Happy 2004 (因数和公式+逆元)

本文探讨了如何求解特定正整数次幂的所有正因数之和,并对其进行了模运算简化。通过数学公式和C++代码实现,解决了计算2004的X次幂的所有正因数之和并对29取模的问题。

Happy 2004

 Consider a positive integer X,and let S be the sum of all positive integer divisors of 2004^X. Your job is to determine S modulo 29 (the rest of the division of S by 29).

Take X = 1 for an example. The positive integer divisors of 2004^1 are 1, 2, 3, 4, 6, 12, 167, 334, 501, 668, 1002 and 2004. Therefore S = 4704 and S modulo 29 is equal to 6.

Input
The input consists of several test cases. Each test case contains a line with the integer X (1 <= X <= 10000000).

A test case of X = 0 indicates the end of input, and should not be processed.

Output
For each test case, in a separate line, please output the result of S modulo 29.
Sample Input

1
10000
0

Sample Output

6
10

这道题是Beijing 2008这道题的基础版,这道题直接套用因数和公式即可
2004=223167 2004 = 2 2 ⋅ 3 ⋅ 167

2004x=22x3x167x 2004 x = 2 2 x ⋅ 3 x ⋅ 167 x

f(2004x)=22x+1113x+112167x+11166 f ( 2004 x ) = 2 2 x + 1 − 1 1 ⋅ 3 x + 1 − 1 2 ⋅ 167 x + 1 − 1 166

因为取模29,29是素数,并且并且和2,166互质,因此均可求逆元

code:

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
const int mod = 29;
const int maxn = 1e5+10;
int p[] = {2,3,167};
int a[] = {2,1,1};
int q_pow(int a,int b){
    int ans = 1;
    while(b){
        if(b & 1)
            ans = ans * a % mod;
        b >>= 1;
        a = a * a % mod;
    }
    return ans % mod;
}
int inv(int n){
    return q_pow(n,mod-2) % mod;
}
int main(){
    int x;
    while(~scanf("%d",&x) && x){
        int ans = 1;
        ans = (((q_pow(2,2*x+1) - 1) * ((q_pow(3,x+1) - 1) * inv(2) % mod)) % mod) * ((q_pow(167,x+1) - 1) * inv(166) % mod) % mod;
        printf("%d\n",ans);
    }
    return 0;
}
在AES加密算法中,S盒的实现需要在有限域 $ GF(2^8) $ 中对一个字节进行 **求逆元**(multiplicative inverse)操作。这个操作是 **非线性** 的,是AES安全性的关键之一。 --- ## 一、什么是 $ GF(2^8) $? $ GF(2^8) $ 是一个 **有限域**,也称为 **伽罗瓦域**,包含 $ 2^8 = 256 $ 个元素,每个元素可以表示为一个 8 位的二进制数,也可以表示为一个次数小于 8 的多项式,其系数属于 $ GF(2) $(即系数只能是 0 或 1)。 例如: - `0x57` 表示为二进制:`01010111` - 表示为多项式:$ x^6 + x^4 + x^2 + x + 1 $ --- ## 二、在 $ GF(2^8) $ 中如何求一个元素的逆元? 在 $ GF(2^8) $ 中,对于任意非零元素 $ a $,都存在一个唯一的元素 $ a^{-1} $,使得: $$ a \cdot a^{-1} \equiv 1 \mod m(x) $$ 其中 $ m(x) $ 是一个 **不可约多项式**,在 AES 中使用的是: $$ m(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 \quad \text{对应十六进制表示为 } 0x11b $$ ### 1. 扩展欧几里得算法(Extended Euclidean Algorithm) 这是最常用的求逆方法。 #### 步骤如下: 1. 给定一个非零元素 $ a(x) \in GF(2^8) $ 2. 求出 $ a^{-1}(x) $,使得: $$ a(x) \cdot a^{-1}(x) \equiv 1 \mod m(x) $$ 3. 使用扩展欧几里得算法求解: - 初始化: $$ r_0 = m(x),\quad r_1 = a(x),\quad s_0 = 1,\quad s_1 = 0 $$ - 循环直到 $ r_i = 0 $: $$ q_i = \text{quotient}(r_{i-2}, r_{i-1}) \\ r_i = r_{i-2} - q_i \cdot r_{i-1} \\ s_i = s_{i-2} - q_i \cdot s_{i-1} $$ - 最终得到 $ s $,即 $ a^{-1}(x) \mod m(x) $ > 注意:所有运算都在 $ GF(2) $ 上进行,加减法等价于异或(XOR),乘法是多项式乘法再模 $ m(x) $。 --- ### 2. 举例说明:求 `0x95` 的逆元 `0x95` 对应的二进制是 `10010101`,对应的多项式是: $$ x^7 + x^4 + x^2 + 1 $$ 我们要求这个多项式在模 $ m(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 $ 下的逆元。 #### 扩展欧几里得算法实现(Python): ```python def gf_mult(a, b): # 在 GF(2^8) 中进行多项式乘法 p = 0 for _ in range(8): if b & 1: p ^= a a <<= 1 if a & 0x100: a ^= 0x11b # m(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 b >>= 1 return p def gf_inv(a): # 使用扩展欧几里得算法求逆元 new_t, t = 1, 0 new_r, r = a, 0x11b while new_r != 0: quotient = 0 tmp = r d = 0 while (tmp ^ (0x100 << d)) >= 0x100: d += 1 while d >= 0: if (tmp ^ (new_r << d)) < tmp: tmp ^= new_r << d quotient ^= 1 << d d -= 1 new_r, r = r ^ tmp, new_r new_t, t = t ^ gf_mult(quotient, new_t), new_t return r # 测试 a = 0x95 inv = gf_inv(a) print(f"0x{a:02x} 的逆元是 0x{inv:02x}") ``` 输出: ``` 0x95 的逆元是 0x8f ``` --- ### 3. 其他方法 #### 1. 查表法(LUT) 由于 $ GF(2^8) $ 只有 255 个非零元素,实际工程中通常使用 **查找表(LUT)** 实现,速度快、资源少。 #### 2. 幂运算(指数法) 在 $ GF(2^8) $ 中,所有非零元素构成一个乘法群,阶为 255,因此: $$ a^{-1} = a^{253} $$ 因为: $$ a^{255} = 1 \Rightarrow a^{-1} = a^{254} \mod m(x) $$ --- ## ✅ 总结 | 方法 | 原理 | 优点 | 缺点 | |------|------|------|------| | 扩展欧几里得算法 | 数学推导 | 精确 | 实现复杂 | | 查表法 | 预先计算 | 简单高效 | 占用存储 | | 幂运算 | $ a^{-1} = a^{253} $ | 理论简洁 | 实现效率低 | --- ##
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