算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题

声明

这是 AcWing,创始人 y 总,总结的代码模板,本人仅用于学习,不许你侵权,本人侵权,立即删除。

一、基础算法模板

快速排序算法模板

AcWing 785. 快速排序

void quick_sort(int q[], int l, int r)
{
    if (l >= r) return;

    int i = l - 1, j = r + 1, x = q[l + r >> 1];
    while (i < j)
    {
        do i ++ ; while (q[i] < x);
        do j -- ; while (q[j] > x);
        if (i < j) swap(q[i], q[j]);
    }
    quick_sort(q, l, j), quick_sort(q, j + 1, r);
}

归并排序算法

AcWing 787. 归并排序

void merge_sort(int q[], int l, int r)
{
    if (l >= r) return;

    int mid = l + r >> 1;
    merge_sort(q, l, mid);
    merge_sort(q, mid + 1, r);

    int k = 0, i = l, j = mid + 1;
    while (i <= mid && j <= r)
        if (q[i] <= q[j]) tmp[k ++ ] = q[i ++ ];
        else tmp[k ++ ] = q[j ++ ];

    while (i <= mid) tmp[k ++ ] = q[i ++ ];
    while (j <= r) tmp[k ++ ] = q[j ++ ];

    for (i = l, j = 0; i <= r; i ++, j ++ ) q[i] = tmp[j];
}

逆序对的数量

AcWing 788. 逆序对的数量
在这里插入图片描述
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第1张图片
注意:做半段 L, 右半段 R,均是有序序列

#include 
using namespace std;

const int N=100010;
typedef long long ll;
ll q[N], tmp[N];
int n;

ll merge(int l, int r) {
    if(l>=r) return 0;
    
    int mid = l+r>>1;
    ll res = merge(l, mid) + merge(mid+1, r);
    
    int k=0, i = l, j=mid+1;
    while(i<=mid && j<=r) {
        if(q[i] <= q[j]) tmp[k++] = q[i++];
        else {
            tmp[k++] = q[j++];
            
            //这里是因为,左右两半都是有序,此时的i>j 后面mid到i的数也大于这个j前半部分是从 r 到 mid
            res += mid - i + 1;
        }
    }
    
    while(i<=mid) tmp[k++] = q[i++];
    while(j<=r) tmp[k++] = q[j++];
    
    for(int i=l, k=0; i<=r; i++, k++) q[i] = tmp[k];
    
    return res;
}

int main() {
    cin >> n;
    for(int i=0; i<n; i++) cin >> q[i];
    
    cout << merge(0, n-1);
    
    return 0;
}

整数二分算法模板

AcWing 789. 数的范围

bool check(int x) {/* ... */} // 检查x是否满足某种性质

// 区间[l, r]被划分成[l, mid]和[mid + 1, r]时使用:
int bsearch_1(int l, int r)
{
    while (l < r)
    {
        int mid = l + r >> 1;
        if (check(mid)) r = mid;    // check()判断mid是否满足性质
        else l = mid + 1;
    }
    return l;
}
// 区间[l, r]被划分成[l, mid - 1]和[mid, r]时使用:
int bsearch_2(int l, int r)
{
    while (l < r)
    {
        int mid = l + r + 1 >> 1;
        if (check(mid)) l = mid;
        else r = mid - 1;
    }
    return l;
}

浮点数二分算法模板

AcWing 790. 数的三次方根

bool check(double x) {/* ... */} // 检查x是否满足某种性质

double bsearch_3(double l, double r)
{
    const double eps = 1e-6;   // eps 表示精度,取决于题目对精度的要求
    while (r - l > eps)
    {
        double mid = (l + r) / 2;
        if (check(mid)) r = mid;
        else l = mid;
    }
    return l;
}

高精度加法

AcWing 792. 高精度减法

// C = A + B, A >= 0, B >= 0
vector<int> add(vector<int> &A, vector<int> &B)
{
    if (A.size() < B.size()) return add(B, A);

    vector<int> C;
    int t = 0;
    for (int i = 0; i < A.size(); i ++ )
    {
        t += A[i];
        if (i < B.size()) t += B[i];
        C.push_back(t % 10);
        t /= 10;
    }

    if (t) C.push_back(t);
    return C;
}

高精度减法

AcWing 792. 高精度减法

// C = A - B, 满足A >= B, A >= 0, B >= 0
vector<int> sub(vector<int> &A, vector<int> &B)
{
    vector<int> C;
    for (int i = 0, t = 0; i < A.size(); i ++ )
    {
        t = A[i] - t;
        if (i < B.size()) t -= B[i];
        C.push_back((t + 10) % 10);
        if (t < 0) t = 1;
        else t = 0;
    }

