「回数の期待値」は、(k 回以上の確率) の総和に一致する！！　あとは有名な「 $N$ 個の一次関数の積は二分木のような計算順序で $O(N (\log N)^{2})$ の計算量で求められるという話！

問題へのリンク

問題概要

色が $1, 2, \dots, N$ であるような靴下が $A_{1}, A_{2}, \dots, A_{N}$ 枚ずつある。いずれも 2 種類以上ある。

これらの中からランダムに選ぶことを繰り返す (元には戻さない)。初めて同じ色の靴下が被るようになるまでの引きの回数の期待値を 998244353 で割った余りを求めよ。

制約

$1 \le N \le 3 \times 10^{5}$
$2 \le A_{i} \le 3000$

考えたこと

まず、「〜を達成するまでの回数の期待値」を、次の値に言い換える典型がある！！

(1 回以上を要する確率) + (2 回以上を要する確率) + ...

ここでは、 $k+1$ 回以上を要する確率を $p(k)$ とおく。 $\displaystyle \sum_{k=0}^{N} p(k)$ を求めればよい。

さて、 $p(k)$ は「最初の $k$ 回の色がすべて異なる確率」である。これは、

$S = A_{1} + A_{2} + \dots + A_{N}$
集合 $\{1, 2, \dots, N\}$ の部分集合であって要素数が $k$ であるものからなる集合を $T(k)$

とすると、次のように求められる。

$p(k) = \displaystyle \sum_{\{r_{1}, r_{2}, \dots, r_{k}\} \in T(k)} \frac{k! A_{r_{1}} A_{r_{2}} \dots A_{r_{k}}}{S(S-1)\dots(S-k+1)} = \sum_{\{r_{1}, r_{2}, \dots, r_{k}\} \in T(k)} \frac{A_{r_{1}} A_{r_{2}} \dots A_{r_{k}}}{{}_{S}\rm{C}_{k}}$

いかにも FPS が使える形である。次の多項式 $f$ を考えよう。

$f(x) = (1 + A_{1}x)(1 + A_{2}x) \dots (1 + A_{N}x)$

そうすると、さらに次のようになる。

$p(k) = \displaystyle \frac{\lbrack x^{k} \rbrack f(x)}{{}_{S}\rm{C}_{k}}$

なお、上の多項式 $f$ のように、 $N$ 個の一次式の積を計算するのは、以下の記事に書いたような分割統治法によって $O(N (\log N)^{2})$ の計算量で実行できる。

drken1215.hatenablog.com

以上の解法の全体の計算量も $O(N (\log N)^{2})$ となる。

コード

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

// modint
template<int MOD> struct Fp {
    // inner value
    long long val;
    
    // constructor
    constexpr Fp() : val(0) { }
    constexpr Fp(long long v) : val(v % MOD) {
        if (val < 0) val += MOD;
    }
    constexpr long long get() const { return val; }
    constexpr int get_mod() const { return MOD; }
    
    // arithmetic operators
    constexpr Fp operator + () const { return Fp(*this); }
    constexpr Fp operator - () const { return Fp(0) - Fp(*this); }
    constexpr Fp operator + (const Fp &r) const { return Fp(*this) += r; }
    constexpr Fp operator - (const Fp &r) const { return Fp(*this) -= r; }
    constexpr Fp operator * (const Fp &r) const { return Fp(*this) *= r; }
    constexpr Fp operator / (const Fp &r) const { return Fp(*this) /= r; }
    constexpr Fp& operator += (const Fp &r) {
        val += r.val;
        if (val >= MOD) val -= MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator -= (const Fp &r) {
        val -= r.val;
        if (val < 0) val += MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator *= (const Fp &r) {
        val = val * r.val % MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator /= (const Fp &r) {
        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 Fp pow(long long n) const {
        Fp res(1), mul(*this);
        while (n > 0) {
            if (n & 1) res *= mul;
            mul *= mul;
            n >>= 1;
        }
        return res;
    }
    constexpr Fp inv() const {
        Fp res(1), div(*this);
        return res / div;
    }

    // other operators
    constexpr bool operator == (const Fp &r) const {
        return this->val == r.val;
    }
    constexpr bool operator != (const Fp &r) const {
        return this->val != r.val;
    }
    constexpr Fp& operator ++ () {
        ++val;
        if (val >= MOD) val -= MOD;
        return *this;
    }
    constexpr Fp& operator -- () {
        if (val == 0) val += MOD;
        --val;
        return *this;
    }
    constexpr Fp operator ++ (int) const {
        Fp res = *this;
        ++*this;
        return res;
    }
    constexpr Fp operator -- (int) const {
        Fp res = *this;
        --*this;
        return res;
    }
    friend constexpr istream& operator >> (istream &is, Fp<MOD> &x) {
        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) {
        return os << x.val;
    }
    friend constexpr Fp<MOD> pow(const Fp<MOD> &r, long long n) {
        return r.pow(n);
    }
    friend constexpr Fp<MOD> inv(const Fp<MOD> &r) {
        return r.inv();
    }
};

