POJ 1091 跳蚤(容斥原理)

这道题的目标是寻找满足条件的 a1、a2、…、an,满足a1*x1+a2*x2+...+an*xn+M*xn+1=1
也就是gcd(a1,a2,...,an,m)=1
利用容斥原理就可以找出满足该条件的a1、a2、…、an。
详见代码:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<vector>
#include<cmath>
using namespace std;
typedef long long ll;
int n, m;
vector<int> x;
void getprime(int m)
{
	//得到m的质因子
	x.clear();
	for (int i = 2; i*i <= m; ++i)
	if (m%i == 0)
	{
		x.push_back(i);
		while (m%i == 0) m /= i;
	}
	if (m != 1) x.push_back(m);
}
int main(){
	while (scanf("%d%d", &n, &m)==2){
		getprime(m);//分解m
		ll ans = pow(m, n);//ans为m^n
		for (int i = 1; i< (1 << x.size()) ; ++i){//m素因子个数为t,则i<2^t,即m素因子集合的子集个数
			int k = 1, cnt = 0;
			for (int j = 0; j<x.size(); ++j)
				if (i&(1 << j)) 
					k *= x[j], ++cnt;//k为取出的这个子集的值的积,cnt表示子集中元素的个数
			if (cnt & 1) //等价于cnt%2==1,取出个数为奇数时减,取出个数为偶数时加
				ans -= pow(m / k, n);
			else 
				ans += pow(m / k, n);
		}
		printf("%lld\n", ans);
	}
	return 0;
}
<think>嗯,用户想了解如何在C语言中实现容斥原理的应用,并且需要示例代码。首先,我需要回忆一下容斥原理的基本概念。容斥原理通常用于计算多个集合的并集大小,通过交替加减不同集合的交集来避免重复计算。这在组合数学和算法问题中很常见,比如计算满足某些条件的数的个数。 接下来,我得想想如何在C语言中具体实现这个原理。通常,容斥原理的实现会涉及到遍历所有可能的子集组合,然后根据子集的大小来决定是加还是减。例如,对于m个集合,需要遍历从1到2^m-1的所有子集,然后计算每个子集的交集大小,并根据子集元素的奇偶性来决定符号。 然后,用户提供的引用中有几个代码示例,比如引用[1]中的代码,看起来像是使用位运算来生成子集,并且通过递归的gcd函数来计算最小公倍数。这可能是一个应用容斥原理的例子,用于计算在n范围内能被多个数整除的数的数量。例如,计算1到n中能被数组l中的至少一个数整除的数的个数,这可以通过容斥原理来避免重复计算。 我需要将这些思路整理成一个清晰的步骤,解释如何用C语言实现容斥原理。首先,可能需要一个函数来计算最大公约数(gcd),然后计算最小公倍数(lcm),因为交集的大小通常涉及到lcm。例如,两个数的lcm是它们的乘积除以gcd。然后,遍历所有子集,对于每个子集,计算这些数的lcm,并根据子集的大小决定加减。 然后,考虑示例代码的结构。引用[1]中的代码似乎是这样做的:输入n和m,然后输入m个数,遍历所有可能的子集(通过位掩码k从0到2^m-1),计算每个子集的lcm,并根据子集的元素个数奇偶性来调整总和s的值。例如,如果子集有奇数个元素,就减去n/lcm,否则加上。这是因为容斥原理中,奇数次交集加,偶数次减,但这里可能是相反,需要仔细看代码逻辑。 此外,用户提到的引用[2]和[3]可能涉及其他应用场景或优化方法,比如使用前缀和或其他数据结构来简化计算。不过当前问题主要是容斥原理的实现,所以可能需要集中在位运算遍历子集和lcm的计算上。 在解释代码时,需要分步骤说明,比如如何生成子集,如何计算交集大小,如何处理符号。同时,需要给出具体的例子,比如计算1到n中能被至少一个数整除的个数,并解释代码的运行流程。 可能还需要提到代码中的关键点,比如如何用位掩码k来枚举子集,如何通过位与操作检查哪些元素被包含在当前子集中,如何维护当前子集的lcm,以及如何处理溢出问题(比如r可能会超过n,这时候可以提前终止)。 最后,应用场景部分需要举几个实际的例子,比如数学问题中的计数,或者几何问题中的区域计算,引用中的几何工具应用可能相关,比如poj题目中的几何问题可能用到容斥原理来计算覆盖区域。 总结来说,回答需要包括容斥原理的C语言实现步骤,示例代码的解释,以及应用场景的举例。同时,根据用户提供的引用,特别是引用[1]中的代码,可能需要将其作为示例进行详细说明,并引用相关部分。</think>### C语言中容斥原理的实现与应用 #### 一、容斥原理基础 容斥原理用于计算多个集合的并集大小,公式为: $$|A_1 \cup A_2 \cup \dots \cup A_m| = \sum |A_i| - \sum |A_i \cap A_j| + \sum |A_i \cap A_j \cap A_k| - \dots + (-1)^{m+1}|A_1 \cap \dots \cap A_m|$$ #### 二、实现步骤 1. **位运算枚举子集** 通过二进制位掩码遍历所有子集组合(共$2^m-1$种),例如: ```c for (int k = 1; k < (1 << m); k++) ``` 2. **计算集合交集** 使用最大公约数(GCD)和最小公倍数(LCM)处理交集: ```c int gcd(int a, int b) { return b ? gcd(b, a % b) : a; } long long lcm(long long a, long long b) { return a / gcd(a, b) * b; } ``` 3. **符号控制** 根据子集元素个数的奇偶性决定加减符号: ```c if (__builtin_popcount(k) % 2) sum += n / current_lcm; else sum -= n / current_lcm; ``` #### 三、完整示例代码 以下代码实现**计算1~n中能被数组l中任意数整除的数的个数**: ```c #include <stdio.h> int gcd(int a, int b) { return b ? gcd(b, a % b) : a; } int main() { int n, m, l[15]; while (scanf("%d%d", &n, &m) != EOF) { for (int i = 0; i < m; i++) scanf("%d", &l[i]); int result = 0; for (int k = 1; k < (1 << m); k++) { long long current_lcm = 1; int cnt = 0; for (int i = 0; i < m; i++) { if (k & (1 << i)) { current_lcm = current_lcm / gcd(current_lcm, l[i]) * l[i]; if (current_lcm > n) break; // 防止溢出 cnt++; } } if (cnt % 2) result += n / current_lcm; else result -= n / current_lcm; } printf("%d\n", result); } return 0; } ``` #### 四、关键代码解析 1. **位掩码遍历** `k`从1到$2^m-1$遍历所有非空子集,每位表示是否选中对应元素[^1]。 2. **动态计算LCM** 通过不断更新`current_lcm`处理多个数的LCM,同时防止数值溢出[^3]。 3. **奇偶性判断** `__builtin_popcount(k)`统计二进制中1的个数,决定加减符号[^2]。 #### 五、应用场景 1. **数学问题** 计算区间内满足多个条件的整数数量(如同时被2/3/5整除的数)。 2. **几何覆盖** 求多个几何图形覆盖区域的总面积(如圆、矩形的交集计算)[^4]。 3. **组合计数** 解决排列组合中的包含排除问题,如错位排列数的计算。
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