HDU2973(威尔逊定理)

YAPTCHA

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Total Submission(s): 875    Accepted Submission(s): 458


Problem Description
The math department has been having problems lately. Due to immense amount of unsolicited automated programs which were crawling across their pages, they decided to put Yet-Another-Public-Turing-Test-to-Tell-Computers-and-Humans-Apart on their webpages. In short, to get access to their scientific papers, one have to prove yourself eligible and worthy, i.e. solve a mathematic riddle.


However, the test turned out difficult for some math PhD students and even for some professors. Therefore, the math department wants to write a helper program which solves this task (it is not irrational, as they are going to make money on selling the program).

The task that is presented to anyone visiting the start page of the math department is as follows: given a natural n, compute

where [x] denotes the largest integer not greater than x.
 

Input
The first line contains the number of queries t (t <= 10^6). Each query consist of one natural number n (1 <= n <= 10^6).
 

Output
For each n given in the input output the value of Sn.
 

Sample Input
  
13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100 1000 10000
 

Sample Output
  
0 1 1 2 2 2 2 3 3 4 28 207 1609
 

Source

Central European Programming Contest 2008 

威尔逊定理:( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 时,p为素数。

证明如下

充分性:

当p不是素数,那么令p=a*b ,其中1 < a < p-1 ,1 < b < p-1.

    (1)若a≠b,

        因为(p-1)!=1*2*...*a*...*b*...*p-1,

        所以(p-1)!≡ 0 (mod a)        

               (p-1)!≡ 0 (mod b)

        可得(p-1)!≡ 0 (mod a*b) ,

              即 (p-1)!≡ 0 (mod p)

        与( p -1 )! ≡ -1 ( mod p )  矛盾

    (2)若a=b

        因为(p-1)!=1*2*...*a*...*2a*...*p-1.

        所以(p-1)!≡ 0 (mod a)          

               (p-1)!≡ 0 (mod 2a)

        可得(p-1)!≡ 0 (mod a*2a) => (p-1)!≡ 0 (mod a*a) ,

          即 (p-1)!≡ 0 (mod p)

        与( p -1 )! ≡ -1 ( mod p )  矛盾

因此p只能是素数。

必要性:

当p为2,( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 显然成立

当p为3,( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 显然成立

对于p>=5,令M={2,3,4,...,p-2}.

        对于a∈M,令N={a,2*a,3*a,4*a,....(p-2)*a,(p-1)*a}

        令1 <= t1 <= p-1 ,1 <= t2 <= p-1,t1 ≠ t2

        那么t1*a∈N,t2*a∈N。

        若t1*a≡t2*a (mod p) ,那么|t1-t2|*a ≡ 0 (mod p)。

        因为|t1-t2|*a∈N,与N中元素不能被p除尽矛盾。

        所以t1*a≡t2*a不成立。

        那么N中元素对p取模后形成的集合为{1,2,3,4,...,p-1}.

        设x*a ≡ 1 (mod p)。

                当x=1时, x*a=a, 对p取模不为1,所以不成立。

                当x=p-1时,(p-1)*a=p*a-a, 对p取模不为1,所以不成立。

                当x=a时,a*a≡1 (mod p),可得(a+1)*(a-1)≡ 0 (mod p),a=1或a=p-1 ,所以不成立。

        综上所述,x,a∈M,并且当a不同时,x也随之不同。

        所以,M集合中每一个元素a都能够找到一个与之配对的x,使得x*a ≡ 1 (mod p).

        (p-1)!=1*2*3*...p-1

                  =1*(2*x1)*(3*x3)*...*(p-1)

        所以, (p-1)!1*(p-1)    (mod p)

        即,(p-1)!-1     (mod p) 

       证明完毕

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

#define mem(a) memset(a, 0, sizeof(a))
const int maxn = 1e6+100;
int ans[maxn*3+100];

int isprime(int n) {
	if (n == 1)	return 0;
	if (n == 2)	return 1;
	for (int i = 2; i*i<=n; i++) {
		if (n%i == 0)	return 0;
	}
	return 1;
}

void init() {
	mem(ans);
	for (int i = 1; i<maxn; i++) {
		if (isprime(i*3+7))	ans[i] = ans[i-1]+1;
		else	ans[i] = ans[i-1];
	}
}

int main() {
	init();
	int t;
	scanf("%d", &t);
	while (t --) {
		int n;
		scanf("%d", &n);
		printf("%d\n",ans[n]);
	}
	
	
	return 0;
}


在洛谷网站上,有一些算法题涉及应用威尔逊定理,尤其在数论与素数判断相关的题目中。以下是一些典型的应用场景和题目示例: ### 三、威尔逊定理在洛谷上的相关题目 #### 1. **P5091 【模板】扩展欧拉定理** 该题虽然主要考察的是欧拉定理的扩展形式,但在某些解法中结合了阶乘模运算的性质,例如利用威尔逊定理处理 $ (p-1)! \mod p $ 的结果为 $ p - 1 $,从而优化某些组合数模素数的计算过程。 #### 2. **HDU 2973 YAPTCHA(可参考洛谷类似变种)** 这是一道典型的基于威尔逊定理的数学推导题。题目要求计算如下表达式: $$ \sum_{k=1}^{n}\left\lfloor\frac{(3k+7-1)!+1}{3k+7}-\left\lfloor\frac{(3k+7-1)!}{3k+7}\right\rfloor\right\rfloor $$ 通过令 $ x = 3k + 7 $,可以将原式转化为: $$ \sum_{k=1}^{n}\left\lfloor\frac{(x-1)!+1}{x}-\left\lfloor\frac{(x-1)!}{x}\right\rfloor\right\rfloor $$ 根据威尔逊定理,当 $ x $ 是素数时,$ (x-1)! \equiv -1 \mod x $,即 $ (x-1)! + 1 $ 能被 $ x $ 整除,此时上述表达式的值为 1;若 $ x $ 不是素数,则值为 0。因此该问题实质上是统计满足条件的素数个数[^1]。 ```cpp #include <iostream> using namespace std; typedef long long LL; const int N = 1000001; const int mx = 3000008; int s[N], p[N], vis[mx], t, n; void get_prime() { for (LL i = 2; i < mx; ++i) if (!vis[i]) { if ((i - 7) % 3 == 0) p[(i - 7) / 3] = 1; for (LL j = i * i; j < mx; j += i) vis[j] = 1; } } int main() { get_prime(); for (int i = 2; i < N; ++i) s[i] = s[i - 1] + p[i]; scanf("%d", &t); while (t--) { scanf("%d", &n); printf("%d\n", s[n]); } } ``` #### 3. **【模板】线性筛素数(P3383)** 虽然此题主要考察的是素数筛法,但其输出结果可用于验证威尔逊定理的正确性。例如,对于每个筛出的素数 $ p $,可以验证 $ (p-1)! + 1 $ 是否能被 $ p $ 整除。 --- ### 四、实际应用与编程技巧 在解决上述类型的问题时,通常会遇到大数阶乘取模的问题。由于直接计算阶乘容易溢出,因此需要借助模逆元、分块预处理等技巧进行优化。例如,在模素数 $ p $ 情况下,可以预先计算阶乘模 $ p $,并结合费马小定理或扩展欧几里得算法求逆元,以高效实现组合数计算。 ---
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