Meet in the middle算法总结 (附模板及SPOJ ABCDEF、BZOJ4800、POJ 1186、BZOJ 2679 题解)
Meet in the Middle 总结
1.算法模型
1.1 Meet in the Middle算法的适用范围
如果将搜索的路径看成一个有向图，Meet in the Middle 算法适用于求有向图上从A到B，且长度为L的路径数。
换句话说，Meet in the Middle 算法适用于求经过L步变化，从A变到B需要的方案数
1.2Meet in the Middle的基本思想
对于一般的搜索算法，我们一般是从一个初始状态开始搜索，直到找到结果。
meet in the middle算法采用从初态和终态出发各搜索一半状态，使得搜索树在中间相遇，这样
可以显著减少搜索的深度。
1.3Meet in the Middle的算法过程
- 从状态A出发搜索L1步，记录走L1步到达状态i的步数为count(i)
- 从状态B出发搜索L2步，如果到达状态i,且count(i)不为0，则把count(i)累加到答案中
首先要保证L1+L2=L，一般选择L1=L2=\(\frac{L}{2}\) ,但在某些问题中，不均匀的搜索反而会跑得更快
通俗的说，就是从起点，终点各搜索一半状态，再将状态合起来
1.4Meet in the Middle的时间复杂度分析
设A到B搜索L步，每个搜索树的节点的分叉最多D个，计算出下一个节点的时间为T，每个节点的空间为S
则总状态数为$ 2*D^{\frac{L}{2}}$
搜索答案需要\(O(D^{\frac{L}{2}}T)\)的时间，合并答案理论上需要\(O(D^{\frac{L}{2}}S)\)的时间（在后面的代码实现部分我们会讨论，由于写法的不同，时间复杂度可能会略大），总时间复杂度为\(O(D^{\frac{L}{2}}(S+T))\)
2.代码实现
Meet in the Middle算法有几种实现方法，搜索部分大致相同，合并答案部分有多种实现
我们以下面这道题为例：
例题 [SPOJ ABCDEF]
在[-30000,30000]范围里，给出一组整数集合S。找到满足的六元组的总数使得：
并且保证元组\((a,b,c,d,e,f):a,b,c,d,e,f \in S;d \neq0\)
我们将问题转化成\(ab+c=d(e+f)\) (注意，使等式两边未知数个数相等或尽量均匀分布是用meet in the middle算法解决等式问题的常见方法)
然后我们先搜索ab+c的所有可能结果（可以用DFS，但for循环更简洁）
然后搜索d(e+f)的所有可能结果，然后将两步的结果合起来即可得到答案
法1： 结果合并法
我们将两次搜索的结果分别存在数组a,b里，然后尝试在\(O(m)\)或\(O(m\log m)\)的时间内将结果合并（在本部分，我们定义m为搜索到的状态数量）
首先我们把a,b数组排序
对于此题来说，对于a数组的每一个数a[i],我们在b中二分查找与a[i]相等的数的个数 （查找第一>=a[i]的数的位置与第一个>a[i]的数的位置，两个位置相减即为答案
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#define maxn 100
using namespace std;
int n,m;
long long s[maxn+5];
long long num[maxn*maxn*maxn+5];
int main(){
int l,r;
scanf("%d",&n);
for(int i=1;i<=n;i++){
scanf("%lld",&s[i]);
}
for(int i=1;i<=n;i++){//搜索出a数组
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){
num[++m]=s[i]*s[j]+s[k];
}
}
}
sort(num+1,num+1+m);
long long ans=0;
for(int i=1;i<=n;i++){
if(s[i]==0) continue;
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){//搜索出b数组，为了节约空间，此处不必存储
l=lower_bound(num+1,num+1+m,s[i]*(s[j]+s[k]))-num;//第一个=a[i]的数的位置
r=upper_bound(num+1,num+1+m,s[i]*(s[j]+s[k]))-num-1;//最后一个一个=a[i]的数的位置
if(r>=l) ans+=(r-l+1);
}
}
}
printf("%lld\n",ans);
}
法2：哈希表
此方法相对较简洁，理论时间复杂度也更低，为\(O(m)\)
（因为法1常常要用到排序和二分查找，时间复杂度要多一个log）
第一次搜索时把答案存进哈希表，第二次搜索时在哈希表中查询即可
但是考虑到hash过程中可能会产生碰撞，导致效率降低。本人不太推荐这种方法（被卡了很多次）
卡hash table 的方法可见下面两篇博客:
