数学基础 1

数论

前言

以下大多证明都是扯淡没有任何正确性可言有的只是为了做题而做题随便看看就好

听课的时候的笔记并不能保证正确性(毕竟听课效率...) 不能保证可读性(毕竟思路混乱...) ~~其实我还是比较适合抄课件~~

筛

裸筛

for(int i = 2; i * i <= maxn; i++) if(!a[i])
	for(int j = i << 1; j <= maxn; j += i) a[j] = 0;

$O(n loglogn) $

线筛

线性筛中每个数只会被它最小的质因子筛去

for(int i = 2; i <= maxn; i++)
{
	if(!vis[i]) p[++cnt] = i;
	for(int j = 1; j <= cnt && p[j] * i <= maxn; j++)
	{
		vis[p[j] * i] = 1;
		if(i % p[j] == 0) break;
	}
}

同余

模意义下加减乘的直接计算不会影响最终结果取模答案

$P4942$

$10^n \equiv 1 ^ n \equiv 1$

相当于将每一位拆开再按原数拼起来

/*
  Time: 3.31
  Worker: Blank_space
  Source: P4942 小凯的数字
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#define int long long
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int T, l, r;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/

/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	T = read(); while(T--) {l = read(); r = read(); printf("%lld\n", ((l + r) & 1) ? (r - l + 1 >> 1) % 9 * (l + r) % 9 : (l + r >> 1) % 9 * (r - l + 1) % 9);}
	return 0;
}

$euclid$ (欧几里得)扩展

用于解 $ax + by = \gcd(a, b)$

性质: 对于整数 a, b 有无穷解

$d = ax + by = a(x + \frac{b}{d} * u) + b(y - \frac{a}{d} * u)$

求任意一组解

原理: 辗转相除

void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else d = a, x = 1, y = 0;
}

$P1516$

求:

\[mt + x \equiv nt + y(\mod l) \]

变形

\[(m - n)t \equiv y - x (\mod l) \]

等价于求解关于 $t$ 和 $s$ 的不定方程

\[(m - n)t + ls = y - x \]

将一个同余方程转化为欧几里得方程

解这个方程

设

\[d = \gcd(n - m, l) \]

求:

\[(m - n)t + ls = d \]

如果 $d$ 不整除 $y - x$ 说明方程 $(m - n)t \equiv y - x(mod\ l)$ 无解

否则将 $t$ 和 $s$ 扩大 $\frac{y - x}d$ 倍可得 $(m - n)t' + ls' = y - x$

用 $\frac ld$ 调整 $t'$

/*
  Time: 3.31
  Worker: Blank_space
  Source: P1516 青蛙的约会
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int d, t, s;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else d = a, x = 1, y = 0;
}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	int x = read(), y = read(), m = read(), n = read(), l = read();
	if(m < n) Swap(m, n), Swap(x, y);
	exgcd(m - n, l, d, t, s); int mod = l / d;
	if((y - x) % d) puts("Impossible");
	else printf("%lld", ((y - x) / d * t % mod + mod) % mod);
	return 0;
}

同余运算法则

取模运算加减乘不变

同余运算左右移项不变乘一个东西不变同时加减一个东西不变

$P3951$

设方程 $ax + by = c$ 的通解是

\[\begin{cases} x = x_0 + bt \\ y = y_0 - at\end{cases} \]

由一组特解构成通解通过调节 $t$ 找到一组特解 $(x_1, y_1)$ 使 $0 \leq x_1 \leq b - 1$

$x$ 不能为负也不能使得 $y$ 为负

$y > 0$ 有正整数解

$y < 0$ 无正整数解

找无正整数解的情况限定 $y_1 \leq -1$ 那么 $c = ax_1 + by_1 \leq ax_1 - b \leq ab - a - b$ (已经限定 $0 \leq x_1 \leq b - 1$)

证明 $ax + by = ab - a - b$ 没有非负整数解

反证:

