[JSOI2018]机器人

题目描述

一个\(n\times m\)的网格，有一个机器人一开始在\((1,1)\)，每次机器人可以向右或向下走一步，\((i,m)\)的右边是\((i,1)\),\((n,j)\)的下边是\((1,j)\)，机器人需要不重不漏地走完所有格子回到\((1,1)\)。

现在给出若干障碍，对于每一个上述行走方案，走到障碍时会停止，求所有方案的行走的格子的个数和。

解题思路

首先考虑什么样的方案是合法的。

• 性质一：对于一个格子\((i,j)\)，\((i-1,j)\)和\((i,j-1)\)的行走方向必须是一样的，否则，要么\((i,j)\)会走两次，要么走不到\((i,j)\)

推论：每条副对角线的方向是一样的

• 性质二：第\(i\)条副对角线的方向和第\(i+gcd(n,m)\)条的方向是一样的

证明：

把性质一推广到模意义下，副对角线也推广到模意义下，那么\((i,m)\)和\((i-1,1)\)方向应该是一样的，也就是第\(i+m-1\)条对角线和第\(i-1\)条对角线方向一样，也就是差为\(m\)的对角线方向一样，同理可得差为\(n\)的对角线也一样，那么量条对角线\(x,y\)方向一样当且仅当存在\(a,b\)使得\(x+an+bm=y\)，也就是\(an+bm=(y-x)\)，由裴蜀定理，该式成立当且仅当\(gcd(n,m)|(y-x)\)，也就是说x和\(x+gcd(n,m)\)方向一样。

推论：如果把行走的方向看成一个序列，则序列存在一个循环节是\(\gcd(n,m)\)，原因是每一步必定会到下一个对角线，所以该序列和对角线是一样的。

设在一个循环节中向下走了\(dx\)步，向右走了\(dy\)步，即\(dx+dy=gcd(n,m)\)

那么横坐标回到\(1\)需要经过\(\frac{lcm(dx,n)}{dx}\)个循环节，纵坐标回到\(1\)需要经过\(\frac{lcm(dy,m)}{dy}\)个循环节，两个坐标都回到1需要\(lcm(\frac{lcm(dx,n)}{dx},\frac{lcm(dy,m)}{dy})\)个循环节，而总共有\(\frac{nm}{gcd(n,m)}\)个循环节。

也就是说，我们要让

\[lcm(\frac{lcm(dx,n)}{dx},\frac{lcm(dy,m)}{dy})=\frac{nm}{gcd(n,m)} \]

\[lcm(\frac{n}{gcd(dx,n)},\frac{m}{gcd(dy,m)})=lcm(n,m) \]

对一个质因子\(p\)，及其在\(n,m\)的指数\(c1,c2\)，讨论：

• \(min(c1,c2)=0\)

若\(p|gcd(dx,n)\)，则\(c1>0\)，那么左式一定会比比右式在p的指数上少，所以\(p\nmid gcd(dx,n)\)，同理\(p \nmid gcd(dy,m)\)。

• \(min(c1,c2)>0\)

若\(p\mid gcd(dx,n)\)，则\(p|gcd(n,m)-dx\)即\(p|dy\)，即\(p|gcd(dy,m)\)，所以左边还是一定比右边少指数，所以\(p\nmid gcd(dx,n),gcd(dy,m)\)

综上所述 ，\(p\nmid gcd(dx,n),gcd(dy,m)\).

即\(gcd(dx,n)=gcd(dy,m)=1\)，易得这是路径合法的充要条件。

因此可以枚举合法的\(dx\)。

计算答案时，考虑枚举撞到障碍的轮数，以及撞到的障碍，因为有循环节，所以所有循环节里州的路线是一样的，也就是说，如果第一轮走到了\((x,y)\)这个点，那么之后所有循环节里到这个位置时都必须能走。

方便起见，我们可以把所有循环节的障碍重叠起来，设前\(i\)个循环的障碍重叠起来得到的图是\(G^i\)

那么我们在第\(c\)轮撞到\((x,y)\)的充要条件是：

1.该路线在\(G^{c-1}\)可以从左上走到右下。

2.该路线在\(G^c\)可以从左上走到\((x-1,y)\)或\((x,y-1)\)。

这又等价于：

1.该路线在\(G^c\)可以从左上走到\((x-1,y)\)或\((x,y-1)\)。

2.该路线在\(G^{c-1}\)可以从\((x,y)\)走到右下。

因此我们只需要知道在\(G^c\)或\(G^{c-1}\)中从左上走到某个点，或从某个点走到右下的方案数即可，显然可以\(O(nm)\)dp出来。

因此总的复杂度是\(O(Tn^4)\)，显然没有一维能够跑满，所以可以轻松通过。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N =55;
const int mod = 998244353;
char s[N][N];
int f[N][N],g[N][N];
int gcd(int a,int b)
{
	if(!b)return a;
	return gcd(b,a%b);
}
int ans=0;
bool A[N][N],B[N][N];
void get(int n,int m)
{
	for(int i=0;i<=n+1;i++)
	for(int j=0;j<=m+1;j++)
	f[i][j]=g[i][j]=0;
	f[1][1]=(A[1][1]==0);
	for(int i=1;i<=n;i++)
	for(int j=1;j<=m;j++)
	{
		if((i==1&&j==1)||A[i][j])continue;
		f[i][j]=(f[i-1][j]+f[i][j-1])%mod;
	}
	g[n][m]=(B[n][m]==0);
	for(int i=n;i>=1;i--)
	for(int j=m;j>=1;j--)
	{
		if((i==n&&j==m)||B[i][j])continue;
		g[i][j]=(g[i+1][j]+g[i][j+1])%mod;
	}
}
#define R(x) (x%m+1)
#define D(x) (x%n+1)
int n,m;
void solve()
{
	ans=0;
	scanf("%d %d",&n,&m);
	for(int i=1;i<=n;i++)scanf("%s",s[i]+1);
	int d=gcd(n,m),C=n*m/d;
	for(int dx=0;dx<=d;dx++)
	if(gcd(dx,n)==1&&gcd(d-dx,m)==1)
	{
		int dy=d-dx;
		for(int i=1;i<=dx+1;i++)
		for(int j=1;j<=dy+1;j++)
		A[i][j]=B[i][j]=0;
		int x=1,y=1;
		for(int c=1;c<=C;c++)
		{
			for(int i=x,a=1;a<=dx+1;i=D(i),a++)
			for(int j=y,b=1;b<=dy+1;j=R(j),b++)
			A[a][b]|=(s[i][j]=='1');
			get(dx+1,dy+1);
			for(int i=x,a=1;a<=dx+1;i=D(i),a++)
			for(int j=y,b=1;b<=dy+1;j=R(j),b++)
			if(s[i][j]=='1')ans=(ans+1ll*((c-1)*(dx+dy)+a-1+b-1)%mod*(f[a-1][b]+f[a][b-1])%mod*g[a][b]%mod)%mod;
			for(int i=x,a=1;a<=dx+1;i=D(i),a++)
			for(int j=y,b=1;b<=dy+1;j=R(j),b++)
			B[a][b]|=(s[i][j]=='1');
			for(int a=1;a<=dx;x=D(x),a++);
			for(int b=1;b<=dy;y=R(y),b++);
		}
	}
	printf("%d\n",ans);
}
int main()
{
	int T;
	cin>>T;
	while(T--)
	{
		solve();
	}
	return 0;
}