2021-07-29---数论模板

Instructions

来自蒟蒻的数论模板

质数

无穷理论的证明：
设质数有有限的n个，依次为p₁,p₂,p₃,…,pn，则令N=p₁p₂p₃…pn。
1.若N+1为质数，则N+1一定是一个新的质数
2.若N+1为合数，则N一定存在一个不等于p₁,p₂,p₃,…,pn的质数因子。

质数判定的方法：
1.枚举，范围[2,sqrt(n)]。
2.筛选法（打表预处理）
1)、Eratosthenes筛法：用质数i筛掉i的倍数。
：2i,3i,4i…都是合数，一般从ii开始筛，因为2i已经筛过了，3i被3筛过了。
①效率接近线性
②存在重复筛选的问题（eg:15被3、5都筛了一次）
2)、欧拉线性筛：每个合数只用被最小的质因子筛掉。
①num[i]记录i的最小质因子，如果num[i]==i，则i就是质数。
②接下来从小到大枚举已确定的质数primes[j]，则iprimes[j]的最小质因子一定是primes[j]，除非primes[j]>num[i]。
O(n)的时间复杂度。
欧拉筛模板：

inline void OULA(){for(int i=2;i<=maxn;i++){if(!num[i])primes[++cnt]=i;for(int j=1;i*primes[j]<=maxn;j++){num[i*primes[j]]=true;if(i%primes[j]==0)break;}}
}

约数

N=p1^c1*p2^c2*…*pm^cm。
①N的正约数{p1^b1*p2^b2*…*pm^bm|0<=bi<=ci}。
②N的正约数个数为(c1+1)(c2+1)…(cm+1)=∏i=1~m(ci+1)。
③N的所有正约数和为(1+p1+p1²+…+p1^c1)*…*(1+pm+pm²+…+pm^cm)。

求N的正约数集合：
枚举，1-sqrt(n)，完全平方数需要特判。(约数有对称性定理)
对于正整数N，约数上限为2sqrt(n)个。
求1-N中所有数字的正约数：枚举时间复杂度O(Nsqrt(N))。
可以像Eratosthenes筛质数一样，i一定是i的倍数的约数，时间复杂度近似O(nlogn)。

欧拉筛+欧拉函数phi模板：

inline void OULA(){for(int i=2;i<=maxn;i++){if(!num[i]){primes[++cnt]=i;phi[i]=i-1;}for(int j=1;i*primes[j]<=maxn;j++){num[i*primes[j]]=true;phi[i*primes[j]]=phi[i]*(primes[j]-1);if(i%primes[j]==0){phi[i*primes[j]]=phi[i]*primes[j];break;}}}
}

直接求phi模板：

inline int phii(int x){ans3=n;for(int i=2;i<=sqrt(n+1);i++){if(x%i==0){ans3=ans3*(i-1)/i;while(x%i==0){x/=i;}}}if(x>1){ans3=ans3*(x-1)/x;}
}

试除法求约数模板：

inline void Factor(int x){for(int i=1;i<=sqrt(x+1);i++){if(x%i==0){ans[++cntt]=i;if(i!=x/i)ans[++cntt]=x/i;}}sort(ans+1,ans+cntt+1);for(int i=1;i<=cntt;i++){printf(" %lld",ans[i]);ans2+=ans[i];}printf("\n");
}

整数唯一分解：
a=p1e1*p2e2p3e3*…*pnen(p1<p2<…<pn);
b=p1f1*p2f2p3f3*…*pnfn。
则gcd(a,b)=p1min(e1,f1)*p2min(e2,f2)…pn^min(en,fn);
lcm(a,b)=p1max(e1,f1)*p2max(e2,f2)…pn^max(en,fn)。
其因数个数为(e1+1)(e2+1)…(en+1)。

inline void workk(int x){vector<int>a;vector<int>b;int k=0;for(int i=2;i<=sqrt(x+1);i++){if(x%i==0){k=0;a.push_back(i);while(x%i==0){x/=i;k++;}b.push_back(k);}}if(x>1){a.push_back(x);b.push_back(1);}printf("%d=",n);for(int i=0;i<a.size();i++){printf("%d^%d",a[i],b[i]);if(i+1!=a.size())printf("*");}printf("\n");
}

矩阵

矩阵快速幂模板：

inline void Mull(){memset(ans,0,sizeof(ans));for(int i=1;i<=k;i++){for(int j=1;j<=k;j++){long long val=0;for(int q=1;q<=k;q++){val+=(ret[i][q]%m*a[q][j]%m)%m;}ans[i][j]=val%m;}}for(int i=1;i<=k;i++){for(int j=1;j<=k;j++){ret[i][j]=ans[i][j];}}
}
inline void Mull_Self(){memset(ans,0,sizeof(ans));for(int i=1;i<=k;i++){for(int j=1;j<=k;j++){long long val=0;for(int q=1;q<=k;q++){val+=(a[i][q]%m*a[q][j]%m)%m;}ans[i][j]=val%m;}}for(int i=1;i<=k;i++){for(int j=1;j<=k;j++){a[i][j]=ans[i][j];}}
}
inline void Quick_Pow(long long x){memset(ret,0,sizeof(ret));for(int i=1;i<=k;i++){ret[i][i]=1;}while(x){if(x&1)Mull();Mull_Self();x>>=1;}
}

快速幂优化递推例题链接：递推的矩阵优化

莫比乌斯反演

inline void Mobius(){Mo[1]=1;for(int i=2;i<=maxn-1;i++){if(!num[i]){primes[++cnt]=i;Mo[i]=-1;}for(int j=1;j<=cnt&&i*primes[j]<maxn;j++){num[i*primes[j]]=true;Mo[i*primes[j]]=Mo[i]*(-1);if(i%primes[j]==0){Mo[i*primes[j]]=0;break;}}}
}

例题：HAOI2011

卡特兰数