若存在满足条件的 $(x_0, y_0)$ 则 $a(x_0 + 1) + b(y_0 + 1) = ab$

说明 $a \mid b(y_0 + 1)$ 即 $a \mid y_0 + 1$ ($a$ 与 $b$ 互质) 则有 $a \leq y_0 + 1$

同理: $b \leq x_0 + 1$

那么 $a(x_0 + 1) + b(y_0 + 1) \geq 2ab > ab$

$\therefore ax + by = ab - a - b$ 没有非负整数解

前面证明大于 $ab - a - b$ 的都可以被表示后面证明 $ab - a - b$ 刚好不能被表示

中国剩余定理(CRT)

又称孙子定理

解一坨同余方程组

解线性不定模方程组

$P4777$

标准的中剰定理规定 $m_i$ 两两互质但这里没有所以是扩展($EXCRT$)

从两个方程开始

考虑合并

$x \equiv a_1 (\mod m_1)$ $x \equiv a_2(\mod m_2)$

令 $m = lcm(m_1, m_2)$ $x \equiv a(\mod m)$

显然有 $a = um_1 + a_1 = vm_2 + a_2$

求 $a$

解 $um_1 - vm_2 = a_2 - a_1$

可以求得 $um_1 - vm_2 = 1$ 的解

在扩大到 $a_2 - a_1$

实现

exgcd(m1, m2, d, u, v);//d 是最小公约数
m2 = m1 / d * m2;//最小公倍数
u = (a2 - a1) / d * u % m2;//调整u
a2 = (u * m1 % m2 + a1) % m2;//根据上面的式子求a2

将方程组合并成了一个

另一种说法

\[x \equiv a \mod m \\ x = um + a \]

\[x \equiv A \mod M\\ x = vM + A \]

若

\[T = [m, M] \]

则

\[x = um + a + kT \mod m\\ x = vM + A + kT \mod M \]

设

\[x = S + kT \]

则

\[x \equiv S \mod T \]

也就是将两个方程组合并成了一个方程

其模数就是 $[m_1, m_2]$

~~所以说上面在扯淡~~

\[S = um + a = vM + A\\ um - vM = A - a \]

可求的是

\[um + vM = (m, M) \]

通过这个解出一个 $u$ 和 $v$

如果

\[\gcd(m, M) \mid (A - a) \]

有

\[u' = u\frac{A - a}{\gcd(m, M)} \\ v' = -v\frac{A - a}{\gcd(m, M)} \]

解释:

\[\begin{align} & \because \gcd(m, M) \mid (A - a)\\ & \therefore (A - a) = K \times \gcd(m, M)\\ & \therefore K = \frac{A - a}{\gcd(m, M)}\\ & \because u'm - v'M = (A - a)\\ & \therefore u'm - v'M = K \times \gcd(m, M)\\ & \therefore \frac{u'}Km - \frac{v'}KM = \gcd(m, M)\\ & \because um + vM = \gcd(m, M)\\ & \therefore u' = uK, v' = vK\\ & \therefore u' = u\frac{A - a}{\gcd(m, M)}, v' = -v\frac{A - a}{\gcd(m, M)} \end{align} \]

~~所以这是一个很显然的结论~~

/*
  Time: 3.31
  Worker: Blank_space
  Source: P4777 【模板】扩展中国剩余定理（EXCRT）
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/

/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else d = a, x = 1, y = 0;
}
int mul(int a, int b, int p) {
	int res = 0;
	while(b)
	{
		if(b & 1) res = (res + a) % p;
		a = (a << 1) % p;
		b >>= 1;
	}
	return res;
}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
    int n = read() - 1, M = read(), A = read();
    while(n--)
    {
        int m = read(), a = read(), u, v, d;
		exgcd(M, m, d, u, v);
        u = mul(u, ((a - A) % m + m) % m / d, m);
        A += M * u; M = M / d * m; A = (A + M) % M;
    }
    printf("%lld", A);
    return 0;
}

