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小结:高斯消元

对于一组多项式方程(增广矩阵中,x[i, n+1]表示式子的值;x[i,j]表示第i个方程第j项的系数,在这里,增广矩阵可能不一定是n个,可能多可能少;opt表示运算规则):

(x[1,1]*a[1]) opt (x[1,2]*a[2]) opt ... opt (x[1,n]*a[n])=x[1, n+1]

(x[2,1]*a[1]) opt (x[2,2]*a[2]) opt ... opt (x[2,n]*a[n])=x[2, n+1]

...

(x[n,1]*a[1]) opt (x[n,2]*a[2]) opt ... opt (x[n,n]*a[n])=x[n, n+1]

如果使用高斯消元,那么opt必须满足以下性质:

  1. a opt b = b opt a

  2. 对于x[i]*a[i]和x[j]*a[i],存在一种方式能将x[i]或x[j]变成0(不一定是opt操作)

  3. 对于a opt b = c存在一种方式使得a = c opt2 b,这里opt2表示一种操作(不一定是opt本身)

大概就这样吧。。。

消元:我们对于每个方程,假设为i,且x[i][now]不为0(now是当前被消元的变元,更一般的,只要能支持消掉后边方程的系数即可),然后对所有的j>i的方程,我们将所有x[j][now]不为0(或者需要消元的)用一种方式消掉。

回代:最后我们得到的是一个x[i][i]均不为0的方程(除法无解或此方程无意义)的倒三角矩阵。然后根据性质3将当前方程的其它j>i的a[j]和系数根据性质3转移到右式消去即可(此时a[j]一定是求出来的)

无解的情况:当存在一个矩阵使得左式=0而右式!=0(实数注意特判),那么无解。。

自由变元:自由变元就是当这些未知量一旦确定,整个方程就确定了。但是这些量是未知的。(例如x+y=5,自由变元就是1,因为无论是x还是y确定,另一个就能唯一确定),而答案要求的是方案,那么显然因为自由变元是可以随便赋值的,而这些值只有2个,开和不开,那么方案数就是2^自由变元。而自由变元的求法很简单,具体解释看白书,其实就是仅当n个不同的方程(就是无论怎么通过其它方程都不会将这两个方程变成一样)才能确定n个解。那么我们如果只确定了x个方程,那么自由变元的数量就是n-x。(这个x可以轻易得到,因为在高斯消元过程中,会消元,而消元会将相同的方程消成这个样子:0=0。那么这个就是没用的方程。

 

例题:

【BZOJ】1013: [JSOI2008]球形空间产生器sphere(高斯消元)

最基本的高斯消元,题目已经保证有解。

 

【POJ】1222 EXTENDED LIGHTS OUT(高斯消元)

异或方程(mod 2方程),因为异或方程满足上边那3个性质,因此可以用高斯消元。只是要会建模,将每个点看做一个变元,值只有两个,0和1,表示不开和开。那么系数就表示是否被关联(即改变系数为1变元时,其它系数为1的变元均会改变),然后每个方程对应一个值,即这个变元最终的状态

 

【POJ】1830 开关问题(高斯消元)

异或方程,需要判断无解和求自由变元的数目。

 

【POJ】2947 Widget Factory(高斯消元)

mod k方程。因为mod意义下的方程同样满足上边的3个性质,因此可以考虑高斯消元。只不过在回代时要注意,因为是mod意义下的,即出现x[i][i]*a[i]=x[i][n+1] (mod k)的情况,所以我们要求出a[i]的话可以用拓展欧几里得,也可以直接一直加k求得。(要保证mod意义下有解)

 

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