数论day1 —— 基础知识（们）

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向大(hei)佬(e)势力学(di)习(tou)

这已经是第二次系统的学数论了，idy学长讲的好清晰。学得糊怪我。

1 一元一次同余方程
2 二元一次不定方程
3 欧拉定理
4 逆元
5 中国剩余定理
6 Lucas 定理
7 容斥原理
8 卡特兰数
9 各种组合数求法
10 积性函数
11 线性筛

1一元一次同余方程

如何解形如 ax≡b(mod m)的方程
其实，同余方程可以写成另一种形式 ax+mt=b（t为某整数），这样一来就有两个未知数了，用下面的二元一次不定方程解出x即可
然而，还有一种做法
分类讨论
1 gcd（a，m）==1 可以求出在模m意义下a的逆元，两边都乘上逆元即可
2 gcd（a，m）！=1
（1）gcd（a，m）-|b 无解
（2）gcd（a，m）|b 方程每个项都除gcd（包括m），然后执行1步骤

2二元一次不定方程

当我们要解整数方程 ax+by=c 时
根据拓展欧几里得可知 总有x,y满足 ax+by=gcd(a,b)，我们希望由此方程*c/gcd(a,b)得出解
令d=gcd(a,b)
1 d-|c 无解，因为无法乘上一个整数
2 d|c 用拓展欧几里得解出x0,y0，再乘上c/d（当然，其中的x0,y0是多解）

3欧拉定理

欧拉函数定义：
phi(n)=|{i∈[1,n]|gcd(i,n)=1}|
即[1,n]中与n互质的数的个数（模n的缩系的大小）
其中有一些性质
1 phi(nm)=phi(n)*phi(m) (gcd(m,n)=1)积性函数
2 phi(n)=n ∏(p|n) (1-1/p) 用于手算
3 n= ∑d|n phi(d) 在一些题目中可以将n化为此形式，会有特殊效果

欧拉定理
if gcd(a,n)=1 , then a^phi(n) ≡ 1 (mod n)
这个定理一般用来求逆元或对指数取膜*（在模意义下，如果指数太大，可以对指数mod phi）
对我来说，这个性质在day2的离散对数和原根有用

欧拉定理还有一个比较有用的扩展
if q>=phi(n) , then a^q≡a^(q mod phi(n)+phi(n)) (mod n)
这样就不需要a与n互质了（然而见识短浅的我并不明白有什么用T_T）

4逆元

在模m意义下，如果gcd(a,m)=1，设b，使得b满足 ab≡1(mod m)，则称b为a在模m的逆元
有两种方式求逆元
1 由欧拉定理得，因为gcd(a,m)=1，所以a^(phi(m)-1) *a ≡1(mod m),则a^(phi(m)-1)即为a的逆元。
2 ab≡1(mod m) 可以写成 ab+mt=1的形式，其中b,t是未知数，可以由拓展欧几里得解出b来

这两种方法都二斤八两，一个快速幂带log，一个exgcd带log，不过exgcd通常还是要快点吧？

5中国剩余定理（孙子定理）

（怕还是需要一点篇幅哦，要证明的话）
对于同余方程组 x≡ai (mod mi) （#）
若mi两两互素，设M=∏mi,Mi=M/mi,Ri=Mi^-1(在模mi的意义下的逆元），于是有下面的公式：
x≡∑ai Mi Ri (mod M)（@）
为什么是正确的呢？（这是我为数不多理解原因的定理了。。）
明确一点，只要（@）满足（#），（@）就是正确的
那么，当∑ai Mi Ri 模mi时，Mj(j!=i)必定包含mi，会被模成0，对答案就没有贡献了。Mi虽包含mi，它乘了一个逆元Ri，就为1了，结果方程（@）化简下来就是（#）了

然而两两互素的要求太严格了，有些时候不适用，如果不互素的话。。
可以两两合并
x≡a1(mod m1) ⇒ x=a1+m1*t1
x≡a2(mod m2) ⇒ x=a2+m2*t2
合并后，a1+m1*t1=a2+m2*t2 ，移项后 m1*t1+m2*t2=a2-a1（t是未知数，符号无所谓）即可用扩展欧几里得来求解t1,t2
设d=gcd(m1,m2)
1 d-|a2-a1 ，无解
2 d|a2-a1，解得k1=k10*(a2-a1)/d+k*m2/d，即x=a1+(……)m1，化简得合并后的式子为：
x≡a1+k10*(a2-a1)/d*m1 (mod lcm(m1,m2))（记住就好了）
一直合并下去，只要出现无解就无解，合并到最后就可以得出答案了

6Lucas定理

其中，如果出现n mod p < m mod p，则把对应的组合数看成0
卢卡斯定理主要用来求n,m很大，但p是小质数（10^6）的组合数
（证明我是真不会，知道就好了吧……实在要知道大佬们的博客也有讲）

7容斥原理

图片很形象对吧，像极了小学奥数题
公式写下来是：

鸽巢原理：把n个鸽子塞进n-1个巢中，那么必有一个巢有至少2个鸽子（通常可以用来分析）

8卡特兰数

先放公式

常见模型：
1、有n对括号括号序列的方案数
2、在一个n*n的棋盘上从左下角走到右上角，每次只能向右或向上，且不能越过对角线的路径数
3、n个节点的满二叉树种类（每个节点都有两个子节点或没有）
4、……