    while (C.size() > 1 && C.back() == 0) C.pop_back();
    return C;
}

高精度乘低精度

AcWing 793. 高精度乘法

// C = A * b, A >= 0, b >= 0
vector<int> mul(vector<int> &A, int b)
{
    vector<int> C;

    int t = 0;
    for (int i = 0; i < A.size() || t; i ++ )
    {
        if (i < A.size()) t += A[i] * b;
        C.push_back(t % 10);
        t /= 10;
    }

    while (C.size() > 1 && C.back() == 0) C.pop_back();

    return C;
}

高精度除以低精度

AcWing 794. 高精度除法

// A / b = C ... r, A >= 0, b > 0
vector<int> div(vector<int> &A, int b, int &r)
{
    vector<int> C;
    r = 0;
    for (int i = A.size() - 1; i >= 0; i -- )
    {
        r = r * 10 + A[i];
        C.push_back(r / b);
        r %= b;
    }
    reverse(C.begin(), C.end());
    while (C.size() > 1 && C.back() == 0) C.pop_back();
    return C;
}

一维前缀和

AcWing 795. 前缀和

S[i] = a[1] + a[2] + ... a[i]
a[l] + ... + a[r] = S[r] - S[l - 1]

二维前缀和

AcWing 796. 子矩阵的和

S[i, j] = 第i行j列格子左上部分所有元素的和
以(x1, y1)为左上角,(x2, y2)为右下角的子矩阵的和为:
S[x2, y2] - S[x1 - 1, y2] - S[x2, y1 - 1] + S[x1 - 1, y1 - 1]

一维差分

AcWing 797. 差分

给区间[l, r]中的每个数加上c:B[l] += c, B[r + 1] -= c

二维差分

AcWing 798. 差分矩阵

给以(x1, y1)为左上角,(x2, y2)为右下角的子矩阵中的所有元素加上c:
S[x1, y1] += c, S[x2 + 1, y1] -= c, S[x1, y2 + 1] -= c, S[x2 + 1, y2 + 1] += c

位运算

AcWing 801. 二进制中1的个数

求n的第k位数字: n >> k & 1
返回n的最后一位1lowbit(n) = n & -n

双指针算法

AcWIng 799. 最长连续不重复子序列
AcWing 800. 数组元素的目标和

for (int i = 0, j = 0; i < n; i ++ )
{
    while (j < i && check(i, j)) j ++ ;

    // 具体问题的逻辑
}
常见问题分类:
    (1) 对于一个序列,用两个指针维护一段区间
    (2) 对于两个序列,维护某种次序,比如归并排序中合并两个有序序列的操作

离散化

AcWing 802. 区间和

vector<int> alls; // 存储所有待离散化的值
sort(alls.begin(), alls.end()); // 将所有值排序
alls.erase(unique(alls.begin(), alls.end()), alls.end());   // 去掉重复元素

// 二分求出x对应的离散化的值
int find(int x) // 找到第一个大于等于x的位置
{
    int l = 0, r = alls.size() - 1;
    while (l < r)
    {
        int mid = l + r >> 1;
        if (alls[mid] >= x) r = mid;
        else l = mid + 1;
    }
    return r + 1; // 映射到1, 2, ...n
}

区间合并

AcWing 803. 区间合并

// 将所有存在交集的区间合并
void merge(vector<PII> &segs)
{
    vector<PII> res;

    sort(segs.begin(), segs.end());

    int st = -2e9, ed = -2e9;
    for (auto seg : segs)
        if (ed < seg.first)
        {
            if (st != -2e9) res.push_back({st, ed});
            st = seg.first, ed = seg.second;
        }
        else ed = max(ed, seg.second);

    if (st != -2e9) res.push_back({st, ed});

    segs = res;
}

二、数据结构模板

KMP

AcWing 831. KMP字符串

// s[]是长文本,p[]是模式串,n是s的长度,m是p的长度
求模式串的Next数组:
for (int i = 2, j = 0; i <= m; i ++ )
{
    while (j && p[i] != p[j + 1]) j = ne[j];
    if (p[i] == p[j + 1]) j ++ ;
    ne[i] = j;
}

