「SOL」星际迷航(LOJ)
分 类 大 讨 论
# 题面
给定一棵 \(n\) 个点的树，将其复制 \(m\) 次得到 \(m+1\) 棵树，依次编号为 \(0\sim m\)。记编号为 \(i\) 的树的节点 \(j\) 为 \((i,j)\)。
令所有 \(m+1\) 棵树上的边都是双向边，另外对于每个 \(i\in[1,m]\)，指定 \(A_i,B_i\)，连一条有向边：\((i-1,A_i)\to(i,B_i)\)。这样得到一个连通的图。
两个玩家 P,Q 在这个图上玩游戏：最初 \((0,1)\) 上有一个棋子，每个玩家轮流操作，将棋子挪到相邻的点上。规定不能挪到已经到过的点，无法继续移动的玩家输掉游戏。
P 为先手，求有多少种 \(A_1,B_1,A_2,B_2,\dots,A_m,B_m\) 的方案使得 P 必胜。
数据规模：\(1\le n\le10^5,1\le m\le10^{18}\)。
# 解析
可以看出，从树 \(i-1\) 经过有向边到达树 \(i\) 的点 \(B_i\)，就可以看成「把 \(B_i\) 作为第 \(i\) 棵树的根，只能向子树方向走或走有向边」这种问题。
走有向边比较复杂，先不考虑。我们先尝试求出以点 \(1\) 为根，只能向子树方向走，每个点是必胜还是必败；然后通过换根 DP 可以得到每个点为根的答案。
我们可以非常轻松地做一个 DP，求出从点 \(i\) 出发只能朝子树方向走，先手是否必胜，记为 \(h_i\)（\(h_i=0\) 即必败，\(h_i=1\) 即必胜）。根据基础的博弈论知识，当 \(u\) 能转移到的所有 \(h_v\) 都为 \(1\)，则 \(h_u=0\)；只要有一个 \(h_v=0\)，则 \(h_u=1\)。
然后考虑加上有向边 \((i,s)\to (i+1,t)\)。这相当于给 \(s\) 新增了一种转移方案，不妨讨论一下这个新增的转移会对 \(h_s\) 造成什么影响：
- 不难发现造成的影响只与「\((i+1,t)\) 是必胜还是必败」有关，而与 \(t\) 具体是哪个点无关；
- 若 \(t\) 是必败点：
- 若 \(h_s=1\)，则 \(s\) 仍然必胜；
- 若 \(h_s=0\)，则 \(s\) 变为必胜态。
- 若 \(t\) 是必胜点：
- 若 \(h_s=1\)，则 \(s\) 仍然必胜；
- 若 \(h_s=0\)，则 \(s\) 仍然必败。
于是我们再定义一个 \(g_{u,0/1}\)，表示 \(u\) 的子树内有一条连向下一棵树的有向边，加上这条有向边后，\(u\) 的状态为 \(0\)（必败）/ \(1\)（必胜）的方案数。
虽然在计算下一棵树的答案之前，我们无法求出 \(g_{u,0/1}\) 的具体值，但是根据之前的讨论，我们知道 \(g\) 的值只与「下一棵树在每个连边状态下，必败点的数量的总和/必胜点的数量的总和」有关，因为只有这两个值决定了 \(t\) 可取的方案数。
不妨记 \(T_{i,0},T_{i,1}\) 分别表示第 \(i\) 棵树在所有状态下必败点/必胜点数量的总和。那么 \(g_{u,k}\) 可以表示为：
因为一棵树只会连出一条有向边，所以所有的 \(g_{u,k}\) 都会是这个形式——我们可以 DP 计算出每个系数 \(g_{u,k,0/1}\)。
这只是以 \(1\) 为根的情况，我们仍然可以换根求出「以每个点为根，要使根为必胜/必败有多少种方案」，记作 \(f_{u,0/1}\)。和 \(g\) 一样，\(f\) 也是关于 \(T_{i+1,0},T_{i+1,1}\) 的式子。
然后我们可以得到：
不难发现，对于每棵树，系数 \(A,B,C,D\) 是相同的（每棵树的树形是一样的，那么上述DP的转移也都是一样的，不一样的是 \(T_{i+1,0},T_{i+1,1}\)，但这和系数无关）。
即：
计算的终点在第 \(m\) 棵树，因为它没有连出的有向边，可以直接计算出 \(T_{m,0},T_{m,1}\)。
然后这个式子就可以矩阵加速，最终复杂度 \(\mathcal{O}(n+\log m)\)。
唯一的麻烦点在于 \(g\) 的换根 DP。要选择一个子树 \(v\)（或者 \(u\) 本身）连出一条有向边，则需要考虑除去子树 \(v\)，剩下的子树中是否有必败态，若有必败态，则 \(u\) 一定是必胜态，与 \(v\) 无关；否则 \(u\) 的状态取决于 \(v\) 连边后的状态。
的确有优美的实现方法，但是我考场上尝试少写点代码结果调到结束都还没过大样例……还不如直接分类大讨论……
# 源代码
不建议借鉴这份代码 (;′⌒`)
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开幕雷击[doge]
/*Lucky_Glass*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
template<class T>inline T rin(T &r){
int b=1,c=getchar();r=0;
while(c<'0' || '9'<c) b=c=='-'?-1:b,c=getchar();
while('0'<=c && c<='9') r=(r<<1)+(r<<3)+(c^'0'),c=getchar();
return r*=b;
}
const int N=1e5+10,MOD=1e9+7;
typedef long long llong;
#define con(type) const type &
