Border Theory:There's a fast way to bruteforce on borders
Difference between en11 and en12, changed 265 character(s)
# Written before↵

Border Theory,which was not well-known enough,should have been publicized together with KMP or similar algorithms.But nowadays lots of people don't know such a theory exist,making them unable to solve several tasks easily or even can't get a fast solution.So it's time to complete the blog as what I will do on this.↵

CForemal Border Theory↵

## Conclution↵

For a string $S$, There are a squence of strings:↵

$$ \{b_i\}_{i=1}^n(b_1 = 0,b_i < b_{i + 1},b_n = |S|,S_{1,...,b_i} = S_{n - b_i + 1,...,n})$$↵

it's garenteed that there exist a way to divide the sequence into $\operatorname{O}(\log |S|)$ continuous 
subsequence that each subsequence forms an arithmetic sequencearthmetic progressions.↵

## Proof↵

First of all,we found that if there's a string $T$ as a border of $S$ and $2|T| \ge |S|$, Then the 
sequoccurrence of where $T$ appears$T$ in $S$ forms an arthmetic sequenceprogression.↵

<spoiler summary="proof">↵
If there's pairs of 
nearby places where $T$ matchesadjacent occurrence of $T$ in $S$ $(i - p,i)$ and $(i,i + q)$ that $p \neq q$,we found that:↵

- $p$ is the length of a border↵
- $q$ is the length of an another border↵
- The shorter border is a border of a larger border.↵

Then we will found that if $p > q$, thenwe found pair $(i - q,i)$ exists,or $(i,i + p)$ exists while $p < q$, which are not valid when we deem pairs $(i - p,i)$,$(i,i + q)$ as 
nearby place that matchadjacent pairs,so $p = q$ garenteed.↵
</spoiler>↵

Second,We found that all lengths of border $T$ that $2|T| \ge |S|$ will form an arthmetic 
sequenceprogression:↵

<spoiler summary="proof">↵
if there's border $i + p,i,i - q$ as no border length $l$ that $i - q < l < i$ or $i < l < i + p$,we'll found:↵

- $p,q$ are the lengths of borders.↵
- $i - p$ is the length of a border of the border with length $i$.↵
- $i$ is the length of a border of the border with length $i + q$.↵

We will find $i - q < i - p < i$ or $i < i + q < i + p$, making it incorrect,so $p = q$↵
</spoiler>↵

So there's a way that if $p < q,p,q \text{ are the length of borders}$ not in the same continuous 
sequencearthmetic progression, $2p < q$ exist,So the conclution is right.↵

## Task↵

[Link](https://www.luogu.com.cn/problem/P4156)↵

Given at most $5$ cases in a test case,each cases gives a string $S(1 \le |S| \le 5 \times 10 ^ 5)$ and an integer $w(1 \le w \le 10 ^ {18})$, when we have a string $T$ we can make the new string by $|T| + |S|$ or if a suffix $A$ in $T$ is also the prefix of $S$, replacement from $A$ to $S$ can be done as there's a string of length $|T| - |A| + |S|$.Find the number of distinct length of strings in $[1,w]$ can be formed.↵

<spoiler summary="solution">↵
In fact,if there's a way for an addition $x$,we can form a graph of $x$ nodes and deem other additions as edges to form a graph. We'll have to run a shortest paths algorithm to get the smallest lengths with garenteed module result.↵

But the naive algorithm is too slow,as borders form $\operatorname{O}(\log |S|)$ distinct arthmetic 
sequenceprogressions,we just start updating with an arthmetic sequenceprogression for $\operatorname{O}(\log |S|)$ rounds. Every time we start with the smallest node in each cycle and can update all the nodes in the cycle using a monotonous queue(as a sliding window problem) in $\operatorname{O}(x)$.↵

At first we start with a graph with $|S|$ nodes and only node $0$ with a distance $|S|$, Then we may change $x$ to $x'$,it's also easy to start form the node with smallest distance in each cycle and update it in $\operatorname{O}(x + x')$.↵

