2019 南京ICPC网络赛 B super_log(幂塔函数求模、扩展欧拉降幂)

本文探讨了迭代对数函数log*及其在计算复杂性理论中的应用,特别是如何找到最小正整数x,使得log*a(x)达到特定阈值b。文章详细解析了如何使用欧拉降幂法解决此问题,包括费马小定理、扩展欧拉降幂法的证明及其实现算法。

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注:笔者是一名十八线蒟蒻 A C M e r ACMer ACMer,因此文中可能有许多 B U G BUG BUG ,请大佬们在评论区下留言,我会尽快改进。

原题

时间限制: 1000 m s 1000ms 1000ms,空间限制: 131072 K 131072K 131072K
In Complexity theory, some functions are nearly O ( 1 ) O(1) O(1), but it is greater then O ( 1 ) O(1) O(1). For example, the complexity of a typical disjoint set is O ( n α ( n ) ) O(nα(n)) O(nα(n)). Here α ( n ) α(n) α(n) is Inverse Ackermann Function, which growth speed is very slow. So in practical application, we often assume α ( n ) ≤ 4 α(n)≤4 α(n)4.

However O ( α ( n ) ) O(α(n)) O(α(n)) is greater than O ( 1 ) O(1) O(1), that means if n n n is large enough, α ( n ) α(n) α(n) can greater than any constant value.

Now your task is let another slowly function l o g ∗ x log^{*}x logx reach a constant value b b b. Here l o g ∗ x log^{*}x logx is iterated logarithm function, it means “the number of times the logarithm function iteratively applied on x x x before the result is less than logarithm base a a a”.
Formally, consider a iterated logarithm function l o g ∗ x log^{*}x logx
在这里插入图片描述
Find the minimum positive integer argument x x x, let l o g a ∗ x ≥ b log^{*}_{a}x\geq b logaxb The answer may be very large, so just print the result x x x after mod m m m.

Input
The first line of the input is a single integer T ( T ≤ 300 ) T(T≤300) T(T300) indicating the number of test cases.

Each of the following lines contains 3 3 3 integers a a a , b b b and m m m.

1 ≤ a ≤ 1 e 6 1≤a≤1e6 1a1e6
0 ≤ b ≤ 1 e 6 0≤b≤1e6 0b1e6
1 ≤ m ≤ 1 e 6 1≤m≤1e6 1m1e6
Note that if a = 1 a=1 a=1, we consider the minimum number x x x is 1 1 1.
Output
For each test case, output x x x mod m m m in a single line.
Hint
In the 4 − t h 4−th 4th query, a = 3 a=3 a=3 and b = 2 b=2 b=2. Then l o g 3 ∗ ( 27 ) = 1 + l o g 3 ∗ ( 3 ) = 2 + l o g 3 ∗ ( 1 ) = 3 + ( − 1 ) = 2 ≥ b log_{3}^* (27) = 1+ log_{3}^* (3) = 2 + log_{3}^* (1)=3+(-1)=2\geq b log3(27)=1+log3(3)=2+log3(1)=3+(1)=2b, so the output is 27 27 27 mod 16 16 16 = 11 11 11.
样例输入

