No.1324 Approximate the Matrix
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作問者 : theory_and_me / テスター : opt
問題文
正の整数 $N, K$ と,非負整数 $A_1, A_2, \ldots, A_N$ および $B_1, B_2, \ldots, B_N$ が与えられます. ここで,$\sum_{i=1}^N A_i = \sum_{i=1}^N B_i = K$ が成り立つとします.
以下の条件をみたす行列全体の集合を $G$ とします.
- サイズが $N \times N$ である.
- 全ての要素が非負整数である.
- $i = 1, \ldots, N$ について,$i$ 行目の要素の和が $A_i$ に等しい.
- $i = 1, \ldots, N$ について,$i$ 列目の要素の和が $B_i$ に等しい.
全ての要素が非負整数であるサイズ $N \times N$ の行列 $P$ が与えられるので, $\min_{Q \in G} \| P-Q \|_\mathrm{F}^2$ を求めて下さい.
ただし,$\| \cdot \|_\mathrm{F}$ は行列のフロべニウスノルムであり, サイズ $N \times N$ の行列 $R$ について $\| R \|_\mathrm{F} := \sqrt{\sum_{i=1}^N \sum_{j=1}^N R_{i, j}^2}$ で定義されます.
また,本問題の条件のもとで $G$ は非空であることが証明できるため,$\min_{Q \in G} \| P-Q \|_\mathrm{F}^2$ は必ず定義されます.
入力
$N\ K$ $A_1\ A_2\ \ldots\ A_N$ $B_1\ B_2\ \ldots\ B_N$ $P_{1, 1}\ P_{1, 2}\ \ldots\ P_{1, N}$ $P_{2, 1}\ P_{2, 2}\ \ldots\ P_{2, N}$ $\vdots$ $P_{N, 1}\ P_{N, 2}\ \ldots\ P_{N, N}$
出力
最後に改行してください。
サンプル
サンプル1
入力
2 3 1 2 2 1 1 1 1 1
出力
1
この場合,$G$ の要素は $\begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 0 \end{bmatrix}$ と $\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{bmatrix}$ の2つの行列です.
$Q = \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 0 \end{bmatrix}$ のとき, $\| P-Q \|_\mathrm{F}^2 = (1-0)^2 + (1-1)^2 + (1-2)^2 + (1-0)^2 = 3$ であり, $Q = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{bmatrix}$ のとき, $\| P-Q \|_\mathrm{F}^2 = (1-1)^2 + (1-0)^2 + (1-1)^2 + (1-1)^2 = 1$ であるため, 求める最小値は $1$ です.
サンプル2
入力
2 4 2 2 3 1 2 0 1 1
出力
0
この場合,$P \in G$ であるため, $Q = P$ とした場合に $\| P-Q \|_\mathrm{F}^2$ は最小値 $0$ をとります.
サンプル3
入力
3 6 2 2 2 4 1 1 3 2 1 1 8 10 2 3 5
出力
171
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