数论总结(1)

本文介绍了数论中的基本定理和算法,包括质数个数估算、约数个数定理、互素性质等,并详细讲解了欧几里得算法、扩展欧几里得算法的应用及实现方法。

数论定理:

1~n内的质数个数:nln(n)(实际偏小,越趋近于+∞越准确,估计复杂度是够的)

约数个数定理

定义g(x),为x的约数个数
对于一个数i,可分解成若干质数幂次的乘积,即

i=prime[1]aprime[2]b.....
g(i)=(a+1)(b+1)......

整除的基本性质

a|b b|c   =>   a|c
a|b a|c   =>   a|bc
a|b a|c   =>   a|ib±jc   (a|b,c的线性组合)
a|b b|a   =>   a=±b

a=ib±c => 公因子(a,b)=公因子(b,c)

  • 证明
  • 假设d为b,c的公因子,即d|b,d|c
  • 则 d | ib±c=a,即d|a
  • 由d|b得 d=公因子(a,b)=公因子(b,c)
  • 反之,如果d是a,b的公因数,也能证出d是b,c的公因数

互素性质

ab,c=>abc
pp|ab=>p|a  or  p|b
ab|c  and  gcd(a,c)=1=>b|c
gcd(ak,b)=1  {k>=1}=>gcd(a,b)=1
a1(modb)=>gcd(a,b)=1

算术基本定理

  • 任何一个大于1的自然数n,都可以唯一分解成有限个质数的乘积
  • n=pr11pr22...prkk
  • p1<p2<...<pk,r1,r2,...rk

模运算

  • (a+b)  mod  n=(a  mod  n+b  mod  n)  mod  n
  • (ab)  mod  n=(a  mod  nb  mod  n)  mod  n
  • ab  mod  n=(a  mod  n)b  mod  n
  • 切记 除法运算 不能模运算!!!

欧几里得算法(gcd)

辗转相除

int gcd(int a,int b)
{
    If(b>a) return gcd(b, a);
    if(b==0) return a;
    else return gcd(b,a%b);
}

辗转相减(更相减损术/Stein算法)

  • a为偶数,b为奇数 gcd(a,b)=gcd(a/2,b)
  • a为奇数,b为偶数 gcd(a,b)=gcd(a,b/2)
  • a为偶数,b为偶数 gcd(a,b)=2*gcd(a/2,b/2)
  • a为奇数,b为奇数 gcd(a,b)=gcd(b,a-b) {a>b}
  • (a或b=0 返回另一个值)或(a=b返回a或b)
证明gcd(a,b)=gcd(b,a-b)
a=b+(a-b)=>(a,b)=(b,a-b) {整除性质}
  • 优点:
  • 加法,减法和移位运算,是最基本的运算,时间消耗最小
  • 乘法,除法,取余运算较慢

扩展欧几里得算法(exgcd)

  • 求不定方程ax+by=1的一组解的方法
  • ax1+by1=gcd(a,b)=gcd(b,amod b)=bx2+[aa/bb]y2=ay2+b(x2y2a/b)
  • =>x1=y2
  • =>y1=x2y2(a / b)
- 用途:
1)求解不定方程;
2)求解模线性方程(线性同余方程);
3)求解模的逆元;
1)求解不定方程

利用扩展欧几里得算法求解不定方程ax+by=n的整数解的求解全过程,步骤如下:

(1)先计算Gcd(a,b),若n不能被Gcd(a,b)整除,则方程无整数解;否则,在方程两边同时除以Gcd(a,b),得到新的不定方程a2x+b2y=n2此时Gcd(a2,b2)=1;
(2)利用扩展欧几里德算法求出方程a2x+b2y=1的一组整数解x0,y0,则n2x0,n2y0a2x+b2y=n2
(3)根据数论中的相关定理,可得方程a2x+b2y=n2的所有整数解为:
x=n2x0+b2t
y=n2y0a2t(t=0,1,2)
调整得到正整数解.

