けんちょんの競プロ精進記録

競プロの精進記録や小ネタを書いていきます

AtCoder ABC 245 D - Polynomial division (緑色, 400 点)

問題を見て「めっちゃ数学やん!!なにこれ!??」となった人は多いと思う!!!

でも落ち着いて整理して取り組めば解けるので、落ち着くことが大事そう。

もしくは、ライブラリで殴る!!!!!!

問題概要

 3 つの多項式

があって、 A(x)B(x) = C(x) という関係を満たしています。

入力として、多項式  A(x) C(x) が与えられますので、 B(x) を復元してください。

制約

  •  1 \le N, M \le 100

具体例で考える

この手の問題でいきなり抽象的な数式変形で解ける人はそれでよくて、そうでない場合は具体例を手で動かして様子を見るのが大事そうです!!

たとえばサンプル 1 を例にとります。

 A(x)=x+2,  C(x)=2x^{3}+8x^{2}+14x+12 に対して、まず最高次の項 ( x 2x^{3}) を合わせるためには、

 B(x) = 2x^{2} + \dots

とする必要があることがわかります。このとき、

 A(x)(2x^{2}) = 2x^{3} + 4x^{2}

となります。よって  A(x)B(x) C(x) に一致するためには、

 C(x) - A(x)(2x) = 4x^{2} + 14x + 12

の分だけ補充する必要があります。ここで再び  A(x) = x + 2 4x^{2} + 14x + 12 の最高次の項を比較すると、さっきの  B(x) = 2x^{2} + \dots の「 \dots」の部分の先頭が  4x であることが必要だとわかります。つまり

 B(x) = 2x^{2} + 4x + \dots

とする必要があることがわかります。そしてこのとき

 (4x^{2} + 14x + 12) - A(x)(4x) = 6x + 12

の分だけ補充する必要があることがわかるので、また最高次の項を比較して、 B(x) = 2x^{2} + 4x + \dots の「 \dots」の部分の先頭が  6 だとわかります。つまり、

 B(x) = 2x^{2} + 4x + 6 + \dots

とする必要があることがわかります。このとき、

 (6x + 12) - A(x)\times 6 = 0

となり、ちょうどぴったり  A(x) \times B(x) = C(x) となります。

以上より、 B(x) = 2x^{2} + 4x + 6 と求められました。

なお高校数学の数学 IA で「多項式の除算」を学んだことのある方は、以上の手続きを「筆算」でやったことを思い出す方もいるでしょう!!

 

数式で一般化

以上の手計算を、一般の入力ケースに通用するアルゴリズムに落とし込みましょう。

まず初期状態では  B(x) = 0 としておきます。最初に  A(x), C(x) の最高次の項である  A_{N}x^{N} C_{N+M}x^{N+M} とを比較することで、 B(x), C(x) を次のように更新します。

  •  B(x) +=  (C_{N+M} / A_{N}) x^{M}
  •  C(x) -=  A(x) (C_{N+M} / A_{N}) x^{M}

より具体的には次のような感じです。

B[M] = C[N+M] / A[N];
C[N+M] -= A[N] * B[M];
C[N+M-1] -= A[N-1] * B[M];
C[N+M-2] -= A[N-2] * B[M];
...
C[M] -= A[0] * B[M];

そうすると  C(x) N+M-1 次の多項式となります。そしてふたたび  A(x), C(x) の最高次の項を比較して、 B(x), C(x) を次のように更新します。

  •  B(x) +=  (C_{N+M-1} / A_{N}) x^{M-1}
  •  C(x) -=  A(x) (C_{N+M-1} / A_{N}) x^{M-1}

以下同様に、 A(x), C(x) の最高次の項を比較した結果を  B(x), C(x) に反映する作業を繰り返していけばよいでしょう。

より一般に、 B(x) i 次の項を求めるときは、次のようにします。

B[i] = C[N+i] / A[N];
C[N+i] -= A[N] * B[i];
C[N-1+i] -= A[N-1] * B[i];
C[N-2+i] -= A[N-2] * B[i];
...
C[i] -= A[0] * B[i];

数式で書くと複雑ですが、具体例をなんとかコードに落とし込むようにすることで、少しずつ納得できるかなと思います。

 