Strange Way to Express Integers

(一道扩展中剩的模板题)

/*
  Time: 4.9
  Worker: Blank_space
  Source: #10213. 「一本通 6.4 例 5」Strange Way to Express Integers
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/

/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else x = 1, y = 0, d = a;
}
void EXCRT(int n) {
	int M = read(), A = read(); bool flag = 0;
	for(int i = 1; i <= n; i++)
	{
		int m = read(), a = read(), x, y, d;
		a = ((a - A) % m + m) % m; exgcd(M, m, d, x, y);
		if(a % d || flag) {flag = 1; continue;}
		x = (x * a / d % m + m) % m;
		A += x * M; M = M / d * m; A = (A + M) % M;
	}
	if(flag) puts("-1"); else printf("%lld\n", A);
}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	int n; while(~scanf("%lld", &n)) EXCRT(--n);
	return 0;
}

$P3868$

\[\begin{align} & b_i \mid n - a_i\\ & n \equiv a_i \mod b_i \end{align} \]

裸的 $CRT$

把上一个题的板子粘过来

/*
  Time: 4.9
  Worker: Blank_space
  Source: P3868 [TJOI2009]猜数字
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, a[12], b[12], m = 1, ans;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else x = 1, y = 0, d = a;
}
int mul(int a, int b, int p, int res = 0) {
	for(; b; b >>= 1, a = (a + a) % p) if(b & 1) res = (res + a) % p;
	return res;
}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	n = read();
	for(int i = 1; i <= n; i++) a[i] = read();
	for(int i = 1; i <= n; i++) b[i] = read(), m *= b[i], a[i] = (a[i] % b[i] + b[i]) % b[i];
	for(int i = 1; i <= n; i++)
	{
		int _m = m / b[i], d, x, y; exgcd(_m, b[i], d, x, y); x = (x % b[i] + b[i]) % b[i];
		ans = ((ans + mul(mul(_m, x, m), a[i], m)) % m + m) % m;
	}
	printf("%lld", (ans % m + m) % m);
	return 0;
}

$CRT$

解方程组 $x \equiv a_i \mod m_i$

设

\[M = \prod^n_{i = 1}m_i,\ M_i = \frac M{m_i},\ t_i,\ t_iM_i \equiv 1 (\mod m_i) \]

那么可以直接给出模 $M$ 意义下的唯一解

\[x = \sum_{j = 1}^na_jt_jM_j \mod m_i \]

将这一坨东西带到上面的方程中

当 $i \neq j$ 时

\[m_i \mid M_j \]

\[x \mod m_i = 0 \]

当 $i = j$ 时

\[x \mod m_i = a_j \]

所以

\[x = \sum_{j = 1}^na_jt_jM_j (\mod m_i) = a_j \]

$P1495$

/*
  Time: 4.9
  Worker: Blank_space
  Source: P1495 【模板】中国剩余定理(CRT)
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, a[12], b[12], m = 1, ans;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void exgcd(int a, int b, int &d, int &x, int &y) {
	if(b) exgcd(b, a % b, d, y, x), y -= x * (a / b);
	else x = 1, y = 0, d = a;
}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	n = read();
	for(int i = 1; i <= n; i++) a[i] = read(), b[i] = read(), m *= a[i];
	for(int i = 1; i <= n; i++)
	{
		int _m = m / a[i], d, x, y; exgcd(_m, a[i], d, x, y);
		ans = ((ans + _m * x * b[i]) % m + m) % m;
	}
	printf("%lld", ans);
	return 0;
}

欧拉函数

欧拉函数 $\varphi(m)$ 表示不超过 $m$ 且和 $m$ 互素的整数的个数 (定义$\varphi(1) = 1$)

计算

给出 $m$ 的唯一分解式

\[m = \prod p_i^{a_i} \]

\[\varphi(m) = m\prod\left(1 - \frac{1}{p_i}\right) \]

欧拉函数的一个性质(欧拉定理)