最小公倍数(lcm)

lcma,b=ab/gcd(a,b)

快速幂

其实就是倍增的思想
a1,a2,a4...a2n依次求出来
所以快速+幂/乘/加 都可以

ab mod n

  • b and 1 取出二进制下最后一位
  • b shr 1 去掉二进制下最后一位
  • ab=a2n......a16a8a4a2
  • 每次求出a2i,1a2i

矩阵乘法求斐波那契数列

[acbd]n

{F[N1]=aF[N2]+bF[N1] F[N]=cF[N2]+dF[N1]

a=0b=1c=1d=1
[F[N1]F[N]]=[0111][F[N2]F[N1]]

[F[N1]F[N]]=[0111]N1[F[0]F[1]]

矩阵乘法优化递推式

例如:a[n]=a[n1]+a[n2]+5
a[N1]a[N]1=110100501a[N2]a[N1]1

线性筛

O(N)

我们知道对于一个的他的因子的大小不超过N,所以线性筛预处理,再取模判断即可

O(log2n)

:p  apa(modp)ap11(modp)
a,2<a<p,ap(modp)

欧拉函数

性质
欧拉函数phi(n)等于不超过n且和n互素的整数个数。 互素:两个数的最大公约数为1的数称为互素数。
1. φ(n)nn(1)
2. anaφ(n)1(mod  n)
3. pφ(p)=p1φ(1)=1
4. 积性函数 :
mnφ(nm)=φ(n)φ(m)
n=pkpφ(n)=pkp(k1)=p(k1)(p1)
5. nφ(2n)=φ(n)
6. d|n φ(d)=n
7. φ(n)=npp|np1p
单个欧拉函数求法:
int euler_phi(int n)
{
    int m=sqrt(n+0.5),ans=n;
    for(int i=2;i<=m;i++)
        if(n%i==0)
        {
            ans=ans/i*(i-1);
            while(n%i==0) n/=i;
        }
    if(n>1) ans=ans/n*(n-1);
    return ans;
}
函数表:多个欧拉函数一起求,类似筛选法计算phi(1),phi(2),……phi(n):
int phi[MM]
void phi_table(int n)
{
    mem(phi,0); phi[1]=1;
    for(int i=2;i<=n;i++)
        if(!phi[i])
            for(int j=i;j<=n;j+=i)
            {
                if(!phi[j]) phi[j]=j;
                phi[j]=phi[j]/i*(i-1);
            }
}

求解模方程组

中国剩余定理可以求解模数互质的情况,但我们用其他方式合并。
{x  mod  a1=b1x  mod  a2=b2
{x=a1x1+b1x=a2y1+b2
a1x1+b1=a2y1+b2
x1
b=a1x1+b1  a=lcm(a1,a2)
然后我们合并为x  mod  a=b

莫比乌斯函数

性质
对于任意正整数n有:

d|nμ(d)={10d=1d>1

对于任意正整数n有:

d|nμ(d)d=φ(n)n

O(N)1nμ(i)

int isprime[N],mu[N],prime[N];
int cnt;
void Mobius(int n)
{
    int i,j;
    //Init isprime[N],mu[N],prime[N],全局变量初始为0
    cnt=0;mu[1]=1;
    for(i=2;i<=n;i++){
        if(!isprime[i]){
            prime[cnt++]=i;
            mu[i]=-1;
        }
        for(j=0;j<cnt && i*prime[j]<=n;j++){
            isprime[i*prime[j]]=1;
            if(i%prime[j])
                mu[i*prime[j]]=-mu[i];
            else {mu[i*prime[j]]=0;break;}
        }
    }
}

求逆元

逆元

它是一个可以取消另一给定元素运算的元素。
对于正整数a和m,如果有a⋅x≡1(mod m),那么把这个同余方程中x的最小正整数解叫做a模m的逆元。

前提:
a(modm),am,

定理

欧拉定理(费马小定理)

欧拉定理:amaφ(m)1(mod  m)
方法:
1.欧拉定理

根据欧拉定理 :

aϕ(m)aaϕ(m)1a111aϕ(m)1(modm)(modm)(modm)
所以aϕ(m)1a

时间复杂度O(n)即求出单个欧拉函数的值。

2.exgcd
应用exgcd
我们假设a的逆元是x 。
axax+my=11(modm)
exgcdxaO(loga)
3.需要线性处理1~n的逆元
更正:本方法需在模数为素数情况下才能使用!!!
我们假设y=ax+b, b<i, 1<x<y
在将这个式子放在mody 意义下
ax+b0(mody)
两边同时乘上x1b1得到
ab1+x1x10ab1(mody)(mody)
再将 y=ax+b带入得到
x1yx(ymodx)1(mody)
a[i]xmody 意义下的逆元,根据上式得到
a[i]=(y  div  x)a[ymodx]
1在模任何意义下逆元都是1
同时也就得到了一种O(logN)级别的递归求单个逆元的方法
由于每次取模,所以每次都相当于折半,复杂度就降到了O(logN)
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