其实卡特兰数的模型都可以转化成：有2种东西A,B，任何时刻A的数量都大于等于B

那么下面就用模型2来辅助理解加记忆（现推）
直接求困难，就转化为 总数-不合法数

不合法的走法必定会经过图中的虚线，其之后的走法可以沿虚线翻折。不合法的方案就是从（0，0）到（3，5）的走法。由组合数我们可以易得一个矩阵的走法数量，相减即可。

所以，遇到有维持一个东西的数量恒大于等于另一个的问题，就可以想到卡特兰数。模型转化能力倒是很需要。

9各种组合数求法

对于不同数据范围的组合数，求法也会不一样，最好全部掌握
1、n<=5000，直接用c(n,m)=c(n-1,m-1)+(n-1,m)【当年的放苹果问题。。】
2、n<=10^6模大质数（超过n），预处理阶乘及其逆元（o(n)），然后直接用c(n,m)=n!/(m!(n-m)!)计算
3、n<=10^18模小质数（不超过10^6），用Lucas定理，转化为上面的问题
4、n<=10^7，模任意数，可以先用线性筛筛出10^7以内的素数，然后对于每个素数，算出其在n！中对应多少次方（o(logn)），然后指数加减，最后取膜。

【在最后放一个用3做的组合数，把2、逆元都包含进去了

10积性函数

f(nm)=f(n)f(m) (gcd(n,m)=1)
常见有用积性函数：
phi(n):欧拉函数
mui(n):Mobius函数值

嘛，对我来说积性就是在求函数的时候可以在线性筛时o（n）求出来

11线性筛

线性筛可以o(n)的时间和空间复杂度内筛出[1,n]之间的所有素数
设一个数a的最小素数因子是p，则保证a只会被a/p筛掉。这保证了它的时间复杂度是o(n)的。
模板要背熟

int prime[N],cntp=0;
bool not_p[N];
void prime(int n){
    not_p[1]=1;
    for(int i=2;i<=n;i++){
        if(!not_p[i])
            prime[++cntp]=i;
        for(int j=1;j<=cntp&&i*prime[j]<=n;j++){
            not_p[i*prime[j]]=1;
            if(i%prime[j]) break;
        }
    }
}

筛积性函数的话就结合其性质穿插到里面就好了

好啦，就是这样啦
总结：
虽然是基础，但也不能忽略，基础牢固了，才可以衍生出更多的东西

最后，放一道考试题（组合数）

最近Mr. Hu 得到了一个宝箱, 但宝箱被上了锁, 需要解决一个问题才能将其打开, 问题是这样的:
你有n 个不同的苹果, 你想从里面选出m 个来, 问方案数, 结果可能很大, 输出模M 后的结果输出, 其中
M 是k 个不同的素数p1; p2; :::; pk 的乘积.
Mr. Hu 一眼就解决了这个问题, 但他知道你们最近才学了这方面的知识, 于是就把这个问题交给了你们.
Input
第1 行，3 个整数n m k, 意义如上。
第2 行k 个不同的素数:p1 p2 ::: pk.
Output
输出一个整数表示答案.
Sample
treasure.in treasure.out
9 5 2
3 5
6
Note
• 对于10% 的数据，1  n  103,k = 1;
• 对于30% 的数据，1  n  105,k = 1,n < p1;
• 对于60% 的数据，1  n  1018,k = 1;
• 对于100% 的数据，1  n  1018, 1  k  10
• 对于所有数据，0  m  n  1018, 2  pi  105 且pi 互不相同.

#include
#include
#include
#define ll long long 
using namespace std;

const ll N=100000+5;

ll n,m,k,p[20],M=1,mod;
ll jiec[N],niy[N];
ll ans[N],fans=0;

ll mult(ll a,ll b){
    ll rt=0;
    for(ll i=b;i>0;i>>=1,a=(a+a)%mod)
        if(i&1) rt=(rt+a)%mod;
    return rt;
}
void exgcd(ll a,ll b,ll &x,ll &y){
    if(b==0){
        x=1,y=0;
    }else{
        ll x0,y0;
        exgcd(b,a%b,x0,y0);
        x=y0;
        y=x0-(a/b)*y0;
    }
}
ll get_niy(ll a){
    ll x,y;
    exgcd(a,mod,x,y);
    x=((x%mod)+mod)%mod;
    return x;
}
void init(){
    jiec[1]=1;
    niy[1]=1;
    for(ll i=2;i<=N;i++){
        jiec[i]=(jiec[i-1]*i)%mod;
        niy[i]=get_niy(jiec[i])%mod;
    }
}
ll getans(ll a,ll b){
    return mult((mult(jiec[a],niy[b])%mod),niy[a-b])%mod;
}
ll lucas(ll a,ll b){
    if(a==b||b==0) return 1;
    if(areturn 0;
    if(a<mod&&b<mod) return (getans(a,b))%mod;
    return mult(lucas(a/mod,b/mod),lucas(a%mod,b%mod))%mod;
}
int main(){
    freopen("treasure.in","r",stdin);
    freopen("treasure.out","w",stdout);
    scanf("%I64d%I64d%I64d",&n,&m,&k);
    for(ll i=1;i<=k;i++){
        scanf("%I64d",&p[i]);
        M*=p[i];
    }
    for(ll i=1;i<=k;i++){
        mod=p[i];
        init();
        ans[i]=lucas(n,m);
    } 
    for(ll i=1;i<=k;i++){
        mod=p[i];
        ll orz=M/p[i],ni_orz=get_niy(orz)%mod;
        mod=M;
        fans=(fans+mult((mult(orz,ni_orz)%M),ans[i])%M)%M;
    }
    printf("%I64d\n",fans);
    return 0;
}