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血缘关系

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题目描述

我们正在研究妖怪家族的血缘关系。每个妖怪都有相同数量的基因,但是不同的妖怪的基因可能是不同的。我们希望知道任意给定的两个妖怪之间究竟有多少相同的基因。由于基因数量相当庞大,直接检测是行不通的。但是,我们知道妖怪家族的家谱,所以我们可以根据家谱来估算两个妖怪之间相同基因的数量。

    妖怪之间的基因继承关系相当简单:如果妖怪C是妖怪AB的孩子,则C的任意一个基因只能是继承AB的基因,继承AB的概率各占50%。所有基因可认为是相互独立的,每个基因的继承关系不受别的基因影响。

   现在,我们来定义两个妖怪XY的基因相似程度。例如,有一个家族,这个家族中有两个毫无关系(没有相同基因)的妖怪AB,及它们的孩子CD。那么CD相似程度是多少呢?因为CD的基因都来自AB,从概率来说,各占50%。所以,依概率计算CD平均有50%的相同基因,CD的基因相似程度为50%。需要注意的是,如果AB之间存在相同基因的话,CD的基因相似程度就不再是50%了。

    你的任务是写一个程序,对于给定的家谱以及成对出现的妖怪,计算它们之间的基因相似程度。

输入

第一行两个整数n和k。n(2≤n≤300)表示家族中成员数,它们分别用1, 2, …, n来表示。k(0≤k≤n-2)表示这个家族中有父母的妖怪数量(其他的妖怪没有父母,它们之间可以认为毫无关系,即没有任何相同基因)。
接下来的k行,每行三个整数a, b, c,表示妖怪a是妖怪b的孩子。
然后是一行一个整数m(1≤m≤n2),表示需要计算基因相似程度的妖怪对数。
接下来的m行,每行两个整数,表示需要计算基因相似程度的两个妖怪。
你可以认为这里给出的家谱总是合法的。具体来说就是,没有任何的妖怪会成为自己的祖先,并且你也不必担心会存在性别错乱问题。

输出

m行。可k行表示第k对妖怪之间的基因相似程度。你必须按百分比输出,有多少精度就输出多少,但不允许出现多余的0(注意,0.001的情况应输出0.1%,而不是.1%)。具体格式参见样例。

样例

样例输入:
7 4 4 1 2 5 2 3 6 4 5 7 5 6 4 1 2 2 6 7 5 3 3
样例输出:
0% 50% 81.25% 100%

提示

【算法分析】

本题是一道概率计算题,但这个概率计算又是建立在Family Tree模型上的。Family Tree是一个有向无环图,有明显的阶段性(辈分关系),而且没有后效性(没有人可以成为自己的祖先),符合动态规划模型的基本条件。因此,应该可以套用类似动态规划的方法来解决。

    我们先来明确一下相似程度的计算方法。假设我们要求的是AB的相似程度(设为P(A, B)),那么有两种情况是显然的:

    (1A=B:P(A, B)=1

    (2AB无相同基因:P(A, B)=0

    这是计算其他复杂情况的基础。因为动态规划就是从一些特定的状态(边界条件)出发,分阶段推出其他状态的值的。

    再来看一般的情况,设A0A1A的父母。那么,取概率平均情况,A拥有A0A1的基因各占一半。假设A0B的相似程度为P(A0, B)A1B的相似程度为P(A1, B),那么P(A, B)P(A0, B)P(A1, B)之间应该是一个什么样的关系呢?很容易猜想到:

    P(A, B)=(P(A0, B)+P(A1, B))/2

    但是,这只是一个猜想。要让它变为一个结论还需要证明:

    我们用归纳法来证明。

    首先,我们知道,在这个问题中不同基因都是从特定的祖先传下来的,不会出现同一个基因采自不同的祖先的情况(注:这里的祖先是指那些没有父母的妖怪)。所以,如果AB有相同的基因,这些基因必然来自同一个祖先。这里,我们最想说明的是,祖先那代是不存在两个人,它们之间不同的基因相同的概率不一样,因为它们相同的概率都是0

    现在,A有祖先A0A1A0A1B的相似程度分别为P(A0, B)P(A1, B)。从祖先一代开始归纳,可由归纳假设A0BA1B之间每个基因相同的概率都是一样的,分别都是P(A0, B)P(A1, B)A的单个基因,它可能是继承A0的,也可能是继承A1的,概率各50%。继承A0的话与B相同的概率是P(A0, B),继承A1的话与B相同的概率是P(A1, B)。那么这个基因与B相同的概率就是:

    (P(A0, B)+P(A1, B))/2

因此,A的每个基因与B相同的概率都是(P(A0, B)+P(A1, B))/2,具有相同的概率。进而,AB相同基因的数量概率平均也为(P(A0, B)+P(A1, B))/2AB的相似程度    P(A, B)=(P(A0, B)+P(A1, B))/2

    这样就归纳证明了P(A, B)的概率递推公式。

    下面总结一下前面得出的结论:

    (1)边界条件:

    ① A=B:P(A, B)1

    ② AB无相同基因:P(A, B)=0

    (2)递推关系:

    P(A, B)(P(A0, B)+P(A1, B))/2,其中A0A1A的父母

    有了边界条件和递推关系,以及Family Tree的阶段性和无后效性作为前提,用动态规划解决问题的所有条件都已满足。应该说,从理论上来讲,本题已经完全解决。下面需要讨论的仅仅是实现方法而已。

    动态规划的实现方法有两种:一种是逆向的递推,另一种是正向的记忆化搜索(递归)。这两种方法都是可行的,区别仅仅在于,递推需要更多的考虑状态的阶段性,按照阶段计算出所有状态的值;而记忆化搜索只需要承认状态具有阶段性,无需考虑阶段,只需要按照递推式本身设计带记忆化的递归函数即可。

    本题给出的仅仅是一棵Family Tree,并没有给出Family Tree的阶段,如果要用递推的话,就必须先给Family Tree分阶段(拓扑排序)。所以,本题显然更适合用记忆化搜索来实现。

    另外,需要注意的是,本题所求的答案是有多少精度就输出多少精度。300个节点的图,少说也可以构成几十层的Family Tree,算出的结果至少也有小数点后几十位。所以,高精度是必不可少的(保险起见,可以设置300位的高精度)。

    分析一下本题的时间复杂度。动态规划的状态有n2个,转移代价为O(C)(高精度计算的代价)。因此,时间复杂度为为O(Cn2)n300

    严格的讲,本题的算法不能算动态规划的方法,因为本题不存在最优化,应该仅仅是一个递推。不过,从分析问题的过程来看,它里面包含了很多动态规划的思想,例如,阶段性和无后效性,特别是使用了动态规划的一种实现方法记忆化搜索。