// 匹配
for (int i = 1, j = 0; i <= n; i ++ )
{
    while (j && s[i] != p[j + 1]) j = ne[j];
    if (s[i] == p[j + 1]) j ++ ;
    if (j == m)
    {
        j = ne[j];
        // 匹配成功后的逻辑
    }
}

Trie树

AcWing 835. Trie字符串统计

int son[N][26], cnt[N], idx;
// 0号点既是根节点,又是空节点
// son[][]存储树中每个节点的子节点
// cnt[]存储以每个节点结尾的单词数量

// 插入一个字符串
void insert(char *str)
{
    int p = 0;
    for (int i = 0; str[i]; i ++ )
    {
        int u = str[i] - 'a';
        if (!son[p][u]) son[p][u] = ++ idx;
        p = son[p][u];
    }
    cnt[p] ++ ;
}

// 查询字符串出现的次数
int query(char *str)
{
    int p = 0;
    for (int i = 0; str[i]; i ++ )
    {
        int u = str[i] - 'a';
        if (!son[p][u]) return 0;
        p = son[p][u];
    }
    return cnt[p];
}

并查集

AcWing 836. 合并集合
AcWing 837. 连通块中点的数量

  • (1) 朴素并查集:
int p[N]; //存储每个点的祖宗节点

// 返回x的祖宗节点
int find(int x)
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

// 初始化,假定节点编号是1~n
for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;

// 合并a和b所在的两个集合:
p[find(a)] = find(b);
  • (2) 维护 size 的并查集:
int p[N], size[N];
//p[]存储每个点的祖宗节点, size[]只有祖宗节点的有意义,表示祖宗节点所在集合中的点的数量

// 返回x的祖宗节点
int find(int x)
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

// 初始化,假定节点编号是1~n
for (int i = 1; i <= n; i ++ )
{
    p[i] = i;
    size[i] = 1;
}

// 合并a和b所在的两个集合:
size[find(b)] += size[find(a)];
p[find(a)] = find(b);

  • (3) 维护到祖宗节点距离的并查集:
int p[N], d[N];
//p[]存储每个点的祖宗节点, d[x]存储x到p[x]的距离

// 返回x的祖宗节点
int find(int x)
{
    if (p[x] != x)
    {
        int u = find(p[x]);
        d[x] += d[p[x]];
        p[x] = u;
    }
    return p[x];
}

// 初始化,假定节点编号是1~n
for (int i = 1; i <= n; i ++ )
{
    p[i] = i;
    d[i] = 0;
}

// 合并a和b所在的两个集合:
p[find(a)] = find(b);
d[find(a)] = distance; // 根据具体问题,初始化find(a)的偏移量

三、递归模板

递归实现指数型枚举

在这里插入图片描述

1. 如果题目不要求输出方案必须升序

填坑,从填1个坑到填n个坑。坑可以随便填,比如第1个坑选了2之后,第2个坑可以填1(非升序),也可以填3(升序)

#include 
using namespace std;
typedef long long ll;

int n;
int a[20];
bool vis[20];

// 一共tar个坑,当前枚举到第pos个坑
void dfs(int pos, int tar) {
    if (pos == tar + 1) {
        for (int i = 1; i <= tar; i ++ ) cout << a[i] << " ";
        cout << endl;
        return ;
    }

    // 选数填坑,选择的数范围是1~n
    for (int i = 1; i <= n; i ++) {
        if (!vis[i]) {
            vis[i] = true; a[pos] = i;
            dfs (pos + 1, tar);
            vis[i] = false;
        }
    }
}

int main() {
    cout << endl; // 不取
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        dfs(1, i);
    return 0;
}

2. 所有升序方案

依旧是填坑,从填 1 个坑到填 n 个坑。
和上面不同的是,上面是第 1 个坑选了 2 之后,第 2 个坑还可以从 2 之前的数开始填坑,现在是第1个坑选了2之后,第2个坑只能从大于2的数里选了
即,当前的坑pos处填了num,则填下一个坑pos+1时,只能从大于num的数里选择填坑。

解决办法: dfs里加一个start,选数的时候,只能从start之后的数里面选择

总结:dfs 需要四个变量记录当前状态:
当前位于的坑pos,当前可以选的最小数字start,当前的目标总坑数tar,当前已经填的坑数组a[]。

#include 
using namespace std;

int n;
int a[20];
bool vis[20];