inline int add(con(int)a,con(int)b){return a+b>=MOD?a+b-MOD:a+b;}
inline int sub(con(int)a,con(int)b){return a-b<0?a-b+MOD:a-b;}
inline int mul(con(int)a,con(int)b){return int(1ll*a*b%MOD);}
inline int ina_pow(con(int)a,con(int)b){return b?mul(ina_pow(mul(a,a),b>>1),(b&1)?a:1):1;}
inline int inv(con(int)key){return ina_pow(key,MOD-2);}
struct Graph{
int head[N],to[N<<1],nxt[N<<1],ncnt;
void addEdge(con(int)u,con(int)v){
int p=++ncnt,q=++ncnt;
to[p]=v,nxt[p]=head[u],head[u]=p;
to[q]=u,nxt[q]=head[v],head[v]=q;
}
inline int operator [](con(int)u){return head[u];}
}gr;
struct Data{
int sum0,sum1;
Data(){sum0=sum1=0;}
Data(con(int)_sum0,con(int)_sum1):sum0(_sum0),sum1(_sum1){}
Data operator +(con(Data)b)const{return Data(add(sum0,b.sum0),add(sum1,b.sum1));}
Data operator -(con(Data)b)const{return Data(sub(sum0,b.sum0),sub(sum1,b.sum1));}
Data operator *(con(int)d)const{return Data(mul(sum0,d),mul(sum1,d));}
friend Data operator *(con(int)b,con(Data)a){return Data(mul(a.sum0,b),mul(a.sum1,b));}
void operator +=(con(Data)b){(*this)=(*this)+b;}
void operator -=(con(Data)b){(*this)=(*this)-b;}
void operator *=(con(int)b){(*this)=(*this)*b;}
int value(con(int)c0,con(int)c1){return add(mul(sum0,c0),mul(sum1,c1));}
// void debug()const{printf("(%d,%d)",sum0,sum1);}
};
int n,tot_win,tot_los;
llong m;
Data g[N][2],f[N][2];
int h[N],zerotyp[N];
// int wtfdebug[N];
// h[i]=0 loser ; h[i]=1 winner
void dpDFS(con(int)u,con(int)fa){
int cnt_los=0;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
dpDFS(v,u);
cnt_los+=!h[v];
}
h[u]=cnt_los>0;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
if(cnt_los-(!h[v])) // already win
g[u][1]+=g[v][0]+g[v][1];
else{
g[u][0]+=g[v][1];
g[u][1]+=g[v][0];
}
}
if(cnt_los) g[u][1]+=Data(1,1);
else g[u][0]+=Data(0,1),g[u][1]+=Data(1,0);
}
void rootDFS(con(int)u,con(int)fa,con(int)ph,Data *pg){
int cnt_los=!ph;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
cnt_los+=!h[v];
}
tot_win+=cnt_los>0;
tot_los+=cnt_los==0;
// wtfdebug[u]=cnt_los;
if(!cnt_los){
Data gwin=pg[0],glos=pg[1];
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
gwin+=g[v][0],glos+=g[v][1];
}
gwin+=Data(1,0),glos+=Data(0,1);
f[u][0]=glos,f[u][1]=gwin;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
Data nowg[2]={glos-g[v][1],gwin-g[v][0]};
rootDFS(v,u,0,nowg);
}
}
else if(cnt_los==1){
Data gwin,gwinsp,glos,glossp;
// sp: if transform to v ('h[v]==0')
if(!ph) gwin+=pg[0],glos=pg[1];
