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[人工智能]『题解』Luogu-P6271 [湖北省队互测2014]一个人的数论

P6271 [湖北省队互测2014]一个人的数论

Description

  • 给出非负整数 d d d 和正整数 n n n 的质因数分解式 n = ∏ i = 1 ω p i α i n = \prod_{i = 1}^{\omega} p_i^{\alpha_i} n=i=1ω?piαi??,请求出
    ( f d ( n ) = ∑ i = 1 n [ gcd ? ( i , n ) = 1 ] ? i d ) ? m o d ? ( 1 0 9 + 7 ) \left(f_d(n) = \sum_{i = 1}^n [\gcd(i, n) = 1]\, i^d \right) \bmod (10^9 + 7) (fd?(n)=i=1n?[gcd(i,n)=1]id)mod(109+7)

  • 0 ≤ d ≤ 100 , 1 ≤ ω ≤ 1 0 3 , 2 ≤ p i ≤ 1 0 9 , 1 ≤ α i ≤ 1 0 9 0\le d\le 100, 1\le \omega\le 10^3, 2\le p_i\le 10^9, 1\le \alpha_i \le 10^9 0d100,1ω103,2pi?109,1αi?109

Solution

f d ( n ) = ∑ i = 1 n [ gcd ? ( i , n ) = 1 ] ? i d = ∑ i = 1 n i d ∑ k ∣ gcd ? ( i , n ) μ ( k ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) ∑ i = 1 n [ k ∣ i ] ? i d = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k i d \begin{aligned} f_d(n) & = \sum_{i = 1}^n [\gcd(i, n) = 1] \, i^d \\ & = \sum_{i = 1}^n i^d \sum_{k\mid \gcd(i, n)} \mu(k) \\ & = \sum_{k \mid n} \mu(k) \sum_{i = 1}^n [k\mid i] \, i^d \\ & = \sum_{k \mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k}} i^d \end{aligned} fd?(n)?=i=1n?[gcd(i,n)=1]id=i=1n?idkgcd(i,n)?μ(k)=kn?μ(k)i=1n?[ki]id=kn?μ(k)kdi=1kn??id?

后面的等幂和直接用伯努利数做就可以了。

我们知道
S m ( n ) = ∑ k = 0 n ? 1 k m = 1 m + 1 ∑ k = 0 m ( m + 1 k ) B k n m + 1 ? k \begin{aligned} S_m(n) & = \sum_{k = 0}^{n - 1} k^m \\ & = \dfrac{1}{m + 1} \sum_{k = 0}^m \dbinom{m + 1}{k} B_k n^{m + 1 - k} \end{aligned} Sm?(n)?=k=0n?1?km=m+11?k=0m?(km+1?)Bk?nm+1?k?
设出系数
f i = 1 d + 1 ( d + 1 i ) B i f_i = \dfrac{1}{d + 1} \dbinom{d + 1}{i} B_i fi?=d+11?(id+1?)Bi?
系数可以 O ( d 2 ) \Omicron(d^2) O(d2) 预处理。


f d ( n ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d S d ( n k + 1 ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 0 d f i ( n k + 1 ) d + 1 ? i \begin{aligned} f_d(n) & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d S_d\left(\dfrac{n}{k} + 1 \right) \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 0}^d f_i \left(\dfrac{n}{k} + 1 \right)^{d + 1 - i} \end{aligned} fd?(n)?=kn?μ(k)kdSd?(kn?+1)=kn?μ(k)kdi=0d?fi?(kn?+1)d+1?i?
你发现这个 ( n k + 1 ) m + 1 ? i \left(\dfrac{n}{k} + 1 \right)^{m + 1 - i} (kn?+1)m+1?i 没法处理,但如果是 ( n k ) m + 1 ? i \left(\dfrac{n}{k}\right)^{m + 1 - i} (kn?)m+1?i 就很好了——它可以和前面的 k d k^d kd 相乘。