5
2 0 3
3 1 2
3 1 100
3 2 16
5 3 233

样例输出

1
1
3
11
223

题面分析

总结起来就是:给出 a , b , m a,b,m a,b,m l o g a ∗ x log^{*}_{a}x logax的计算方法,求最小的正整数 x x x,使得 l o g a ∗ x ≥ b log^{*}_{a}x\geq b logaxb 输出 x   m o d   m 。 x \ mod \ m。 x mod m **
一般对于数学题,我们可以先试几个数来找找规律。
我们以 a = 2 a=2 a=2为例,建议以下过程读者可以自己手推或者利用代码暴力打表。
b = 0 b=0 b=0时, x = 1 x=1 x=1
b = 1 b=1 b=1时,倒推回去可以得到 x = 2 x=2 x=2
同理, b = 2 b=2 b=2时,得到 x = 4 x=4 x=4
b = 3 b=3 b=3时, x = 16 x=16 x=16
b = 4 b=4 b=4时, x = 65536 x=65536 x=65536
写到这里我们似乎看到了规律: 2 2 2 2 1 2^{1} 21 4 4 4 2 2 2^{2} 22, 16 16 16 2 4 2^{4} 24, 65536 65536 65536 2 16 2^{16} 216,所以我们总结以下得到
答案是 2 共 b 个 2 2 2 2 . . . 2 2^{2^{2^{2^{...^{2}}}}}_{_{_{共b个2}}} 2b2222...2
那为了确认这个结论是否正确,我们再以 a = 3 a=3 a=3为例,请读者试着自行推导。
当然我们同样可以得到答案是 3 共 b 个 3 3 3 3 . . . 3 3^{3^{3^{3^{...^{3}}}}}_{_{共b个3}} 3b3333...3
所以,我们可以假设:对于 a , b , m a,b,m a,b,m,答案为 a 共 b 个 a a a a . . . a m o d a^{a^{a^{a^{...^{a}}}}}_{_{_{共b个a}}} mod abaaaa...amod m m m
数学题就是大胆猜想从不求证。但为了显得这篇博客很正经还是证明一下
证明:我们将 a 共 b 个 a a a a . . . a a^{a^{a^{a^{...^{a}}}}}_{_{_{共b个a}}} abaaaa...a记为 f ( a , b ) f(a,b) f(a,b),则
l o g a ∗ ( f ( a , b ) ) log^{*}_{a}(f(a,b)) loga(f(a,b))
= 1 + l o g a ∗ ( f ( a , b − 1 ) ) =1+log^{*}_{a}(f(a,b-1)) =1+loga(f(a,b1))
= 2 + l o g a ∗ ( f ( a , b − 2 ) ) =2+log^{*}_{a}(f(a,b-2)) =2+loga(f(a,b2))
. . . ... ...
= b − 1 + l o g a ∗ ( f ( a , 1 ) ) =b-1+log^{*}_{a}(f(a,1)) =b1+loga(f(a,1))
= b + l o g a ∗ ( a ) =b+log^{*}_{a}(a) =b+loga(a)
= b + 1 + l o g a ∗ ( 1 ) =b+1+log^{*}_{a}(1) =b+1+loga(1)
= b + 1 − 1 =b+1-1 =b+11
= b =b =b
于是该问题就转化为求这个幂塔函数 a 共 b 个 a a a a . . . a m o d a^{a^{a^{a^{...^{a}}}}}_{_{_{共b个a}}} mod abaaaa...amod m m m的结果。
因为 1 ≤ a ≤ 1 e 6 1≤a≤1e6 1a1e6 0 ≤ b ≤ 1 e 6 0≤b≤1e6 0b1e6 1 ≤ m ≤ 1 e 6 1≤m≤1e6 1m1e6,暴力算法直接超出范围,队友赛后用 p y t h o n python python纯暴力算到超时,因此考虑新的策略。
我们可以先处理简单的情况: a b   m o d   m , b a^b\ mod\ m,b ab mod m,b是个很大的数字,如果可以处理的话就可以递归解决问题。
这里就要请出本题的主角:欧拉降幂

欧拉降幂

首先,我们有费马小定理 a p − 1 ≡ 1 a^{p-1}\equiv 1 ap11 ( m o d   p ) , ( g c d ( a , p ) = 1 ) (mod\ p),(gcd(a,p)=1) (mod p),(gcd(a,p)=1)
又因为 φ ( p ) = p − 1 ( p ∈ p r i m e ) φ(p)=p-1(p∈prime) φ(p)=p1(pprime),因此我们有 a φ ( p ) ≡ 1 ( m o d   p ) , ( g c d ( a , p ) = 1 ) a^{φ(p)}\equiv 1(mod \ p),(gcd(a,p)=1) aφ(p)1(mod p),(gcd(a,p)=1)
所以 a b ≡ a b   m o d φ ( p ) ( m o d p ) a^b\equiv a^{b\ modφ(p)}(mod p) abab modφ(p)(modp),我们称之为 欧拉降幂
但在本题中, g c d ( a , p ) gcd(a,p) gcd(a,p)不一定为 1 1 1,因此我们引入扩展欧拉降幂