else{
gwinsp+=pg[0],glossp+=pg[1];
gwin+=pg[0]+pg[1];
}
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
if(!h[v]) gwin+=g[v][0],glos+=g[v][1];
else{
gwinsp+=g[v][0],glossp+=g[v][1];
gwin+=g[v][0]+g[v][1];
}
}
gwinsp+=Data(1,0),glossp+=Data(0,1);
gwin+=Data(1,1);
f[u][0]=glos,f[u][1]=gwin;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
Data nowg[2];
if(h[v]){
nowg[0]=glos;
nowg[1]=gwin-(g[v][0]+g[v][1]);
rootDFS(v,u,1,nowg);
}
else{
nowg[0]=glossp,nowg[1]=gwinsp;
rootDFS(v,u,0,nowg);
}
}
}
else if(cnt_los==2){
Data gwin,glos,gwinsp,glossp;
if(!ph) gwin+=pg[0]+pg[1],gwinsp+=pg[0],glossp+=pg[1];
else gwin+=pg[0]+pg[1],gwinsp+=pg[0]+pg[1];
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
if(!h[v]) gwin+=g[v][0]+g[v][1],gwinsp+=g[v][0],glossp+=g[v][1];
else gwin+=g[v][0]+g[v][1],gwinsp+=g[v][0]+g[v][1];
}
gwin+=Data(1,1);
gwinsp+=Data(1,1);
f[u][0]=glos,f[u][1]=gwin;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
Data nowg[2];
if(!h[v]){
nowg[0]=glossp-g[v][1];
nowg[1]=gwinsp-g[v][0];
rootDFS(v,u,1,nowg);
}
else{
nowg[0]=glos,nowg[1]=gwin-g[v][0]-g[v][1];
rootDFS(v,u,1,nowg);
}
}
}
else{
Data gwin,glos;
gwin+=pg[0]+pg[1];
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
gwin+=g[v][0]+g[v][1];
}
gwin+=Data(1,1);
f[u][0]=glos,f[u][1]=gwin;
for(int it=gr[u];it;it=gr.nxt[it]){
int v=gr.to[it];
if(v==fa) continue;
Data nowg[2];
nowg[0]=glos,nowg[1]=gwin-g[v][0]-g[v][1];
rootDFS(v,u,1,nowg);
}
}
}
void multi(int a[2][2],int b[2][2]){
int c[2][2]={};
for(int i=0;i<2;i++)
for(int j=0;j<2;j++)
for(int k=0;k<2;k++)
c[i][j]=add(c[i][j],mul(a[i][k],b[k][j]));
for(int i=0;i<2;i++)
for(int j=0;j<2;j++)
a[i][j]=c[i][j];
}
int main(){
// freopen("tree\\tree3.in","r",stdin);
rin(n),rin(m);
for(int i=1,u,v;i<n;i++)
gr.addEdge(rin(u),rin(v));
dpDFS(1,0);
Data nowg[2];
rootDFS(1,0,1,nowg);
Data trlos,trwin;
for(int i=1;i<=n;i++)
trlos+=f[i][0],trwin+=f[i][1];
int mat[2][2]={{trlos.sum0,trlos.sum1},{trwin.sum0,trwin.sum1}},res[2][2]={{1,0},{0,1}};
m--;
while(m){
if(m&1) multi(res,mat);
multi(mat,mat),m>>=1;
}
int res_win=add(mul(res[1][0],tot_los),mul(res[1][1],tot_win)),
res_los=add(mul(res[0][0],tot_los),mul(res[0][1],tot_win));
printf("%d\n",f[1][1].value(res_los,res_win));
return 0;
}
THE END
Thanks for reading!
琴弦上羽徵角商角 羽徵角商角
不知何时才能到下一阕
琴声下你是月上月 你是月上月
比长夜中月色更皎洁
琴瑟间曲辞叠上叠 曲辞叠上叠
游走过的绕梁声不停歇
让我的心
似浮萍随 涟漪摇曳
——《琴弦上(vocaloid)》By 乐正绫/赤羽/星葵
> Link 琴弦上-Bilibili
