同余最短路&转圈背包算法学习笔记（超详细）

一、问题引入

当你想要解决一个完全背包计数问题，但是 \(M\) 的范围太大，那么你就可以使用同余最短路。

二、算法推导过程

首先对于一个完全背包计数问题，我们要知道如果 \(x\) 这个数能凑出来，那么 \(x+a_i,x+2a_i,x+3a_i,\dots\) 一定都能凑出来，所以说，我们随便找一个 \(a_i\)，找到对于 \([0,a_i-1]\) 中的每个数 \(k\) 的最小的能凑出来的数并且这个数模 \(a_i\) 等于 \(k\)，这个时候从最小的可以想到最短路，于是我们就有了一个大胆的想法，首先为了节省时间复杂度，把模数设定成最小的 \(a_i\)，然后进行最短路，最短路的过程就是不断尝试增加其它的 \(a_i\)，然后再取模，你会发现，这是对的！哦对，刚刚只是找到了对于 \([0,a_i-1]\) 中的每个数 \(k\) 的最小的能凑出来的数并且这个数模 \(a_i\) 等于 \(k\)，统计的话还要统计能加多少次 \(a_i\)。

三、同余最短路模板

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = ;//数据范围
int a[N];
int f[N];
int vis[N];
struct node
{
    int x;
    int w;
    bool operator<(const node&a)const
    {
        return w>a.w;
    }
};
signed main()
{
    int n;
    long long m;
    scanf("%d %lld",&n,&m);
    for(int i = 1;i<=n;i++)
    {
        scanf("%d",&a[i]);
    }
    sort(a+1,a+n+1);
    memset(f,0x3f,sizeof(f));
    f[0] = 0;
    priority_queue<node>q;
    q.push({0,0});
    while(q.size())
    {
        node x = q.top();
        q.pop();
        if(vis[x.x])
        {
            continue;
        }
        vis[x.x] = 1;
        for(int i = 2;i<=n;i++)
        {
            int v = (x.x+a[i])%a[1];
            if(f[v]>f[x.x]+a[i])
            {
                f[v] = f[x.x]+a[i];
                q.push({v,f[v]});
            }
        }
    }
    long long ans = 0;
    for(int i = 0;i<a[1];i++)
    {
        if(f[i]<=m)
        {
            ans+=(m-f[i])/a[1]+1;
        }
    }
    printf("%lld",ans-1);
    return 0;
}

注意：这只是一个板子，应用时请随机应变。

四、同余最短路例题

U553673 硬币问题

同余最短路模板题，代码放上供参考：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 1e6+5;
int a[N];
long long f[N];
int vis[N];
struct node
{
    int x;
    int w;
    bool operator<(const node&a)const
    {
        return w>a.w;
    }
};
signed main()
{
    int n;
    long long m;
    scanf("%d %lld",&n,&m);
    for(int i = 1;i<=n;i++)
    {
        scanf("%d",&a[i]);
    }
    sort(a+1,a+n+1);
    memset(f,0x3f,sizeof(f));
    f[0] = 0;
    priority_queue<node>q;
    q.push({0,0});
    while(q.size())
    {
        node x = q.top();
        q.pop();
        if(vis[x.x])
        {
            continue;
        }
        vis[x.x] = 1;
        for(int i = 2;i<=n;i++)
        {
            int v = (x.x+a[i])%a[1];
            if(f[v]>f[x.x]+a[i])
            {
                f[v] = f[x.x]+a[i];
                q.push({v,f[v]});
            }
        }
    }
    long long ans = 0;
    for(int i = 0;i<a[1];i++)
    {
        if(f[i]<=m)
        {
            ans+=(m-f[i])/a[1]+1;
        }
    }
    printf("%lld",ans-1);
    return 0;
}

结果稀里糊涂地拿到了最优解（不要看最快的提交，因为数据很水然后我没开 long long 结果过了，所以看第二快的提交）......

P3403 跳楼机

只需要把 \(m\) 减一（因为题目是从第 \(1\) 层开始，然而我们的代码是从第 \(0\) 层），然后正常套模板就行了。

代码：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 1e5+5;
int a[N];
long long f[N];
int vis[N];
struct node
{
    int x;
    long long w;
    bool operator<(const node&a)const
    {
        return w>a.w;
    }
};
signed main()
{
    int n = 3;
    long long m;
    scanf("%lld",&m);
    m--;
    for(int i = 1;i<=n;i++)
    {
        scanf("%d",&a[i]);
    }
    sort(a+1,a+n+1);
    memset(f,0x3f,sizeof(f));
    f[0] = 0;
    priority_queue<node>q;
    q.push({0,0});
    while(q.size())
    {
        node x = q.top();
        q.pop();
        if(vis[x.x])
        {
            continue;
        }
        vis[x.x] = 1;
        for(int i = 2;i<=n;i++)
        {
            int v = (x.x+a[i])%a[1];
            if(f[v]>f[x.x]+a[i])
            {
                f[v] = f[x.x]+a[i];
                q.push({v,f[v]});
            }
        }
    }
    long long ans = 0;
    for(int i = 0;i<a[1];i++)
    {
        if(f[i]<=m)
        {
            ans+=(m-f[i])/a[1]+1;
        }
    }
    printf("%lld",ans);
    return 0;
}

由于作者水平不行，所以只能做这些题，后面还会有更多例题，敬请期待！

转圈背包由于太难，作者理解之后再更新！
但是似乎我发现转圈背包虽然理论上比同余最短路快，但是实际上效率远不如同余最短路，特别是在大数据，这是因为迪杰斯特拉在不被卡的情况下时间复杂度比 \(O(E \log V)\) 快得多。