https://codeforces.com/blog/entry/62393
https://codeforces.com/blog/entry/60737
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<map>
#define maxn 100
using namespace std;
int n,m;
long long s[maxn+5];
const int c=133331;
struct myhash {
struct node {
long long v;
long long cnt;
node* next;
};
node a[200005];
void set0(){
for(int i=0;i<maxn;i++){
a[i].v=0;
a[i].next=NULL;
}
}
void push(long long x) {
long long t;
if(x<0) t=-x;
else t=x;
node *tmp=a[t%c].next;
if(tmp==NULL){
tmp=new node();
tmp->v=x;
tmp->cnt=1;
tmp->next=NULL;
a[t%c].next=tmp;
return;
}
while(tmp!=NULL){
if(tmp->v==x){
tmp->cnt++;
return;
}
tmp=tmp->next;
}
if(tmp==NULL){
node *tmp=new node();
tmp->v=x;
tmp->cnt=1;
tmp->next=a[t%c].next;
a[t%c].next=tmp;
}
}
long long count(long long x) {
long long t;
if(x<0) t=-x;
else t=x;
if(a[t%c].next==NULL) return 0;
else {
node* tmp=a[t%c].next;
while(tmp!=NULL) {
if(tmp->v==x) return tmp->cnt;
tmp=tmp->next;
}
return 0;
}
}
};
myhash num;
int main(){
int l,r;
scanf("%d",&n);
for(int i=1;i<=n;i++){
scanf("%lld",&s[i]);
}
num.set0();
for(int i=1;i<=n;i++){
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){
num.push(s[i]*s[j]+s[k]);
}
}
}
long long ans=0;
for(int i=1;i<=n;i++){
if(s[i]==0) continue;
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){
ans+=num.count(s[i]*(s[j]+s[k]));
}
}
}
printf("%lld\n",ans);
}
法3：map
使用STL map，本质和法2一样，但是由于map是基于红黑树，时间复杂度为\(O(m\log m)\)
虽然map的效率看起来比哈希表低，但map更稳定，不会出现冲突的情况。
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<map>
#define maxn 100
using namespace std;
int n,m;
long long s[maxn+5];
map<long long,long long>num;//num[i]表示数字i出现的次数
int main(){
int l,r;
scanf("%d",&n);
for(int i=1;i<=n;i++){
scanf("%lld",&s[i]);
}
for(int i=1;i<=n;i++){
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){
num[s[i]*s[j]+s[k]]++;//存进map里
}
}
}
long long ans=0;
for(int i=1;i<=n;i++){
if(s[i]==0) continue;
for(int j=1;j<=n;j++){
for(int k=1;k<=n;k++){
ans+=num[s[i]*(s[j]+s[k])];//直接查询
}
}
}
printf("%lld\n",ans);
}
三种实现方法的比较：
| 实现方法 | 时间复杂度 | 实际运行效率 | 思维难度 | 代码量 |
|---|---|---|---|---|
| 序列合并 | O(mlogm) | 较快 | 较大（有些题不好合并） | 中 |
| 散列表 | O(m) | 不被卡时最快，但可能会被卡 | 较小 | 大（手写hash表） |
| STL map | O(mlogm) | 较快，但常数较大 | 最小 | 小 |
3.扩展运用