コード

計算量は  O(NM) となります。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int main() {
    int N, M;
    cin >> N >> M;
    vector<long long> A(N + 1), C(N + M + 1);
    for (int i = 0; i <= N; ++i) cin >> A[i];
    for (int i = 0; i <= N + M; ++i) cin >> C[i];

    // A の最高次項と C の最高次項を常に比較して B に加算する
    vector<long long> B(M + 1, 0);
    for (int i = M; i >= 0; --i) {
        // そのときの C の最高次係数を A の最高次係数で割る
        B[i] = C[i + N] / A[N];

        // C から、新たな B の増加分を A との積を引く
        for (int j = N; j >= 0; --j) {
            C[j + i] -= A[j] * B[i];
        }
    }

    // 出力
    for (int i = 0; i <= M; ++i) cout << B[i] << " ";
    cout << endl;
}

 

別解:ライブラリで殴る

多項式の除算は、形式的冪級数ライブラリを持っていれば、それを貼るだけで解けます。しかも  S = \max(M, N) として、 O(S \log S) の計算量で解けます!!!

github.com

このライブラリは、たとえば mod. 998244353 などで割り算をするものなので、 B(x) = 2x - 1 などは

 B(x) = 2x + 998244352

などとなります。よって、 B(x) が負の値だと思われる場合 (具体的には 100000 より大きい場合) には、998244353 を引いて補正します。

以下のコードで、main 関数の短さに注目!!!

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

// modint
template<int MOD> struct Fp {
    long long val;
    constexpr Fp(long long v = 0) noexcept : val(v % MOD) {
        if (val < 0) val += MOD;
    }
    constexpr int getmod() const { return MOD; }
    constexpr Fp operator - () const noexcept {
        return val ? MOD - val : 0;
    }
    constexpr Fp operator + (const Fp& r) const noexcept { return Fp(*this) += r; }
    constexpr Fp operator - (const Fp& r) const noexcept { return Fp(*this) -= r; }
    constexpr Fp operator * (const Fp& r) const noexcept { return Fp(*this) *= r; }
    constexpr Fp operator / (const Fp& r) const noexcept { return Fp(*this) /= r; }
    constexpr Fp& operator += (const Fp& r) noexcept {
        val += r.val;
        if (val >= MOD) val -= MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator -= (const Fp& r) noexcept {
        val -= r.val;
        if (val < 0) val += MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator *= (const Fp& r) noexcept {
        val = val * r.val % MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator /= (const Fp& r) noexcept {
        long long a = r.val, b = MOD, u = 1, v = 0;
        while (b) {
            long long t = a / b;
            a -= t * b, swap(a, b);
            u -= t * v, swap(u, v);
        }
        val = val * u % MOD;
        if (val < 0) val += MOD;
        return *this;
    }
    constexpr bool operator == (const Fp& r) const noexcept {
        return this->val == r.val;
    }
    constexpr bool operator != (const Fp& r) const noexcept {
        return this->val != r.val;
    }
    friend constexpr istream& operator >> (istream& is, Fp<MOD>& x) noexcept {
        is >> x.val;
        x.val %= MOD;
        if (x.val < 0) x.val += MOD;
        return is;
    }
    friend constexpr ostream& operator << (ostream& os, const Fp<MOD>& x) noexcept {
        return os << x.val;
    }
    friend constexpr Fp<MOD> modpow(const Fp<MOD>& r, long long n) noexcept {
        if (n == 0) return 1;
        if (n < 0) return modpow(modinv(r), -n);
        auto t = modpow(r, n / 2);
        t = t * t;
        if (n & 1) t = t * r;
        return t;
    }
    friend constexpr Fp<MOD> modinv(const Fp<MOD>& r) noexcept {
        long long a = r.val, b = MOD, u = 1, v = 0;
        while (b) {
            long long t = a / b;
            a -= t * b, swap(a, b);
            u -= t * v, swap(u, v);
        }
        return Fp<MOD>(u);
    }
};

