[BZOJ3817] Sum

本文介绍了一种高效算法,用于计算由无理数斜率定义的正比函数下方整点的数量,该算法适用于解决特定数学问题,如求解特定形式的级数。文中详细解释了算法原理,并提供了复杂度分析。

Description

给出n,r

i=1n(1)ir∑i=1n(−1)⌊ir⌋

T组数据

T,r<=10000,n<=10^9

Solution

转化式子
(1)a=12×(amod2)(−1)a=1−2×(amod2)
amod2=a2×a/2amod2=a−2×⌊a/2⌋

原式化为n2i=1nir+4i=1nir2n−2∑i=1n⌊ir⌋+4∑i=1n⌊ir2⌋

如果r是完全平方数就可以直接计算

考虑如何计算i=1nir∑i=1n⌊ir⌋
即求一个斜率为无理数的正比例函数下整点个数

t=rt=r
ir⌊ir⌋表示成i×at+bc⌊i×at+bc⌋的形式,a,b,c都是整数,一开始a=1,b=0,c=1

现在考虑如何计算i=1ni×at+bc∑i=1n⌊i×at+bc⌋

at+bc1at+bc≥1
i×at+bc=i×(at+bcat+bc)+i×at+bc⌊i×at+bc⌋=⌊i×(at+bc−⌊at+bc⌋)⌋+i×⌊at+bc⌋

后面这部分可以直接计算出,前面就更新b,继续递归处理

0<at+bc<10<at+bc<1
既然要求的是一个原点为顶点的直角三角形中整点个数,且斜率小于1,邻边长为n
这里写图片描述

我们可以将x,y轴互换(关于直线y=x对称)
这里写图片描述

那么就变成了求上方白色三角形中整点个数,它与红色三角形中整点个数是一样的
这时对边变成了n,而邻边变成了n×at+bc⌊n×at+bc⌋
把这个看成是新的n

同时斜率变为原来的倒数,即cat+bcat+b
分母有理化
cat+b=actbca2rb2cat+b=act−bca2r−b2
又得出了新的a,b,c递归处理

注意有可能会爆Long long 分式需要上下同除gcd(a,b,c)

似乎这个过程很像类欧几里得算法

复杂度分析:
k=at+bck=at+bc
可以发现上面的过程是轮流交替的

如果12<k<112<k<1,那么1<1k<21<1k<2k11k1=1k<12k11k−1=1−k<12
那么k大于1/2时减小速度至少是1/2的
如果k<12k<12,那么n的减小速度又至少是1/2了

因此总的复杂度是O(logN)O(log⁡N)
好像r如果是完全平方数就会算重来着。。。因此要放在之前特殊计算

Code

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <cmath>
#include <cstring>
#define fo(i,a,b) for(int i=a;i<=b;i++)
#define fod(i,a,b) for(int i=a;i>=b;i--)
#define LL long long
using namespace std;
LL n,r;
double q;
LL gcd(LL x,LL y)
{
    return(!y)?x:gcd(y,x%y);
}
LL calc(LL a,LL b,LL c,LL n)
{
    if(n==0) return 0;
    if(n==1) return (LL)(a*q+b)/c;
    LL v=gcd(gcd(a,b),c);
    a/=v,b/=v,c/=v;
    LL p=(a*q+b)/c,s=0;
    if(p==0)
    {
        LL n1=((a*q+b)/c*n);
        return (n1*n-calc(a*c,-b*c,a*a*r-b*b,(LL)n1));
    }
    else
    {
        return p*(n*(LL)(n+1)/2)+calc(a,b-c*p,c,n);
    }
}
int main()
{
    int t;
    cin>>t;
    while(t--)
    {
        scanf("%lld%lld",&n,&r);
        q=sqrt(r);
        int t=(int)q;
        if(t*t==r) 
        {
            if(t%2==0) printf("%lld\n",n);
            else printf("%lld\n",n-2*((n+1)/2));
        } 
        else
        {
            printf("%lld\n",n-(LL)2*calc(1,0,1,n)+(LL)4*calc(1,0,2,n));
        }
    }
}
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