退回到上一步
f d ( n ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k i d = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k ? 1 i d + ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ( n k ) d = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k ? 1 i d + n d ∑ k ∣ n μ ( k ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k ? 1 i d + n d [ n = 1 ] \begin{aligned} f_d(n) & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k}} i^d \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k} - 1} i^d + \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \left(\dfrac{n}{k}\right)^d \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k} - 1} i^d + n^d \sum_{k\mid n} \mu(k) \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k} - 1} i^d + n^d [n = 1] \\ \end{aligned} fd?(n)?=kn?μ(k)kdi=1kn??id=kn?μ(k)kdi=1kn??1?id+kn?μ(k)kd(kn?)d=kn?μ(k)kdi=1kn??1?id+ndkn?μ(k)=kn?μ(k)kdi=1kn??1?id+nd[n=1]?
观察数据范围

1 ≤ ω ≤ 1 0 3 , 2 ≤ p i ≤ 1 0 9 , 1 ≤ α i ≤ 1 0 9 1\le \omega\le 10^3, 2\le p_i\le 10^9, 1\le \alpha_i \le 10^9 1ω103,2pi?109,1αi?109

说明 n ≠ 1 n\ne 1 n?=1


f d ( n ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 1 n k ? 1 i d = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d S d ( n k ) = ∑ k ∣ n μ ( k ) k d ∑ i = 0 d f i ( n k ) d + 1 ? i = ∑ k ∣ n μ ( k ) ∑ i = 0 d f i n d + 1 ? i k i ? 1 = ∑ i = 0 d f i n d + 1 ? i ∑ k ∣ n μ ( k ) k i ? 1 \begin{aligned} f_d(n) & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 1}^{\frac{n}{k} - 1} i^d \\ & = \sum_{k \mid n} \mu(k) k^d S_d\left(\dfrac{n}{k} \right) \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) k^d \sum_{i = 0}^d f_i \left(\dfrac{n}{k}\right)^{d + 1 - i} \\ & = \sum_{k\mid n} \mu(k) \sum_{i = 0}^d f_i n^{d + 1 - i} k^{i - 1} \\ & = \sum_{i = 0}^d f_i n^{d + 1 - i} \sum_{k\mid n} \mu(k) k^{i - 1} \end{aligned} fd?(n)?=kn?μ(k)kdi=1kn??1?id=kn?μ(k)kdSd?(kn?)=kn?μ(k)kdi=0d?fi?(kn?)d+1?i=kn?μ(k)i=0d?fi?nd+1?iki?1=i=0d?fi?nd+1?ikn?μ(k)ki?1?
你会发现
∑ k ∣ n μ ( k ) k i ? 1 = [ ( μ ? Id ? i ? 1 ) ? 1 ] ( n ) \sum_{k\mid n} \mu(k) k^{i - 1} = [(\mu\cdot \operatorname{Id}_{i - 1}) * \mathbf{1}](n) kn?μ(k)ki?1=[(μ?Idi?1?)?1](n)
所以这是一个积性函数,但是也不可能线性筛啊。

我们设
∑ k ∣ n μ ( k ) k i ? 1 = g i ( n ) \sum_{k\mid n} \mu(k) k^{i - 1} = g_i(n) kn?μ(k)ki?1=gi?(n)
因为 g i ( n ) g_i(n) gi?(n) 是积性函数,所以可以按质因数拆开:
g i ( n ) = ∏ k = 1 ω g i ( p k α k ) g_i(n) = \prod_{k = 1}^{\omega} g_i(p_k^{\alpha_k}) gi?(n)=k=1ω?gi?(pkαk??)
则只用考虑质因数幂的情况。

你会发现
g i ( p α ) = ∑ k ∣ p α μ ( k ) k i ? 1 g_i(p^{\alpha}) = \sum_{k\mid p^{\alpha}} \mu(k) k^{i - 1} gi?(pα)=kpα?μ(k)ki?1
其中只有 k = 1 k = 1 k=1 k = p k = p k=p μ ( k ) \mu(k) μ(k) 才有贡献。