namespace NTT {
    long long modpow(long long a, long long n, int mod) {
        long long res = 1;
        while (n > 0) {
            if (n & 1) res = res * a % mod;
            a = a * a % mod;
            n >>= 1;
        }
        return res;
    }

    long long modinv(long long a, int mod) {
        long long b = mod, u = 1, v = 0;
        while (b) {
            long long t = a / b;
            a -= t * b, swap(a, b);
            u -= t * v, swap(u, v);
        }
        u %= mod;
        if (u < 0) u += mod;
        return u;
    }

    int calc_primitive_root(int mod) {
        if (mod == 2) return 1;
        if (mod == 167772161) return 3;
        if (mod == 469762049) return 3;
        if (mod == 754974721) return 11;
        if (mod == 998244353) return 3;
        int divs[20] = {};
        divs[0] = 2;
        int cnt = 1;
        long long x = (mod - 1) / 2;
        while (x % 2 == 0) x /= 2;
        for (long long i = 3; i * i <= x; i += 2) {
            if (x % i == 0) {
                divs[cnt++] = i;
                while (x % i == 0) x /= i;
            }
        }
        if (x > 1) divs[cnt++] = x;
        for (int g = 2;; g++) {
            bool ok = true;
            for (int i = 0; i < cnt; i++) {
                if (modpow(g, (mod - 1) / divs[i], mod) == 1) {
                    ok = false;
                    break;
                }
            }
            if (ok) return g;
        }
    }

    int get_fft_size(int N, int M) {
        int size_a = 1, size_b = 1;
        while (size_a < N) size_a <<= 1;
        while (size_b < M) size_b <<= 1;
        return max(size_a, size_b) << 1;
    }

    // number-theoretic transform
    template<class mint> void trans(vector<mint>& v, bool inv = false) {
        if (v.empty()) return;
        int N = (int)v.size();
        int MOD = v[0].getmod();
        int PR = calc_primitive_root(MOD);
        static bool first = true;
        static vector<long long> vbw(30), vibw(30);
        if (first) {
            first = false;
            for (int k = 0; k < 30; ++k) {
                vbw[k] = modpow(PR, (MOD - 1) >> (k + 1), MOD);
                vibw[k] = modinv(vbw[k], MOD);
            }
        }
        for (int i = 0, j = 1; j < N - 1; j++) {
            for (int k = N >> 1; k > (i ^= k); k >>= 1);
            if (i > j) swap(v[i], v[j]);
        }
        for (int k = 0, t = 2; t <= N; ++k, t <<= 1) {
            long long bw = vbw[k];
            if (inv) bw = vibw[k];
            for (int i = 0; i < N; i += t) {
                mint w = 1;
                for (int j = 0; j < t/2; ++j) {
                    int j1 = i + j, j2 = i + j + t/2;
                    mint c1 = v[j1], c2 = v[j2] * w;
                    v[j1] = c1 + c2;
                    v[j2] = c1 - c2;
                    w *= bw;
                }
            }
        }
        if (inv) {
            long long invN = modinv(N, MOD);
            for (int i = 0; i < N; ++i) v[i] = v[i] * invN;
        }
    }

    // for garner
    static constexpr int MOD0 = 754974721;
    static constexpr int MOD1 = 167772161;
    static constexpr int MOD2 = 469762049;
    using mint0 = Fp<MOD0>;
    using mint1 = Fp<MOD1>;
    using mint2 = Fp<MOD2>;
    static const mint1 imod0 = 95869806; // modinv(MOD0, MOD1);
    static const mint2 imod1 = 104391568; // modinv(MOD1, MOD2);
    static const mint2 imod01 = 187290749; // imod1 / MOD0;

    // small case (T = mint, long long)
    template<class T> vector<T> naive_mul 
    (const vector<T>& A, const vector<T>& B) {
        if (A.empty() || B.empty()) return {};
        int N = (int)A.size(), M = (int)B.size();
        vector<T> res(N + M - 1);
        for (int i = 0; i < N; ++i)
            for (int j = 0; j < M; ++j)
                res[i + j] += A[i] * B[j];
        return res;
    }

