让计算机很快地求出a^b%c;
让计算机很快地求出ab
暴力相乘的话,电脑要计算 b 次。用快速幂,计算次数在 log 2(b) 级别,很实用。
原理 I
(1)如果将 a 自乘一次,就会变成 a2 。再把 a2 自乘一次就会变成 a4 。然后是 a^8
…… 自乘 n 次的结果是 a^2 n
(2)axay = ax+y,这个容易。
(3)将 b转化为二进制观看一下:
比如b=(11)10 就是 (1011) 2 。从左到右,这些 11 分别代表十进制的 8,2,18,2,1。可以说 a11= a8 × a2 × a1
为什么要这样表示?因为在快速幂的过程中,我们会把 a 自乘为 a^2
,然后 a2a 自乘为 a4……像上面第一条说的。
过程会是这样:
(好长,可以不看,如果要阅读下面的模拟过程的话,要慢慢地看噢)·假设我们拿到了 a,并且 b=11。想求 a^11 ,但是又不想乘11次,有点慢。·以电脑视角稍稍观察一下 b=11,二进制下是 b=1011。·制作一个 base。现在 base=a,表示的是,a1 = a。待会base会变的。·制作一个 ansans,初值 11,准备用来做答案。
while(b > 0)
{
·循环一。看b(二进制)的最后一位是 1 吗? 是的。这代表 a11= a8×a2×a1 中的“ ×a1 ”存在。所以 ans *= base。
if(b & 1)
ans *= base;
/*关于 b & 1:
“&”美名曰“按位与”。
x & y 是二进制 x 和 y 的每一位分别进行“与运算”的结果。
与运算,即两者都为 1 时才会返回 1,否则返回 0。
那么 b & 1
二进制
b = 1011
1 = 0001
b&1 = 0001
因为 1(二进制)的前面几位全部都是 0,
所以只有 b 二进制最后一位是 1 时,b & 1 才会返回 1。
挺巧妙的,并且很快)*/
·然后 basebase 努力上升,他通过自乘一次,使自己变成 a2 。
base *= base;
同时
b >>= 1;
它把(二进制的)自己每一位都往右移动了。原来的最后第二位,变成了最后第一位!b=(101) 2 。
}
·循环二,再看看 b,最后一位还是 1。这说明有“ ×a 2 ”,ans∗=base。 继续努力,通过 base∗=base 让自己变成了 a 4 。然后 b 也右移 一位,b=10。循环三,可是 b 的最后一位不再是 1 了,说明不存在“ × a4 ”。base 自我升华,达到了 a8 。且 b>>=1。这一步中,答案没有增加,可是毕竟 b>0,还有希望。·循环四,b 的最后一位是 1,这说明“ ×a8 ”的存在。ans *= base。由于 b 再右移一位就是 0 了,循环结束。
总的来说,如果 b在二进制上的某一位是 1,我们就把答案乘上对应的 。不懂的话,请结合代码理解~
实现
int quickPower(int a, int b)//是求a的b次方
{
int ans = 1, base = a;//ans为答案,base为a^(2^n)
while(b > 0)//b是一个变化的二进制数,如果还没有用完
{
if(b & 1)//&是位运算,b&1表示b在二进制下最后一位是不是1,如果是:
ans *= base;//把ans乘上对应的a^(2^n)
base *= base;//base自乘,由a^(2^n)变成a^(2^(n+1))
b >>= 1;//位运算,b右移一位,如101变成10(把最右边的1移掉了),10010变成1001。现在b在二进制下最后一位是刚刚的倒数第二位。结合上面b & 1食用更佳
}
return ans;
}
取余运算
快速幂经常要结合取余运算。这里也讲一点。
取余运算有一些好用的性质,包括:
(A+B) \mod b = (A \mod b + B \mod b) \mod b
(A×B) \mod b = ((A \mod b) × (B \mod b)) \mod b
证明都很简单,如果要说服自己的话拿起笔试试吧。可设 A = k_A × b + R_A
于是快速幂过程中可以
while(b > 0)
{
if(b & 1)
{
ans *= base;
ans %= m;
}
base *= base;
base %= m;
b >>= 1;
}
能保证这样下来最后的结果与“先乘到最后,再取余”的结果一样。