// 当前枚举到第pos个坑, 上一个坑填的是start-1,这次只能从start开始找数填, 一共要填tar个坑
void dfs(int pos, int start, int tar) {
    if (pos == tar + 1) {
        for (int i = 1; i <= tar; i ++ ) cout << a[i] << " ";
        cout << endl;
        return ;
    }

    // 选数填坑,选择的数范围是start~n
    for (int i = start; i <= n; i ++) {
        if (!vis[i]) {
            vis[i] = true; a[pos] = i;
                dfs (pos + 1, i + 1, tar);
            vis[i] = false;
        }
    }
}

int main() {
    cout << endl;
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        dfs(1, 1, i);
    return 0;
}

3. 二进制优化 1

用一个二进制数表示选了哪些数,替代之前的a[20]数组
其中 state |= 1 << (i - 1) 代表状态的改变,选了i这个数
state ^= 1 << (i - 1) 代表状态的还原,还原没选i这个数的状态

#include 
using namespace std;

int n;
bool vis[20];

void dfs(int pos, int start, int tar, int state) {
    if (pos == tar + 1) {
        for (int j = 0; j < n; j ++ ) {
            if (state >> j & 1) cout << j + 1 << " ";
        }
        cout << endl;
        return ;
    }

    for (int i = start; i <= n; i ++) {
        if (!vis[i]) {
            vis[i] = true; state |= 1 << (i - 1);
                dfs (pos + 1, i + 1, tar, state);
            vis[i] = false;state ^= 1 << (i - 1);
        }
    }
}

int main() {
    cout << endl;
    cin >> n;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        dfs(1, 1, i, 0);
    return 0;
}

4. 状态压缩非递归

状态压缩的特性:可以枚举所有选与不选的情况

#include 
using namespace std;

int main() {
    int n;
    cin >> n;
    // state 是每一个状态
    for (int state = 0; state < 1 << n; state ++ ) {
        // 用指针j遍历二进制数state中的每一位
        for (int j = 0; j < n; j ++ ) {
            if (state >> j & 1) cout << j + 1 << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

5. 状态压缩递归

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

const int N = 16;

int n;
int st[N];  // 状态,记录每个位置当前的状态:0表示还没考虑,1表示选它,2表示不选它

void dfs(int u)
{
    if (u > n)
    {
        for (int i = 1; i <= n; i ++ )
            if (st[i] == 1)
                printf("%d ", i);
        printf("\n");
        return;
    }

    st[u] = 2;
    dfs(u + 1);     // 第一个分支:不选
    st[u] = 0;  // 恢复现场

    st[u] = 1;
    dfs(u + 1);     // 第二个分支:选
    st[u] = 0;
}

int main()
{
    cin >> n;

    dfs(1);

    return 0;
}

递归实现排列型枚举

在这里插入图片描述

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第2张图片

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

const int N = 10;

int n;
int state[N];   // 0 表示还没放数,1~n表示放了哪个数
bool used[N];   // true表示用过,false表示还未用过

void dfs(int u)
{
    if (u > n)  // 边界
    {
        for (int i = 1; i <= n; i ++ ) printf("%d ", state[i]); // 打印方案
        puts("");

        return;
    }

    // 依次枚举每个分支,即当前位置可以填哪些数
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (!used[i])
        {
            state[u] = i;
            used[i] = true;
            dfs(u + 1);

            // 恢复现场
            state[u] = 0;
            used[i] = false;
        }
}

int main()
{
    scanf("%d", &n);

    dfs(1);

    return 0;
}

递归实现组合型枚举

在这里插入图片描述
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第3张图片

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

const int N = 30;

int n, m;
int way[N];

void dfs(int u, int start)
{
    if (u + n - start < m) return;  // 剪枝
    if (u == m + 1)
    {
        for (int i = 1; i <= m; i ++ ) printf("%d ", way[i]);
        puts("");
        return;
    }

    for (int i = start; i <= n; i ++ )
    {
        way[u] = i;
        dfs(u + 1, i + 1);
        way[u] = 0; // 恢复现场
    }
}

int main()
{
    scanf("%d%d", &n, &m);

    dfs(1, 1);

    return 0;
}

三、搜索与图论模板

深度优先遍历

AcWing 846. 树的重心

int dfs(int u)
{
    st[u] = true; // st[u] 表示点u已经被遍历过
    
    for (auto j : G[u])
    {
        if (!st[j]) dfs(j);
    }
}

宽度优先遍历

AcWing 847. 图中点的层次

queue<int> q;
st[1] = true; // 表示1号点已经被遍历过
q.push(1);

while (q.size())
{
    int t = q.front();
    q.pop();

    for (auto j : G[t])
    {
        if (!st[j])
        {
            st[j] = true; // 表示点j已经被遍历过
            q.push(j);
        }
    }
}