// Binomial coefficient
template<class mint> struct BiCoef {
    vector<mint> fact_, inv_, finv_;
    constexpr BiCoef() {}
    constexpr BiCoef(int n) : fact_(n, 1), inv_(n, 1), finv_(n, 1) {
        init(n);
    }
    constexpr void init(int n) {
        fact_.assign(n, 1), inv_.assign(n, 1), finv_.assign(n, 1);
        int MOD = fact_[0].get_mod();
        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 mint com(int n, int k) const {
        if (n < k || n < 0 || k < 0) return 0;
        return fact_[n] * finv_[k] * finv_[n-k];
    }
    constexpr mint fact(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return fact_[n];
    }
    constexpr mint inv(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return inv_[n];
    }
    constexpr mint finv(int n) const {
        if (n < 0) return 0;
        return finv_[n];
    }
};

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].get_mod();
        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;
    }

    // mul by convolution
    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].get_mod();
        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);
        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;
    }
};

// Formal Power Series
template<typename mint> struct FPS : vector<mint> {
    using vector<mint>::vector;
 
    // constructor
    constexpr FPS(const vector<mint> &r) : vector<mint>(r) {}
 
    // core operator
    constexpr FPS pre(int siz) const {
        return FPS(begin(*this), begin(*this) + min((int)this->size(), siz));
    }
    constexpr FPS rev() const {
        FPS res = *this;
        reverse(begin(res), end(res));
        return res;
    }
    constexpr FPS& normalize() {
        while (!this->empty() && this->back() == 0) this->pop_back();
        return *this;
    }
 
    // basic operator
    constexpr FPS operator - () const noexcept {
        FPS res = (*this);
        for (int i = 0; i < (int)res.size(); ++i) res[i] = -res[i];
        return res;
    }
    constexpr FPS operator + (const mint &v) const { return FPS(*this) += v; }
    constexpr FPS operator + (const FPS &r) const { return FPS(*this) += r; }
    constexpr FPS operator - (const mint &v) const { return FPS(*this) -= v; }
    constexpr FPS operator - (const FPS &r) const { return FPS(*this) -= r; }
    constexpr FPS operator * (const mint &v) const { return FPS(*this) *= v; }
    constexpr FPS operator * (const FPS &r) const { return FPS(*this) *= r; }
    constexpr FPS operator / (const mint &v) const { return FPS(*this) /= v; }
    constexpr FPS operator / (const FPS &r) const { return FPS(*this) /= r; }
    constexpr FPS operator % (const FPS &r) const { return FPS(*this) %= r; }
    constexpr FPS operator < (const FPS &r) const { return this->size() < r.size(); }
    constexpr FPS operator << (int x) const { return FPS(*this) <<= x; }
    constexpr FPS operator >> (int x) const { return FPS(*this) >>= x; }
    constexpr FPS& operator += (const mint &v) {
        if (this->empty()) this->resize(1);
        (*this)[0] += v;
        return *this;
    }
    constexpr 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();
    }
    constexpr FPS& operator -= (const mint &v) {
        if (this->empty()) this->resize(1);
        (*this)[0] -= v;
        return *this;
    }
    constexpr 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();
    }
    constexpr FPS& operator *= (const mint &v) {
        for (int i = 0; i < (int)this->size(); ++i) (*this)[i] *= v;
        return *this;
    }
    constexpr FPS& operator *= (const FPS &r) {
        return *this = NTT::mul((*this), r);
    }
    constexpr 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;
    }
    
    // division, r must be normalized (r.back() must not be 0)
    constexpr 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 = (rev().pre(need) * r.rev().inv(need)).pre(need).rev();
        return *this;
    }
    constexpr FPS& operator %= (const FPS &r) {
        assert(!r.empty());
        assert(r.back() != 0);
        this->normalize();
        FPS q = (*this) / r;
        return *this -= q * r;
    }
    constexpr FPS& operator <<= (int x) {
        FPS res(x, 0);
        res.insert(res.end(), begin(*this), end(*this));
        return *this = res;
    }
    constexpr FPS& operator >>= (int x) {
        FPS res;
        res.insert(res.end(), begin(*this) + x, end(*this));
        return *this = res;
    }
    constexpr 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;
    }