{ μ ( 1 ) 1 i ? 1 = 1 μ ( p ) p i ? 1 = ? p i ? 1 \begin{cases} \mu(1) 1^{i - 1} = 1 \\ \mu(p) p^{i - 1} = - p^{i - 1} \end{cases} {μ(1)1i?1=1μ(p)pi?1=?pi?1?
所以
g i ( p α ) = 1 ? p i ? 1 g_i(p^{\alpha}) = 1 - p^{i - 1} gi?(pα)=1?pi?1
再贴一遍式子
f d ( n ) = ∑ i = 0 d f i n d + 1 ? i ∑ k ∣ n μ ( k ) k i ? 1 f_d(n) = \sum_{i = 0}^d f_i n^{d + 1 - i} \sum_{k\mid n} \mu(k) k^{i - 1} fd?(n)=i=0d?fi?nd+1?ikn?μ(k)ki?1
计算
g i ( n ) = ∏ k = 1 ω 1 ? p k i ? 1 g_i(n) = \prod_{k = 1}^{\omega} 1 - p_k^{i - 1} gi?(n)=k=1ω?1?pki?1?
O ( ω log ? i ) \Omicron(\omega \log i) O(ωlogi) 的,求个和就是 O ( ω d log ? d ) \Omicron(\omega d \log d) O(ωdlogd),但其实可以把 p i ? 1 p^{i - 1} pi?1 往上递推做到 O ( d ω ) \Omicron(d\omega) O(dω)

预处理伯努利数 f i f_i fi? O ( d 2 ) \Omicron(d^2) O(d2) 的,而 n d + 1 ? i n^{d + 1 - i} nd+1?i O ( d log ? d ) \Omicron(d\log d) O(dlogd) 的,远不及前面的 O ( d ω ) \Omicron(d\omega) O(dω)

综上,时间复杂度为 O ( d 2 + d ω ) \Omicron(d^2 + d\omega) O(d2+dω)

Code

注意预处理要处理到 d + 1 d + 1 d+1

//18 = 9 + 9 = 18.
#include <iostream>
#include <cstdio>
#define Debug(x) cout << #x << "=" << x << endl
typedef long long ll;
using namespace std;

const int MOD = 1e9 + 7;
const int MAXD = 105;

int add(int a, int b) {return (a + b) % MOD;}
int sub(int a, int b) {return (a - b + MOD) % MOD;}
int mul(int a, int b) {return (ll)a * b % MOD;}
int qpow(int a, int b) {int base = a, ans = 1; while (b) {if (b & 1) ans = mul(ans, base); base = mul(base, base); b >>= 1;} return ans;}
int GetInv(int a) {return qpow(a, MOD - 2);}

struct Bernoulli
{
	int fac[MAXD], fac_inv[MAXD], inv[MAXD];
	
	void pre(int d)
	{
		fac[0] = fac_inv[0] = inv[1] = 1;
		for (int i = 1; i <= d; i++)
		{
			fac[i] = mul(fac[i - 1], i);
		}
		fac_inv[d] = GetInv(fac[d]);
		for (int i = d - 1; i >= 1; i--)
		{
			fac_inv[i] = mul(fac_inv[i + 1], i + 1);
			inv[i + 1] = mul(fac_inv[i + 1], fac[i]);
		}
	}
	
	int C(int n, int m)
	{
		return mul(mul(fac[n], fac_inv[n - m]), fac_inv[m]);
	}
	
	int B[MAXD], f[MAXD];
	
	void cal(int d)
	{
		B[0] = 1;
		f[0] = inv[d + 1];
		for (int m = 1; m <= d; m++)
		{
			int sum = 0;
			for (int k = 0; k < m; k++)
			{
				sum = add(sum, mul(C(m + 1, k), B[k]));
			}
			B[m] = mul(MOD - sum, inv[m + 1]);
			f[m] = mul(mul(inv[d + 1], C(d + 1, m)), B[m]);
		}
	}
}Ber;

const int MAXW = 1005;

int p[MAXW], a[MAXW], xsy[MAXW];

int main()
{
	int d, w;
	scanf("%d%d", &d, &w);
	Ber.pre(d + 1), Ber.cal(d);
	int n = 1;
	for (int i = 1; i <= w; i++)
	{
		scanf("%d%d", p + i, a + i);
		n = mul(n, qpow(p[i], a[i]));
		xsy[i] = GetInv(p[i]);
	}
	int ans = 0;
	for (int i = 0; i <= d; i++)
	{
		int pro = 1;
		for (int j = 1; j <= w; j++)
		{
			pro = mul(pro, sub(1, xsy[j]));
			xsy[j] = mul(xsy[j], p[j]);
		}
		ans = add(ans, mul(mul(Ber.f[i], qpow(n, d + 1 - i)), pro));
	}
	printf("%d\n", ans);
	return 0;
}
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