    // mint
    template<class mint> vector<mint> mul
    (const vector<mint>& A, const vector<mint>& B) {
        if (A.empty() || B.empty()) return {};
        int N = (int)A.size(), M = (int)B.size();
        if (min(N, M) < 30) return naive_mul(A, B);
        int MOD = A[0].getmod();
        int size_fft = get_fft_size(N, M);
        if (MOD == 998244353) {
            vector<mint> a(size_fft), b(size_fft), c(size_fft);
            for (int i = 0; i < N; ++i) a[i] = A[i];
            for (int i = 0; i < M; ++i) b[i] = B[i];
            trans(a), trans(b);
            vector<mint> res(size_fft);
            for (int i = 0; i < size_fft; ++i) res[i] = a[i] * b[i];
            trans(res, true);
            res.resize(N + M - 1);
            return res;
        }
        vector<mint0> a0(size_fft, 0), b0(size_fft, 0), c0(size_fft, 0);
        vector<mint1> a1(size_fft, 0), b1(size_fft, 0), c1(size_fft, 0);
        vector<mint2> a2(size_fft, 0), b2(size_fft, 0), c2(size_fft, 0);
        for (int i = 0; i < N; ++i)
            a0[i] = A[i].val, a1[i] = A[i].val, a2[i] = A[i].val;
        for (int i = 0; i < M; ++i)
            b0[i] = B[i].val, b1[i] = B[i].val, b2[i] = B[i].val;
        trans(a0), trans(a1), trans(a2), trans(b0), trans(b1), trans(b2);
        for (int i = 0; i < size_fft; ++i) {
            c0[i] = a0[i] * b0[i];
            c1[i] = a1[i] * b1[i];
            c2[i] = a2[i] * b2[i];
        }
        trans(c0, true), trans(c1, true), trans(c2, true);
        static const mint mod0 = MOD0, mod01 = mod0 * MOD1;
        vector<mint> res(N + M - 1);
        for (int i = 0; i < N + M - 1; ++i) {
            int y0 = c0[i].val;
            int y1 = (imod0 * (c1[i] - y0)).val;
            int y2 = (imod01 * (c2[i] - y0) - imod1 * y1).val;
            res[i] = mod01 * y2 + mod0 * y1 + y0;
        }
        return res;
    }

    // long long
    vector<long long> mul_ll
    (const vector<long long>& A, const vector<long long>& B) {
        if (A.empty() || B.empty()) return {};
        int N = (int)A.size(), M = (int)B.size();
        if (min(N, M) < 30) return naive_mul(A, B);
        int size_fft = get_fft_size(N, M);
        vector<mint0> a0(size_fft, 0), b0(size_fft, 0), c0(size_fft, 0);
        vector<mint1> a1(size_fft, 0), b1(size_fft, 0), c1(size_fft, 0);
        vector<mint2> a2(size_fft, 0), b2(size_fft, 0), c2(size_fft, 0);
        for (int i = 0; i < N; ++i)
            a0[i] = A[i], a1[i] = A[i], a2[i] = A[i];
        for (int i = 0; i < M; ++i)
            b0[i] = B[i], b1[i] = B[i], b2[i] = B[i];
        trans(a0), trans(a1), trans(a2), trans(b0), trans(b1), trans(b2);
        for (int i = 0; i < size_fft; ++i) {
            c0[i] = a0[i] * b0[i];
            c1[i] = a1[i] * b1[i];
            c2[i] = a2[i] * b2[i];
        }
        trans(c0, true), trans(c1, true), trans(c2, true);
        static const long long mod0 = MOD0, mod01 = mod0 * MOD1;
        vector<long long> res(N + M - 1);
        for (int i = 0; i < N + M - 1; ++i) {
            int y0 = c0[i].val;
            int y1 = (imod0 * (c1[i] - y0)).val;
            int y2 = (imod01 * (c2[i] - y0) - imod1 * y1).val;
            res[i] = mod01 * y2 + mod0 * y1 + y0;
        }
        return res;
    }
};