拓扑排序

AcWing 848. 有向图的拓扑序列
时间复杂度 O(n+m), n 表示点数,m 表示边数

bool topsort()
{
    queue<int> q;

    // d[i] 存储点i的入度
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (!d[i])
            q.push(i);

    while (q.size())
    {
        int t = q.front(); q.pop();

        for (auto j : G[t])
        {
            if (-- d[j] == 0)
                q.push(j);
        }
    }

    // 如果所有点都入队了,说明存在拓扑序列;否则不存在拓扑序列。
    return q.size() == n - 1;
}

朴素 dijkstra 算法

领接矩阵实现

时间复杂是 O(n2+m), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 849. Dijkstra求最短路 I

int g[N][N];  // 存储每条边
int dist[N];  // 存储1号点到每个点的最短距离
bool st[N];   // 存储每个点的最短路是否已经确定

// 求1号点到n号点的最短路,如果不存在则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )
    {
        int t = -1;     // 在还未确定最短路的点中,寻找距离最小的点
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        // 用t更新其他点的距离
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            dist[j] = min(dist[j], dist[t] + g[t][j]);

        st[t] = true;
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

领接表实现

#include 
using namespace std;

const int N = 1000;
typedef pair<int, int> PII;

int n, m;

vector<PII> G[N];

bool st[N];
int d[N];

int Dijkstra() {
    memset (d, 0x3f, sizeof d);
    d[1] = 0;
    for (int i = 0; i < n; i ++ ) {
        int t = -1;
        for (int j = 1; j <= n; j ++ ) {
            if (!st[j] && ( t == -1 || d[t] > d[j] )) t = j;
        }
        
        st[t] = true;
        
        for (auto j : G[t]) {
            int a = j.first, w = j.second;
            if (d[a] > d[t] + w) {
                d[a] = d[t] + w;
            }
        }
        
    }
    
    if (d[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return d[n];
}

int main() {
    
    cin >> n >> m;
    
    while( m-- ) {
        int a, b, c;
        cin >> a >> b >> c;
        G[a].push_back({b, c});
    }
    
    cout << Dijkstra();
    
    
    return 0;
}

堆优化版 dijkstra

时间复杂度 O(mlogn), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 850. Dijkstra求最短路 II

typedef pair<int, int> PII;

int n;      // 点的数量
int dist[N];        // 存储所有点到1号点的距离
bool st[N];     // 存储每个点的最短距离是否已确定

// 求1号点到n号点的最短距离,如果不存在,则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;
    priority_queue<PII, vector<PII>, greater<PII>> q;
    q.push({0, 1});      // first存储距离,second存储节点编号

    while (q.size())
    {
        auto t = q.top();
        q.pop();

        int ver = t.second, distance = t.first;

        if (st[ver]) continue;
        st[ver] = true;

        for (auto i : G[ver])
        {
            int j = i.first, w = i.second;
            if (dist[j] > distance + w)
            {
                dist[j] = distance + w;
                q.push({dist[j], j});
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

Bellman-Ford 算法

时间复杂度 O(nm), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 853. 有边数限制的最短路

int n, m;       // n表示点数,m表示边数
int dist[N];        // dist[x]存储1到x的最短路距离

struct Edge     // 边,a表示出点,b表示入点,w表示边的权重
{
    int a, b, w;
}edges[M];

// 求1到n的最短路距离,如果无法从1走到n,则返回-1。
int bellman_ford()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    // 如果第n次迭代仍然会松弛三角不等式,就说明存在一条长度是n+1的最短路径,由抽屉原理,路径中至少存在两个相同的点,说明图中存在负权回路。
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        for (int j = 0; j < m; j ++ )
        {
            int a = edges[j].a, b = edges[j].b, w = edges[j].w;
            if (dist[b] > dist[a] + w)
                dist[b] = dist[a] + w;
        }
    }

    if (dist[n] > 0x3f3f3f3f / 2) return -1;
    return dist[n];
}

spfa 算法

时间复杂度平均情况下 O(m),最坏情况下 O(nm), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 851. spfa求最短路

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储每个点到1号点的最短距离
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 求1号点到n号点的最短路距离,如果从1号点无法走到n号点则返回-1
int spfa()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    queue<int> q;
    q.push(1);
    st[1] = true;

