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20170529_3 数论_gcd 题解

时间:2017-05-29 22:23:21      阅读:333      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:alt   com   辗转相减   blog   迭代   推广   write   二叉树   总结   

1.LCM Range最小公倍数

其实就是求 l 到 r 这么多自然数的最小公倍数。

需要注意LCM的求法,

理论:a与b的最小公倍数=a*b/gcd(a,b)。

这里,lcm=ans*i*gcd(ans,i)

在后面的学习中由于ans*i可能很大,容易爆

所以可以写作:lcm=ans*gcd(ans,i)*i (交换律)

最终的答案由于就是当前答案和后一个数的lcm

代码如下:

var l,r,i,ans:longint;
function gcd(x,y:qword):qword;
begin
 if y=0 then gcd:=x
 else gcd:=gcd(y,x mod y);
end;
begin
assign(input,lcm.in);
assign(output,lcm.out);
reset(input);
rewrite(output);
 readln(l,r);
 ans:=1;
 for i:=l to r do
   ans:=ans div gcd(ans,i)*i ;//迭代
 writeln(ans);
close(input);
close(output);
end.

2.最大公约数(gcd.pas/c/cpp)

下面要解析的是一道 NOI 2012 chess 的原题!orz

请首先看:对于 100%:N, Q <= 100000,所有数的绝对值始终小于等于 10^16

这是数据范围,吓蒙了!果然是NOI难度啊(其实这种难度好像算NOI历史最低了吧?)

模拟就不用说了吧,太简单!于是就来对于100%数据的题解。

这里用到gcd的求法2:

更相减损法

“关于约分问题,实质是如何求分子,分母最大公约数的问题.<九章算术>中介绍了这个方法,叫做”更相减损术”,即“可半者半之,不可半者,副置分母、子之数,以少减多,更相减损,求其等也。以等数约之。”

翻译成现代语言如下:
  第一步:任意给定两个正整数;判断它们是否都是偶数。若是,则用2约简;若不是则执行第二步。
  第二步:以较大的数减较小的数,接着把所得的差与较小的数比较,并以大数减小数。继续这个操作,直到所得的减数和差相等为止。
  则第一步中约掉的若干个2与第二步中等数的乘积就是所求的最大公约数。
  其中所说的“等数”,就是最大公约数。求“等数”的办法是“更相减损”法。所以更相减损法也叫等值算法。
数学家刘徽对此法进行了明确的注解和说明,是一个实用的数学方法,中学生应该掌握它.
如何证明?不妨举个栗子:
今有九十一分之四十九,问约之得几何?注:实质上就是求gcd
我们用(91,49)表示91和49的最大公约数.按刘徽所说,分别列出分子,分母,”以少减多,更相减损,求其等也,以等数约之,等数约之,即除也,其所以相减者皆等数之重叠,故以等数约之.”译文如下:约分的法则是:若分子、分母均为偶数时,可先被2除,否则,将分子与分母之数列在它处,然后以小数减大数,辗转相减,求它们的最大公约数,用最大公约数去约简分子与分母。其与古希腊欧几里德所著的《几何原本》中卷七第一个命题所论的相同。列式如下:
91≡42(mod49)
49≡7(mod42)
7│42
再来看一个栗子:
(24,15)->(9,15)->(9,6)->(3,6)->(3,3)
说明了:
每次所得两数与前两数有相同的等数,两数之值逐步减少,因而到有限步后必然获得相同的两数,也即所求的等数,其理由不证自明.
证明更相减损法成立!
用现代语言来说就是 (a, b) = (a, a - b)
接下来就是推论下去:

gcd(a[1], a[2]) = gcd(a[1], a[2] – a[1])
gcd(a[2], a[3]) = gcd(a[2], a[3] – a[2])
gcd(a[1], a[2], a[3]) = gcd(a[1], a[2]–a[1], a[3]–a[2])
………
gcd(a[1], … , a[n]) = gcd(a[1], a[2]–a[1],………,a[n]–a[n - 1])

对于题目中所说每个数都加增加了多少其实不需要使用O(n)的算法

这里可以看到:上面的式子中除了a[1]其他都是不变的!

 d=a[2]–a[1],………,a[n]–a[n - 1](d为常数)

于是原来O(n)的算法变成了O(1)累加a[1]即可!

在读入a[2..n]数据时就处理gcd,得到常数d,

对于1到Q就形成O(N) – O(1)  在线算法。

总结一下本题思路:怎么求gcd?