// Binomial Coefficient
template<class T> struct BiCoef {
    vector<T> fact_, inv_, finv_;
    constexpr BiCoef() {}
    constexpr BiCoef(int n) noexcept : fact_(n, 1), inv_(n, 1), finv_(n, 1) {
        init(n);
    }
    constexpr void init(int n) noexcept {
        fact_.assign(n, 1), inv_.assign(n, 1), finv_.assign(n, 1);
        int MOD = fact_[0].getmod();
        for(int i = 2; i < n; i++){
            fact_[i] = fact_[i-1] * i;
            inv_[i] = -inv_[MOD%i] * (MOD/i);
            finv_[i] = finv_[i-1] * inv_[i];
        }
    }
    constexpr T com(int n, int k) const noexcept {
        if (n < k || n < 0 || k < 0) return 0;
        return fact_[n] * finv_[k] * finv_[n-k];
    }
    constexpr T fact(int n) const noexcept {
        if (n < 0) return 0;
        return fact_[n];
    }
    constexpr T inv(int n) const noexcept {
        if (n < 0) return 0;
        return inv_[n];
    }
    constexpr T finv(int n) const noexcept {
        if (n < 0) return 0;
        return finv_[n];
    }
};

// Formal Power Series
template <typename mint> struct FPS : vector<mint> {
    using vector<mint>::vector;
 
    // constructor
    FPS(const vector<mint>& r) : vector<mint>(r) {}
 
    // core operator
    inline FPS pre(int siz) const {
        return FPS(begin(*this), begin(*this) + min((int)this->size(), siz));
    }
    inline FPS rev() const {
        FPS res = *this;
        reverse(begin(res), end(res));
        return res;
    }
    inline FPS& normalize() {
        while (!this->empty() && this->back() == 0) this->pop_back();
        return *this;
    }
 
    // basic operator
    inline FPS operator - () const noexcept {
        FPS res = (*this);
        for (int i = 0; i < (int)res.size(); ++i) res[i] = -res[i];
        return res;
    }
    inline FPS operator + (const mint& v) const { return FPS(*this) += v; }
    inline FPS operator + (const FPS& r) const { return FPS(*this) += r; }
    inline FPS operator - (const mint& v) const { return FPS(*this) -= v; }
    inline FPS operator - (const FPS& r) const { return FPS(*this) -= r; }
    inline FPS operator * (const mint& v) const { return FPS(*this) *= v; }
    inline FPS operator * (const FPS& r) const { return FPS(*this) *= r; }
    inline FPS operator / (const mint& v) const { return FPS(*this) /= v; }
    inline FPS operator << (int x) const { return FPS(*this) <<= x; }
    inline FPS operator >> (int x) const { return FPS(*this) >>= x; }
    inline FPS& operator += (const mint& v) {
        if (this->empty()) this->resize(1);
        (*this)[0] += v;
        return *this;
    }
    inline FPS& operator += (const FPS& r) {
        if (r.size() > this->size()) this->resize(r.size());
        for (int i = 0; i < (int)r.size(); ++i) (*this)[i] += r[i];
        return this->normalize();
    }
    inline FPS& operator -= (const mint& v) {
        if (this->empty()) this->resize(1);
        (*this)[0] -= v;
        return *this;
    }
    inline FPS& operator -= (const FPS& r) {
        if (r.size() > this->size()) this->resize(r.size());
        for (int i = 0; i < (int)r.size(); ++i) (*this)[i] -= r[i];
        return this->normalize();
    }
    inline FPS& operator *= (const mint& v) {
        for (int i = 0; i < (int)this->size(); ++i) (*this)[i] *= v;
        return *this;
    }
    inline FPS& operator *= (const FPS& r) {
        return *this = NTT::mul((*this), r);
    }
    inline FPS& operator /= (const mint& v) {
        assert(v != 0);
        mint iv = modinv(v);
        for (int i = 0; i < (int)this->size(); ++i) (*this)[i] *= iv;
        return *this;
    }
    inline FPS& operator <<= (int x) {
        FPS res(x, 0);
        res.insert(res.end(), begin(*this), end(*this));
        return *this = res;
    }
    inline FPS& operator >>= (int x) {
        FPS res;
        res.insert(res.end(), begin(*this) + x, end(*this));
        return *this = res;
    }
    inline mint eval(const mint& v){
        mint res = 0;
        for (int i = (int)this->size()-1; i >= 0; --i) {
            res *= v;
            res += (*this)[i];
        }
        return res;
    }
    inline friend FPS gcd(const FPS& f, const FPS& g) {
        if (g.empty()) return f;
        return gcd(g, f % g);
    }