我们通过一些例题来了解
[BZOJ 4800] 冰球世界锦标赛
有n个物品，m块钱，给定每个物品的价格，求买物品的方案数。
解法：先搜索用前n/2个物品凑出的钱数，再搜索后n/2个物品凑出的钱数
采用结果合并法，lans存储前一半物品凑出的钱数，rans存储后一半
对于lans[i]，在rans中查找<=m-lans[i]的数的个数
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<vector>
#define maxn 45
#define maxs 2000005
using namespace std;
int n;
long long m;
long long a[maxn];
int lcnt;
long long lans[maxs];//前一半
int rcnt;
long long rans[maxs];//后一半
void dfs(long long *ans,int &size,int deep,int top,long long sum){
//ans答案数组，size结果数量，deep表示当前搜索的物品，top表示最多搜到第几个物品，sum表示总和
if(sum>m) return;
if(deep==top+1){
ans[++size]=sum;
return;
}
dfs(ans,size,deep+1,top,sum+a[deep]);
dfs(ans,size,deep+1,top,sum);
}
int main(){
scanf("%d %lld",&n,&m);
for(int i=1;i<=n;i++){
scanf("%lld",&a[i]);
}
sort(a+1,a+1+n);
dfs(lans,lcnt,1,n/2,0);//搜索[1,n/2]
dfs(rans,rcnt,n/2+1,n,0);//搜索[n/2+1,n]
sort(lans+1,lans+1+lcnt);
sort(rans+1,rans+1+rcnt);
long long ans=0;
for(int i=1;i<=lcnt;i++){//合并答案
ans+=upper_bound(rans+1,rans+1+rcnt,m-lans[i])-rans-1;
//这里求的是<=m-lans[i]的rans的个数，即rans中第一个大于m-lans[i]的数的位置-1
}
printf("%lld\n",ans);
}
[POJ 1186] 方程的解数
已知一个n元高次方程：
\(k_1x_1^{p_1}+k_2x_2^{p_2}+ \dots+k_nx_n^{p_n}=0\)
其中：x1, x2,…,xn是未知数，k1,k2,…,kn是系数，p1,p2,…pn是指数。且方程中的所有数均为整数。
假设未知数1 <= xi <= M, i=1,,,n，求这个方程的整数解的个数。
解法:将方程变形为
\(k_1x_1^{p_1}+k_2x_2^{p_2}+ \dots+k_{n/2}x_{n/2}^{p_{n/2}}=-k_{n/2+1}x_{n/2+1}^{p_{n/2+1}}-\dots-k_{n-1}x_{n-1}^{p_{n-1}}-k_nx_n^{p_n}\)
然后就可以类似例题"ABCDEF"，分别搜索左边和右边的所有可能取值，然后再合并
合并方法类似点分治的合并，维护两个索引i,j
i从1~n遍历lans
对于每个i，j从n到1循环，直到找到一个rans[j0]=lans[i0]
然后对于i，从i0向后找到与ans[i0]相等的所有i，并计算出个数cnt1
对于j,从j0向前找到与ans[j0]相等的所有j,并计算出个数cnt2
根据乘法原理，应将cnt1*cnt2累加进答案
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#define maxn 7
#define maxs 33750005
using namespace std;
int n,m;
int k[maxn];
int p[maxn];
int x[maxn];
int lcnt;
long long lans[maxs];
int rcnt;
long long rans[maxs];
inline long long fast_pow(long long x,long long k){
int ans=1;
while(k){
if(k&1) ans=ans*x;
x=x*x;
k>>=1;
}
return ans;
}
void dfs(long long *ans,int &size,int deep,int l,int r,long long sum){
if(deep==r+1){
ans[++size]=sum;
return;
}
for(int i=1;i<=m;i++){
x[deep]=i;//枚举x的可能取值
dfs(ans,size,deep+1,l,r,sum+k[deep]*fast_pow(x[deep],p[deep]));
}
}
int main(){
scanf("%d %d",&n,&m);