扩展欧拉降幂

首先我们给出结论
在这里插入图片描述
以下是证明,可以选择性跳过毕竟会用就行
b < φ ( p ) b<φ(p) b<φ(p)时易知。
b ≥ φ ( p ) b\geq φ(p) bφ(p)时证明如下:
( 以下证明内容来自 scau_bi 的CN博客 https://www.cnblogs.com/bibibi/p/10269051.html)
首先我们证明一个引理。
引理:对于 m m m的一个质数因子 p p p,有
p c = p c   m o d φ ( m ) + φ ( m ) ( m o d   m ) p^c=p^{c\ mod φ(m)+φ(m)}(mod\ m) pc=pc modφ(m)+φ(m)(mod m)
证:
我们设 m = s ∗ p r , g c d ( s , p ) = 1 m=s*p^{r},gcd(s,p)=1 m=spr,gcd(s,p)=1
p φ ( s ) ≡ 1 ( m o d p^{φ(s)}\equiv1(mod pφ(s)1(mod s ) , g c d ( s , p ) = 1 s),gcd(s,p)=1 s),gcd(s,p)=1(费马小定理)
因为 φ ( m ) = φ ( s ) ∗ φ ( p r ) φ(m)=φ(s)*φ(p^{r}) φ(m)=φ(s)φ(pr) φ φ φ是积性函数,即 φ ( i ) φ ( j ) = φ ( i ∗ j ) φ(i)φ(j)=φ(i*j) φ(i)φ(j)=φ(ij)
p φ ( m ) = p φ ( s ) φ ( p r ) ≡ 1 φ ( p r ) ≡ 1 ( m o d   s ) p^{φ(m)}=p^{φ(s)^{φ(p^{r})}}\equiv 1^{φ(p^{r})}\equiv1(mod\ s) pφ(m)=pφ(s)φ(pr)1φ(pr)1(mod s)
我们设 p φ ( m ) = k ∗ s + 1 p^{φ(m)}=k*s+1 pφ(m)=ks+1
两边同乘 p r p^r pr,得
p φ ( m ) + r = k ∗ s ∗ p r + p r = k ∗ m + p r p^{φ(m)+r}=k*s*p^r+p^r=k*m+p^r pφ(m)+r=kspr+pr=km+pr
所以 p φ ( m ) + r ≡ p r ( m o d   m ) p^{φ(m)+r}\equiv p^r(mod\ m) pφ(m)+rpr(mod m)
于是我们可以把这个式子推广,得到
p k ∗ φ ( m ) + r ≡ p r ( m o d   m ) ( k ≥ 0 ) p^{k*φ(m)+r}\equiv p^r(mod\ m)(k\geq 0) pkφ(m)+rpr(mod m)(k0)--------------------(①)
又因为 φ ( m ) φ(m) φ(m)
= φ ( s ) ∗ φ ( p r ) =φ(s)*φ(p^r) =φ(s)φ(pr)
≥ φ ( p r ) \geqφ(p^r) φ(pr)
= ( p − 1 ) ∗ p r − 1 =(p-1)*p^{r-1} =(p1)pr1(因为对于 p r p^r pr,除了 p p p的倍数以外都与其互质,因此 φ ( p r ) = p r − p r − 1 = ( p − 1 ) ∗ p r − 1 φ(p^r)=p^r-p^{r-1}=(p-1)*p^{r-1} φ(pr)=prpr1=(p1)pr1)
≥ r \geq r r
(这一步的证明:
p = 2 p=2 p=2时可以用导数易得其成立。
p > 2 p>2 p>2 ( p − 1 ) ∗ p r − 1 ≥ ( p − 1 ) ∗ e r − 1 ≥ ( p − 1 ) ∗ ( r − 1 + 1 ) = ( p − 1 ) ∗ r ≥ r (p-1)*p^{r-1}\geq (p-1)*e^{r-1}\geq(p-1)*(r-1+1)=(p-1)*r\geq r (p1)pr1(p1)er1(p1)(r1+1)=(p1)rr
这里利用了 e x ≥ x + 1 这 个 性 质 e^x\geq x+1这个性质 exx+1,因为 x + 1 x+1 x+1 e x 在 ( 0 , 1 ) 的 切 线 方 程 e^x在(0,1)的切线方程 ex(0,1)线
因此 p c ( c ≥ r ) p^c(c \geq r) pc(cr)
≡ p c − r + r ( m o d   m ) \equiv p^{c-r+r}(mod\ m) pcr+r(mod m)
≡ p c − r ∗ p r ( m o d   m ) \equiv p^{c-r}*p^r(mod\ m) pcrpr(mod m)
≡ p c − r ∗ p r + φ ( m ) ( m o d   m ) \equiv p^{c-r}*p^{r+φ(m)}(mod\ m) pcrpr+φ(m)(mod m)
≡ p c + φ ( m ) ( m o d   m ) ( c ≥ r ) \equiv p^{c+φ(m)}(mod\ m)(c \geq r) pc+φ(m)(mod m)(cr)
因为 c ≥ r , r ≥ φ ( m ) c\geq r,r\geq φ(m) cr,rφ(m),故 c ≥ φ ( m ) c\geqφ(m) cφ(m)
那我们利用①式得到
p c + φ ( m ) ≡ p c   m o d φ ( m ) + φ ( m ) ( m o d   m ) , c ≥ φ ( m ) p^{c+φ(m)}\equiv p^{c\ modφ(m)+φ(m)}(mod\ m),c\geq φ(m) pc+φ(m)pc modφ(m)+φ(m)(mod m),cφ(m)--------------------(②)
而对于 p k c p^{k^c} pkc,我们也可以通过②式有
p k c ≡ p k c ≡ p φ ( m ) + k c ≡ ( p k ) c + φ ( m ) ≡ ( p k ) c   m o d φ ( m ) + φ ( m ) ( m o d   m ) p^{k^c}\equiv p^{kc}\equiv p^{φ(m)+kc}\equiv (p^k)^{c+φ(m)}\equiv (p^k)^{c\ modφ(m)+φ(m)}(mod\ m) pkcpkcpφ(m)+kc(pk)c+φ(m)(pk)c modφ(m)+φ(m)(mod m)
因此,我们把一个任意数 a a a拆成 p 1 a 1 p 2 a 2 . . . p k a k p_{1}^{a_{1}}p_{2}^{a_{2}}...p_{k}^{a_{k}} p1a1p2a2...pkak,则相乘后可以得到
a c ≡ a c   m o d φ ( m ) + φ ( m ) ( m o d   m ) , ( c ≥ φ ( m ) ) a^c\equiv a^{c\ modφ(m)+φ(m)}(mod\ m),(c\geqφ(m)) acac modφ(m)+φ(m)(mod m),(cφ(m))
终于证毕。建议想学懂原理的读者自行手推一遍!
好,有了解决的办法,我们就考虑递归写一个函数 f ( b , p ) f(b,p) f(b,p) b b b为递归的层数, p p p是当前的模数。
每一次都利用快速幂实现 a f ( b − 1 , φ ( p ) ) ( m o d   p ) a^{f(b-1,φ(p))}(mod\ p) af(b1,φ(p))(mod p)的调用。到最后一层返回 a a a或者 a   m o d   φ ( p ) + φ ( p ) a\ mod\ φ(p)+φ(p) a mod φ(p)+φ(p)
注意在回溯时快速幂的结果也要根据扩展欧拉降幂进行改变!

