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[Jsoi2015]染色問題

Description
棋盤是一個n×m的矩形,分成n行m列共n*m個小方格。
現在萌萌和南南有C種不同顏色的顏料,他們希望把棋盤用這些顏料染色,並滿足以下規定:
1.棋盤的每一個小方格既可以染色(染成C種顏色中的一種),也可以不染色。
2.棋盤的每一行至少有一個小方格被染色。
3.棋盤的每一列至少有一個小方格被染色。
4.種顏色都在棋盤上出現至少一次。
以下是一些將3×3棋盤染成C=3種顏色(紅、黃、藍)的例子:

請你求出滿足要求的不同的染色方案總數。只要存在一個位置的顏色不同,
即認為兩個染色方案是不同的

Input
輸入只有一行 3 個整數n,m,c。1 < = n,m,c < = 400

Output
輸出一個整數,為不同染色方案總數。
因為總數可能很大,只需輸出總數mod 1,000,000,007的值。

Sample Input
2 2 3

Sample Output
60

題目要求:所有行都有格子被染色、所有列都有格子被染色、所有顏色都有格子被染色的方案數。

我們容斥一下,求至多i行被染色,至多j列被染色,至多k種顏色被使用的方案數,那麼答案即為

\[\sum\limits_{i=0}^n\sum\limits_{j=0}^m\sum\limits_{k=0}^p \binom{n}{i}\times\binom{m}{j}\times\binom{p}{k}\times(-1)^{n+m+p-i-j-k}\times(k+1)^{ij}\]

稍微調整一下\(\sum\)的順序

\[\sum\limits_{i=0}^n\sum\limits_{k=0}^p\binom{n}{i}\times\binom{p}{k}\times(-1)^{n+m+p-i-k}\times\sum\limits_{j=0}^m\binom{m}{j}*(-1)^j*(k+1)^{ij}\]

我們知道\((x+1)^y=\sum\limits_{i=0}^y \binom{y}{i}\times x^i\)

所以我們可以得到

\[\sum\limits_{i=0}^n\sum\limits_{k=0}^p\binom{n}{i}\times\binom{p}{k}\times(-1)^{n+m+p-i-k}\times(1-(k+1)^i)^m\]

因此我們就可以在\(O(np\log m)\)的時間內解決這個問題了

/*problem from Wolfycz*/
#include<cmath>
#include<ctime>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<iostream>
#include<algorithm>
#define inf 0x7f7f7f7f
using namespace std;
typedef long long ll;
typedef unsigned int ui;
typedef unsigned long long ull;
inline char gc(){
    static char buf[1000000],*p1=buf,*p2=buf;
    return p1==p2&&(p2=(p1=buf)+fread(buf,1,1000000,stdin),p1==p2)?EOF:*p1++;
}
inline int frd(){
    int x=0,f=1; char ch=gc();
    for (;ch<'0'||ch>'9';ch=gc())   if (ch=='-')    f=-1;
    for (;ch>='0'&&ch<='9';ch=gc()) x=(x<<3)+(x<<1)+ch-'0';
    return x*f;
}
inline int read(){
    int x=0,f=1; char ch=getchar();
    for (;ch<'0'||ch>'9';ch=getchar())  if (ch=='-')    f=-1;
    for (;ch>='0'&&ch<='9';ch=getchar())    x=(x<<3)+(x<<1)+ch-'0';
    return x*f;
}
inline void print(int x){
    if (x<0)    putchar('-');
    if (x>9)    print(x/10);
    putchar(x%10+'0');
}
const int N=4e2,p=1e9+7;
int C[N+10][N+10];
int mlt(int a,int b){
    int res=1;
    for (;b;b>>=1,a=1ll*a*a%p)  if (b&1)    res=1ll*res*a%p;
    return res;
}
int main(){
    int n=read(),m=read(),c=read(),All=n+m+c,Ans=0;
    C[0][0]=1;
    for (int i=1;i<=max(n,c);i++){
        C[i][0]=1;
        for (int j=1;j<=i;j++)  C[i][j]=(C[i-1][j-1]+C[i-1][j])%p;
    }
    for (int k=0;k<=c;k++){
        int tmp=1;
        for (int i=0;i<=n;i++){
            if (i)  tmp=1ll*tmp*(k+1)%p;
            Ans=(Ans+((All-i-k)&1?-1ll:1ll)*C[n][i]*C[c][k]%p*mlt(1-tmp,m)%p+p)%p;
        }
    }
    printf("%d\n",Ans);
    return 0;
}