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                if (!st[j])     // 如果队列中已存在j,则不需要将j重复插入
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

spfa判断图中是否存在负环

时间复杂度是 O(nm), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 852. spfa判断负环

int n;      // 总点数
int dist[N], cnt[N];        // dist[x]存储1号点到x的最短距离,cnt[x]存储1到x的最短路中经过的点数
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 如果存在负环,则返回true,否则返回false。
bool spfa()
{
    // 不需要初始化dist数组
    // 原理:如果某条最短路径上有n个点(除了自己),那么加上自己之后一共有n+1个点,由抽屉原理一定有两个点相同,所以存在环。

    queue<int> q;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        q.push(i);
        st[i] = true;
    }

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (auto i : G[t])
        {
            int j = i.first, w = i.second;
            if (dist[j] > dist[t] + w)
            {
                dist[j] = dist[t] + w;
                cnt[j] = cnt[t] + 1;
                if (cnt[j] >= n) return true;       // 如果从1号点到x的最短路中包含至少n个点(不包括自己),则说明存在环
                if (!st[j])
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    return false;
}

floyd 算法

时间复杂度是 O(n3), n 表示点数
AcWing 854. Floyd求最短路

初始化:
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (i == j) d[i][j] = 0;
            else d[i][j] = INF;

// 算法结束后,d[a][b]表示a到b的最短距离
void floyd()
{
    for (int k = 1; k <= n; k ++ )
        for (int i = 1; i <= n; i ++ )
            for (int j = 1; j <= n; j ++ )
                d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
}

朴素版 prim 算法

时间复杂度是 O(n2+m), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 858. Prim算法求最小生成树

int n;      // n表示点数
int g[N][N];        // 邻接矩阵,存储所有边
int dist[N];        // 存储其他点到当前最小生成树的距离
bool st[N];     // 存储每个点是否已经在生成树中


// 如果图不连通,则返回INF(值是0x3f3f3f3f), 否则返回最小生成树的树边权重之和
int prim()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);

    int res = 0;
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        int t = -1;
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        if (i && dist[t] == INF) return INF;

        if (i) res += dist[t];
        st[t] = true;

        for (int j = 1; j <= n; j ++ ) dist[j] = min(dist[j], g[t][j]);
    }

    return res;
}

Kruskal 算法

时间复杂度是 O(mlogm), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 859. Kruskal算法求最小生成树

int n, m;       // n是点数,m是边数
int p[N];       // 并查集的父节点数组

struct Edge     // 存储边
{
    int a, b, w;

    bool operator< (const Edge &W)const
    {
        return w < W.w;
    }
}edges[M];

int find(int x)     // 并查集核心操作
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

int kruskal()
{
    sort(edges, edges + m);

    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;    // 初始化并查集

    int res = 0, cnt = 0;
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a = edges[i].a, b = edges[i].b, w = edges[i].w;

        a = find(a), b = find(b);
        if (a != b)     // 如果两个连通块不连通,则将这两个连通块合并
        {
            p[a] = b;
            res += w;
            cnt ++ ;
        }
    }

    if (cnt < n - 1) return INF;
    return res;
}

染色法判别二分图

时间复杂度是 O(n+m), n 表示点数,m 表示边数
AcWing 860. 染色法判定二分图

int n;      // n表示点数
vector<int> G     // 邻接表存储图
int color[N];       // 表示每个点的颜色,-1表示未染色,0表示白色,1表示黑色

// 参数:u表示当前节点,c表示当前点的颜色
bool dfs(int u, int c)
{
    color[u] = c;
    for (auto j : G[u])
    {
        if (color[j] == -1)
        {
            if (!dfs(j, !c)) return false;
        }
        else if (color[j] == c) return false;
    }

    return true;
}

bool check()
{
    memset(color, -1, sizeof color);
    bool flag = true;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (color[i] == -1)
            if (!dfs(i, 0))
            {
                flag = false;
                break;
            }
    return flag;
}

