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mod-shortest-path.md

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当出现形如“给定 $n$ 个整数,求这 $n$ 个整数能拼凑出多少的其他整数($n$ 个整数可以重复取)”,以及“给定 $n$ 个整数,求这 $n$ 个整数不能拼凑出的最小(最大)的整数”,或者“至少要拼几次才能拼出模 $K$$p$ 的数”的问题时可以使用同余最短路的方法。

同余最短路利用同余来构造一些状态,可以达到优化空间复杂度的目的。

类比 差分约束 方法,利用同余构造的这些状态可以看作单源最短路中的点。同余最短路的状态转移通常是这样的 $f(i+y) = f(i) + y$,类似单源最短路中 $f(v) = f(u) +edge(u,v)$

例题

例题一

[!NOTE] P3403 跳楼机

题目大意:给定 $x,y,z,h$,对于 $k \in [1,h]$,有多少个 $k$ 能够满足 $ax+by+cz=k$。($1\le x,y,z\le 10^5$,$h\le 2^{63}-1$)

不妨假设 $x < y < z$

$d_i$ 为只通过 操作 2操作 3 能够达到的最低楼层 $p$,并且满足 $p\bmod x=i$

可以得到两个状态:

  • $i \xrightarrow{y} (i+y) \bmod x$

  • $i \xrightarrow{z} (i+z) \bmod x$

注意通常选取一组 $a_i$ 中最小的那个数对它取模,也就是此处的 $x$,这样可以尽量减小空间复杂度(剩余系最小)。

那么实际上相当于执行了最短路中的建边操作:

add(i, (i+y) % x, y)

add(i, (i+z) % x, z)

接下来只需要求出 $d_0, d_1, d_2, \dots, d_{x-1}$,只需要跑一次最短路就可求出相应的 $d_i$。答案即为:

$$ \sum_{i=0}^{x-1}\left(\frac{h-d_i}{x} + 1\right) $$

加一是由于当前所在楼层也算一次。

详细代码
C++
详细代码
C++
Python

Python

例题二

[!NOTE] ARC084B Small Multiple

题目大意:给定 $n$,求 $n$ 的倍数中,数位和最小的那一个的数位和。($1\le n\le 10^5$)

本题可以使用循环卷积优化完全背包在 $O(n\log^2 n)$ 的时间内解决,但我们希望得到线性的算法。

观察到任意一个正整数都可以从 $1$ 开始,按照某种顺序执行乘 $10$、加 $1$ 的操作,最终得到,而其中加 $1$ 操作的次数就是这个数的数位和。这提示我们使用最短路。

对于所有 $0\le k\le n-1$,从 $k$$10k$ 连边权为 $0$ 的边;从 $k$$k+1$ 连边权为 $1$ 的边。(点的编号均在模 $n$ 意义下)

每个 $n$ 的倍数在这个图中都对应了 $1$ 号点到 $0$ 号点的一条路径,求出 $1$$0$ 的最短路即可。某些路径不合法(如连续走了 $10$ 条边权为 $1$ 的边),但这些路径产生的答案一定不优,不影响答案。

时间复杂度 $O(n)$

习题

洛谷 P3403 跳楼机

洛谷 P2662 牛场围栏

[国家集训队]墨墨的等式

「NOIP2018」货币系统