#P16056. [CSPro 31] 梯度求解

[CSPro 31] 梯度求解

题目背景

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西西艾弗岛运营公司近期在大力推广智能化市政管理系统。这套系统是由西西艾弗岛信息中心研发的。它的主要目的是,通过详细评估岛上各处的市政设施的状况,来指导市政设施的维护和更新。这套系统的核心是一套智能化的传感器网络,它能够自动地对岛上的市政设施进行评估。对市政设施的维护是需要一定成本的,而年久失修的市政设施也可能给岛上的居民造成损失。为了能够平衡成本和收益,信息中心研发了一款数学模型,描述这些变量和损益之间的复杂数学关系。要想得到最优化的成本,就要依靠梯度下降算法来求解。

梯度下降算法中,求解函数在一点处对某一自变量的偏导数是十分重要的。小 C 负责实现这个功能,但是具体的技术实现,他还是一头雾水,希望你来帮助他完成这个任务。

题目描述

设被求算的函数 u=f(x1,x2,,xn)u = f(x_1, x_2, \dots, x_n),本题目要求你求出 uuxix_i(a1,a2,,an)(a_1, a_2, \dots, a_n) 处的偏导数 $\frac{\partial u}{\partial x_i}(a_1, a_2, \dots, a_n)$。

求算多元函数在一点处对某一自变量的偏导数的方法是:将函数的该自变量视为单一自变量,其余自变量认为是常数,运用一元函数求导的方法求出该偏导数表达式,再代入被求算的点的坐标即可。

例如,要求算 u=x1x1x2u = x_1 \cdot x_1 \cdot x_2x1x_1(1,2)(1, 2) 处的偏导数,可以将 x2x_2 视为常数,依次应用求导公式。先应用乘法的求导公式:$(x_1 \cdot (x_1 \cdot x_2))' = x_1'(x_1 \cdot x_2) + x_1(x_1 \cdot x_2)'$;再应用常数与变量相乘的求导公式,得到 $x_1' \cdot x_1 \cdot x_2 + x_1 \cdot x_2 \cdot x_1'$;最后应用公式 x=1x' = 1 得到 1x1x2+x1x211 \cdot x_1 \cdot x_2 + x_1 \cdot x_2 \cdot 1。整理得 ux1=2x2x1\frac{\partial u}{\partial x_1} = 2x_2 \cdot x_1。再代入 (1,2)(1, 2) 得到 ux1(1,2)=4\frac{\partial u}{\partial x_1}(1, 2) = 4

常见的求导公式有:

  • c=0c' = 0cc 是常数)
  • x=1x' = 1
  • (u+v)=u+v(u + v)' = u' + v'
  • (cu)=cu(cu)' = cu'cc 是常数)
  • (uv)=uv(u - v)' = u' - v'
  • (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'

本题目中,你需要求解的函数 ff 仅由常数、自变量和它们的加法、减法、乘法组成。且为程序识读方便,函数表达式已经被整理为逆波兰式(后缀表达式)的形式。例如,x1x1x2x_1 \cdot x_1 \cdot x_2 的逆波兰式为 x1 x1 * x2 *。逆波兰式即为表达式树的后序遍历的结果。若要从逆波兰式还原原始计算算式,可以按照这一方法进行:假设存在一个空栈 SS,依次读取逆波兰式的每一个元素,若读取到的是变量或常量,则将其压入 SS 中;若读取到的是计算符号,则从 SS 中取出两个元素,进行相应运算,再将结果压入 SS 中。最后,若 SS 中存在唯一的元素,则该表达式合法,其值即为该元素的值。例如对于逆波兰式 x1 x1 * x2 *,按上述方法读取,栈 SS 的变化情况依次为(左侧是栈底,右侧是栈顶):

  1. x1x_1
  2. x1, x1x_1,\ x_1
  3. (x1x1)(x_1 \cdot x_1)
  4. (x1x1), x2(x_1 \cdot x_1),\ x_2
  5. ((x1x1)x2)((x_1 \cdot x_1) \cdot x_2)

输入格式

从标准输入读入数据。

输入的第一行是由空格分隔的两个正整数 nnmm,分别表示要求解函数中所含自变量的个数和要求解的偏导数的个数。

输入的第二行是一个逆波兰式,表示要求解的函数 ff。其中,每个元素用一个空格分隔,每个元素可能是:

  • 一个自变量 xix_i,用字符 x 后接一个正整数表示,表示第 ii 个自变量,其中 i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, n。例如,x1 表示第一个自变量 x1x_1
  • 一个整常数,用十进制整数表示,其值在 105-10^510510^5 之间。
  • 一个运算符,用 + 表示加法,- 表示减法,* 表示乘法。

输入的第三行到第 m+2m + 2 行,每行有 n+1n + 1 个用空格分隔的整数。其中第一个整数是要求偏导数的自变量的编号 i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, n,随后的整数是要求算的点的坐标 a1,a2,,ana_1, a_2, \dots, a_n。输入数据保证,对于所有的 i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, naia_i 都在 105-10^510510^5 之间。

输出格式

输出到标准输出。

输出 mm 行,每行一个整数,表示对应的偏导数对 109+710^9 + 7 取模的结果。即若结果为 yy,输出为 kk,则保证存在整数 tt,满足 y=k+t(109+7)y = k + t \cdot (10^9 + 7)0k<109+70 \le k < 10^9 + 7

2 2
x1 x1 x1 * x2 + *
1 2 3
2 3 4
15
3
3 5
x2 x2 * x2 * 0 + -100000 -100000 * x2 * -
3 100000 100000 100000
2 0 0 0
2 0 -1 0
2 0 1 0
2 0 100000 0
0
70
73
73
999999867

提示

样例 1 解释

读取逆波兰式,可得被求导的式子是:u=x1(x1x1+x2)u = x_1 \cdot (x_1 \cdot x_1 + x_2),即 u=x13+x1x2u = x_1^3 + x_1 x_2

x1x_1 求偏导得 ux1=3x12+x2\frac{\partial u}{\partial x_1} = 3x_1^2 + x_2。代入 (2,3)(2, 3) 得到 ux1(2,3)=15\frac{\partial u}{\partial x_1}(2, 3) = 15

x2x_2 求偏导得 ux2=x1\frac{\partial u}{\partial x_2} = x_1。代入 (3,4)(3, 4) 得到 ux2(3,4)=3\frac{\partial u}{\partial x_2}(3, 4) = 3

样例 2 解释

读取逆波兰式,可得被求导的式子是:$u = x_2 \cdot x_2 \cdot x_2 + 0 - (-10^5) \cdot (-10^5) \cdot x_2$,即 u=x231010x2u = x_2^3 - 10^{10}x_2

因为 uu 中实际上不含 x1x_1x3x_3,对这两者求偏导结果均为 00

x2x_2 求偏导得 ux2=3x221010\frac{\partial u}{\partial x_2} = 3x_2^2 - 10^{10}

子任务

测试点 nn mm 表达式的性质
1, 2 =1= 1 100\le 100 仅含有 1 个元素
3, 4 ^ ^ 仅含有一个运算符
5, 6 10\le 10 含有不超过 120 个元素,且不含乘法
7, 8 ^ 含有不超过 120 个元素
9, 10 100\le 100 ^

提示

C++ 中可以使用 std::getline(std::cin, str) 读入字符串直到行尾。

当计算整数 nnMM 的模时,若 nn 为负数,需要注意将结果调整至区间 [0,M)[0, M) 内。