【No.19】蓝桥杯简单数论上|模运算|快速幂|GCD|LCM|刷题统计|RSA解密|核桃的数量(C++)

简单数论

模运算
  • 定义:模运算为 a 除以 m 的余数,记为 a mod m,有 a mod m = a % m
  • 模运算是大数运算中的常用操作。
  • 如果一个数太大,无法直接输出,或者不需要直接输出,可以把它取模后,缩小数值再输出。
  • Python 虽然能直接计算大数,不用担心数据溢出,但是大数乘法太耗时,所以也常用取模来缩小数值。
  • 一个简单应用,判断奇偶:a%2==0,a 是偶数;a%2==1,a 是奇数
例题:刷题统计 2022 年第十三届省赛,lanqiaoOJ 题号 2098

【问题描述】
小明决定从下周一开始努力刷题准备蓝桥杯竞赛。他计划周一至周五每天做 a 道题目,周六和周日每天做 b 道题目。请你帮小明计算,按照计划他将在第几天实现做题数大于等于 n 题?
【输入格式】
输入一行包含三个整数 a, b 和 n。
【输出格式】
输出一个整数代表天数。
【评测用例规模与约定】
对于 50%的评测用例,1 ≤ a, b, n ≤ 10^6;
对于 100%的评测用例,1 ≤ a, b, n ≤ 10^18。

题目解析

求余数的简单题,利用求余,把计算复杂度降为 O(1)。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
int main()
{ll a,b,n; cin >> a >> b >> n;    //先输入a,b,nll week = a * 5+b * 2;     //每周做题ll days = (n / week) * 7;  //目前的天数n %= week;             //剩下的做题数if(n <= a * 5)       //在周一到周五内days += n / a + (n % a ? 1 : 0);  //n/a计算整天数,还剩余的话+1else{                  //周六和周日//不是在前五天,先把这5天加上,总刷题数再减去这5天做的days += 5, n -= a * 5;//再判断n/b,现在n只能是0~2b-1,判断需不需要多加1天days += n / b + (n % b ? 1 : 0);}cout << days;return 0;
}
快速幂

幂运算 a n a^n an,当 n 很大时,如果一个个乘,时间是 O(n) 的,速度很慢,此时可以用快速幂,在 O(logn) 的时间内算出来。
快速幂的一个解法:分治法,算 a 2 a^2 a2,然后再算 ( a 2 ) 2 (a^2)^2 (a2)2 ,…,一直算到 a n a^n an,代码也容易写。

  • 标准的快速幂:用位运算实现。
  • 基于位运算的快速幂,原理是倍增。
快速幂原理

以  a 11 a^{11} a11 为例说明如何用倍增法做快速幂。
(1)幂次与二进制的关系。把 a 11 a^{11} a11 分解成幂  a 8 a^{8} a8 a 2 a^{2} a2 a 1 a^{1} a1 的乘积: a 11 = a 8 + 2 + 1 = a 8 ∗ a 2 ∗ a 1 a^{11}=a^{8+2+1}=a^{8}*a^{2}*a^{1} a11=a8+2+1=a8a2a1。其中 a 1 a^{1} a1 a 2 a^{2} a2 a 4 a^{4} a4 a 8 a^{8} a8…的幂次都是 2 的倍数,所有的幂  a i a^{i} ai 都是倍乘关系,逐级递推,代码: a *= a
(2)幂次用二进制分解。如何把 11 分解为 8+2+1?利用数的二进制的特征,n = 1 1 10 11_{10} 1110 = 101 1 2 1011_{2} 10112 = 2 3 + 2 1 + 2 0 = 8 + 2 + 1 2^3+2^1+2^0=8+2+1 23+21+20=8+2+1 ,把 n 按二进制处理就可以。
(3)如何跳过那些没有的幂次?例如 1011 需要跳过  a 4 a^4 a4。做个判断,用二进制的位运算实现:

  • n & 1 :取 n 的最后一位,并且判断这一位是否需要跳过。
  • n >>= 1 :把 n 右移一位,目的是把刚处理过的 n 的最后一位去掉。
    幂运算的结果往往很大,一般会先取模再输出。 根据取模的性质有:
    a^n mod m = (a mod m)^n mod m
    所以可以边做幂边取模
例题:快速幂 lanqiaoOJ 题号 1514

【题目描述】
给定 b, p, k,求(b^p) mod k。
其中 2≤b, p, k≤10^9。
【输入描述】
三个整数 b,p,k。
【输出描述】
输出(b^p) mod k。

题目解析
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;     //变量改用较大的long long
ll fastPow(ll a, ll n, ll mod)
{ll ans = 1;a %= mod;          //重要,防止下面的ans*a越界while(n) {if(n & 1)     //取第一位,如果是1的话ans = (ans*a) % mod;   //取模,纳入到ans里面去a = a*a % mod;             //取模,a倍增n >>= 1;       //把这位去掉}return ans;
}
int main(){ll b, p, k;    cin >> b >> p >> k;cout << fastPow(b,p,k);return 0;
}
RSA解密

