yukicoder : No.2936 Sum of Square of Mex

スターリング数はライブラリにしてなかったな…。
https://yukicoder.me/problems/no/2936

問題

正整数N,Mが与えられる。
0～Mの値を取るN要素の整数列Aは(M+1)^N通りある。
それぞれmex(A)^2の総和を求めよ。

解法

Aのうちユニークな値の数をK個とする。
この選び方は第2種スターリング数で計算できる。
同じNに対し色んなKにおける第2種スターリング数{N,K}は、FFTで一気に計算できる。

Kごとにmex(A)の二乗和を考える。
mex(A)の値がBとすると、K個のうちに0～(B-1)は必ず含み、残り(K-B)個は(B+1)～Mの中から選ばれる。
mex(A)は0～M+1の値を取りえるが、それぞれの組み合わせとmex(A)^2の積和は、Editorialの通り式変形を頑張るとK1つにつきO(1)で計算できる。

const int mo=998244353;
ll modpow(ll a, ll n = mo-2) {
	ll r=1; a%=mo;
	while(n) r=r*((n%2)?a:1)%mo,a=a*a%mo,n>>=1;
	return r;
}

template <class T> using vec=vector<T>; //using vec=valarray<T>;

template<class T> vec<T> fft(vec<T> v, bool rev=false) {
	int n=v.size(),i,j,m;
	for(int m=n; m>=2; m/=2) {
		T wn=modpow(5,(mo-1)/m);
		if(rev) wn=modpow(wn);
		for(i=0;i<n;i+=m) {
			T w=1;
			for(int j1=i,j2=i+m/2;j2<i+m;j1++,j2++) {
				T t1=v[j1],t2=v[j2];
				v[j1]=(t1+t2+mo)%mo;
				v[j2]=ll(t1+mo-t2)*w%mo;
				while(v[j1]>=mo) v[j1]-=mo;
				w=(ll)w*wn%mo;
			}
		}
	}
	for(i=0,j=1;j<n-1;j++) {
		for(int k=n>>1;k>(i^=k);k>>=1);
		if(i>j) swap(v[i],v[j]);
	}
	if(rev) {
		ll rv = modpow(n);
		FOR(i,n) v[i]=(ll)v[i]*rv%mo;
	}
	return v;
}

template<class T> vec<T> MultPoly(vec<T> P,vec<T> Q,bool resize=false) {
	if(resize) {
		int maxind=0,pi=-1,qi=-1,i;
		int s=2;
		FOR(i,P.size()) if(norm(P[i])) pi=i;
		FOR(i,Q.size()) if(norm(Q[i])) qi=i;
		if(pi==-1||qi==-1) return {};
		maxind=pi+qi+1;
		while(s*2<maxind) s*=2;
		
		if(s<=64) { //fastpath
			vec<T> R(s*2);
			for(int x=0;x<=pi;x++) for(int y=0;y<=qi;y++) (R[x+y]+=P[x]*Q[y])%=mo;
			return R;
		}
		vec<T> P2(s*2),Q2(s*2);
		FOR(i,pi+1) P2[i]=P[i];
		FOR(i,qi+1) Q2[i]=Q[i];
		swap(P,P2),swap(Q,Q2);
	}
	P=fft(P), Q=fft(Q);
	for(int i=0;i<P.size();i++) P[i]=(ll)P[i]*Q[i]%mo;
	return fft(P,true);
}

const int NUM_=400001;
static ll fact[NUM_+1],factr[NUM_+1],inv[NUM_+1];

vector<ll> stirling2(int N) {
	vector<ll> F,G;
	int i;
	ll fact=1;
	FOR(i,N+1) {
		if(i) fact=fact*i%mo;
		F.push_back(modpow(i,N)*modpow(fact)%mo);
		G.push_back(modpow(mo-1,i)*modpow(fact)%mo);
	}
	
	vec<ll> V=MultPoly(F,G,1);
	V.resize(N+1);
	return V;
}

ll C[202020];

void solve() {
	int i,j,k,l,r,x,y; string s;
	
	
	inv[1]=fact[0]=factr[0]=1;
	for (int i=2;i<=NUM_;++i) inv[i] = inv[mo % i] * (mo - mo / i) % mo;
	for (int i=1;i<=NUM_;++i) fact[i]=fact[i-1]*i%mo, factr[i]=factr[i-1]*inv[i]%mo;
	
	
	ll N,M;
	cin>>N>>M;
	
	C[0]=1;
	for(i=1;i<=N+5;i++) C[i]=C[i-1]*(M+2-i)%mo*inv[i]%mo;
	
	ll ret=0;
	vector<ll> V=stirling2(N);
	FOR(i,N+1) V[i]=V[i]*fact[i]%mo;
	for(ll K=1;K<=min(N,M);K++) {
		//ll pat=1LL*K*K%mo*comb(M+1,K)%mo-(2*K-1)*(M-K+1)%mo*comb(M+1,K-1)%mo+(M-K+1)*(M-K+2)%mo*comb(M+1,K-2)%mo;
		ll pat=1LL*K*K%mo*C[K]%mo-(2*K-1)*(M-K+1)%mo*C[K-1]%mo+(M-K+1)*(M-K+2)%mo*(K>=2?C[K-2]:0)%mo;
		pat=(pat%mo+mo)%mo;
		(ret+=V[K]*pat)%=mo;
	}
	
	if(N>=M+1) ret+=(M+1)*(M+1)%mo*V[M+1]%mo;
	cout<<ret%mo<<endl;
	
}

まとめ

この式変形を自力でやるのはしんどいな…。