At last we get an $\operatorname{O}(|S|\log |S|)$ algorithm.↵
</spoiler>↵

<spoiler summary="code">↵

~~~~~↵
#include<bits/stdc++.h>↵
using namespace std;↵
int t,n,bor[500009],diff[500009],dt[500009],shlink[500009],q[500009],head,tail;↵
long long w,dp1[500009],dp2[500009];↵
int mx[500009];↵
const long long INF = 1998244353999911659ll;↵
char c[500009];↵
int gcd(int x,int y){↵
return y == 0 ? x : gcd(y,x % y);↵
}↵
int main(){↵
scanf("%d",&t);↵
while(t--){↵
scanf("%d %lld",&n,&w);↵
scanf(" %s",c + 1);↵
bor[1] = 0;↵
for(int i = 2; i <= n; i ++){↵
int t = bor[i - 1];↵
while(t != 0 && c[i] != c[t + 1])↵
t = bor[t];↵
if(c[i] == c[t + 1])↵
t ++;↵
bor[i] = t;↵
}↵
for(int i = 1; i <= n; i ++){↵
diff[i] = i - bor[i];↵
shlink[i] = bor[i];↵
if(diff[i] == diff[bor[i]])↵
shlink[i] = shlink[bor[i]];↵
}↵
//for(int i = n; i > 0; i = bor[i])↵
// printf("%d\n",bor[i]);↵
//puts("OK");↵
dp1[0] = n;↵
for(int i = 1; i < n; i ++){↵
dp1[i] = INF;↵
}↵
int lst = n;↵
for(int i = bor[n]; i != 0; i = shlink[i]){↵
int nw = n - i;↵
int ls = (i - shlink[i]) / diff[i] - 1;↵
for(int j = 0; j < nw; j ++){↵
dp2[j] = INF;↵
}↵
int fp = gcd(n - i,lst);↵
for(int j = 0; j < fp; j ++){↵
mx[j] = n + 1;↵
dp2[n + 1] = INF;↵
}↵
for(int j = 0; j < lst; j ++){↵
dp2[dp1[j] % nw] = min(dp2[dp1[j] % nw],dp1[j]);↵
if(dp2[mx[dp1[j] % fp]] > dp2[dp1[j] % nw])↵
mx[dp1[j] % fp] = dp1[j] % nw;↵
}↵

for(int j = 0; j < fp; j ++){↵
long long mn = dp2[mx[j]];↵
if(mx[j] == n + 1)↵
continue;↵
for(int k = (mx[j] + lst) % nw; k != mx[j]; k = (k + lst) % nw){↵
dt[k] = -1;↵
mn = min(mn + lst,dp2[k]);↵
dp2[k] = mn;↵
}↵
}↵
// printf("%d\n",i);↵
fp = gcd(nw,diff[i]);↵
for(int j = 0; j < fp; j ++){↵
mx[j] = n + 1;↵
}↵
dp1[n + 1] = INF;↵
for(int j = 0; j < nw; j ++){↵
dt[j] = 0;↵
dp1[j] = dp2[j];↵
if(dp1[j] < dp1[mx[j % fp]])↵
mx[j % fp] = j;↵
}↵
for(int j = 0; j < fp; j ++){↵
head = 1,tail = 0;↵
for(int k = mx[j],l = 0; l < nw / fp; l ++,k = (k + diff[i]) % nw){↵
dt[k] = l;↵
while(head <= tail && l - dt[q[head]] > ls)↵
head ++;↵
if(head <= tail)↵
dp1[k] = min(dp1[k],dp1[q[head]] + 1ll * l * diff[i] - 1ll * dt[q[head]] * diff[i] + nw);↵
while(head <= tail && dp1[k] - 1ll * l * diff[i] <= dp1[q[tail]] - 1ll * dt[q[tail]] * diff[i])↵
tail --;↵
q[++tail] = k;↵
//printf("%d %lld\n",k,dp1[k]);↵
}↵
}↵
lst = nw;↵
}↵
long long ans = 0;↵
for(int i = 0; i < lst; i ++){↵
//printf("%d %lld\n",i,dp1[i]);↵
if(dp1[i] <= w)↵
ans = ans + (w - dp1[i]) / lst + 1;↵
}↵
printf("%lld\n",ans);↵
}↵
}↵
~~~~~↵

</spoiler>↵

# Extention to palindromic suffixes↵

As we'll found that The borders of palindormes are also the palindromic suffixes of a palindrome, then we can say that for a string $S$, the lengths of palindromic suffixes form $\operatorname{O}(\log |S|)$ continuous arthmetic 
substringprogressions. We can also say that the lengths of even-length palindromic suffixes form $\operatorname{O}(\log |S|)$ continuous arthmetic substringprogressions.↵

# Shlink pointer ↵

## introduction↵

As $shlink_i$ means to a node $i$,which node is the start of the next arthmetic sequence,can be calculated like this:↵


~~~~~↵
//define shlink[i]↵
//define link[i] as the maxinum border of i like fail pointers in KMP or PAM↵
//define len[i] as the length↵
//define diff[i] as the differance of length between i and link[i]↵
shlink[i] = link[i];↵
diff[i] = len[i] - len[link[i]];↵
if(diff[i] == diff[link[i]])↵
    shlink[i] = shlink[link[i]];↵
~~~~~↵


