bzoj 3601 一个人的数论 - 莫比乌斯反演 - 拉格朗日插值 - 高斯消元

本文针对一个数学题目,提出了一种有效的解题思路。通过引入拉格朗日差值和莫比乌斯反演等概念,文章详细阐述了如何求解特定形式的数论问题,并给出了具体的实现代码。

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题目大意:定义fk(n)=1in,(i,n)=1ikfk(wi=1paii)fk(n)=∑1≤i≤n,(i,n)=1ik,求fk(∏i=1wpiai),其中k1e2, w1e3k≤1e2, w≤1e3

题解(前半部分在胡扯可以跳过):

首先互质不好限制,考虑从总数中减去。

fk(n)=i=1nikd|n,d>11in,(n,i)=dikfk(n)=∑i=1nik−∑d|n,d>1∑1≤i≤n,(n,i)=dik

fk(n)=i=1nikd|n,d>11ind(id)k[(i,nd)==1]fk(n)=∑i=1nik−∑d|n,d>1∑1≤i≤nd(id)k[(i,nd)==1]

fk(n)=i=1nikd|n,d>1dk1ind,(nd,i)ikfk(n)=∑i=1nik−∑d|n,d>1dk∑1≤i≤nd,(nd,i)ik

fk(n)=i=1nikd|n,d>1dkfk(nd)fk(n)=∑i=1nik−∑d|n,d>1dkfk(nd)

注意到涉及的状态只会是n的因数,那么对于n<=1e9是随便跑的,但这个题却不行。

首先要解决的第一个问题是如何求ni=1ik∑i=1nik,其中给出n的因式分解;

把这个东西拉格朗日差值出来,高斯消元一下求出系数表示(反正只有100这么大)。

这样因为要对大质数取模所以直接把n取模即可O(wlgw)的时间对任意n求出答案。

但是没有办法处理后半部分。

向莫比乌斯反演方向思索:

fk(n)=i=1nik[(n,i)==1]=i=1nikd|(n,i)μ(d)fk(n)=∑i=1nik[(n,i)==1]=∑i=1nik∑d|(n,i)μ(d)

fk(n)=d|nμ(d)d|iik=d|nμ(d)dki=1ndikfk(n)=∑d|nμ(d)∑d|iik=∑d|nμ(d)dk∑i=1ndik

注意到后面的求和是一个k+1次多项式,显然可以高斯消元求出它的系数{ak+1}{ak+1},然后可以考虑对g的每一项求和;

fk(n)=i=0k+1aid|nμ(d)dk(nd)i=i=0k+1aigi(n)fk(n)=∑i=0k+1ai∑d|nμ(d)dk(nd)i=∑i=0k+1aigi(n)

后面那个gi(n)gi(n)显然是一个积性函数啦!

因此枚举次数之后就可以对每一个pajjpjaj单独计算答案:

gi(pc)=(pc)ipk(pc1)igi(pc)=(pc)i−pk(pc−1)i,然后乘起来即可。

显然g函数可以log时间求出,这样问题再O(k3+kwlgc)O(k3+kwlgc)级别内做出这个题。

代码:

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#define N 110
#define K N
#define W 1010
#define gc getchar()
#define lint long long
#define inv(x) fast_pow(x,mod-2)
#define mod 1000000007
#define debug(x) cerr<<#x<<"="<<x
#define sp <<" "
#define ln <<endl
using namespace std;
inline int inn()
{
    int x,ch;while((ch=gc)<'0'||ch>'9');
    x=ch^'0';while((ch=gc)>='0'&&ch<='9')
        x=(x<<1)+(x<<3)+(ch^'0');return x;
}
int k,w,a[N][N],b[N],p[W],c[W];
inline int fast_pow(int x,int k,int ans=1)
{   for(;k;k>>=1,x=(lint)x*x%mod) (k&1)?ans=(lint)ans*x%mod:0;return ans;   }
inline int f(int n)
{
    int ans=0;
    for(int i=1;i<=n;i++)
        (ans+=fast_pow(i,k))%=mod;
    return ans;
}
inline int g(int i,int p,int c)
{
    return (fast_pow(fast_pow(p,c),i)-(lint)fast_pow(p,k)*fast_pow(fast_pow(p,c-1),i)%mod+mod)%mod;
}
inline int Gauss(int n)
{
    for(int i=1;i<=n;i++)
    {
        int x=inv(a[i][i]);b[i]=(lint)b[i]*x%mod;
        for(int j=i;j<=n;j++) a[i][j]=(lint)a[i][j]*x%mod;
        for(int j=1,y;j<=n;j++)
            if(i^j)
            {
                y=a[j][i],b[j]=(b[j]-(lint)y*b[i]%mod+mod)%mod;
                for(int k=i;k<=n;k++)
                    a[j][k]=(a[j][k]-(lint)y*a[i][k]%mod+mod)%mod;
            }
    }
    return 0;
}
int main()
{
    k=inn(),w=inn();
    for(int i=1;i<=w;i++) p[i]=inn(),c[i]=inn();
    for(int i=1;i<=k+2;b[i]=f(i),i++)
        for(int j=1;j<=k+2;j++)
            a[i][j]=fast_pow(i,j-1);
    Gauss(k+2);int ans=0;
    for(int i=0;i<=k+1;i++)
    {
        int res=b[i+1];
        for(int j=1;j<=w;j++)
            res=(lint)res*g(i,p[j],c[j])%mod;
        (ans+=res)%=mod;
    }
    return !printf("%d\n",ans);
}
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