设 $m > 1$ 为整数 $a$ 是与 $m$ 互素的任一整数则

\[a^{\varphi(m)} \equiv 1 (\mod m) \]

欧拉定理的证明

把不超过 $m$ 的且与 $m$ 互质的正整数取出构成集合 $\{x_1, x_2, ..., x_{\varphi (m)}\}$

设 $a$ 与 $m$ 互质易证集合 $\{ax_1, ax_2, ..., ax_{\varphi (m)}\}$ 在模 $m$ 意义下与前一集合相等 (均在模 $m$ 意义下的缩系)

将集合内所有原数相乘得到:

\[ax_1 \times ax_2 \times ax_{\varphi (m)} \equiv a^{\varphi (m)}\prod^{\varphi(m)}_{i = 1}x_i \equiv \prod_{i = 1}^{\varphi(m)}x_i(\mod m) \]

整理得(把右边的减过来):

\[m \mid (a^{\varphi(m)} - 1)\prod_{i = 1}^{\varphi(m)}x_i \]

因为 $\prod_{i = 1}^{\varphi(m)}x_i$ 与 $m$ 互质有:

\[m \mid a^{\varphi(m)} - 1 \]

即:

\[a^{\varphi(m)} \equiv 1 (\mod m) \]

欧拉函数筛

\[\varphi(m) = m\prod\left(1 - \frac 1{p_i}\right) \]

由公式可以推知 $m$ 的每个质因子 $p$ 会对 $m$ 产生贡献

相当于每个质数会对它的倍数产生贡献

$O(nlogn)$ 进行统计

for(int i = 1; i <= n; i++) e[i] = i;
for(int i = 2; i <= n; i++) if(e[i] == i)
    for(int j = i; j <= n; j += i) e[j] = e[j] / i * (i - 1);

欧拉线筛

$O(n)$ 线筛

线筛的原理是每个数只有其最小的质因数筛去

它也可以 $O(n)$ 筛除所有积性函数值

分两类讨论

代码

phi[1] = 1;
for(int i = 2; i < maxn; i++)
{
    if(!vis[i]) pri[++cnt] = i, phi[i] = i - 1;//1
    for(int j = 1; j <= cnt && pri[j] * i < maxn; j++)
    {
        vis[pri[j] * i] = 1;
        phi[pri[j] * i] = (pri[j] - 1) * phi[i];//2
        if(!(i % pri[j])) {phi[pri[j] * i] = pri[j] * phi[i]; brea$k;}//3
    }
}

代码解释

//1

这里的 $i$ 是一个质数 $\varphi(i) = i - 1$

//2

$i$ 不是质数 $pri[j]$ 是其一个质因子因为欧拉函数是一个积性函数所以

\[\varphi(i \times pri[j]) = \varphi(pri[j]) \times \varphi(i) \]

而 $pri[j]$ 又是一个质数所以

\[\varphi(pri[j]) = pri[j] - 1 \]

所以就有

\[\varphi(pri[j] * i) = (pri[j] - 1) \times \varphi(i) \]

//3

$\varphi(pri[j] \times i) = pri[j] \times \varphi(i)$ ~~这个玩意儿就比较苟了~~

设:

\[i \times pri[j] = x \times pri[j]^{n - 1} \times pri[j] = x \times pri[j]^n \]

且 $x$ 与 $pri[j]$ 互质

对 $p$ 为质数有:

\[\varphi(p^k) = p^k - p^{k - 1} = p^{k - 1} \times (p - 1) \]

证明:

$p^k$ 中有 $p^k$ 个数其只有 $p$ 一个质因子所以其所有的因数都是 $p$ 的倍数所以其包含自己在内的因子有 $p^{k - 1}$ 个把因子去掉就有了上式

所以有:

\[\varphi(p^k) = p^{k - 1} \times (p - 1)\\ \varphi(p^{k - 1}) = p^{k - 2} \times (p - 1) \]

