常系数齐次线性递推

问题

给定一个线性递推数列 \(\{f_i\}\) 的前 \(k\) 项 \(f_0\dots f_{k-1}\)，和其递推式 \(f_n=\sum_{i=1}^k f_{n-i}a_i\) 的各项系数 \(a_i\)，求 \(f_n\)。

前置知识

做法

定义 \(F(\sum c_ix^i)=\sum c_if_i\)，那么答案就是 \(F(x^n)\)。

由于 \(f_n=\sum_{i=1}^{k}f_{n-i}a_i\)，所以 \(F(x^n)=F(\sum_{i=1}^{k}a_ix^{n-i})\)，所以 \(F(x^n-\sum_{i=1}^k a_ix^{n-i})=F(x^{n-k}(x^k-\sum_{i=0}^{k-1}a_{k-i}x^i))=0\)。

设 \(G(x)=x^k-\sum_{i=0}^{k-1}a_{k-i}x^i\)。

那么 \(F(A(x)+x^nG(x))=F(A(x))+F(x^nG(x))=F(A(x))\)。

那么就可以通过多次对 \(A(x)\) 加上 \(x^nG(x)\) 的倍数来降低 \(A(x)\) 的次数。

也就是求 \(F(A(x)\bmod G(x))\)。\(A(x)\bmod G(x)\) 的次数不超过 \(k-1\)，而 \(f_{0..k-1}\) 已经给出了，就可以算了。

问题转化成了快速地求 \(x^n\bmod G(x)\)，只要将普通快速幂中的乘法与取模换成多项式乘法与多项式取模就可以在 \(O(k\log k\log n)\) 的时间复杂度内解决这个问题了。

矩阵的解释

该算法由 Fiduccia 在 1985 年提出，对于 \(t\geq 0\) 我们定义列向量 \(v_t\) 为

\[ v_t=\begin{bmatrix}f_t\\f_{t+1}\\\vdots\\f_{t+k-1}\end{bmatrix} \]

那么不难发现

\[ \underbrace{\begin{bmatrix}f_{t+1}\\f_{t+2}\\\vdots\\f_{t+k}\end{bmatrix}}_{v_{t+1}}=\underbrace{\begin{bmatrix}&1&&\\&&\ddots&\\&&&1\\a_{k}&a_{k-1}&\cdots&a_{1}\end{bmatrix}}_M\times \underbrace{\begin{bmatrix}f_t\\f_{t+1}\\\vdots\\f_{t+k-1}\end{bmatrix}}_{v_t} \]

而因为 \(v_{t+k}\) 中每一行都满足这个递推关系，我们将 \(v_{t+k}\) 描述为一个线性组合如

\[ v_{t+k}=\sum_{i=1}^ka_{i}v_{t+k-i} \]

有

\[ M^kv_t=\sum_{i=1}^ka_{i}M^{k-i}v_{t} \]

发现若能将两边的 \(v_t\) 消去后得到多项式 \(\Gamma(x)=x^k-\sum_{i=1}^ka_ix^{k-i}\) 满足 \(\Gamma(M)=O\) 其中 \(O\) 为一个 \(k\times k\) 的零矩阵。

假设我们要求 \(M^n\) 可以构造多项式 \(f(x)=x^n\) 那么 \(f(M)=M^n\)，而现在我们可将 \(f(x)\) 写成 \(f(x)=Q(x)\Gamma(x)+R(x)\) 而其中零矩阵是没有贡献的，那么 \(f(M)=R(M)\)。

但是注意矩阵乘法不满足消去律，此处我们定义矩阵 \(M\) 的特征多项式为 \(\Gamma(x)=\det(xI-M)\)，其中 \(I\) 为一个 \(k\times k\) 的单位矩阵。Cayley-Hamilton 定理指出 \(\Gamma(M)=O\)，我们观察 \(M\) 的形式较为特殊，为下 Hessenberg 矩阵，其特征多项式比起一般矩阵更容易计算。

我们从右下角的 \(2\times 2\) 矩阵开始计算特征多项式

\[ \Gamma_2(x)=\det\left(\begin{bmatrix}x&-1\\-a_2&x-a_1\end{bmatrix}\right)=x^2-a_1x-a_2 \]

右下角 \(3\times 3\) 矩阵按照第一行的余子式展开有

\[ \begin{aligned} \Gamma_3(x)&=\det\left(\begin{bmatrix}x&-1&0\\0&x&-1\\-a_3&-a_2&x-a_1\end{bmatrix}\right)\\ &=x\cdot (-1)^{1+1}\cdot \Gamma_2(x)+(-1)\cdot (-1)^{1+2}\cdot \det\left(\begin{bmatrix}0&-1\\-a_3&x-a_1\end{bmatrix}\right)\\ &=x^3-a_1x^2-a_2x-a_3 \end{aligned} \]

观察并归纳有

\[ \Gamma(x)=\Gamma_k(x)=x^k-\sum_{i=1}^ka_ix^{k-i} \]

至此我们可以使用上面的结论。令 \(g(x)=f(x)\bmod{\Gamma(x)}\) 有 \(g(M)=M^n\)。而 \(\deg(g(x))\lt k\) 显然，令 \(g(x)=g_0+g_1x+\cdots +g_{k-1}x^{k-1}\) 那么

\[ M^nv_0=\sum_{i=0}^{k-1}g_iM^iv_0 \]

即

\[ v_n=\sum_{i=0}^{k-1}g_iv_{i} \]

我们关注 \(v_0,v_1,\dots ,v_{k-1}\) 的第一行就是 \(f_0,f_1,\dots ,f_{k-1}\) 已知，那么 \(f_n\) 可在 \(O(k)\) 时间简单得到。求出 \(g(x)\) 则可用快速幂和多项式取模与上述解释是一样的。该算法常数较大，使用生成函数可以得到一个常数更小的算法，见一种新的线性递推计算方法。

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