Then we'll find:↵

![ ](/predownloaded/bd/60/bd60bd38059c53ea3ad6d8cd1a400a629f856231.png)↵

Which is a good way to make use of Border Theory.↵

## Tasks↵

In [problem:932G] we can make a string $T$ by:↵

- $t_{2k - 1} = s_{k}$↵
- $t_{2k} = s_{n - k + 1}$↵

Then we found that The task turns to the number of ways to divide $T$ into several even-length palindromes, we tries to solve it using dynamic planning as $dp_i$ is the answer of the prefix of length $i$, then we use shlink pointers to make it $\operatorname{O}(|S| \log |S|)$.↵

<spoiler summary="code">↵

~~~~~↵
#include<bits/stdc++.h>↵
using namespace std;↵
int n,b[1000009],tp[1000009],to[1000009][26],len[1000009],cnt,dp[1000009],f[1000009],shlink[1000009],diff[1000009];↵
char c[1000009],s[1000009];↵
const int mod = 1000000007;↵
int main(){↵
scanf(" %s",c);↵
n = strlen(c);↵
for(int i = 0; (i + 1) << 1 <= n; i ++){↵
s[i << 1 | 1] = c[i]; ↵
}↵
for(int i = n - 1; (i + 1) << 1 > n; i --){↵
s[(n - i) << 1] = c[i];↵
}↵
//printf("%s\n",s + 1);↵
for(int i = 2; i <= n; i ++){↵
int t = tp[i - 1];↵
while(t != 0 && s[i] != s[i - 1 - len[t]])↵
t = b[t];↵
if(s[i] == s[i - 1 - len[t]] && !to[t][s[i] - 'a']){↵
cnt ++;↵
//printf("%d\n",cnt);↵
to[t][s[i] - 'a'] = cnt;↵
len[cnt] = len[t] + 2;↵
int st = b[t];↵
while(st != 0 && s[i] != s[i - 1 - len[st]])↵
st = b[st];↵
if(s[i] == s[i - 1 - len[st]] && len[cnt] != 2)↵
st = to[st][s[i] - 'a'];↵
b[cnt] = st;↵
t = cnt;↵
}↵
else if(s[i] == s[i - 1 - len[t]])↵
t = to[t][s[i] - 'a'];↵
tp[i] = t;↵
//printf("%d %d %d\n",i,len[tp[i]],len[b[tp[i]]]);↵
}↵
for(int i = 1; i <= cnt; i ++){↵
diff[i] = len[i] - len[b[i]];↵
shlink[i] = b[i];↵
if(diff[i] == diff[b[i]])↵
shlink[i] = shlink[b[i]];↵
}↵
dp[0] = 1;↵
for(int i = 2; i <= n; i += 2){↵
if(tp[i] == 0)↵
continue;↵
int p = tp[i];↵
//dp[i] = dp[i - tp[i]];↵
while(p != 0){↵
f[p] = ((shlink[p] != b[p]) * f[b[p]] + dp[i - len[shlink[p]] - diff[p]]) % mod;↵
dp[i] = (dp[i] + f[p]) % mod;↵
//printf("%d %d %d %d\n",len[p],len[shlink[p]] + diff[p],f[p],f[b[p]]);↵
p = shlink[p];↵
}↵
//printf("%d %d\n",i,dp[i]);↵
}↵
printf("%d\n",dp[n]);↵
}↵
~~~~~↵


</spoiler>↵

Such solution is similar to [problem:906E],which turns:↵

- $t_{2k - 1} = x_k$↵
- $t_{2k} = y_k$↵

And use dynamic planning to get the divition to even-length palindromes with least palindromes not with the length of $2$.↵

