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LGV引理

前置知识:

  1. 行列式
  2. 高斯消元

特殊形式

在一张DAG中,有一组起点 \(A=\{a_1,a_2,\cdots,a_n\}\) 与终点 \(B=\{b_1,b_2,\cdots,b_n\}\)

设一个矩阵,其中\(e(a_i,b_i)\)表示从点\(a_i\)到点\(b_i\)的所有可行路径数(一般用bfs或组合数求):

\[ M=\left( \begin{matrix} e(a_1,b_1) &e(a_1,b_2) &\cdots &e(a_1,b_n)\\ e(a_2,b_1) &e(a_2,b_2) &\cdots &e(a_2,b_n)\\ \vdots &\vdots & &\vdots\\ e(a_n,b_1) &e(a_n,b_2) &\cdots &e(a_n,b_n) \end{matrix}\right) \]

则有定理:\(\det(M)\) 的值是从 \(A\) 到 \(B\) 的所有互不相交路径方案的数量。

等价于:偶数个交点的路径方案数比有奇数个交点的路径方案数多多少个(逆序对)。

https://www.luogu.com.cn/problem/P7736

这个值可以由高斯消元 > 高斯消元求行列式 待完成求出,倒三角方阵斜边上的所有数之积即为det。


感性证明

二元,只有两种情况,要么一对一,二对二;要么打交叉。我们考虑打交叉的路径二元组 \(P(a_1,b_2),P(a_2,b_1)\),不难发现,在交点处,如果把剩下的路径交换,则变为了 \(P(a_1,b_1),P(a_2,b_2)\) 中路径相交的方案。

Pasted image 20230629195206.png

可以证明,这样的对应关系是双射。那么所有一对一,二对二的方案数减去打交叉的方案数,就是所有不相交路径的方案数。

更复杂一点的情况,更多交点也类似。

Pasted image 20230629200443.png

多元,设起点为编号\(1\cdots n\),则终点编号为\([1,n]\)的一个排列,路径相交和该排列的逆序对个数有关,偶数个逆序对加,奇数个逆序对减。


更一般的形式——带边权(即有重边)

上面的各边边权为\(1\)。当\(\omega_e \not= 1\)时,定义 \(\omega(P)\) 为一条路径 \(P\) 中每条边权的乘积,即 \(\omega(P)=\prod_{e\in P} w_e\)(可以看作是算上重边时,一条路径的方案数)。

考虑选 \(n\) 条路径将所有 \(A\)\(B\) 一一配对,设其中一种路径组方案为 \(G=(P_1,P_2,\cdots,P_n)\),则路径 \(P_i=(a_i,b_j)\),所有的 \(j\) 构成一个 \([1,n]\) 的排列,其逆序对数量记作 \(t(G)\)

该路径组的总方案数为其所有路径方案之积:\(W(G)=\prod_{i=1}^n \omega(P_i)\)

那么LGV引理描述为,设一个矩阵,其中 \(e(a,b)\) 为两点之间所有路径 \(P\) 的 \(\omega(P)\) 之和(好吧,加法原理,算出两点间所有可行方案数)

\[ M=\left( \begin{matrix} e(a_1,b_1) &e(a_1,b_2) &\cdots &e(a_1,b_n)\\ e(a_2,b_1) &e(a_2,b_2) &\cdots &e(a_2,b_n)\\ \vdots &\vdots & &\vdots\\ e(a_n,b_1) &e(a_n,b_2) &\cdots &e(a_n,b_n) \end{matrix}\right) \]

则有:

\[ \det(M)=\sum_{G\in A\rightarrow B} (-1)^{t(G)} *W(G) \]

注:\(G\) 是一个从 \(A\) 到 \(B\) 的不相交路径组(其中一种方案),边不带权时 \(W(G)=1\)

证明涉及到行列式定义,详见:https://zhuanlan.zhihu.com/p/517819133


卡特兰数???的几个意义? 待完成

Pasted image 20230629192537.png