pekempey's blog

998244853

yukicoder No.590 Replacement

実装が結構大変。

https://yukicoder.me/problems/no/590

解法

順列なので辺 $ i \to A_i$ のグラフを考えよう。このようなグラフはサイクルの集まりになることに注意したい。

\( (x,y) \to (i,i) \) と考えるのではなく、逆向きの操作を考えて、\( (i,i) \to (x,y) \) となる対 \( (x,y) \) の数を数えることにする。

もし \( (i,i) \to (j,j) \) となるような \(j\) が存在しなければ、\( (i,i) \to (x,y) \) となる対 \((x,y)\) の個数はサイクル長の LCM である。個数が $n$ ならコストは $n(n-1)/2$ であるから、個数を求めることが本質である。存在するときが難しい。

まず問題になるのは \( (i,i) \) と \( (j,j) \) の連結性判定である。よって次は連結性判定について考える。

辺 $A_i \to i$ で構成されたグラフを $A$、辺 $B_i \to i$ で構成されたグラフを $B$ とする。グラフ $G$ において、頂点 $i$ が属する連結成分の代表頂点を $[i]_G$ と書くことにすると、少なくとも連結であるためには $([i]_A,[i]_B) = ([j]_A,[j]_B)$ である必要がある。$(i,i)$ と $(j,j)$ が連結である条件はもう一つある。各サイクルに 0 から順に通し番号を割り振る。$(i)_G$ を頂点 $i$ に振られた番号だとすると $(i)_B-(i)_A \equiv (j)_B-(j)_A \pmod{\gcd(n, m)}$ が必要である。ここで $n$, $ m $ はそれぞれ頂点 $i$, $j$ が属する連結成分の頂点数である。理由は図を見よ。

f:id:pekempey:20171104185320g:plain
動かしていく様子

$(A,A)\to(B,B)\to(C,C)\to(A,A)\to\cdots$ となり、ラベル差が不変になっていることが分かる。またラベル差が等しい組は、一方から一方へ必ず到達できることも確認できる(大きなグループでみると互いに素であるため)。

条件をまとめると、

  • $([i]_A,[i]_B) = ([j]_A,[j]_B)$
  • $(i)_B-(i)_A \equiv (j)_B-(j)_A \pmod{\gcd(n, m)}$

となる。まずこの条件を用いて $(i,i)$ を分類する。

次に $(i,i) \to (j,j)$ に何手で到達できるかを求める。いま $(x_1,x_1), (x_2,x_2), \ldots, (x_s, x_s)$ が連結だったとする。中国剰余定理により $(x_i, x_i)$ に対応する $z_i$ が存在し、$z_i$ でソートすることで、$(x_k,x_k)$ の次の頂点対が分かる。さらに $z$ の差を見ることで距離も同時に分かる。以上より解くことが出来た。

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <map>
#include <set>

using namespace std;

const long long mod = 1e9 + 7;

long long gcd(long long x, long long y) {
  if (y == 0) return x;
  return gcd(y, x % y);
}

long long lcm(long long x, long long y) {
  return x / gcd(x, y) * y;
}

vector<vector<int>> cycle(vector<int> a) {
  const int n = a.size();
  vector<vector<int>> ret(n);
  vector<bool> vis(n);
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    if (vis[i]) continue;
    for (int k = i; !vis[k]; k = a[k]) {
      ret[i].push_back(k);
      vis[k] = true;
    }
  }
  return ret;
}

long long modinv(long long a, long long m) {
  long long b = m, x = 1, y = 0;
  while (b != 0) {
    long long q = a / b;
    a -= b * q;
    x -= y * q;
    std::swap(a, b);
    std::swap(x, y);
  }
  return x < 0 ? x + m : x;
}

long long crt(long long a1, long long m1, long long a2, long long m2) {
  long long v = (a2 - a1) * modinv(m1, m2) % m2;
  if (v < 0) v += m2;
  return a1 + v * m1;
}

map<long long, int> factors(long long n) {
  map<long long, int> ret;
  for (int i = 2; i * i <= n; i++) {
    while (n % i == 0) {
      ret[i]++;
      n /= i;
    }
  }
  if (n != 1) ret[n] = 1;
  return ret;
}

int power(int a, int b) {
  int ret = 1;
  for (int i = 0; i < b; i++) {
    ret *= a;
  }
  return ret;
}

long long crt_g(long long a1, long long m1, long long a2, long long m2) {
  auto f1 = factors(m1);
  auto f2 = factors(m2);
  int M1 = 1;
  int M2 = 1;
  set<int> st;
  for (auto kv : f1) st.insert(kv.first);
  for (auto kv : f2) st.insert(kv.first);
  for (int k : st) {
    if (f1[k] >= f2[k]) {
      M1 *= power(k, f1[k]);
    } else {
      M2 *= power(k, f2[k]);
    }
  }
  return crt(a1 % M1, M1, a2 % M2, M2);
}

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

  vector<int> a(n), b(n);
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    scanf("%d", &a[i]);
    a[i]--;
  }
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    scanf("%d", &b[i]);
    b[i]--;
  }
  vector<vector<int>> cycleA = cycle(a);
  vector<vector<int>> cycleB = cycle(b);

  vector<int> rootA(n), rootB(n);
  vector<int> xa(n), xb(n);
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int j = 0; j < cycleA[i].size(); j++) {
      xa[cycleA[i][j]] = j;
      rootA[cycleA[i][j]] = i;
    }
    for (int j = 0; j < cycleB[i].size(); j++) {
      xb[cycleB[i][j]] = j;
      rootB[cycleB[i][j]] = i;
    }
  }

  map<pair<int, int>, vector<int>> mp;
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    mp[make_pair(rootA[i], rootB[i])].push_back(i);
  }
  long long ans = 0;
  for (auto kv : mp) {
    int A = kv.first.first;
    int B = kv.first.second;
    int lenA = cycleA[A].size();
    int lenB = cycleB[B].size();
    long long G = gcd(lenA, lenB);
    long long L = lcm(lenA, lenB);

    map<int, vector<int>> mp2;
    for (int i : kv.second) {
      int d = (xb[i] - xa[i]) % G;
      if (d < 0) d += G;
      mp2[d].push_back(i);
    }

    for (auto kv2 : mp2) {
      vector<long long> xs;
      for (int i : kv2.second) {
        int x = xa[i];
        int y = xb[i] - kv2.first;
        if (y < 0) y += lenB;
        xs.push_back(crt_g(x, lenA, y, lenB));
      }
      sort(xs.begin(), xs.end());
      xs.push_back(xs[0] + L);
      for (int i = 0; i + 1 < xs.size(); i++) {
        long long d = (xs[i + 1] - xs[i]) % mod;
        ans += d * (d + mod - 1) % mod * ((mod + 1) / 2);
        ans %= mod;
      }
    }
  }

  cout << ans << endl;
}