(a, b) = (b, a mod b)--->(a, b) = (a, a - b)

gcd(a[1], a[2]) = gcd(a[1], a[2] – a[1])
gcd(a[2], a[3]) = gcd(a[2], a[3] – a[2])
gcd(a[1], a[2], a[3]) = gcd(a[1], a[2]–a[1], a[3]–a[2])
………
gcd(a[1], … , a[n]) = gcd(a[1], a[2]–a[1],………,a[n]–a[n - 1])
上面的式子中除了a[1]其他都是不变的!因此可事先预处理出来

即读入a[2..n]数据时就处理gcd,得到d,但需要考虑a[i]-a[i-1]可能为负数(简单的将其为abs(a[i]-a[i-1]))。
每次修改a[1],求gcd(a[1],d)即是答案。
O(N) – O(1) 在线算法

代码如下:

var n,q,i:longint;
    a:array[0..100000]of int64;
    d,t:int64;
function gcd(a,b:int64):int64;
begin
 if a<0 then a:=-a;
 if b<0 then b:=-b;
 if b=0 then exit(a)
   else exit(gcd(b,a mod b));
end;
begin
assign(input,gcd.in);
assign(output,gcd.out);
reset(input);
rewrite(output);
 readln(n,q);
 d:=0;
 for i:=1 to n do begin
  read(a[i]);
  if i<>1 then d:=gcd(a[i]-a[i-1],d);
 end;
 for i:=1 to q do begin
  read(t);
  a[1]:=a[1]+t;
  writeln(gcd(a[1],d));
 end;
 close(input);
 close(output);
end.

3.约数统计AHOI2005

安徽省队选拔的水题!但是还是orz

N=4时:

1:1

2:1、2

3:1、3

4:1、2、4

我们可以发现 总和中1出现了n次,2出现了n/2次,3出现了n/3次……答案就是n+n/2+n/3+n/4(这里的/其实是div)

于是推广一下:

考虑[1,n]中每个数的约数当中有i的数就是n div i个。因此i对答案的贡献就是n div i。

∴ans=(n+n/2+n/3+……+n/n )mod (10^9+7)(这里的/其实是div)

程序如下:

var n,i,sum,p:longint;
begin
assign(input,1.in);
assign(output,1.out);
reset(input);
rewrite(output);
 p:=1000000007;
 readln(n);
 for i:=1 to n do
  sum:=(sum+n div i)mod p;
 writeln(sum mod p);
close(input);
close(output);
end.

4.最轻的天平 (mobile.c/cpp/pas)L1961

https://www.luogu.org/problem/show?pid=1961

有没有发现其实这个天平有点像完全二叉树?我也觉得像。

技术分享

解决这道题需要3个分析知识:

●题目中的隐含条件为挂的物品必须为整数,即每个天平悬挂的物品重量必须为整数。(没什么好解释)
●题目的约束条件即为天平必须平衡,即重量与长度的乘积必须相等。(简单机械中的杠杆原理)
●左右没有天平(叶)的天平左右的单位重量都为1,该杠杆的最轻重量即为(p+q) div gcd(p,q) (转化一下就是 p div gcd(p,q) + q div gcd(p,q))

总体的算法思想是:

若天平i左边的最轻重量为x,右边为y,则左边重量为ax,右边为by
∴ax*p=by*q,a:b=qy:xp,我们使a:b最简即可(求gcd),ax+by即为天平的最轻重量。

(a,b∈N*) 是指a,b均为自然数

但是我们都不知道根节点是哪个怎么求呢?

这里用到类似并查集的算法:

 for i:=1 to n do begin
  readln(p[i],q[i],r[i],b[i]);
  fa[r[i]]:=true;
  fa[b[i]]:=true;
 end;
 for i:=1 to n do  if fa[i]=false then root:=i;

这样我们就找到了根root。

随后就是递归建树(假假的树):

procedure build(k:longint; var ans:int64);
var t,d1,d2:int64;
begin
 if r[k]<>0 then build(r[k],d1) else d1:=1;//如果不是叶结点就递归深入,否则假定根节点是1开始累加退回
 if b[k]<>0 then build(b[k],d2) else d2:=1;//同上
 t:=(p[k]*d1)*(q[k]*d2) div gcd(p[k]*d1,q[k]*d2);//上面解释里a:b最简的值,即该结点(天平)的最小重量
 ans:=t div p[k]+ t div q[k];//预备知识3:该杠杆的最轻重量即为(p+q) div gcd(p,q) (转化一下就是 p div gcd(p,q) + q div gcd(p,q))
end;

于是就做好了!

代码如下:

var i,root,n:longint;
    sum:int64;
    fa:array[0..1000]of boolean;
    p,q,r,b:array[1..1000]of longint;
function gcd(a,b:longint):longint;
 begin
  if b=0 then gcd:=a
   else gcd:=gcd(b,a mod b);
end;
procedure build(k:longint; var ans:int64);
var t,d1,d2:int64;
begin
 if r[k]<>0 then build(r[k],d1) else d1:=1;
 if b[k]<>0 then build(b[k],d2) else d2:=1;
 t:=(p[k]*d1)*(q[k]*d2) div gcd(p[k]*d1,q[k]*d2);
 ans:=t div p[k]+ t div q[k];
end;
begin
 assign(input,mobile.in); reset(input);
 assign(output,mobile.out); rewrite(output);
 readln(n);
 for i:=1 to n do begin
  readln(p[i],q[i],r[i],b[i]);
  fa[r[i]]:=true;
  fa[b[i]]:=true;
 end;
 for i:=1 to n do
  if fa[i]=false then root:=i;
 build(root,sum);
 writeln(sum);
 close(input);close(output);
end.

 

20170529_3 数论_gcd 题解

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