所以有:

\[\varphi(p^k) = p \times p^{k - 2} \times (p - 1) \\= \varphi(p^{k - 1}) \times p \]

结合上面设的东西有:

\[\varphi(i \times pri[j]) = \varphi(x \times pri[j]^n) \\=\varphi(x) \times \varphi(pri[j]^n)\\=\varphi(x) \times \varphi(pri[j]^{n - 1} ) \times pri[j] \]

且:

\[\begin{align} & \because i \times pri[j] = x \times pri[j] ^ {n - 1} \times pri[j]\\ & \therefore x \times pri[j] ^ {n - 1} = i\\ & \therefore \varphi(x) \times \varphi(pri[j]^{n - 1}) = \varphi(x \times pri[j]^{n - 1})= \varphi(i)\\ & \therefore \varphi(x) \times \varphi(pri[j]^{n - 1}) \times pri[j] = \varphi(i) \times pri[j]\\ & \therefore \varphi(i \times pri[j]) = \varphi(i) \times pri[j] \end{align} \]

结合上面这三点就可以处理欧拉函数了

即(定义 $p$ 为质数):

$\varphi(1) = 1$
$\varphi(p) = p - 1$
若 $(p, x) = 1$ 则 $\varphi(p \times x) = \varphi(p) \times \varphi(x)$
若 $p \mid x$ 则 $\varphi(x \times p) = \varphi(x) \times (p - 1)$

这也是线筛筛欧拉函数的原理

$P2158$

遮住一半

第 $n + 1$ 列的贡献是 $\varphi(i)$

最终答案就是 $1 + 2\sum_{i = 1}^{n - 1}\varphi(i)$

裸筛

/*
  Time: 4.11
  Worker: Blank_space
  Source: P2158 [SDOI2008]仪仗队
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, e[B], ans = 1;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/

/*----------------------------------------函数*/
int main() {
	n = read(); if(n == 1) {puts("0"); return 0;}
	for(int i = 1; i <= n; i++) e[i] = i;
	for(int i = 2; i <= n; i++) if(e[i] == i)
		for(int j = i; j <= n; j += i) e[j] = e[j] / i * (i - 1);
	for(int i = 1; i < n; i++) ans += e[i] << 1;
	printf("%d", ans);
	return 0;
}

线筛

/*
  Time: 4.11
  Worker: Blank_space
  Source: P2158 [SDOI2008]仪仗队
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, phi[B], pri[B], cnt, ans;
bool vis[B];
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/

/*----------------------------------------函数*/
int main() {
	n = read(); if(n == 1) {puts("0"); return 0;} phi[1] = 1;
	for(int i = 2; i <= n; i++)
	{
		if(!vis[i]) pri[++cnt] = i, phi[i] = i - 1;
		for(int j = 1; j <= cnt && i * pri[j] <= n; j++)
		{
			vis[pri[j] * i] = 1; phi[pri[j] * i] = (pri[j] - 1) * phi[i];
			if(!(i % pri[j])) {phi[pri[j] * i] = pri[j] * phi[i]; break;}
		}
	}
	for(int i = 1; i < n; i++) ans += phi[i];
	printf("%d", ans << 1 | 1);
	return 0;
}

乘法逆元

鸽子合集

模数为质数费马小定理

\[a^{p - 1} \equiv 1 \mod p \]

\[\frac xy \equiv x \times y^{p - 2} \mod p \]

其他:

$O(n)$ 递推

inv[1] = 1;
inv[i] = (mod - mod / i) * inv[i % mod] % mod;

证明

设:

\[p = k \times i + r\ (r < i) \]

有:

\[k \times i + r \equiv 0 \mod p \]

两边同乘 $i^{-1}r^{-1}$ 有:

\[k \times r^{-1} + i^{-1} \equiv 0 \mod p \]

即:

\[i^{-1} \equiv -k \times r^{-1} \equiv -\lfloor\frac pi \rfloor \times r^{-1} \mod p \]

