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是的,可以低于 \(O(n^2)\) 复杂度计算出对于每一个 \(k\)\(\sum_i f(i,k) = \sum_i w_i \binom{n-1-i}{k}\)(其中 \(k\) 的范围是 \(0\)\(n-1\),且 \(k\)\(O(n)\) 量级)。具体来说,可以通过生成函数和快速傅里叶变换(FFT)在 \(O(n \log n)\) 时间内完成计算。以下是详细的算法步骤和复杂度分析。

算法步骤:

  1. 预处理:
    给定 \(n\) 和权重 \(w_x\)\(x\) 的范围是 \(1\)\(n-1\))。
    \(m = n - 2\)(因为 \(y = n - 1 - x\) 的范围是 \(0\)\(n-2\))。
    计算序列 \(v_y\)\(y = 0\)\(m\)):

\[v_y = w_{n-1-y} \]

即:

\[v_0 = w_{n-1} \]

\[v_1 = w_{n-2} \]

\[\cdots \]

\[v_m = w_1 \]

  1. 计算阶乘:
    预计算阶乘 \(j!\) 和其倒数 \(\frac{1}{j!}\)\(j = 0\)\(m\)),复杂度 \(O(n)\)

  2. 构建序列 \(A\)\(C\)
    序列 \(A\):长度为 \(m+1\),索引 \(j = 0\)\(m\)

\[A_j = v_j \cdot j! \]

序列 \(C\):长度为 \(m+1\),索引 \(i = 0\)\(m\)

\[C_i = \frac{1}{(m - i)!} \]

  1. 计算卷积:
    使用快速傅里叶变换(FFT)计算序列 \(A\)\(C\) 的卷积 \(D = A * C\)
    卷积结果 \(D_l\) 的长度为 \(2m + 1\),索引 \(l = 0\)\(2m\)
    FFT 的复杂度为 \(O(n \log n)\)(因为序列长度为 \(O(n)\))。

  2. 计算 \(g_k\)\(s(k)\)
    对于每个 \(k = 0\)\(m\)

\[g_k = D_{k + m} \]

\[s(k) = \frac{g_k}{k!} \]

这里 \(s(k)\) 即为所求的 \(\sum_i w_i \binom{n-1-i}{k}\)
对于 \(k > m\)(即 \(k > n-2\)),有 \(s(k) = 0\)(因为二项式系数 \(\binom{y}{k} = 0\)\(y \leq n-2 < k\))。

  1. 输出:
    输出 \(s(k)\) 对于 \(k = 0\)\(n-1\)(对于 \(k > n-2\),直接输出 0)。

复杂度分析:
时间复杂度:
计算 \(v_y\)\(O(n)\)
预计算阶乘:\(O(n)\)
构建序列 \(A\)\(C\)\(O(n)\)
FFT 卷积:\(O(n \log n)\)(主导步骤)。
计算 \(g_k\)\(s(k)\)\(O(n)\)(每个 \(k\) 的除法为 \(O(1)\),假设算术运算为常数时间)。
总体复杂度为 \(O(n \log n)\),低于 \(O(n^2)\)
空间复杂度:\(O(n)\)(存储序列和卷积结果)。

正确性说明:
该算法基于生成函数 \(\sum_k s(k) z^k = \sum_y v_y (1 + z)^y\)
通过变量替换和卷积(使用 FFT 加速),高效地提取系数 \(s(k)\)
\(s(k)\) 的计算中,\(g_k = k! \cdot s(k)\),因此除以 \(k!\) 后得到正确结果。
小规模测试(如 \(n=3,4\))验证了算法的正确性。

注意事项:
数值精度:如果权重 \(w_x\) 是整数,则 \(s(k)\) 为整数。算法中涉及分数(如 \(C_i = 1/(m-i)!\)),但最终 \(s(k)\) 为精确值。在实际实现中,可使用浮点数 FFT(注意精度问题)或整数 FFT(如数论变换 NTT)结合缩放技术保证精确性。
生成函数的应用:算法利用了生成函数的性质 \(\sum_y v_y (1 + z)^y\) 和 FFT 实现高效卷积。

此方法在 \(O(n \log n)\) 时间内解决了问题,优于直接的 \(O(n^2)\) 方法。

posted @ 2025-06-24 12:42  linjingxiang  阅读(18)  评论(0)    收藏  举报