AC代码(4ms)

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long LL;
long long a,b,m;
long long phi(long long n)
{
    long long ans = n;
    for(int i = 2; i*i <= n; i++)
    {
        if(n % i == 0)
        {
            ans -= ans/i; //等价于通项,把n乘进去
            while(n % i == 0) //确保下一个i是n的素因数
                n /= i;
        }
    }
    if(n > 1)ans -= ans/n; //最后可能还剩下一个素因数没有除
    return ans;
}
long long MOD(long long a,long long mm)//扩展欧几里得的结果
{
	return a>=mm?a%(mm)+(mm):a;
}
long long qsm(long long a,long long b,long long c)//快速幂
{
	if(!c)
		return 0;
    long long ans=1,base=a;
    while(b!=0)
	{
        if(b&1)
        ans=MOD(ans*base,c);
        base=MOD(base*base,c);//注意这两行!回溯时也要根据扩展欧拉降幂!
        b>>=1;
	}
	return MOD(ans,c);//答案也要!
}
long long f(long long b,long long mm)
{
	if(mm==1)
		return MOD(a,1);//模数为1时停止计算,因为之后的结果都是相同的
	if(b==1)
	{
		return MOD(a,mm);//最后一层的情况
	}
	return qsm(a,f(b-1,phi(mm)),mm);//递归调用
}
int main()
{
	int t;
	scanf("%d",&t);
	while(t--)
	{
		scanf("%lld%lld%lld",&a,&b,&m);
		if(b==0 || a==1 || m==1)//特殊情况直接输出
		{
			printf("%lld\n",1%m);
			continue;
		}
		if(b==1)//特殊情况直接输出
		{
			printf("%lld\n",a%m);
			continue;
		}
		long long ans=f(b,m)%m;
		printf("%lld\n",ans);
	}
}

后记

昨天比赛时没能想到快速幂回溯,然后就是无尽的WA…,主要还是菜。
除了从外到内的递归法外,这题其实还可以从内到外来做,不容易错,有兴趣的读者可以尝试。
当然,这题也可以推广到更一般的问题:求 x 1 x 2 . . . x n m o d   m x_1^{x_2^{...^{x_n}}}mod\ m x1x2...xnmod m,只要将上面的代码微调即可。
最后的最后,感谢一波赛后蔡队一针见血的指点。CSLNB!
DrGilbert 2019.9.2

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