L3-023 计算图 (30 分)--PAT 团体程序设计天梯赛 GPLT

“计算图”（computational graph）是现代深度学习系统的基础执行引擎，提供了一种表示任意数学表达式的方法，例如用有向无环图表示的神经网络。图中的节点表示基本操作或输入变量，边表示节点之间的中间值的依赖性。例如，下图就是一个函数 f(x1,x2)=lnx1+x1x2−sinx2 的计算图。

现在给定一个计算图，请你根据所有输入变量计算函数值及其偏导数（即梯度）。例如，给定输入x1=2,x2=5，上述计算图获得函数值 f(2,5)=ln(2)+2×5−sin(5)=11.652；并且根据微分链式法则，上图得到的梯度 ∇f=[∂f/∂x1,∂f/∂x2]=[1/x1+x2,x1−cosx2]=[5.500,1.716]。

知道你已经把微积分忘了，所以这里只要求你处理几个简单的算子：加法、减法、乘法、指数（ex，即编程语言中的 exp(x) 函数）、对数（lnx，即编程语言中的 log(x) 函数）和正弦函数（sinx，即编程语言中的 sin(x) 函数）。

友情提醒：

常数的导数是 0；x 的导数是 1；ex 的导数还是 ex；lnx 的导数是 1/x；sinx 的导数是 cosx。
回顾一下什么是偏导数：在数学中，一个多变量的函数的偏导数，就是它关于其中一个变量的导数而保持其他变量恒定。在上面的例子中，当我们对 x1 求偏导数 ∂f/∂x1 时，就将 x2 当成常数，所以得到 lnx1 的导数是 1/x1，x1x2 的导数是 x2，sinx2 的导数是 0。
回顾一下链式法则：复合函数的导数是构成复合这有限个函数在相应点的导数的乘积，即若有 u=f(y)，y=g(x)，则 du/dx=du/dy⋅dy/dx。例如对 sin(lnx) 求导，就得到 cos(lnx)⋅(1/x)。

如果你注意观察，可以发现在计算图中，计算函数值是一个从左向右进行的计算，而计算偏导数则正好相反。

输入格式：

输入在第一行给出正整数 N（≤5×104），为计算图中的顶点数。

以下 N 行，第 i 行给出第 i 个顶点的信息，其中 i=0,1,⋯,N−1。第一个值是顶点的类型编号，分别为：

0 代表输入变量
1 代表加法，对应 x1+x2
2 代表减法，对应 x1−x2
3 代表乘法，对应 x1×x2
4 代表指数，对应 ex
5 代表对数，对应 lnx
6 代表正弦函数，对应 sinx

对于输入变量，后面会跟它的双精度浮点数值；对于单目算子，后面会跟它对应的单个变量的顶点编号（编号从 0 开始）；对于双目算子，后面会跟它对应两个变量的顶点编号。

题目保证只有一个输出顶点（即没有出边的顶点，例如上图最右边的 -），且计算过程不会超过双精度浮点数的计算精度范围。

输出格式：

首先在第一行输出给定计算图的函数值。在第二行顺序输出函数对于每个变量的偏导数的值，其间以一个空格分隔，行首尾不得有多余空格。偏导数的输出顺序与输入变量的出现顺序相同。输出小数点后 3 位。

输入样例：

7
0 2.0
0 5.0
5 0
3 0 1
6 1
1 2 3
2 5 4

输出样例：

11.652
5.500 1.716

分析：结构体A中存储相关节点信息，de[i]表示第i个点是否被其他节点调用操作到，使用deal做dfs操作来根据题意进行题目的模拟运行，其中，c为1表示求导，c为0表示正常晕眩，index表示当前节点信息，to为求偏导数得目标，Record则是一个dfs下的记忆优化，start为一个可以作为出发点的节点。依题意输入数据后，遍历找出一个出发点节点，然后直接丢到deal函数中即可得到答案～注意导数运算的相关规则～

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
struct node {int which, op1, op2;double value;
}A[50001];
int N, start = -1, cnt, de[50001];
map<bool, map<int, map<int, double>>> Record;
double deal(int c, int index, int to) {if (Record[c][index][to]) return Record[c][index][to];if (A[index].which == 0) return Record[c][index][to] = c ? (index == to ? 1.0 : 0.0) : A[index].value;else if (A[index].which == 1) return Record[c][index][to] = deal(c, A[index].op1, to) + deal(c, A[index].op2, to);else if (A[index].which == 2) return Record[c][index][to] = deal(c, A[index].op1, to) - deal(c, A[index].op2, to);else if (A[index].which == 3) return Record[c][index][to] = c ? (deal(1, A[index].op1, to) * deal(0, A[index].op2, to) + deal(0, A[index].op1, to) * deal(1, A[index].op2, to)) : (deal(0, A[index].op1, to) * deal(0, A[index].op2, to));else if (A[index].which == 4) return Record[c][index][to] = c ? exp(deal(0, A[index].op1, to)) * deal(1, A[index].op1, to) : exp(deal(0, A[index].op1, to));else if (A[index].which == 5) return Record[c][index][to] = c ? 1.0 / deal(0, A[index].op1, to) * deal(1, A[index].op1, to) : log(deal(0, A[index].op1, to));else  return Record[c][index][to] = c ? cos(deal(0, A[index].op1, to)) * deal(1, A[index].op1, to) : sin(deal(0, A[index].op1, to));
}
int main() {scanf("%d", &N);for (int i = 0; i < N; i++) {scanf("%d", &A[i].which);if (A[i].which == 0) {++cnt;scanf("%lf", &A[i].value);} else if (A[i].which < 4) {scanf("%d%d", &A[i].op1, &A[i].op2);de[A[i].op1] = de[A[i].op2] = 1;} else {scanf("%d", &A[i].op1);de[A[i].op1] = 1;}}while(de[++start]);printf("%.3lf\n", deal(0, start, N));for (int i = 0; i < N; i++) {if (A[i].which == 0) printf("%.3lf%c", deal(1, start, i), --cnt ? ' ' : '\n');}return 0;
}