证毕

卡特兰数

\[h_n = \sum_{i = 0}^{n - 1}h_i \times h_{n - 1 - i} = {2n \choose n} - {2n \choose n + 1} = \frac{{2n \choose n}}{n + 1} = h_{n - 1}\frac{4n - 2}{n + 1}\ (h_0 = 1) \]

题目模型

凸 $n + 2$ 边形剖分数
$n$ 对合法括号方案数
$n$ 个元素出栈方案数
$n$ 个节点的二叉树个数
$n \times n$ 的放个从左下到右上不穿过对角线的方案数
圆周上 $2n$ 个顶点配对相连线段两两不想交方案数
$2n$ 个人一半带了 $5$ 元另一半带了 $10$ 元票价 $5$ 元不利用外界的前找完所有人的前的站队方案数
... ...

凸 $n + 2$ 边形剖分计数

用 $n$ 条连接顶点的线段把凸 $n + 2$ 边形剖分成 $n$ 个三角形的方案数

人为定义 $h_0 = 1$

给 $n + 2$ 个顶点标号 ($0 - n + 1$)

考虑一个方案中与连接 $0$ 号点相连的最小的点 $i$

$0 - i$ 线剖分了多少凸四边形

一边不连 $0$ 号点方案数为 $h_{i - 2}$ 另一侧可以连 $0$ 号点方案数是 $h_{n - i + 1}$

总方案

\[h_n = \sum_{i = 2}^{n + 1}h_{i - 2}h_{n - i + 1} = \sum_{i = 0}^{n - 1}h_ih_{n - i - 1} \]

合法括号计数

用 $n$ 对括号可以组成多少合法括号串

人为定义 $h_0 = 1$

$n$ 对括号任意放置的方案数为 ${2n \choose n}$

考虑非法括号方案找到第一个非法位置把该位置后面的括号取反

得到一个有 $n + 1$ 个右括号的序列方案数为 ${2n \choose n + 1}$ 每一个 $n + 1$ 个右括号的序列都对应了一个非法的原序列

得到

\[h_n = {2n \choose n} - {2n \choose n + 1} = \sum_{i = 0}^{n - 1}h_i \times h_{n - i - 1} \]

化简

\[{2n \choose n} - {2n \choose n + 1} = \frac{(2n)!}{n!n!} - \frac{(2n)!}{(n + 1)!(n - 1)!} \\ = \frac{(2n)!}{n!n!}\left(1 - \frac{n}{n + 1}\right)\\ = \frac{{2n \choose n}}{n + 1} \]

故有

\[\frac{h_n}{h_{n - 1}} = \frac{(2n)!}{(n + 1)n!n!} \times \frac{n(n - 1)!(n - 1)!}{(2n - 2)!} \\=\frac{2n(2n - 1)n}{(n + 1)n^2} \\= \frac{4n - 2}{n + 1} \]

有

\[h_n = {2n \choose n} - {2n \choose n + 1} = \frac{{2n \choose n}}{n + 1} = h_{n - 1}\frac{4n - 2}{n + 1} \]

其他

$n$ 个元素出栈方案数

入栈 = 左括号

出栈 = 右括号

$n \times n$ 的方格从左下到右上不穿过对角线的方案数

右 = 左括号

上 = 右括号

圆周上 $2n$ 个顶点配对相连线段两两不相交方案数

给 $2n$ 个顶点标号

连向点标号比自己大的点 = 左括号

连向点标号比自己小的点 = 右括号

$2n$ 个人一半带了 $5$ 元另一半带了 $10$ 元票价 $5$ 元不利用外界的前找完所有人的前的站队方案数

$5$ 元 = 左括号

$10$ 元 = 右括号

二叉树计数

人为定义 $h_0 = 1$

只考虑根节点若左子树中有 $i$ ($0 \leq i \leq n - 1$) 个点则右子树有 $n - i - 1$ 个点

\[h_n = \sum_{i = 0}^{n - 1}h_i\times h_{n - 1 - i} \]

P1044 栈

$n \leq 18$ ???