    // advanced operation
    // df/dx
    inline friend FPS diff(const FPS& f) {
        int n = (int)f.size();
        FPS res(n-1);
        for (int i = 1; i < n; ++i) res[i-1] = f[i] * i;
        return res;
    }

    // \int f dx
    inline friend FPS integral(const FPS& f) {
        int n = (int)f.size();
        FPS res(n+1, 0);
        for (int i = 0; i < n; ++i) res[i+1] = f[i] / (i+1);
        return res;
    }

    // inv(f), f[0] must not be 0
    inline friend FPS inv(const FPS& f, int deg) {
        assert(f[0] != 0);
        if (deg < 0) deg = (int)f.size();
        FPS res({mint(1) / f[0]});
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = (res + res - res * res * f.pre(i << 1)).pre(i << 1);
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    inline friend FPS inv(const FPS& f) {
        return inv(f, f.size());
    }

    // division, r must be normalized (r.back() must not be 0)
    inline FPS& operator /= (const FPS& r) {
        assert(!r.empty());
        assert(r.back() != 0);
        this->normalize();
        if (this->size() < r.size()) {
            this->clear();
            return *this;
        }
        int need = (int)this->size() - (int)r.size() + 1;
        *this = ((*this).rev().pre(need) * inv(r.rev(), need)).pre(need).rev();
        return *this;
    }
    inline FPS& operator %= (const FPS &r) {
        assert(!r.empty());
        assert(r.back() != 0);
        this->normalize();
        FPS q = (*this) / r;
        return *this -= q * r;
    }
    inline FPS operator / (const FPS& r) const { return FPS(*this) /= r; }
    inline FPS operator % (const FPS& r) const { return FPS(*this) %= r; }

    // log(f) = \int f'/f dx, f[0] must be 1
    inline friend FPS log(const FPS& f, int deg) {
        assert(f[0] == 1);
        FPS res = integral(diff(f) * inv(f, deg));
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    inline friend FPS log(const FPS& f) {
        return log(f, f.size());
    }

    // exp(f), f[0] must be 0
    inline friend FPS exp(const FPS& f, int deg) {
        assert(f[0] == 0);
        FPS res(1, 1);
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = res * (f.pre(i<<1) - log(res, i<<1) + 1).pre(i<<1);
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    inline friend FPS exp(const FPS& f) {
        return exp(f, f.size());
    }

    // pow(f) = exp(e * log f)
    inline friend FPS pow(const FPS& f, long long e, int deg) {
        long long i = 0;
        while (i < (int)f.size() && f[i] == 0) ++i;
        if (i == (int)f.size()) return FPS(deg, 0);
        if (i * e >= deg) return FPS(deg, 0);
        mint k = f[i];
        FPS res = exp(log((f >> i) / k, deg) * e, deg) * modpow(k, e) << (e * i);
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    inline friend FPS pow(const FPS& f, long long e) {
        return pow(f, e, f.size());
    }

    // sqrt(f), f[0] must be 1
    inline friend FPS sqrt_base(const FPS& f, int deg) {
        assert(f[0] == 1);
        mint inv2 = mint(1) / 2;
        FPS res(1, 1);
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = (res + f.pre(i << 1) * inv(res, i << 1)).pre(i << 1);
            for (mint& x : res) x *= inv2;
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    inline friend FPS sqrt_base(const FPS& f) {
        return sqrt_base(f, f.size());
    }
};

const int MOD = 998244353;
using mint = Fp<MOD>;

int main() {
    int N, M;
    cin >> N >> M;
    FPS<mint> A(N + 1), C(N + M + 1);
    for (int i = 0; i <= N; ++i) cin >> A[i];
    for (int i = 0; i <= N + M; ++i) cin >> C[i];

    // 求める
    FPS<mint> B = C / A;

    // 出力
    for (int i = 0; i <= M; ++i) {
        cout << (B[i].val <= 1000000 ? B[i].val : B[i].val - MOD) << " ";
    }
    cout << endl;
}