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[数据结构与算法]C++快速幂详解

快速幂相较于普通的幂,具有占用空间少,效率更高等优点,全面碾压普通的幂。

在计算量较小时,二者相差无几,但数据规模一旦上来了,差距也就出来了。

所以,我们重点讲解快速幂


首先给出一个问题


给定 a,b,p 求a^b%p的值? ? ? ? ? 1<a,b,p<10^{9}


方法一(朴素):

讲道理,我们先把普通的朴素代码展示出来。从简单入手:

#include<cstdio>
unsigned long long a,b,p,x=1;
int main(){
	scanf("%llu %llu %llu",&a,&b,&p);
	for(int i=1;i<=b;i++){
		x=x*a%p;
	}
	printf("%llu",x);
	return 0;
}

能看懂吧!有人会问那最后的答案为什么会是x,那是因为我们在计算a^b时已经插入了取模运算,如下:

(a^b)mod p

=(a*a*a*a.....*a*a*a*a) mod p

=a mod p * a mod p * a mod p * a mod p ....... * a mod p

(一个无限套娃)

我们这样做的目的,就是避免大数相乘溢出数据范围,减少计算量。

但即使这样,如果a,p足够大,相乘起来也依然能够超过unsigned long long 的数据范围

(补充: unsigned long long 的数据范围是 [0,2^64),右边是开区间!2^64约为10^9)

方法二(位运算):

先上代码:

#include<cstdio>
unsigned long long a,b,p,ans=1;
int main(){
	scanf("%llu %llu %llu",&a,&b,&p);
	for(;b>0;b>>=1){
		if((b & 1)==1){
			ans=ans*a%p;
		} 
		a=(a*a)%p;
	}
	printf("%llu",ans);
	return 0;
} 

这个算法解释如下:
1.首先我们要明白任何一个正整数都能拆分成2的不同次幂相加的和。

例如: 7=2^0+2^1+2^2? ? ? ? ? ? ?19=2^0+2^1+2^4

说白了,就是能转换成2进制?

7? ? ?二进制? ? ? 111? ? ? ? ? ? ? 19? ? ? ? 二进制? ? ? 10011

同样对于b,我们能转化成

b=2^{0}*c1+2^{1}*c2+2^{2}*c3.........的形式,很明显,cX只能为0,1,因为二进制每一位上最大为1

那么 a^b=a^(2^{0}*c1+2^{1}*c2+2^{2}*c3........)

=a^?2^{0}*c1? ? ?*? ? ? a^2^{1}*c2? ? *? ? ? a^??2^{2}*c3.........

=a^{c1}? ? ? *? a^{2^{c2}}? ? ?*??a^{3^{c3}}.....................

mod p

=a^{c1}? mod p? ? *? a^{2^{c2}}? mod p? ?*??a^{3^{c3}}? ?mod p....................

到这里已经可以看出

a a^2 a^3? a^n可以通过前面 a^n-1推来

只需判断b对应二进制该位上是否为1

若为1,则计算,若为0不用管,因为 2^0=1 1对乘法运算没有影响

更多的,还需要读者多多思考,注重实践

新年到来之际,祝大家新年快乐!

谢谢大家的支持!

Thanks for watching!

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加:2022-02-01 20:51:59  更:2022-02-01 20:53:18 
 
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