$n \leq 5000$ $h_n = \sum_{i = 0}^{n - 1}h_i \times h_{n - 1 - i}$

$n \leq 10 ^ 5\ \ h_n = h_{n - 1}\frac{4n - 2}{n + 1}$

$n \leq 10^9\ \ h_n = {2n \choose n} - {2n \choose n + 1}$ , $Lucas$

话说 $Lucas$ 是个啥

康托展开

康托展开是全排列序列到自然数的一一映射该自然数可以代表该序列在全排列中的排名

(正) 康托展开 : 全排列 $\to$ 名次

考虑有多少个排列可以比当前排列小

(逆) 康托展开 : 名次 $\to$ 全排列

可以快速知道每一位后面比当前小的数的个数

$P2525$

(~~菜到只配做入门题~~)

先康了

然后 $-1$

再逆康

/*
  Time: 4.11
  Worker: Blank_space
  Source: P2525 Uim的情人节礼物·其之壱
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<vector>
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, m, f[12], _a[12], a[12];
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
int cantor() {
	int res = 0, x;
	for(int i = 0; i < n; i++)
	{
		x = 0;
		for(int j = i + 1; j < n; j++) if(_a[i] - _a[j] > 0) x++;
		res += x * f[n - i - 1];
	}
	return res;
}
int incantor(int k) {
	int x; std::vector <int> v;
	while(!v.empty()) v.pop_back();
	for(int i = 1; i <= n; i++) v.push_back(i);
	for(int i = 1; i < n; i++)
	{
		a[i] = v[k / f[n - i]]; v.erase(v.begin() + k / f[n - i]);
		k %= f[n - i];
	}
	a[n] = v[0];
}
/*----------------------------------------函数*/
int main() {
	n = read(); f[1] = 1;
	for(int i = 0; i < n; i++) _a[i] = read();
	for(int i = 2; i <= 10; i++) f[i] = f[i - 1] * i;
	int t = cantor(); if(!t) puts("ERROR");
	incantor(t - 1);
	for(int i = 1; i <= n; i++) printf("%d ", a[i]);
	return 0;
}

$P5367$ 【模板】康托展开

$n^2$ 被卡了

发现多出来的那个 $O(n)$ 就是一个找还没有出现过的 $k$ 大值的过程随便写个数据结构

像什么权值树状数组权值线段树 ~~平衡..~~ 没事了

/*
  Time: 4.11
  Worker: Blank_space
  Source: P5367 【模板】康托展开
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define lowbit(x) ((x) & -(x))
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 998244353;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int n, a[C], ans, f[C], t[C];
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
void add(int x, int k) {for(int i = x; i <= n; i += lowbit(i)) t[i] += k;}
int sum(int x, int res = 0) {for(int i = x; i; i -= lowbit(i)) res += t[i]; return res;}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	n = read(); f[0] = 1;
	for(int i = 1; i <= n; i++) f[i] = f[i - 1] * i % mod, add(i, 1);
	for(int i = 1; i <= n; i++)
	{
		a[i] = read();
		ans = (ans + (sum(a[i]) - 1) * f[n - i] % mod) % mod;
		add(a[i], -1);
	}
	printf("%lld", ans + 1);
	return 0;
}

简单计数

第一类斯特林数

$s_{n, m}$ 表示的是将 $n$ 个不同的元素构成 $m$ 个圆排列的方案数

考虑插入第 $n$ 个元素可以直接递推

自成一环环数加一
插在某个元素后面环数不变

\[s_{n, m} = s_{n - 1, m - 1} + (n - 1) \times s_{n - 1, m} \]

注意边界

第二类斯特林数

$s_{n, m}$ 表示的是吧 $n$ 个不同元素划分到 $m$ 个集合中的方案数

考虑插入第 $n$ 个元素

自成一集合集合数加一
加入某集合集合数不变

\[s_{n, m} = s_{n - 1, m - 1} + m \times s_{n - 1, m} \]

