BZOJ2742 [HEOI2012]Akai的数学作业

本文探讨了一元n次方程的所有有理数解的求解方法,通过设定方程的根为有理数形式,对方程进行变形处理,并通过分解系数的约数来寻找可能的根。

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Description

  • 这里是广袤无垠的宇宙这里是一泻千里的银河
  • 这里是独一无二的太阳系
  • 这里是蔚蓝色的地球
  • 这里,就是这里,是富饶的中国大陆!
  • 这里是神奇的河北大地
  • 这里是美丽的唐山
  • 这里是神话般的唐山一中
  • 这里是Akai曾经的教室
  • 黑板上还留有当年Akai做过的数学作业,其实也并不是什么很困难的题目:
    “给出一个一元n次方程:a0+a1x+a2x2++anxn=0a0+a1x+a2x2+…+anxn=0。求此方程的所有有理数解。”
  • Akai至今还深刻记得当年熬夜奋战求解的时光,他甚至还能记得浪费了多少草稿纸,
    但是却怎么也想不起来最后的答案是多少了。
  • 你能帮助他么?

Input

  • 第一行一个整数n。
  • 第二行n+1个整数,分别代表 a0 到 an。

Output

  • 第一行输出一个整数t,表示有理数解的个数。
  • 接下来t行,每行表示一个解,解以分数的形式输出,要求分子和分母互质,且分母必须是正整数特殊的,如果这个解是一个整数,那么直接把这个数输出。
  • 等价的解只需要输出一次。
  • 所有解按照从小到大的顺序输出。

Sample Input

  • 3
    -24 14 29 6

Sample Output

  • 3
    -4
    -3/2
    2/3

HINT

  • 对于30%的数据,n<=10
  • 对于100%的数据,n <= 100,|a i| <= 2*10^7,an≠ 0

Solution

  • 原方程:a1x+a2x2+...+anxn=0a1x+a2x2+...+anxn=0
  • 因为 xx 是有理数,设 x=pq(p,q),则:

    a0+a1pq+a2p2q2+...+anpnqn(qn) a0qn+a1pqn1+a2p2qn2+...+anpni=0naipiqni=0=0=0(1)(2)(3)(1)a0+a1pq+a2p2q2+...+anpnqn=0(2)(同乘qn) a0qn+a1pqn−1+a2p2qn−2+...+anpn=0(3)∑i=0naipiqn−i=0
  • 通过移项,我们可以得到:

    a0qn(1) a0qnanpn(2) anpn=a1pqn1a2p2qn2...anpn=p(a1qn1a2pqn2...anpn1)=a0qna1pqn1a2p2qn2...an1pn1q=q(a0qn1a1pqn2a2p2qn3an1pn1)(4)(5)(6)(7)(4)a0qn=−a1pqn−1−a2p2qn−2−...−anpn(5)(1) a0qn=p(−a1qn−1−a2pqn−2−...−anpn−1)(6)anpn=−a0qn−a1pqn−1−a2p2qn−2−...−an−1pn−1q(7)(2) anpn=q(−a0qn−1−a1pqn−2−a2p2qn−3−an−1pn−1)
  • 因为 p,q,aip,q,ai 均为整数且 p,qp,q 互质,通过 (1)(2)(1)(2) 我们可以得到:

    • ppa0 的约数,qqan 的约数(这里的约数包括负数,如 33 的约数为 {1,3,1,3}
  • 考虑到 ai2×107ai≤2×107,约数个数不是很多,我们直接找出 a0a0 的所有约数作为 ppan 的所有约数作为 qq,暴力枚举即可。
  • 对于判断一组 p,q 是否合法,我们根据上面的推论:

    a0+a1pq+a2p2q2+...+anpnqn i=0naipiqniqn i=0naipiqni=0=0(q0)=0(8)(9)(10)(8)a0+a1pq+a2p2q2+...+anpnqn=0(9)即 ∑i=0naipiqn−iqn=0(q≠0)(10)所以 ∑i=0naipiqn−i=0
  • 但用高精度的方法不仅麻烦而且容易超时,我们采用取模来避免高精度。

