卢卡斯定理
/ / 阅读耗时 12 分钟 这是一个模板。卢卡斯定理用于大组合数求模运算。
首先引入卢卡斯定理。
【卢卡斯定理】对于整数$n,m(m>0)和质数p,$若$n=sp+q , m=tp+r$,则有$C^{n}_m mod p=C^s_tC^q_r mod p$。
证明略。该定理可以用于快速求大组合数对某个质数的模。这里有模板题。1
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using namespace std;
long long n, m, p, op[100005];
long long qPow(long long a, long long b, long long p) {//快速幂
long long s = a, ans = 1ll;
while (b) {
if (b & 1)ans = ans * s % p;
s = s * s % p, b >>= 1;
}
return ans;
}
long long C(long long a, long long b, long long p) {
if (b < a)return 0ll;//仍然注意边界处理
long long s = op[a] * op[b - a] % p;//根据定义式,求分子
return op[b] * qPow(s, p - 2, p) % p;//乘法逆元处理
}
long long lucas(long long x, long long y, long long p) {
if (x == 0)return 1ll;//注意处理边界
return lucas(x / p, y / p, p) * C(x % p, y % p, p) % p;//后者直接求,前者递归求
}
int main() {
int t;
cin >> t;
while (t--) {
cin >> n >> m >> p;
op[0] = op[1] = 1ll;
for (int i = 2; i <= p; i++)op[i] = op[i - 1] * i % p;//预处理阶乘
cout << lucas(m, m + n, p) << endl;
}
return 0;
}
扩展卢卡斯
如果模数不是质数,卢卡斯定理便不再适用,这个时候如何求解组合数的模?需要用到扩展卢卡斯,只不过这一个算法与卢卡斯定理并没有什么关系,它需要前缀知识:扩展欧几里得算法和中国剩余定理(CRT)。
对于模数mod,根据整数分解唯一性定理,可以将其分解成下面的形式:
如果可以求出$C_n^m$对$p^s$的模,那么可以利用CRT合并答案,问题转化为如何求组合数对质数的幂次的模。
由于分母不一定与质数幂次互质,其逆元不一定存在,无法用逆元来求模。这里可以根据组合数定义:
将分子分母的所有因子p单独提出,这样就可以用逆元了,最后再乘上这些p因子乘积对$p^s$的模即可。下面考虑如何在剔除因子p的情况下快速求解阶乘。
现在假设要求解$x!$,质数为$p$,模数为$p^s$。将x分成几块:$1$到$p^s$是第一块,$p^s+1$到$2p^s$是第二块,依次类推,最后剩余的数暂且不去管它。可以发现,每一块都含有相同数量的p的倍数,并且对于每一块,将这些p的倍数剔除,剩下的数乘起来模$p^s$的值都是相同的。对于x来说,这样的块有$\lfloor \frac {x} {p^s} \rfloor$块,这样只需求解第一块除去p的倍数的数的乘积,再用一个快速幂即可。对于剩下的数,将它们暴力乘起来。
现在已经处理了所有非p的倍数,对于p的倍数,将它们依次除去因子p(前文已经说明需要剔除因子p),可以得到一个阶乘,容易知道这个阶乘是$\lfloor \frac {x} {p}\rfloor !$,递归求解即可,递归终止条件是$0!=1$。1
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8ll fac(ll a, ll p, ll pk) {//求阶乘:a!,p是质数,pk是p的幂次,这里定义long long 为ll
ll ans = 1ll;
if (a == 0)return 1ll;
for (ll i = 2; i <= pk; i++)if (i % p)ans = ans * i % pk;//第一块
ans = qPow(ans, a / pk, pk);//qPow是快速幂
for (ll i = 2; i <= a % pk; i++)if (i % p)ans = ans * i % pk;//暴力处理剩余的
return ans * fac(a / p, p, pk) % pk;//递归
}
那现在如何知道$x!$中有多少p的因子呢?首先p的倍数有$\lfloor \frac {x} {p}\rfloor$个,将它们全部除以p,得到一个阶乘$\lfloor \frac {x} {p}\rfloor !$,再计入它的p因子数目即可。若令$f(x)$表示$x!$中因子p的数目,由此得到递推式:
这样组合数求解函数就可以写出了:1
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8ll C(ll a, ll b, ll p, ll pk) {
ll x = fac(a, p, pk), y = fac(b, p, pk), z = fac(a - b, p, pk);//先求阶乘
ll k = 0;
for (ll i = a; i; i /= p)k += i / p;//递归求p因子数目