注意边界

\[s_{0, i} = 0 \]

$P1287$

如果盒子相同就是第二类斯特林数但是盒子不同所以需要乘上盒子的全排列

答案是

\[s_{n, r} \times r! \]

或者 $dp$

\[f_{i, j} = f_{i - 1, j - 1} + j \times f_{i - 1, j} \]

\[ans = f_{n, r} \times r! \]

错排计数

满足 $a_i \ne i\ (1 \leq i\leq n)$ 的排列的个数

考虑第 $n$ 个位置是 $i$

第 $i$ 个位置上恰好是 $n$
第 $i$ 个位置上不是 $n$ 把 $n$ 看成 $i$

\[d_n = (n - 1)(d_{n - 1} + d_{n - 2})\ \ (d_1 = 0, d_2 = 1) \]

$P4071$

把稳定的拿出来剩下的就是错排

\[ans = {n \choose m}d_{n - m} \]

/*
  Time: 4.11
  Worker: Blank_space
  Source: P4071 [SDOI2016]排列计数
*/
/*--------------------------------------------*/
#include<cstdio>
#include<cstring>
#define int long long
#define Abs(x) ((x) < 0 ? -(x) : (x))
#define Max(x, y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
#define Min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
#define Swap(x, y) ((x) ^= (y) ^= (x) ^= (y))
/*--------------------------------------头文件*/
const int A = 1e4 + 7;
const int B = 1e5 + 7;
const int C = 1e6 + 7;
const int D = 1e7 + 7;
const int mod = 1e9 + 7;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
/*------------------------------------常量定义*/
int T, n, m, d[C], f[C], inv[C], ans;
/*------------------------------------变量定义*/
inline int read() {
	int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
	while(ch < '0' || ch > '9') {if(ch == '-') f = -1; ch = getchar();}
	while(ch >= '0' && ch <= '9') {x = (x << 3) + (x << 1) + (ch ^ 48); ch = getchar();}
	return x * f;
}
/*----------------------------------------快读*/
int mul(int a, int b) {int res = 1; for(; b; b >>= 1, a = a * a % mod) if(b & 1) res = res * a % mod; return res;}
/*----------------------------------------函数*/
signed main() {
	T = read(); d[2] = 1; f[1] = 1; inv[1] = 1;
	for(int i = 3; i <= C - 2; i++) d[i] = (i - 1) * (d[i - 1] + d[i - 2]) % mod;
	for(int i = 2; i <= C - 2; i++) f[i] = f[i - 1] * i % mod, inv[i] = mul(f[i], mod - 2);
	while(T--)
	{
		n = read(); m = read();
		if(n - m == 1) {puts("0"); continue;} if(m == n) {puts("1"); continue;} if(!m) {printf("%lld\n", d[n]); continue;}
		ans = f[n] * inv[m] % mod * inv[n - m] % mod * d[n - m] % mod;
		printf("%lld\n", ans);
	}
	return 0;
}

—— $END$

posted @ 2021-04-11 08:33 Blank_space 阅读(550) 评论(7) 编辑收藏举报

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数学基础 1

数论

前言

筛

裸筛

线筛

同余

\(P4942\)

\(euclid\) (欧几里得)扩展

\(P1516\)

同余运算法则

\(P3951\)

中国剩余定理(CRT)

\(P4777\)

Strange Way to Express Integers

\(P3868\)

\(CRT\)

\(P1495\)

欧拉函数

计算

欧拉定理的证明

欧拉函数筛

欧拉线筛

代码

代码解释

\(P2158\)

裸筛

线筛

乘法逆元

卡特兰数

凸 \(n + 2\) 边形剖分计数

合法括号计数

其他

二叉树计数

P1044 栈

康托展开

\(P2525\)

\(P5367\) 【模板】康托展开

简单计数

第一类斯特林数

第二类斯特林数

\(P1287\)

错排计数

\(P4071\)

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