匈牙利算法

AcWing 861. 二分图的最大匹配
时间复杂度是 O(nm), n 表示点数,m 表示边数

int n1, n2;     // n1表示第一个集合中的点数,n2表示第二个集合中的点数
vector<int> G;    // 邻接表存储所有边,匈牙利算法中只会用到从第一个集合指向第二个集合的边,所以这里只用存一个方向的边
int match[N];       // 存储第二个集合中的每个点当前匹配的第一个集合中的点是哪个
bool st[N];     // 表示第二个集合中的每个点是否已经被遍历过

bool find(int x)
{
    for (auto j : G[x])
    {
        if (!st[j])
        {
            st[j] = true;
            if (match[j] == 0 || find(match[j]))
            {
                match[j] = x;
                return true;
            }
        }
    }

    return false;
}

// 求最大匹配数,依次枚举第一个集合中的每个点能否匹配第二个集合中的点
int res = 0;
for (int i = 1; i <= n1; i ++ )
{
    memset(st, false, sizeof st);
    if (find(i)) res ++ ;
}

四、数学知识模板

判断约数

AcWing 866. 试除法判定质数

bool prime(int n) {
    if (n < 2) return false;
    for (int i = 2; i <= n / i; i ++ ) {
        if (n % i == 0) return false;
    } 
    
    return true;
}

分解质因数

AcWing 867. 分解质因数
在这里插入图片描述

  1. 质数定义为在大于 1 的自然数中,除了 1 和它本身外不再有其他的因数,否则称为合数。

2.性质:
① 一个合数可以由多个比他小的质数相乘而得,而这些质数就是他的质因数。
② n 的任何一个因数 x假如他是合数,那么他绝对可以由 n 的小于x的质因数所相乘而得。
③ 一个数的因数,如果排序的话,最开始的因数肯定是质因数,后面才有合数。

void divide(int x)
{
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            int s = 0;
            while (x % i == 0) x /= i, s ++ ;
            cout << i << ' ' << s << endl;
        }
    if (x > 1) cout << x << ' ' << 1 << endl;
    cout << endl;
}

筛选质数

O(n) 的时间复杂度,st[i] = true:表示非质数
AcWing 868. 筛质数

int primes[N];
int n;
bool st[N];
int getPrime() {
    int cnt = 0;
    for (int i = 2; i <= n; i ++ ) {
        if (!st[i]) primes[cnt ++ ] = i;
        for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ ) {
            st[i * primes[j]] = true;
            if (i % primes[j] == 0) break;
        }
    }
    return cnt;
}

试除法求约数

AcWing 869. 试除法求约数
在这里插入图片描述

vector<int> get_divisors(int x)
{
    vector<int> res;
    for (int i = 1; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            res.push_back(i);
            if (i != x / i) res.push_back(x / i);
        }
    sort(res.begin(), res.end());
    return res;
}

约数个数

AcWing 870. 约数个数

如果 N = p1^c1 * p2^c2 * ... *pk^ck
约数个数: (c1 + 1) * (c2 + 1) * ... * (ck + 1)
约数之和: (p1^0 + p1^1 + ... + p1^c1) * ... * (pk^0 + pk^1 + ... + pk^ck)

在这里插入图片描述
原理:
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第4张图片

#include 
using namespace std;

const int N = 2e9 + 10, mod = 1e9 + 7;

int n, T;
unordered_map<int, int> prime;

int main() {
    
    cin >> T;
    
    // 先将所有数进行分解质因数操作,并将其保存
    while (T -- ) {
        
            cin >> n;
            for (int i = 2; i <= n / i; i ++ ) {
            while (n % i == 0) {
                prime[i] ++;
                n /= i;
            }
        }
    
        if (n > 1) prime[n] ++;
    }
    
    int res = 1;
    
    // 利用每个数的指数 + 1 相乘得出结果
    for (auto a : prime) res = res * (a.first + 1) % mod;
    
    cout << res;
    
    return 0;
}

约数之和

AcWing 871. 约数之和
在这里插入图片描述

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第5张图片

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

typedef long long LL;

const int N = 110, mod = 1e9 + 7;

int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    unordered_map<int, int> primes;
	
	// 先将所有数进行分解质因数操作,并将其保存
    while (n -- )
    {
        int x;
        cin >> x;

        for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
            while (x % i == 0)
            {
                x /= i;
                primes[i] ++ ;
            }

        if (x > 1) primes[x] ++ ;
    }
	
	// 对每个底数执行乘法原理得到的结果再相乘,也就是约数之和的公式
    LL res = 1;
    for (auto p : primes)
    {
        LL a = p.first, b = p.second;
        LL t = 1;
        while (b -- ) t = (t * a + 1) % mod;
        res = res * t % mod;
    }

    cout << res << endl;

