题目

涵涵有两盒火柴，每盒装有 n 根火柴，每根火柴都有一个高度。现在将每盒中的火柴各自排成一列，同一列火柴的高度互不相同，两列火柴之间的距离定义为： $$\sum_{i=1}^{n}{(a_i-b_i)^2}$$

其中 ai表示第一列火柴中第 i 个火柴的高度，bi表示第二列火柴中第 i 个火柴的高度。

每列火柴中相邻两根火柴的位置都可以交换，请你通过交换使得两列火柴之间的距离最小。请问得到这个最小的距离，最少需要交换多少次？如果这个数字太大，请输出这个最小交换次数对 99,999,997 取模的结果。

分析

这真是一道好题——断断续续想了几天才完全AC。

事实上，由排序不等式可知：

$$当a_i, b_i 从小到大排序时，距离最小$$

这是一个重要的信息。因此，我们只需把 $a_i,b_i$ 进行排序，并把对应项“捆绑”成一项，再按 $a_i$ 原有的顺序进行复原，此时，可以得到由 $b_i$ 原先的下标组成的一个序列。也就是说，我们要求 $1,2,\ldots,n$ 至少经过多少步才能变为该序列。这可以用逆序对来解决。

只可惜，传统的逆序对算法时间复杂度为 $O(n^2)$，这里 $n$ 可达 $200000$，一定会超时 。因此我们需寻求更好的算法。

用归并排序求逆序对

在归并排序的过程中，有一个步骤称为合并。在这个步骤中，需要轮流判断左右区间的第一个数的大小关系。注意到：左右区间已经有序，从而若左区间的第一个数大于右区间的第一个数，则左区间之后的所有数都大于右区间的第一个数，从而我们可以在合并时做一些修改：

procedure nx(l, r: longint);
var
    mid, i, j, k: longint;
begin
    if l = r then
    begin
        tmp[l] := a[l];
        exit;
    end;
    mid := (l + r) shr 1;
    nx(l, mid);
    nx(mid+1, r);
    i := l;
    j := mid+1;
    k := l;
    while k <= r do
    begin
        if (j>r) or (i<=mid) and (a[i]<=a[j]) then //注意这里为等号
        begin
            tmp[k] := a[i];
            inc(i);
        end
        else
        begin
            cnt := cnt + mid - i + 1; //加上逆序数
            tmp[k] := a[j];
            inc(j);
        end;
        inc(k);
    end;
    for i := l to r do
        a[i] := tmp[i];
end;

这个算法复杂度为$O(n\log n)$，是一种比较理想的算法，实现起来也简单。但他有个缺点：会打乱原数组顺序。

原题代码

//AC
const
    MODN = 99999997;
type
    rec = record value, index: longint; end;
    TArr = array [1..100000] of rec;
var
    n: longint;
    a, b, c, tmp: TArr;
    ok: Boolean;
    l, r, i, j: longint;
    cnt: int64;

procedure sort(var arr: TArr; l, r: longint);
var
    i, j: longint;
    m, t: rec;
begin
    i := l;
    j := r;
    m := arr[(i+j) shr 1];
    repeat
        while arr[i].value < m.value do inc(i);
        while arr[j].value > m.value do dec(j);
        if i <= j then
        begin
            t := arr[i];
            arr[i] := arr[j];
            arr[j] := t;
            inc(i);
            dec(j);
        end;
    until i >j;
    if i < r then sort(arr, i, r);
    if l < j then sort(arr, l, j);
end;

procedure nx(l, r: longint);
var
    mid, i, j, k: longint;
begin
    if l = r then
    begin
        tmp[l] := c[l];
        exit;
    end;
    mid := (l + r) shr 1;
    nx(l, mid);
    nx(mid+1, r);
    i := l;
    j := mid+1;
    k := l;
    while k <= r do
    begin
        if (j>r) or (i<=mid) and (c[i].index<=c[j].index) then
        begin
            tmp[k] := c[i];
            inc(i);
        end
        else
        begin
            cnt := cnt + mid - i + 1;
            cnt := cnt mod MODN;
            tmp[k] := c[j];
            inc(j);
        end;
        inc(k);
    end;
    for i := l to r do
        c[i] := tmp[i];
end;

begin
    assign(input, 'main.in'); reset(input);
    assign(output, 'main.out'); rewrite(output);

    readln(n);
    for i := 1 to n do
    begin
        read(a[i].value);
        a[i].index := i;
    end;
    for i := 1 to n do
    begin
        read(b[i].value);
        b[i].index := i;
    end;
    sort(a, 1, n);
    sort(b, 1, n);

    for i := 1 to n do
        c[a[i].index] := b[i];

    cnt := 0;
    nx(1, n);
    writeln(cnt);

    close(input); close(output);
end.