一、分解质因数的运用
我们知道,根据唯一分解定理,对于一个数 a∈Za\in \bold{Z}a∈Z ,满足存在唯一的 a=∏i=1Napiαia=\displaystyle\prod_{i=1}^{N_a}p_i^{\alpha_i}a=i=1∏Napiαi 其中 NaN_aNa 为 aaa 的质因数个数, ∀1≤i≤Na,pi\forall 1 \le i \le N_a, p_i∀1≤i≤Na,pi 都是质数。这个性质不仅可以用来分解质因数,也可以用于解决其他所有与质因数有关的问题。由质因数的性质,我们可以推导出几个重要推论。
1. 一个数的因数个数
结论:假设一个数的因数个数为 fac(x)\text{fac}(x)fac(x) ,则 fac(x)=∏i=1Nx(αi+1)\text{fac}(x)=\displaystyle\prod_{i=1}^{N_x}(\alpha_i+1)fac(x)=i=1∏Nx(αi+1) 。
证明:考虑将这个数的每个因数分别分解质因数。可以知道,这个数的质因数集合一定是 xxx 的质因数集合的子集。用 xxx 的质因数分解表示 xxx 的所有因数为:1,p1,⋯ ,p1α1,p2,⋯ ,p1p2,p12p2,⋯1,p_1,\cdots,p_1^{\alpha_1},p_2,\cdots,p_1p_2,p_1^2p_2,\cdots1,p1,⋯,p1α1,p2,⋯,p1p2,p12p2,⋯ 。因此,根据乘法原理,对于 xxx 的每个质因子 pip_ipi,可以取 0∼αi0 \sim \alpha_i0∼αi 个与所取其他质因子相乘组成 xxx 的一个因数,即 xxx 的质因子个数 fac(x)=∏i=1Nx(αi+1)\text{fac}(x)=\displaystyle\prod_{i=1}^{N_x}({\alpha}_i+1)fac(x)=i=1∏Nx(αi+1) 。
求一个数的因数个数,代码如下。
template<typename _Tp>
inline long long countFactors(const _Tp& x, const int mod = 998644353)
{
vector<int> a(sqrt(x) + 1);
for (int i = 2; i <= sqrt(x); ++i)
if (x % i == 0)
while (x % i == 0)
{
a[i]++;
x /= i;
}
long long ans = 1;
for (int i = 2; i <= sqrt(x); ++i)
ans = (ans * a[i]) % mod;
return ans;
}
时间复杂度: O(x⋅logx)O(\sqrt{x}\cdot \log x)O(x⋅logx)
推论: fac(n!)=∑T=1Nn!∑i=1αpT⌊n!pTi⌋\text{fac}(n!)=\displaystyle{\sum_{T=1}^{N_{n!}}\sum_{i=1}^{\alpha_{p_T}}\lfloor {\frac{n!}{p_T^i}} \rfloor}fac(n!)=T=1∑Nn!i=1∑αpT⌊pTin!⌋ 。
2. 一个数的因数之和
经过上面的证明,我们应该不难得出这个结论:设一个数的因数之和为 sumfac(x)\text{sumfac}(x)sumfac(x) ,则 sumfac(x)=∏i=1Nx∑j=0αipij\text{sumfac}(x)=\displaystyle{\prod_{i=1}^{N_x}\sum_{j=0}^{\alpha_i}p_i^j}sumfac(x)=i=1∏Nxj=0∑αipij
证明:因为每个因数可以取 0∼αi0 \sim \alpha_i0∼αi 个,所以分别选取 0∼αi0 \sim \alpha_i0∼αi 个相乘即可。该公式还可以根据等比数列的求和公式进一步优化为 sumfac(x)=∏i=1Nxpiαi+1−pipi−1\text{sumfac}(x)=\displaystyle{\prod_{i=1}^{N_x}\frac{p^{\alpha_i+1}_i-p_i}{p_i-1}}sumfac(x)=i=1∏Nxpi−1piαi+1−pi 。
求一个数的因数之和,代码如下。
template<typename _Tp>
inline long long countFactors(const _Tp& x, const int mod = 998644353)
{
vector<int> a(sqrt(x) + 1);
for (int i = 2; i <= sqrt(x); ++i)
if (x % i == 0)
while (x % i == 0)
{
a[i]++;
x /= i;
}
long long ans = 1;
for (int i = 2; i <= sqrt(x); ++i)
{
long long fac = 0;
for (int j = 0; j < a[i]; ++j)
fac += pow(p[i], j);
ans = ans * fac % mod;
}
return ans;
}
时间复杂度: O(x)O(x)O(x) ,并可以根据等比数列求和公式和逆元继续优化至 O(x⋅logx)O(\sqrt{x} \cdot \log x)O(x⋅logx) 。
3. 其他运用
例题: 给定 n∈Zn \in \bold{Z}n∈Z ,求 (x,y)(x,y)(x,y) 的组数。其中 , (x,y)(x,y)(x,y) 满足 1x+1y=1n!\displaystyle{\frac{1}{x}+\frac{1}{y}}=\frac{1}{n!}x1+y1=n!1 。
