「BZOJ3930」「CQOI2015」选数

本文探讨了一个数学问题,即在指定区间内选取N个整数,求这些整数的最大公约数恰好为K的选取方案数量。通过数学变换简化原始问题,并给出了一种高效的算法解决方案。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

Description

我们知道,从区间 [L,H][L,H]LLH 为整数)中选取 NN 个整数,总共有 (HL+1)N 种方案。小 zz 很好奇这样选出的数的最大公约数的规律,他决定对每种方案选出的 N 个整数都求一次最大公约数,以便进一步研究。然而他很快发现工作量太大了,于是向你寻求帮助。你的任务很简单,小 zz 会告诉你一个整数 K ,你需要回答他最大公约数刚好为 KK 的选取方案有多少个。由于方案数较大,你只需要输出其除以 109+7 的余数即可。

Input

输入一行,包含 44 个空格分开的正整数,依次为 N , KK , LHH

Output

输出一个整数,为所求方案数。

Sample Input

2 2 2 4

Sample Output

3

HINT

样例解释:
所有可能的选择方案: (2,2) , (2,3)(2,3) , (2,4)(2,4) , (3,2)(3,2) , (3,3)(3,3) , (3,4)(3,4) , (4,2)(4,2) , (4,3)(4,3) , (4,4)(4,4)
其中最大公约数等于 22 的只有 3 组: (2,2)(2,2) , (2,4)(2,4) , (4,2)(4,2)

对于 100%100% 的数据,1N,K1091≤N,K≤1091LH1091≤L≤H≤109HL105H−L≤105

题解

一句话题意:
求:

i1=LHi2=LHiN=LHNe[gcd(i1,i2,,iN)=K]∑i1=LH∑i2=LH…∑iN=LH⏟Ne[gcd(i1,i2,…,iN)=K]

一看一堆 Sigma 吓死人,但是化一化式子就会发现:

i1=LKHKi2=LKHKiN=LKHKe[gcd(i1,i2,,iN)=1]∑i1=⌈LK⌉⌊HK⌋∑i2=⌈LK⌉⌊HK⌋…∑iN=⌈LK⌉⌊HK⌋e[gcd(i1,i2,…,iN)=1]

i1=LKHKi2=LKHKiN=LKHKε(gcd(i1,i2,,iN))∑i1=⌈LK⌉⌊HK⌋∑i2=⌈LK⌉⌊HK⌋…∑iN=⌈LK⌉⌊HK⌋ε(gcd(i1,i2,…,iN))

i1=LKHKi2=LKHKiN=LKHKd|gcd(i1,i2,,iN)μ(d)∑i1=⌈LK⌉⌊HK⌋∑i2=⌈LK⌉⌊HK⌋…∑iN=⌈LK⌉⌊HK⌋∑d|gcd(i1,i2,…,iN)μ(d)

d=1HKμ(d)i1=LKdHKdi2=LKdHKdiN=LKdHKd1∑d=1⌊HK⌋μ(d)∑i1=⌈⌈LK⌉d⌉⌊⌊HK⌋d⌋∑i2=⌈⌈LK⌉d⌉⌊⌊HK⌋d⌋…∑iN=⌈⌈LK⌉d⌉⌊⌊HK⌋d⌋1

d=1HKμ(d)(HKdLKd)N∑d=1⌊HK⌋μ(d)(⌊⌊HK⌋d⌋−⌈⌈LK⌉d⌉)N

于是就可以反演啦!但是还有一个问题, HK⌊HK⌋109109 级别的,那怎么办呢?

我们发现 HLH−L105105 级别的。一个神奇的性质:当所有数不全部相同时,

gcd(i1,i2,,iN)max{i1,i2,,iN}min{i1,i2,,iN}gcd(i1,i2,…,iN)≤max{i1,i2,…,iN}−min{i1,i2,…,iN}

证明如下:
d=gcd(i1,i2,,iN)d=gcd(i1,i2,…,iN)a=min{i1,i2,,iN}a=min{i1,i2,…,iN}b=max{i1,i2,,iN}b=max{i1,i2,…,iN}
显然a=k1d(k1Z+)a=k1d(k1∈Z+)b=k2d(k2Z+,k2>k1)b=k2d(k2∈Z+,k2>k1) 。所以 badb−a≥d ,得证。

于是我们只处理所有数字不全相同的情况就可以了。如果区间有 11 ,我们还要在答案加上 1 ,因为我们可以所有的数都选 11

式子变为:

d=1HKLKμ(d)((HKdLKd)N(HKdLKd))+e[LK=1]

完成!
复杂度 O(HL+qHLlog2N))O(H−L+qH−Llog2⁡N))qq 为询问次数,很显然在本题是 1 。比那些枚举 gcdgcd 递推的好到不知道哪里去了。

My Code

/**************************************************************
    Problem: 3930
    User: infinityedge
    Language: C++
    Result: Accepted
    Time:160 ms
    Memory:4028 kb
****************************************************************/

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <queue>
#include <vector>
#include <map>
#include <complex>

#define inf 0x3f3f3f3f
#define eps 1e-10

#define lc k << 1
#define rc k << 1 | 1

using namespace std;

typedef long long ll;
typedef pair<ll, int> P;

const ll mod = 1e9 + 7;


ll n, k, l, h;

ll pri[50005];int cnt, vis[200005];
ll qpow(ll a, ll b){
    ll ret = 1;
    for(; b; b >>= 1, a = a * a % mod){
        if(b & 1) ret = ret * a % mod;
    }
    return ret;
}

ll miu[200005];

void liner_shaker(){
    int MAXN = 200001;
    vis[1] = 1; miu[1] = 1;
    for(int i = 2; i <= MAXN; i ++){
        if(!vis[i]) pri[++cnt] = i, miu[i] = -1;
        for(int j = 1; i * pri[j] <= MAXN; j ++){
            if(i % pri[j] == 0){
                vis[i * pri[j]] = 1;
                miu[i * pri[j]] = 0;
                break;
            }
            vis[i * pri[j]] = 1;
            miu[i * pri[j]] = -miu[i];
        }
    }
    for(int i = 2; i <= MAXN; i ++) miu[i] += miu[i - 1];
}

ll ans = 0;
int main(){
    liner_shaker();
    scanf("%lld%lld%lld%lld", &n, &k, &l, &h);

    if(l % k != 0)l = (l / k) + 1;
    else l = l / k;
    h = h / k;
    if(l > h){
        printf("0\n");
        return 0;
    }
    ll nx = 0;
    for(ll i = 1; i <= h - l; i = nx + 1){
        ll nl;
        if(l >= i) nl = l / (l / i) - 1;
        else nl = h - l;
        if(nl = i) nl ++;
        nx = min(h / (h / i), nl);
        if(nx > h - l) nx = h - l;
        ll L = (l / i), R = h / i;
        if(l % i != 0) L ++;
        if(L > R) continue;
        ans = (ans + (qpow(R - L + 1, n) - (R - L + 1) + mod) % mod * ((miu[nx] - miu[i - 1] + mod) % mod)) % mod;
    }
    if(l == 1) ans = (ans + 1) % mod;
    printf("%lld\n", ans);
    return 0;
}
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