for (ll i = b; i; i /= p)k -= i / p;
for (ll i = a - b; i; i /= p)k -= i / p;//这是k就是提出来的p因子数目
return x * inv(y, pk) % pk * inv(z, pk) % pk * qPow(p, k, pk) % pk;//inv是逆元
}
再来一步中国剩余定理即可:1
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16ll CRT(ll a, ll m, ll mod) {//中国剩余定理
return a * inv(mod / m, m) % mod * (mod / m) % mod;
}
ll exLucas(ll n, ll m, ll mod) {//扩展卢卡斯主函数
ll ans = 0ll, tmp = mod, pk;
for (ll i = 2; i * i <= tmp; i++) {
if (tmp % i == 0) {
pk = 1ll;
while (tmp % i == 0)pk = pk * i, tmp /= i;
ans = (ans + CRT(C(n, m, i, pk), pk, mod)) % mod;
}
}
if (tmp > 1)ans = (ans + CRT(C(n, m, tmp, tmp), tmp, mod)) % mod;
return ans;
}
由于模数不一定是质数,故采用扩展欧几里得的方式来求逆元:1
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15ll exGcd(ll a, ll b, ll &x, ll &y) {//扩展欧几里得
if (b == 0) {
x = 1, y = 0;
return a;
}
ll r = exGcd(b, a % b, y, x);
y -= a / b * x;
return r;
}
ll inv(ll a, ll b) {//求逆元
ll x, y;
exGcd(a, b, x, y);
return (x % b + b) % b;//保证非负
}
附模板题全代码:1
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using namespace std;
typedef long long ll;
ll exGcd(ll a, ll b, ll &x, ll &y) {
if (b == 0) {
x = 1, y = 0;
return a;
}
ll r = exGcd(b, a % b, y, x);
y -= a / b * x;
return r;
}
ll qPow(ll a, ll b, ll mod) {
ll ans = 1ll, sta = a;
while (b) {
if (b & 1)ans = ans * sta % mod;
sta = sta * sta % mod, b >>= 1;
}
return ans;
}
ll inv(ll a, ll b) {
ll x, y;
exGcd(a, b, x, y);
return (x % b + b) % b;
}
ll CRT(ll a, ll m, ll mod) {
return a * inv(mod / m, m) % mod * (mod / m) % mod;
}
ll fac(ll a, ll p, ll pk) {
ll ans = 1ll;
if (a == 0)return 1ll;
for (ll i = 2; i <= pk; i++)if (i % p)ans = ans * i % pk;
ans = qPow(ans, a / pk, pk);
for (ll i = 2; i <= a % pk; i++)if (i % p)ans = ans * i % pk;
return ans * fac(a / p, p, pk) % pk;
}
ll C(ll a, ll b, ll p, ll pk) {
ll x = fac(a, p, pk), y = fac(b, p, pk), z = fac(a - b, p, pk);
ll k = 0;
for (ll i = a; i; i /= p)k += i / p;
for (ll i = b; i; i /= p)k -= i / p;
for (ll i = a - b; i; i /= p)k -= i / p;
return x * inv(y, pk) % pk * inv(z, pk) % pk * qPow(p, k, pk) % pk;
}
ll exLucas(ll n, ll m, ll mod) {
ll ans = 0ll, tmp = mod, pk;
for (ll i = 2; i * i <= tmp; i++) {
if (tmp % i == 0) {
pk = 1ll;
while (tmp % i == 0)pk = pk * i, tmp /= i;
ans = (ans + CRT(C(n, m, i, pk), pk, mod)) % mod;
}
}
if (tmp > 1)ans = (ans + CRT(C(n, m, tmp, tmp), tmp, mod)) % mod;
return ans;
}
int main() {
ll n, m, mod;
cin >> n >> m >> mod;
cout << exLucas(n, m, mod);
return 0;
}