  • 就是选用一个较大的质数(例如 109+9109+9),从头到尾带取模运算。
  • 如果最后答案为0,我们便可以近似地认为原式为0了(觉得不保险可以多选用几个质数同时检验)。
  • 因为约数不可能分解出0,要注意特判一个解 x=0x=0
  • 最后还有一个小坑,若a0=0a0=0,则由 (1)(1) 得:

    p(a1qn1a2pqn2...anpn1)p=0  a1qn1a2pqn2...anpn1 a1qn1a2pqn2...anpn1a1qn1+a2pqn2+...+anpn1=0(p0)=0=0=0(11)(12)(13)(14)(11)p(−a1qn−1−a2pqn−2−...−anpn−1)=0(p≠0)(12)p=0 或 −a1qn−1−a2pqn−2−...−anpn−1=0(13)所以 −a1qn−1−a2pqn−2−...−anpn−1=0(14)a1qn−1+a2pqn−2+...+anpn−1=0
  • 如果只靠分解约数 pp 只能为0,而对于这个式子 p,q 可能有其它解,因此我们还要加一个判断。

  • 实际上我们会发现这是一个和原来情况类似的问题,只是少了一个项,且剩余的项被约去一个 pp
  • 那么对于接下来的 a1=0,a2=0,... 也是一样的情况。
  • 最终我们会得到:对于第一个不为0的系数 akakppak 的约数,qqan 的约数,判断 p,qp,q 合法的式子为 i=knaipikqni∑i=knaipi−kqn−i(幸亏题目中有 an0an≠0,不然也要搞这么麻烦)。

Code

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <algorithm>

using namespace std;

typedef long long ll;
const int N = 605, M = 105; 
const int Mod = 1e9 + 9;

struct Ans
{
    int p, q;

    friend inline bool operator < (const Ans &x, const Ans &y)
    {
        return x.p < y.p || x.p == y.p && x.q < y.q;
    }

    inline bool operator != (const Ans &x)
    {
        return p != x.p || q != x.q;
    }
}g[N * N], f[N * N];

inline int Gcd(int x, int y)
{
    int r = x % y;
    while (r) x = y, y = r, r = x % y;
    return y;
}

inline bool cmp(const Ans &x, const Ans &y)
{
    ll tmp = x.q * y.q / Gcd(x.q, y.q);
    return tmp * x.p / x.q < tmp * y.p / y.q;
}

int a[N], b[N], c[N], p[M], q[M];
int sum, n, G, F;

inline void Change(int x, int *b)
{
    int y = x < 0 ? -x : x; 
    for (int i = 1, im = ceil(sqrt(y)); i <= im; ++i)
        if (y % i == 0)
            b[++b[0]] = i, b[++b[0]] = x / i;
    for (int i = 1; i <= b[0]; ++i)
        b[i + b[0]] = -b[i]; b[0] <<= 1;
}

int main()
{
//  freopen("akai.in", "r", stdin);
//  freopen("akai.out", "w", stdout);

    scanf("%d%d", &n, &a[0]);
    for (int i = 1; i <= n; ++i) scanf("%d", &a[i]);

    int len = 0; while (!a[len]) ++len;
    Change(a[len], b); Change(a[n], c); 

    for (int i = 1; i <= b[0]; ++i)
        for (int j = 1; j <= c[0]; ++j)
        {
            ++G; 
            int tmp = Gcd(b[i], c[j]);
            g[G].p = b[i] / tmp; 
            g[G].q = c[j] / tmp;
            if (g[G].p > 0 && g[G].q < 0)
                g[G].p = -g[G].p, g[G].q = -g[G].q;
        }

    sort(g + 1, g + G + 1);
    for (int i = 1; i <= G; ++i)
        if (g[i] != g[i - 1]) f[++F] = g[i];

    p[0] = q[0] = 1; G = 0;
    for (int i = 1; i <= F; ++i)
    {
        for (int k = 1; k <= n; ++k)
        {
            p[k] = (ll)p[k - 1] * f[i].p % Mod; 
            q[k] = (ll)q[k - 1] * f[i].q % Mod;
        }

        sum = 0;
        for (int k = len; k <= n; ++k)
            sum = ((ll)a[k] * p[k - len] % Mod * q[n - k] % Mod + sum) % Mod;
        if (!sum) g[++G] = f[i];
    }

    if (!a[0]) g[++G].p = 0, g[G].q = 1;
    sort(g + 1, g + G + 1, cmp);

    printf("%d\n", G);
    for (int i = 1; i <= G; ++i)
        if (g[i].q == 1 || g[i].p == 0) printf("%d\n", g[i].p);
            else printf("%d/%d\n", g[i].p, g[i].q);

//  fclose(stdin); fclose(stdout);
    return 0;
} 
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