方程变形为: x+yxy=1n!\displaystyle{\frac{x+y}{xy}=\frac{1}{n!}}xyx+y=n!1 ,分离变量得 y=xn!x−n!=n!+n!2x−n!y=\displaystyle\frac{xn!}{x-n!}=n!+\frac{n!^2}{x-n!}y=x−n!xn!=n!+x−n!n!2 ,因此我们只需要求出 n!2n!^2n!2 的因数数量即可。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int MOD = 1e9 + 7;
int main()
{
int n;
scanf("%d", &n);
vector<int> primes;
vector<int> vis(n + 1);
for (int i = 2; i <= n; ++i)
{
if (!vis[i]) primes.push_back(i);
for (int j = 0; primes[j] * i <= n; ++j)
{
vis[primes[j] * i] = 1;
if (i % primes[j] == 0) break;
}
}
long long ans = 1;
for (int i = 0; i < primes.size(); ++i)
{
int x = n;
long long res = 0;
while (x)
{
res += x / primes[i];
x /= primes[i];
}
ans = (ans * (2 * res + 1)) % MOD;
}
cout << ans << endl;
return 0;
}
时间复杂度: O(φ(n))O(\varphi(n))O(φ(n)) 。
二、欧拉函数
欧拉函数是一个积性函数,定义如下:
φ(x)=∑i=1x[gcd(i,x)=1]\varphi(x)=\sum_{i=1}^{x}[\gcd(i,x)=1]φ(x)=i=1∑x[gcd(i,x)=1]
也就是说,欧拉函数等于小于一个数并且与这个数互质的数的个数。
使用数学方法计算 φ\varphiφ 的公式:
φ(x)=x⋅∏i=1Nxpi−1pi\varphi(x)=x\cdot \prod_{i=1}^{N_x} \frac{p_i-1}{p_i}φ(x)=x⋅i=1∏Nxpipi−1
1. 使用欧拉筛求 φ\varphiφ
因此, φ\varphiφ 可以使用欧拉筛筛出:
inline void getPhi(const int& n)
{
vector<int> primes(n + 1);
vector<int> vis(n + 1);
vector<double> phi(n + 1);
phi[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; ++i)
{
phi[i] *= i;
if (!vis[i])
{
primes.push_back(i);
}
for (int j = 0; primes[i] * j <= n; ++j)
{
phi[primes[j] * i] *= (i - 1) / i;
vis[primes[j] * i] = 1;
if (i % primes[j] == 0) break;
}
}
}
时间复杂度: O(n)O(n)O(n) 。
2. 求一个数的 φ\varphiφ
若只需要求出一个数的 φ\varphiφ ,也可以使用以下方法:
inline int getPhi(const long long& n)
{
long long ans = n;
for (int i = 2; i * i <= n; ++i)
{
if (n % i == 0)
{
while (n % i == 0) n /= i;
ans -= ans / i;
}
}
return n > 1 ? ans - ans / n : ans;
}
时间复杂度: O(n⋅logn)O(\sqrt{n} \cdot \log n)O(n⋅logn) 。
三、逆元
在使用模运算的时候,由于模运算不存在分配率,所以我们不能使用除法去进行取模,即
ab mod p≠a mod pb mod p\frac{a}{b}\text{ mod } p\neq\frac{a \text{ mod } p}{b \text{ mod } p}ba mod p=b mod pa mod p 。
而逆元的定义是对于 a,b,p∈Za,b,p \in \bold{Z}a,b,p∈Z ,存在一个整数 xxx ,使得 ax≡bx(modp)\displaystyle\frac{a}{x}\equiv bx \pmod pxa≡bx(modp) 。具体可以使用 Fermat 小定理求出。
Fermat 小定理:对于整数 nnn 和质数 ppp , p∣np−np|n^p-np∣np−n 恒成立。
变形,得 np≡n(modp)n^p\equiv n \pmod pnp≡n(modp) , np−2≡n−1(modp)n^{p-2}\equiv n^{-1} \pmod pnp−2≡n−1(modp) 。因此, np−2n^{p-2}np−2 即为 nnn 的逆元。
inline int getInv(long long x, long long p)
{
const auto quickPow = [&](long long a, long long b, long long p)
{
long long res = 1;
for (; b; b >>= 1)
{
if (b & 1) res = (res * a) % p;
a = (a * a) % p;
}
return res;
};
return quickPow(x, p - 2, p);
}
时间复杂度: O(logp)O(\log{p})O(logp) 。
条件: ppp 必须是质数。
四、组合数
组合数的定义: Cmn\mathrm{C}_m^nCmn 表示从 mmm 个物品里面拿出 nnn 个物品进行排列的总方案数。
1. 杨辉三角求组合数
杨辉三角示例如下:
111121133114641…
\begin{matrix}
&&&& 1 \\
&&& 1 && 1 \\
&&1 && 2 && 1\\
