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题解

간단한 확률 문제

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题解

풀이는 다음과 같다.

  • 색이 xxx인 공의 수를 pxp_xpx​라 하자. 이때 최종 공의 색이 xxx일 확률은 pxn\frac{p_x}{n}npx​​이다.
  • mmm의 값이나 b1,b2,…,bmb_1, b_2, \dots, b_mb1​,b2​,…,b의 값은 답에 영향이 없다.

pxn\frac{p_x}{n}npx​​을 998 244 353998\,244\,353998244353으로 나눈 나머지를 구하는 과정, 즉 인 정수 를 구하는 과정은 잘 알려져 있다. 가장 많이 쓰이는 방법은 페르마의 소정리와 분할 정복을 이용한 거듭제곱을 사용하는 방법이다. 페르마의 소정리에 의해, 어떤 소수 에 대해 이면

np−1≡1(modp)n^{p-1} \equiv 1 \pmod pnp−1≡1(modp)

이다. 따라서 px≡px⋅np−1(modp)p_x \equiv p_x \cdot n^{p-1} \pmod ppx​≡px​⋅n이고, 로 두면 된다. 이 문제의 경우 이고, 이는 소수임을 확인할 수 있다. 를 구하는 과정은 의 값이 크므로 분할 정복을 이용한 거듭제곱을 사용해야 한다.

이제 답이 위와 같은 이유를 증명한다. 여러 가지 접근 방식이 존재하지만, 이 중 대칭성을 이용한 방식을 서술한다.

먼저 n=cn = cn=c이며 모든 색의 공이 정확히 한 개씩 존재한다고 가정하자. 이 경우 대칭성을 이용해 최종 공의 색이 xxx일 확률은 모든 x∈{1,2,…,n}x \in \{1, 2, \dots, n\}x∈{1,2,…,n}에 대해 1n임을 쉽게 알 수 있다.

이제 일반적인 경우를 살펴보자. 같은 공의 색이 여러 개 존재할 수 있는데, 각각의 색을 세분화해 (원래 색, 인덱스)의 새로운 색으로 표기해 모든 공을 다른 색으로 나누어 주자. 예를 들어, 색이 444인 공이 세 개 존재한다면, 색 (4,1)(4, 1)(4,1), 색 (4,2)(4, 2)(4,2), 색 (4,3)(4, 3)(4,3)과 같이 나누어 주는 식이다. 이렇게 생각하고 나면, 최초에 존재하는 개의 공이 모두 다른 색을 가지고 있다고 생각할 수 있다. 따라서 모든 시행이 끝나고 나면, 최초의 가지 색 각각에 대해, 최종 공이 그 중 특정한 색을 가지고 있을 확률이 임을 알 수 있다.

하지만 여기에서 나오는 순서쌍 형태의 색 (a,b)(a, b)(a,b)는 우리가 임의로 정한 색이고, 그 공의 실제 색은 aaa이다. 따라서, 최초에 색 xxx의 공이 pxp_xpx​개 있었다면, 최종 공의 색이 x일 확률은 이다.

이 문제의 상황은 마틴게일(martingale)과도 관련이 있다. 관심이 있는 독자는 관련 정보를 찾아보면 좋을 것이다.

m
​
px≡n⋅z(mod998 244 353)p_x \equiv n \cdot z \pmod {998\,244\,353}
px​≡n⋅z(mod998244353)
zzz
ppp
gcd⁡(n,p)=1\gcd(n, p) = 1gcd(n,p)=1
p−1
(modp)
z=px⋅np−2z = p_x \cdot n^{p-2}z=px​⋅np−2
p=998 244 353p = 998\,244\,353p=998244353
np−2n^{p-2}np−2
ppp
\frac{1}{n}
n1​
nn
n
nnn
1n\frac{1}{n}n1​
x
x
pxn\frac{p_x}{n}npx​​