线性基入门

前言

线性基真的是一个非常神奇的算法。

它可以用于求解一个集合内的最大异或和,而且效率极高,是(O(N log MaxNum))的时间复杂度。

所以,它还是十分值得一学的。

关于线性基的定义

什么是线性基?

对于一个数组(a_1a_2...a_n),我们可以用(num_1num_2...num_{log max(a_i)})来记录第一个二进制下最高位出现在第(i)位的数字

并通过这个(num)数组,来求出这个数组中的最大异或和。

具体构造方式

关于线性基的构造,其实也是十分巧妙的。

我们先找到当前插入的数(x)二进制下的最高位(i),然后对此时(num_i)是否为(0)进行分类讨论:

  • (num_i=0)。说明这一位上还没有元素,所以令(num_i=x)
  • (num_i≠0)。说明这一位上有元素了,则我们令(x)^(=num_i),从而将这一位消去,然后继续寻找(x)的最高位,重复以上过程。

由于(x)的最高位肯定是递减的,所以单次时间复杂度是(O(log_{a_i}))的,总复杂度是(O(N log max(a_i)))的。

询问最大异或和

关于如何询问最大异或和,其实也是很简单的。

我们从高位到低位枚举每一个(p_i),并用(ans)记录答案。

对于当前(p_i),我们有一个贪心的策略:若(ans)^(num_i>ans),则更新(ans)(ans)^(num_i),否则就跳过。

这样贪心乍一看仿佛漏洞百出,实际上仔细一想还是有一定道理的。

为什么这样贪心一定是对的呢?

首先我们要知道一个最简单的性质:对于(num_i),如果它不为(0),则它二进制下最高位一定是第(i)位。

关于这一点的证明,可以结合上文线性基的定义与构造方式,这里就不予证明了。

则不难想到,(ans)^(num_i)后被影响到的肯定是后(i)位,且第(i)位肯定是发生变化的

所以,如果(ans)^(num_i>ans),我们就可以得到:原(ans)二进制下第(i)位为(0),异或后的(ans)二进制下第(i)位为(1)

由于后续操作是不会影响到第(i)位及前面已操作位的大小的,所以(i)位肯定越大越优

于是就可以通过贪心来求解了。

关于为什么(ans)^(num_ile ans)就跳过不再处理,其实也是同理的。

其他操作

除了这两个比较基础的操作,其实线性基还是有很多用途的,如:

  • 查询是否有某些数异或和为(k)
  • 查询第(k)小值。

关于这些操作,我也只是听说过,因此这里就不介绍了。

代码

【洛谷3812】【模板】线性基这道模板题为例,贴一份代码:

#include<bits/stdc++.h>
#define N 50
#define LL long long
using namespace std;
int n;
class FIO
{
    private:
        #define Fsize 100000
        #define tc() (A==B&&(B=(A=Fin)+fread(Fin,1,Fsize,stdin),A==B)?EOF:*A++)
        #define pc(ch) (void)(putchar(ch))
        int Top;char ch,*A,*B,Fin[Fsize],Stack[Fsize];
    public:
        FIO() {A=B=Fin;}
        inline void read(int &x) {x=0;while(!isdigit(ch=tc()));while(x=(x<<3)+(x<<1)+(ch&15),isdigit(ch=tc()));}
        inline void read(LL &x) {x=0;while(!isdigit(ch=tc()));while(x=(x<<3)+(x<<1)+(ch&15),isdigit(ch=tc()));}
        inline void write(LL x) {if(!x) return pc('0');while(x) Stack[++Top]=x%10+48,x/=10;while(Top) pc(Stack[Top--]);}
}F;
class Class_LinearBasis//线性基模板
{
    private:
        #define LogMax 50
        LL num[LogMax+5];
    public:
        inline void Insert(LL x)//插入
        {
            for(register int i=LogMax;~i;--i) 
            {
                if(!(x&(1LL<<i))) continue;//如果x第i位上值为0,跳过 
                if(num[i]) x^=num[i];else return (void)(num[i]=x);//如果这一位上没有值,就令num[i]=x;否则,令x^=num[i]
            }
        }
        inline LL QueryMax(register LL ans=0)//查询最大异或和
        {
            for(register int i=LogMax;~i;--i) if((ans^num[i])>ans) ans^=num[i];//对于每一个num[i]贪心决定选与不选
            return ans;//返回答案
        }
}LinearBasis;
int main()
{
    register int i;register LL x;
    for(F.read(n),i=1;i<=n;++i) F.read(x),LinearBasis.Insert(x);
    return F.write(LinearBasis.QueryMax()),0;
}
原文地址:https://www.cnblogs.com/chenxiaoran666/p/LinearBasis.html