&1 && 3 && 3 && 1\\
1 && 4 && 6 && 4 && 1 \\
&&& & \dots
\end{matrix}
111413126…131411
其中,第 mmm 行第 nnn 列的数 (n≤m+1)(n \le m+1)(n≤m+1) 即为 Cmn\mathrm{C}_m^nCmn 。
状态转移方程: Cmn=Cm−1n+Cm−1n−1\mathrm{C}_m^n=\mathrm{C}_{m-1}^n+\mathrm{C}_{m-1}^{n-1}Cmn=Cm−1n+Cm−1n−1 。
template<typename _Tp>
inline int getC(_Tp& C)
{
C[0][0] = 1;
for (int i = 1; i <= 1000; ++i)
{
for (int j = 0; j <= i; ++j)
{
C[i][j] = C[i - 1][j] + C[i - 1][j - 1];
}
}
}
时间复杂度: O(n2)O(n^2)O(n2)
适用范围:n≤104n \le 10^4n≤104
2. 组合数公式求组合数
组合数公式如下:
Cmn=n!m!(n−m)!\mathrm{C}_m^n=\frac{n!}{m!(n-m)!}Cmn=m!(n−m)!n!
又因为 n!,m!,(n−m)!n!,m!,(n-m)!n!,m!,(n−m)! 可以通过分解质因数和快速幂计算,所以比杨辉三角更加高效。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int MOD = 1e9 + 7;
int main()
{
ios::sync_with_stdio(0);
int N;
cin >> N;
const auto quickPow = [&](long long a, long long b, long long p) -> long long
{
long long res = 1;
for (; b; b >>= 1)
{
if (b & 1) res = (res * a) % p;
a = (a * a) % p;
}
return res;
};
vector<long long> fact(1e5 + 1);
vector<long long> inv(1e5 + 1);
fact[0] = inv[0] = 1;
for (int i = 1; i <= 1e5; ++i)
{
fact[i] = fact[i - 1] * i % MOD;
inv[i] = inv[i - 1] * quickPow(i, MOD - 2, MOD) % MOD;
}
while (N--)
{
long long a, b;
cin >> a >> b;
cout << ((fact[a] * inv[b]) % MOD * inv[a - b]) % MOD << endl;
}
return 0;
}
时间复杂度: O(nlogn)O(n\log n)O(nlogn) 。适用于 n≤105n \le 10^5n≤105 的题目。
3. 使用 Lucas\texttt{Lucas}Lucas 定理求组合数
Lucas\texttt{Lucas}Lucas 定理描述如下:
Cmn≡Cn/pm/p⋅Cm mod pn mod p(modp)\mathrm{C}_m^n\equiv \mathrm{C}^{m/p}_{n/p}\cdot \mathrm{C}_{m \text{ mod } p}^{n \text{ mod } p} \pmod pCmn≡Cn/pm/p⋅Cm mod pn mod p(modp)
使用逆元和快速幂可以高效求出 Cmn\text{C}_m^nCmn 。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{
int N;
cin >> N;
const auto quickPow = [&](long long a, long long b, long long p) -> long long
{
long long res = 1;
for (; b; b >>= 1)
{
if (b & 1) res = (res * a) % p;
a = (a * a) % p;
}
return res;
};
const auto C = [&](long long n, long long m, long long p) -> long long
{
if (n < m) return 0;
if (m == 0) return 1;
m = (m > n - m ? n - m : m);
long long up = 1, down = 1;
for (int i = 1; i <= m; ++i)
down = (down * i) % p;
for (int i = n - m + 1; i <= n; ++i)
up = (up * i) % p;
return up * quickPow(down, p - 2, p) % p;
};
function<long long(long long, long long, long long)> Lucas = [&](long long n, long long m, long long p) -> long long
{
if (m == 0) return 1;
return Lucas(n / p, m / p, p) * C(n % p, m % p, p) % p;
};
while (N--)
{
long long n, m, p;
cin >> n >> m >> p;
cout << Lucas(n, m, p) << endl;
}
return 0;
}
注:本文中所有代码未经调试,如有错误请在评论区中指出,谢谢。
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