求组合数

排列组合是经常遇到的问题,本篇文章想跟大家探讨一下,对于给定的n、m,我们该如何去求组合数C^{m}_{n}

方法一:递归(动态规划)

基于公式:C^{m}_{n} = C^{m}_{n-1} + C^{m-1}_{n-1},很容易就能写出递归解法,当然我们可以用动态规划进行优化,二维dp还可以用滚动数组优化成一维dp,这里我直接给出一维dp的写法(跟01背包类似,注意从高位开始更新数组)。复杂度 O(n^2)

typedef long long ll;

// 滚动数组dp,求组合数
ll combine(int n, int m) {
    m = min(m, n-m);
    ll c[m+1]; memset(c, 0, sizeof c);
    c[0] = 1;
    for(int i = 1; i <= n; i++) {
        for(int j = m; j >= 1; j--) {
            c[j] = c[j] + c[j-1];
        }
    }

    return c[m];
}

方法二:乘法逆元+费马小定理+快速幂

组合数一般都比较大,通常题目都要求我们将最终结果对一个质数 p 取模( p 一般是 10^9 + 7),这种情况下有更快的做法。基于公式:C^{m}_{n} = \frac{n!}{m!(n-m)!}。我们最终要求的是 C^{m}_{n} \% p,模运算与基本四则运算有些相似,其加、减、乘都满足结合律:
(a + b) \% p = (a \% p + b \% p) \% p (a - b) \% p = (a \% p - b \% p) \% p (a * b) \% p = (a \% p * b \% p) \% p 但对于除法却不成立,即 (a / b) \% p ≠ (a \% p\ / \ b \% p) \% p。于是就有了乘法逆元这个概念:对于正整数 ap,方程 (a*x) \% p = 1 的最小正整数解 x_0 就被称为是 ap 的逆元,记作 inv(a, p)
那么对于 \frac{a}{b} \%p = m,我们如何求这个 m 呢,两边同时乘以 (b*inv(b, p)) \% p(值为1),就得到了 (a*(inv(b, p))\%p = m,因此
C^{m}_{n} \% p = n! * inv(m!,p) * inv((n-m)!, p) \% p为防止溢出,可先对每个因子取模,这里为了简化没有写,现在问题的关键就在于如何求逆元了。
对于逆元 inv(a, p) 的计算,因为 p 是一个质数,而且一般情况下 ap 互质,可以利用费马小定理
a^{p-1} \% p = 1
这样就直接得到inv(a, p) = a^{p-2}\%p,用快速幂求解即可,如果你还不懂快速幂,强烈建议去看这篇文章快速幂算法(全网最详细地带你从零开始一步一步优化)

typedef long long ll;
const int p = 1e9 + 7;

// 费马小定理快速幂求逆元 b^(p-1) % p = 1,inv(b) = b^(p-2)
// 求 b^n % p
ll quickPow(ll b, ll n) {
    ll res = 1;
    while(n) {
        if(n&1) res = res*b%p;
        n >>= 1;
        b = b*b%p;
    }

    return res;
}

// 乘法逆元求组合数取模
ll combine2(int n, int m) {
    ll frac[n+1]; // 阶乘数组 frac[i] = i! % p;
    frac[0] = 1;
    for(ll i = 1; i <= n; i++)
        frac[i] = frac[i-1] * i % p;

    return frac[n] * quickPow(frac[m], p-2) % p
           * quickPow(frac[n-m], p-2) % p;
}
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