<spoiler summary="code">↵

~~~~~↵
#include<bits/stdc++.h>↵
using namespace std;↵
int n,m,shlink[1000009],b[1000009],to[1000009][26],tp[1000009],len[1000009],diff[1000009],cnt;↵
char s[500009],t[500009],ct[500009];↵
int dp[1000009],las[1000009],mn[1000009],flas[1000009];↵
int main(){↵
scanf(" %s %s",s,t);↵
n = strlen(s) << 1;↵
for(int i = 0; s[i] != '\0'; i ++)↵
ct[i << 1 | 1] = s[i],ct[(i << 1) + 2] = t[i];↵
for(int i = 2; i <= n; i ++){↵
int o = tp[i - 1];↵
while(o != 0 && ct[i] != ct[i - len[o] - 1])↵
o = b[o];↵
if(ct[i] == ct[i - len[o] - 1]){↵
if(to[o][ct[i] - 'a'] == 0){↵
cnt ++;↵
to[o][ct[i] - 'a'] = cnt;↵
len[cnt] = len[o] + 2;↵
int u = b[o];↵
while(u != 0 && ct[i] != ct[i - len[u] - 1])↵
u = b[u];↵
if(to[u][ct[i] - 'a'] != cnt && ct[i] == ct[i - len[u] - 1])↵
b[cnt] = to[u][ct[i] - 'a'];↵
shlink[cnt] = b[cnt];↵
diff[cnt] = len[cnt] - len[b[cnt]];↵
if(diff[cnt] == diff[b[cnt]])↵
shlink[cnt] = shlink[b[cnt]];↵
} ↵
o = to[o][ct[i] - 'a'];↵
}↵
tp[i] = o;↵
//printf("%d %d %d\n",i,len[tp[i]],len[b[tp[i]]]);↵
}↵
mn[0] = (1 << 24);↵
for(int i = 2; i <= n; i += 2){↵
if(ct[i] == ct[i - 1]){↵
dp[i] = dp[i - 2];↵
las[i] = i - 2;↵
}↵
else{↵
dp[i] = (1 << 24);↵
}↵
int p = tp[i];↵
if(len[p] != 0){↵
do{↵
mn[p] = dp[i - len[shlink[p]] - diff[p]] + 1;↵
flas[p] = i - len[shlink[p]] - diff[p];↵
if(b[p] != shlink[p]){↵
mn[p] = min(mn[b[p]],mn[p]); ↵
if(mn[p] == mn[b[p]])↵
flas[p] = flas[b[p]];↵
}↵
dp[i] = min(dp[i],mn[p]);↵
if(dp[i] == mn[p])↵
las[i] = flas[p];↵
p = shlink[p];↵
}while(len[p] != 0);↵
}↵
//printf("%d %d %d\n",i,dp[i],las[i]);↵
}↵
if((dp[n] >> 24) & 1)↵
puts("-1");↵
else{↵
printf("%d\n",dp[n]);↵
int o = n;↵
while(o != 0){↵
if(o - las[o] != 2)↵
printf("%d %d\n",(las[o] >> 1) + 1,o >> 1);↵
o = las[o];↵
}↵
}↵
} ↵
~~~~~↵

</spoiler>↵

# Summary↵

Sometimes we found that our solution is slow because we may have to bruteforce on borders. But when using the theory,we may found that the solution solvable and easy instead of other solutions that might be complex.

History

 
 
 
 
Revisions
 
 
  Rev. Lang. By When Δ Comment
en25 English OtterZ 2025-12-22 11:32:10 84
en24 English OtterZ 2025-12-22 05:32:17 157
en23 English OtterZ 2025-12-22 04:20:06 992 Tiny change: 'so $p = q$\n</spoile' -> 'so $p = q$.\n</spoile'
en22 English OtterZ 2025-12-21 11:03:05 35
en21 English OtterZ 2025-12-21 10:22:19 6
en20 English OtterZ 2025-12-21 10:21:10 200
en19 English OtterZ 2025-12-21 10:17:25 27
en18 English OtterZ 2025-12-21 08:05:21 171
en17 English OtterZ 2025-12-21 07:59:36 13 Tiny change: 'now.\n\n# Written before\n\nIn th' -> 'now.\n\n# Preface\n\nIn th'
en16 English OtterZ 2025-12-21 06:30:10 25 Tiny change: 'th $i + q$.\n\nAs a' -> 'th $i + q$,one of the border of $S$.\n\nAs a'
en15 English OtterZ 2025-12-21 05:45:52 1413
en14 English OtterZ 2025-12-20 06:19:26 2
en13 English OtterZ 2025-12-20 04:57:35 4468 Tiny change: ' that for every possible $S$,${B_i}_{i ' -> ' that for all possible $S$, ${B_i}_{i '
en12 English OtterZ 2025-12-19 09:05:15 265
en11 English OtterZ 2025-12-19 08:45:48 475
en10 English OtterZ 2025-12-19 08:29:45 6 Tiny change: 'eed modules.\n\nBut t' -> 'eed module result.\n\nBut t'
en9 English OtterZ 2025-12-19 07:27:38 1 Tiny change: 'p,q \text{are the le' -> 'p,q \text{ are the le'
en8 English OtterZ 2025-12-19 07:26:49 1 Tiny change: ' palindroms, we trie' -> ' palindromes, we trie'
en7 English OtterZ 2025-12-19 05:19:03 1 Tiny change: 'n\n## Tasks\n\n[Link]' -> 'n\n## Task\n\n[Link]'
en6 English OtterZ 2025-12-19 04:40:02 4594 (published)
en5 English OtterZ 2025-12-19 04:20:15 65
en4 English OtterZ 2025-12-19 04:19:26 770 Tiny change: 'ce,can be got like this' -> 'ce,can be calculated like this'
en3 English OtterZ 2025-12-19 03:29:52 4119
en2 English OtterZ 2025-12-18 16:53:34 6
en1 English OtterZ 2025-12-18 16:48:23 2086 Initial revision (saved to drafts)