    return 0;
}

最大公约数

辗转相除法求解
AcWing 872. 最大公约数

int gcd(int a, int b){
    return b ? gcd(b, a % b) : a; 
}

欧拉函数

AcWing 873. 欧拉函数
即求前 N 个数中与 N 互质的数的个数,O(n)
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第6张图片

int phi(int x)
{
    int res = x;
    for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
        if (x % i == 0)
        {
            res = res / i * (i - 1);
            while (x % i == 0) x /= i;
        }
    if (x > 1) res = res / x * (x - 1);

    return res;
}

筛法求欧拉函数

AcWing 874. 筛法求欧拉函数
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第7张图片

#include 
#include 

using namespace std;

typedef long long LL;

const int N = 1000010;

int primes[N], cnt;
int phi[N];
bool st[N];

void get_eulers(int n)
{
    phi[1] = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i++)
    {
        if (!st[i])
        {
            primes[cnt++] = i;
            phi[i] = i - 1; 
        }
        for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j++)
        {
            st[primes[j] * i] = true;
            if (i % primes[j] == 0)
            {
                phi[primes[j] * i] = phi[i] * primes[j]; 
                break;
            }
            phi[primes[j] * i] = phi[i] * (primes[j] - 1);
        }
    }
}

int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    get_eulers(n);

    LL res = 0;
    for (int i = 1; i <= n; i++) res += phi[i];
    printf("%lld\n", res);

    return 0;
}

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第8张图片

快速幂

AcWing 875. 快速幂
时间复杂度为 O(n * logb)
在这里插入图片描述
算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第9张图片

typedef long long LL;

LL qmi(int a, int b, int p)
{
    LL res = 1 % p;
    while (b)
    {
        if (b & 1) res = res * a % p;
        a = a * (LL)a % p;
        b >>= 1;
    }
    return res;
}

扩展欧几里得算法

AcWing 877. 扩展欧几里得算法
在这里插入图片描述

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第10张图片

int exgcd(int a, int b, int &x, int &y)
{
    if (!b)
    {
        x = 1, y = 0;
        return a;
    }
    int d = exgcd(b, a % b, y, x);
    y -= a / b * x;
    return d;
}

求组合数

AcWing 885. 求组合数 I
在这里插入图片描述

1.动态规划的思想,O(n^2)

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第11张图片

void Init() {
    
    for(int i=0; i<N; i++) {
        for(int j=0; j<=i; j++) {
            if(i == j || j == 0) c[i][j] = 1;
            else c[i][j] = (c[i-1][j] + c[i-1][j-1]) % mod;
        }
    }
}

2. 求逆元解决

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第12张图片

#include 
#include 

using namespace std;

typedef long long LL;

const int N = 100010, mod = 1e9 + 7;


int fact[N], infact[N];


int qmi(int a, int k, int p)
{
    int res = 1;
    while (k)
    {
        if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
        a = (LL)a * a % p;
        k >>= 1;
    }
    return res;
}


int main()
{
    fact[0] = infact[0] = 1;
    for (int i = 1; i < N; i ++ )
    {
        fact[i] = (LL)fact[i - 1] * i % mod;
        infact[i] = (LL)infact[i - 1] * qmi(i, mod - 2, mod) % mod;
    }


    int n;
    scanf("%d", &n);
    while (n -- )
    {
        int a, b;
        scanf("%d%d", &a, &b);
        printf("%d\n", (LL)fact[a] * infact[b] % mod * infact[a - b] % mod);
    }

    return 0;
}

3. Lucas 定理

算法【基础算法知识 | 数据结构 | 递归|搜索与图论 | 数学知识】模板题_第13张图片

#include 
#include 

using namespace std;

typedef long long LL;


int qmi(int a, int k, int p)
{
    int res = 1;
    while (k)
    {
        if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
        a = (LL)a * a % p;
        k >>= 1;
    }
    return res;
}


int C(int a, int b, int p)
{
    if (b > a) return 0;

    int res = 1;
    for (int i = 1, j = a; i <= b; i ++, j -- )
    {
        res = (LL)res * j % p;
        res = (LL)res * qmi(i, p - 2, p) % p;
    }
    return res;
}


int lucas(LL a, LL b, int p)
{
    if (a < p && b < p) return C(a, b, p);
    return (LL)C(a % p, b % p, p) * lucas(a / p, b / p, p) % p;
}


int main()
{
    int n;
    cin >> n;

    while (n -- )
    {
        LL a, b;
        int p;
        cin >> a >> b >> p;
        cout << lucas(a, b, p) << endl;
    }

    return 0;
}

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