比较懒，所以我就写到纸上了...

于是我们得到了base矩阵：$base= left|egin{matrix} a & b & c & d \\ e & f & g & h \\ i & j & k & l \\ m & n & o & p end{matrix} ight| = left|egin{matrix} 3 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 end{matrix} ight|$

然后我们写出初始答案矩阵，为了避免出现f(0)，我们从F(3)开始计算，得到这样一个行向量：

$F(3)= left| egin{matrix} f(3) & f(2) & f(1) & 3 end{matrix} ight|$

由于从F(3)开始，所以我们算到F(n)实际上只用累成n-3次base，直接qpow(n-3)。

代码在后面，但是在看代码前先尝试自己改一改上面的代码来实现这个递推。

给出初始项：$f_1={3}, f_2={12}, f_3={45}$，检验项（可以自行检查有没有写对）：$f_4={165},f_7={7902},f_{10}={377175} $

如果你写对了并且明白了递推矩阵的推导方法，那么你就学会初级的矩阵加速递推了。

难道还有高级的？Bingo。

记得上面说的吗？类线性递推我们也能用矩阵加速。

关于类线性的矩阵加速递推，我会找一个时间补充，若有想看的朋友可以推荐收藏这篇文章不定期来看看。

下篇会讲矩阵&高斯消元...但是我打算先更几篇网络流的blog。（DP高级篇的中和下先咕着...）

update：忘了给代码了，补上

 

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
inline int read(){
    int data=0,w=1;char ch=0;
    while(ch!=‘-‘ && (ch<‘0‘||ch>‘9‘))ch=getchar();
    if(ch==‘-‘)w=-1,ch=getchar();
    while(ch>=‘0‘ && ch<=‘9‘)data=data*10+ch-‘0‘,ch=getchar();
    return data*w;
}
const long long mod=1000000007ll;
struct Matrix{
    long long a[5][5];
    Matrix(){memset(a,0,sizeof a);}
    Matrix operator *(const Matrix&b)const{
        Matrix res;
        for(int i=1;i<=4;i++)
            for(int j=1;j<=4;j++)
                for(int k=1;k<=4;k++)
                    res.a[i][j]=(res.a[i][j]+a[i][k]*b.a[k][j])%mod;
        return res;
    }
}ans,base;
void qpow(long long b){
    while(b){
        if(b&1)ans=ans*base;
        base=base*base;
        b>>=1;
    }
}
void init(){
    //f[1]=3,f[2]=12,f[3]=45
    ans.a[1][1]=45;ans.a[1][2]=12;ans.a[1][3]=3;ans.a[1][4]=3;
    base.a[1][2]=base.a[2][3]=base.a[3][1]=base.a[4][1]=base.a[4][4]=1;
    base.a[1][1]=3;base.a[2][1]=2;
}
int main(){
    int n=read();
    if(n==1)
        return puts("3"),0;
    else if(n==2)
        return puts("12"),0;
    else if(n==3)
        return puts("45"),0;
    else{
        init();
        qpow(n-3);
        printf("%lld",ans.a[1][1]%mod);
    }
    return 0;
}