OI模板 gcd/逆元/同余

本文详细介绍了在OI(在线算法竞赛)中常用的gcd(最大公约数)、逆元和同余概念。讲解了如何求解ax+by=1的特解和通解,阐述裴蜀定理,讨论有理数取余问题,以及如何利用费马小定理和exgcd求解逆元。还探讨了线性递推和线性阶乘逆元的计算方法。

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OI模板 gcd/逆元/同余

Always remember long long!

gcd

inline int gcd(int a, int b){ return (b ? gcd(b, a%b) : a); }

exgcd

求解 ax+by=1ax + by = 1ax+by=1 的可行解。

inline void exgcd(int &x, int &y, int a, int b){
	if(!b){ x = 1, y = 0; return; }
	exgcd(x, y, b, a%b);
	int z = x; x = y; y = z - a / b * y;
}

ax≡1( mod  b)ax\equiv 1(\bmod~b)ax1(mod b)

对于 ax≡1( mod  b)ax\equiv1(\bmod~b)ax1(mod b) 的形式,可以转化为 ax+by=1ax+by=1ax+by=1 进行求解,解出特解 x0x_0x0,通解即为 x0+kbx_0+kbx0+kb,最小正整数解 xminZ+=(x0 mod b+b)mod  bx_{min\Bbb{Z^+}}=(x_0\bmod b+b)\mod bxminZ+=(x0modb+b)modb(其实是真正通解的简化版)。

有正整数解时的一些特殊解

有整数解时的一些特殊解

整合

裴蜀定理

ax+by=cax+by=cax+by=cx,yx,yx,y 为正整数)成立的充要条件是 gcd(a,b)∣cgcd(a,b)|cgcd(a,b)c显然

有理数取余

求解 x≡ab ( mod  p)x \equiv \displaystyle\frac ab~(\bmod~p)xba (mod p)

  • 两边同乘 bbbbx≡a ( mod  p)bx \equiv a~(\bmod~p)bxa (mod p)
  • exgcd\texttt{exgcd}exgcd 求得一 x1x_1x1 使得 bx1≡1 ( mod  p)bx_1 \equiv 1~(\bmod~p)bx11 (mod p)
  • 所以 b×(ax1)≡a ( mod  p)b\times(ax_1) \equiv a~(\bmod~p)b×(ax1)a (mod p)
  • 此时 ax1 mod pax_1 \bmod pax1modp 即为答案。
  • (当 b mod p=0b \bmod p = 0bmodp=0 时无解)
int getmod(int a, int b, int p){//要满足 a < p, b < p(不满足取mod)
	if(b % p == 0) return -1;
	int x, y; exgcd(x, y, b, p);
	long long ans = a * (long long)((x + p) % p) % p;
	return (int)ans;
}

逆元

费马小定理

ax≡1 ( mod  p)ax\equiv1~(\bmod~p)ax1 (mod p)x≡ap−2 ( mod  p)x\equiv a^{p-2}~(\bmod~p)xap2 (mod p),快速幂求解。(仅限 ppp 为质数)

exgcd

ax≡1 ( mod  p)ax\equiv1~(\bmod~p)ax1 (mod p) 则有整数 kkk 使得 ax+pk=1ax+pk=1ax+pk=1,exgcd 求解。(仅限 x⊥px\perp pxp 但这个不满足的话就没有逆元了

int getinv(int x, int p){
	int a, k;
	exgcd(a, k, x, p);
	return (a % p + p) % p;
}

线性递推

初始化 1−1≡1( mod  p)1^{-1}\equiv1(\bmod~p)111(mod p)
p=ki+rp=ki+rp=ki+rk=⌊pi⌋k=\lfloor\frac pi\rfloork=ipr=p mod ir=p\bmod ir=pmodi ),则有:
ki+r≡0( mod  p)k×r−1+i−1≡0( mod  p)(两边同乘i−1×r−1)i−1≡−k×r−1( mod  p)i−1≡−⌊pi⌋×(p mod i)−1( mod  p)(代入)i−1≡p−⌊pi⌋×(p mod i)−1( mod  p) \begin{aligned} ki+r&\equiv0(\bmod~p)\\ k\times r^{-1}+i^{-1}&\equiv0(\bmod~p)(两边同乘 i^{-1}\times r^{-1})\\ i^{-1}&\equiv-k\times r^{-1}(\bmod~p)\\ i^{-1}&\equiv-\lfloor\frac pi\rfloor\times (p\bmod i)^{-1}(\bmod~p)(代入)\\ i^{-1}&\equiv p-\lfloor\frac pi\rfloor\times (p\bmod i)^{-1}(\bmod~p) \end{aligned} ki+rk×r1+i1i1i1i10(mod p)0(mod p)i1×r1k×r1(mod p)ip×(pmodi)1(mod p)pip×(pmodi)1(mod p)
因为 p mod i<ip\bmod i<ipmodi<i,所以 (p mod i)−1(p\bmod i)^{-1}(pmodi)1 已经算过了,可以递推。

const int N = 1e7 + 10;
int inv[N];
inline void getinv(int n, int p){
	inv[1] = 1;
	for(int i = 2; i <= n; ++ i)
		inv[i] = p - (long long)p / i * inv[p%i] % p;
		//inv[i] = (long long)(p - p / i) * inv[p%i] % p; 其实都行
	return;
}

线性阶乘逆元

inv[(i−1)!]=1(i−1)!=i∗1i!=i∗inv[i!]inv[(i-1)!]=\displaystyle\frac{1}{(i-1)!}=i*\frac{1}{i!}=i*inv[i!]inv[(i1)!]=(i1)!1=ii!1=iinv[i!]
所以我们可以先算出 inv[n!]inv[n!]inv[n!],然后反向递推即可。

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