P1045 [NOIP2003 普及组] 麦森数

题目部分思路来源自洛谷用户:憧憬未来,sqrt_7

[NOIP2003 普及组] 麦森数

题目描述

形如 2^P-1的素数称为麦森数,这时P一定也是个素数。但反过来不一定,即如果P是个素数,2^P-1不一定也是素数。到 1998 年底,人们已找到了 37 个麦森数。最大的一个是 P=3021377,它有909526位。麦森数有许多重要应用,它与完全数密切相关。

任务:输入P(1000<P<3100000)计算2^P-1的位数和最后500位数字(用十进制高精度数表示)

输入格式

文件中只包含一个整数P(1000<P<3100000)

输出格式

第一行:十进制高精度数2^P-1的位数。

第2行:十进制高精度数2^P-1的最后500位数字。(每行输出50位,共输出10行,不足500位时高位补0)

不必验证2^P-1与P是否为素数。

样例 #1

样例输入 #1

1279

样例输出 #1

386
00000000000000000000000000000000000000000000000000
00000000000000000000000000000000000000000000000000
00000000000000104079321946643990819252403273640855
38615262247266704805319112350403608059673360298012
23944173232418484242161395428100779138356624832346
49081399066056773207629241295093892203457731833496
61583550472959420547689811211693677147548478866962
50138443826029173234888531116082853841658502825560
46662248318909188018470682222031405210266984354887
32958028878050869736186900714720710555703168729087

思路:

整体上有两个工作,一个是输出位数,另一个是输出后500位;

1.一个数的位数通常与10的幂指数有关,具体为n+1(n为幂指数),因此如果把2^P-1变为10^n,即可求出位数。2的幂指数保证最后一位不是0,因此-1不会造成退位,则求2^P的位数即可,而2=10^( log10(2) ),所以2^P =10^( P*log10(2) ),位数即为P*log10(2)+1;

2.500位会牵扯到高精度运算,如果依次乘2,数量过于庞大,一定会超时,对于这种情况,采取以下两个方法:快速幂,压位;

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int base[1000],n,ans[1000],sav[1000];
void doublebase(){//将2^n平方
	memset(sav,0,sizeof(sav));
	for(register int i=0;i<500;i++){//乘操作
		for(register int j=0;j<500;j++){
			sav[i+j]+=base[i]*base[j];
		}
	}
	for(register int i=0;i<1000;i++){//进位操作
		sav[i+1]+=sav[i]/10;
		sav[i]%=10;
	}
	memcpy(base,sav,sizeof(base));
}
void multi(){//进行乘法运算
	memset(sav,0,sizeof(sav));
	for(register int i=0;i<500;i++){
		for(register int j=0;j<500;j++){
			sav[i+j]+=ans[i]*base[j];
		}
	}
	for(register int i=0;i<1000;i++){
		sav[i+1]+=sav[i]/10;
		sav[i]%=10;
	}
	memcpy(ans,sav,sizeof(ans));
}
int main(){
	cin>>n;
	ans[0]=1,base[0]=2;
	cout<<(int)(log10(2)*n+1)<<endl;
	while(n!=0){//快速幂运算
		if(n&1)multi();
		doublebase();
		n>>=1;
	}
	ans[0]-=1;
	for(int i=499;i>=0;i--){
		cout<<ans[i];
		if(i%50==0)cout<<endl;
	}
}

快速幂:

1.快速幂基础详见:快速幂算法(全网最详细地带你从零开始一步一步优化)

2.输出时注意要倒序输出;

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
	int n;
	unsigned long long num[500]={1};
	cin>>n;
	cout<<(int)(n*log10(2))+1<<endl;
	for(;n>0;n-=60){
		unsigned long long in=0;
		for(int i=0;i<500;i++){
			if(n>=60)num[i]<<=60;
			else num[i]<<=n;
			num[i]+=in;
			in=num[i]/10;
			num[i]%=10;
		}
	}
	num[0]--;
	for(int i=499;i>=0;i--){
		cout<<num[i];
		if(i%50==0)cout<<endl;
	}
}

压位:

1.压位的思想就是一次性乘2^60以减少运算规模;

小技巧:

1.在第一段代码中,采用了关键字“register”,目的是将变量储存在寄存器里,方便CPU运算,常用在定义大量使用的数据时,减少运算时间;

2.第二段代码中,采用了“<<=”的运算,意为“左移”,和其意义等同于*2^n,使代码更加简便。

### NOIP 2003 普及组 P1045 麦森 编程解法 #### 背景介绍 麦森是指形如 \( M_p = 2^p - 1 \) 的,其中 \( p \) 是素。当 \( M_p \) 自身也是素时,则称为梅森素。本题的核心在于高效计算大整幂次运算的结果并提取特定部分。 题目要求输出满足条件的大整的位以及最后500位字。由于涉及高精度计算,标准据类型的存储能力不足以完成此任务,因此需要借助字符串或其他方式模拟大整运算。 --- #### 解决方案概述 为了实现这一目标,可以采用如下方法: 1. **快速幂算法** 使用快速幂算法来加速指运算过程。通过分治策略减少乘法次,从而降低时间复杂度至 \( O(\log n) \)[^1]。 2. **高精度加减乘除支持** Python 中可以直接利用内置 `int` 类型处理任意长度整;而在 C++ 或其他语言中则需自行编写高精度模块或者调用第三方库。 3. **优化输出格式** 对于最终结果,先统计其总位(可通过取对实现),再截取出末尾指定量的字符作为答案的一部分。 以下是基于上述思路的具体代码实现示例: ```python def fast_power(base, exp, mod=None): result = 1 while exp > 0: if exp % 2 == 1: result *= base if mod is not None: result %= mod base *= base if mod is not None: base %= mod exp //= 2 return result def solve_mersenne(p): # 计算M_p=2^p-1 mersenne_number_str = str(fast_power(2, p) - 1) # 获取位 digit_count = len(mersenne_number_str) # 提取最后500位 last_500_digits = mersenne_number_str[-500:].rjust(500, '0') return digit_count, last_500_digits # 输入样例测试 if __name__ == "__main__": p = int(input()) # 用户输入质P digits, tail = solve_mersenne(p) print(digits) print(tail[:50]) # 输出前50个字符供验证 ``` 以上程序片段展示了如何运用Python自带功能轻松应对此类挑战。注意实际竞赛环境中可能不允许使用某些高级特性,所以还需熟悉底层机制以便必要时刻手动构建相应工具函。 --- #### 性能考量 尽管现代计算机能够迅速执行这些操作,但在极端情况下仍可能存在性能瓶颈。为此可考虑进一步改进措施比如引入多线程技术分割工作负载或是探索更高效的值表示形式等等。 ---
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