for(int i=1;i<=n;i++){
scanf("%d %d",&k[i],&p[i]);
}
dfs(lans,lcnt,1,1,n/2,0);
dfs(rans,rcnt,n/2+1,n/2+1,n,0);
sort(lans+1,lans+1+lcnt);
sort(rans+1,rans+1+rcnt);
int j=rcnt;
long long ans,cnt1,cnt2;
ans=0;
for(int i=1;i<=lcnt;i++){//合并答案
while(lans[i]+rans[j]>0){
j--;
}
if(j<=0) break;
if(lans[i]+rans[j]!=0) continue;
cnt1=cnt2=1;
while(i<lcnt&&lans[i+1]==lans[i]){
i++;
cnt1++;
}
while(j>1&&rans[j-1]==rans[j]){
j--;
cnt2++;
}
ans+=cnt1*cnt2;
}
printf("%lld\n",ans);
}
[BZOJ 2679] Balanced Cow Subsets
给n个数，从中任意选出一些数，使这些数能分成和相等的两组。
求有多少种选数的方案。n≤20
解法：转化为和上面的方程类似的模型
$ a_1x_1+a_2 x_2+ \dots a_n x_n=0 $
其中x只能取1,-1,0 (1代表放在集合1,-1代表放在集合2，0代表不选)
同样对方程移项
不同的是，此题求的不是方程的解，而是方程的解对应集合的数量
我们采用状压，每次搜索除了记录数的和，还要记录状态 （选为1，不选为0）
因为这题不方便用序列合并，我们用map和vector来实现：
开一个map,状态个数个vector
第一次搜索，记录下lsum,lset(lsum为和，lset为对应的集合，mp为一个STL map),用map来离散化，得到lsum对应的离散化后值，并往该值对应的vector中插入lset
第二次搜索，如果搜到的和rsum在mp里面出现过，则可以查到rsum对应的vector编号
遍历这个vector,若vector中的数是lset,当前搜索的集合为rset,则lset+rset为满足条件的集合 （和相等且不重复）
用一个bool数组统计该集合是否出现过即可
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<cmath>
#include<map>
#include<vector>
#define maxn 25
#define mod 999917
#define maxh 1000005
#define maxb 1050000
using namespace std;
inline int qread(){
int x=0,sign=1;
char c=getchar();
while(c<'0'||c>'9'){
if(c=='-') sign=-1;
c=getchar();
}
while(c>='0'&&c<='9'){
x=x*10+c-'0';
c=getchar();
}
return x*sign;
}
int n;
long long a[maxn];
int vis[maxb];
map<long long,int>mp;
vector<int>v[maxh];
int ans=0;
int cnt=0;
void dfs1(int deep,int top,long long sum,int s) {
if(deep==top+1) {
if(!mp.count(sum)) mp[sum]=++cnt;
v[mp[sum]].push_back(s);
return;
}
dfs1(deep+1,top,sum+a[deep],s|(1<<(deep-1)));
dfs1(deep+1,top,sum-a[deep],s|(1<<(deep-1)));
dfs1(deep+1,top,sum,s);
}
void dfs2(int deep,int top,long long sum,int s) {
if(deep==top+1) {
if(!mp.count(sum)) return;
int id=mp[sum];
for(int i=0;i<v[id].size();i++){
if(!vis[v[id][i]|s]) ans++;
vis[v[id][i]|s]=1;
}
return;
}
dfs2(deep+1,top,sum+a[deep],s|(1<<(deep-1)));
dfs2(deep+1,top,sum-a[deep],s|(1<<(deep-1)));
dfs2(deep+1,top,sum,s);
}
int main() {
n=qread();
for(int i=1; i<=n; i++) {
a[i]=qread();
}
int m=n/2;;
dfs1(1,m,0,0);
dfs2(m+1,n,0,0);
printf("%d\n",ans-1);
}
参考资料：
乔明达《搜索问题中的meet in the middle技巧》