    // advanced operation
    // df/dx
    constexpr FPS diff() const {
        int n = (int)this->size();
        FPS res(n-1);
        for (int i = 1; i < n; ++i) res[i-1] = (*this)[i] * i;
        return res;
    }
    
    // \int f dx
    constexpr FPS integral() const {
        int n = (int)this->size();
        FPS res(n+1, 0);
        for (int i = 0; i < n; ++i) res[i+1] = (*this)[i] / (i+1);
        return res;
    }
    
    // inv(f), f[0] must not be 0
    constexpr FPS inv(int deg) const {
        assert((*this)[0] != 0);
        if (deg < 0) deg = (int)this->size();
        FPS res({mint(1) / (*this)[0]});
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = (res + res - res * res * pre(i << 1)).pre(i << 1);
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    constexpr FPS inv() const {
        return inv((int)this->size());
    }
    
    // log(f) = \int f'/f dx, f[0] must be 1
    constexpr FPS log(int deg) const {
        assert((*this)[0] == 1);
        FPS res = (diff() * inv(deg)).integral();
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    constexpr FPS log() const {
        return log((int)this->size());
    }
    
    // exp(f), f[0] must be 0
    constexpr FPS exp(int deg) const {
        assert((*this)[0] == 0);
        FPS res(1, 1);
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = res * (pre(i << 1) - res.log(i << 1) + 1).pre(i << 1);
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    constexpr FPS exp() const {
        return exp((int)this->size());
    }
    
    // pow(f) = exp(e * log f)
    constexpr FPS pow(long long e, int deg) const {
        if (e == 0) {
            FPS res(deg, 0);
            res[0] = 1;
            return res;
        }
        long long i = 0;
        while (i < (int)this->size() && (*this)[i] == 0) ++i;
        if (i == (int)this->size() || i > (deg - 1) / e) return FPS(deg, 0);
        mint k = (*this)[i];
        FPS res = ((((*this) >> i) / k).log(deg) * e).exp(deg) * mint(k).pow(e) << (e * i);
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    constexpr FPS pow(long long e) const {
        return pow(e, (int)this->size());
    }
    
    // sqrt(f), f[0] must be 1
    constexpr FPS sqrt_base(int deg) const {
        assert((*this)[0] == 1);
        mint inv2 = mint(1) / 2;
        FPS res(1, 1);
        for (int i = 1; i < deg; i <<= 1) {
            res = (res + pre(i << 1) * res.inv(i << 1)).pre(i << 1);
            for (mint &x : res) x *= inv2;
        }
        res.resize(deg);
        return res;
    }
    constexpr FPS sqrt_base() const {
        return sqrt_base((int)this->size());
    }
    
    // friend operators
    friend constexpr FPS diff(const FPS &f) { return f.diff(); }
    friend constexpr FPS integral(const FPS &f) { return f.integral(); }
    friend constexpr FPS inv(const FPS &f, int deg) { return f.inv(deg); }
    friend constexpr FPS inv(const FPS &f) { return f.inv((int)f.size()); }
    friend constexpr FPS log(const FPS &f, int deg) { return f.log(deg); }
    friend constexpr FPS log(const FPS &f) { return f.log((int)f.size()); }
    friend constexpr FPS exp(const FPS &f, int deg) { return f.exp(deg); }
    friend constexpr FPS exp(const FPS &f) { return f.exp((int)f.size()); }
    friend constexpr FPS pow(const FPS &f, long long e, int deg) { return f.pow(e, deg); }
    friend constexpr FPS pow(const FPS &f, long long e) { return f.pow(e, (int)f.size()); }
    friend constexpr FPS sqrt_base(const FPS &f, int deg) { return f.sqrt_base(deg); }
    friend constexpr FPS sqrt_base(const FPS &f) { return f.sqrt_base((int)f.size()); }
};

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

int main() {
    long long N, sum = 0;
    cin >> N;
    vector<long long> A(N);
    for (int i = 0; i < N; ++i) cin >> A[i], sum += A[i];
    
    vector<FPS<mint>> pols(N);
    vector<mint> com(N + 1, 1);
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        com[i+1] = com[i] * (sum - i) / (i + 1);
        pols[i] = {1, A[i]};
    }
    
    auto rec = [&](auto rec, int left, int right) -> FPS<mint> {
        if (right - left == 1) return pols[left];
        int mid = (left + right) / 2;
        auto lv = rec(rec, left, mid);
        auto rv = rec(rec, mid, right);
        return lv * rv;
    };
    auto func = rec(rec, 0, N);
    
    mint res = 0;
    for (int k = 0; k <= N; ++k) res += func[k] / com[k];
    cout << res << endl;
}

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 352 G - Socks 3 (3D, 橙色, 600 点)

問題概要

制約

考えたこと

コード