【题目描述】
RSA 是一种经典的加密算法。它的基本加密过程如下
首先生成两个质数 p、q,令n=p·q,设d与(p-1)·(q-1)互质,则可找到e使得d·e 除(p-1)(q-1)的余数为1。
n、d、e 组成了私钥,n、d 组成了公钥。
当使用公钥加密一个整数X 时(小于n),计算c= X d X^d Xd mod n,则C是加密后的密文。
当收到密文C时,可使用私钥解开,计算公式为X= C e C^e Ce modn。
例如,当p=5,q=11,d=3时,n=55,e=27.
若加密数字24,得 2 4 3 24^3 243 mod 55 = 19。解密数字19,得 1 9 27 19^{27} 1927 mod 55 = 24。
现在你知道公钥中n=1001733993063167141,d=212353,同时你截获了别人发送的密文C=20190324,请问,原文是多少?

题目解析

(1)求p、q (两个质数 p、q,n=p·q)
先求n的素因子p和q。由于n只有p、q这2个因子,没有别的因子,所以p和q必然有一个小于 n \sqrt{ n } n ,找到一个,另一个就知道了。
用暴力法求p、q,用i循环从2到 n \sqrt{ n } n 一个个试。
若n除以i的余数是0,i就是因子。
循环次数是 n = 1001733993063167141 n=\sqrt{1001733993063167141 } n=1001733993063167141
1000866621即十亿次计算。得到:p=891234941、q=1123984201

#include <bits/stdc++.h>
typedef long long ll;
using namespace std;
int main()
{ll n = 1001733993063167141;ll k = sqrt(n);for (ll i = 2; i <= k; i ++){if (n % i == 0)cout << i << " " << n/i;}return 0;
}

(2)求e (找到e 使得d·e 除(p-1)·(q-1)的余数为1
用到大数了。c++的64位long long不够用,虽然有 int128类型,但是有些编译器不支持。
还是用Python,下面代码打印出e=823816093931522017。
注意e有很多个,取最小的一个就行了。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef __int128 ll;
void print(__int128 num)
{//递归调用,实现从高位向低位输出if(num>9)print(num / 10);putchar(num % 10 + '0');
int main()
{ll n= 1001733993063167141;ll d = 212353;ll p = 891234941;ll q = 1123984201;ll tmp = (p - 1)*(q - 1);print(tmp);puts("");for(ll i = 2; i <= n; i ++){ll now = i * tmp + 1;if(now % d == 0){ll t = now / d;print(t);   //有很多e,求第一个就行了break;}}return 0;
}

(3)求X= C e C^e Ce mod n

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef __int128 ll;
void print( int128 num)
{//递归调用,实现从高位向低位输出if(num > 9)print(num / 10);putchar(num % 10 + '0');
}
ll fastPow(ll a, ll b, ll mod)
{ll ans = 1;while(b){if(b & 1)ans = ans * a % mod;a = a * a % mod;b >>= 1;}return ans;
}
int main()
{ll n = 1001733993063167141;ll e = 823816093931522017;ll C = 20190324;print(fastPow(C,e,n));//打印结果:579706994112328949return 0;
}
GCD 定义、性质

最大公约数 Greatest Common Divisor(GCD):
整数 a 和 b 的 GCD 是指能同时整除 a 和 b 的最大整数,记为 gcd(a, b)。由于-a 的因子和 a 的因子相同,因此 gcd(a, b) = gcd(|a|, |b|)。
编码时只关注正整数的最大公约数。
性质:

  1. gcd(a, b) = gcd(a, a+b) = gcd(a, k·a+b)
  2. gcd(ka, kb) = k·gcd(a, b)
  3. 定义多个整数的最大公约数:gcd(a, b, c) = gcd(gcd(a, b), c)。
  4. 若 gcd(a, b) = d,则 gcd(a/d, b/d) = 1,即 a/d 与 b/d 互素
  5. gcd(a+cb, b) = gcd(a, b)

c++函数 std::__gcd(),可以返回负数,可以带多个参数。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{cout << __gcd(15, 81) << "\n";    // 输出  3cout << __gcd(0, 44) << "\n";     // 输出  44cout << __gcd(0, 0) << "\n";      // 输出  0cout << __gcd(-6, -15) << "\n";   // 输出  -3cout << __gcd(-17,289) << "\n";   // 输出  -17cout << __gcd(17,-289) <<"\n";   // 输出  17return 0;
}
手写 GCD 代码

手写 gcd 函数,常用欧几里得算法。
辗转相除法求 gcd:
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b) 
这是最常用的方法,极为高效。
设 a > b,辗转相除法的计算复杂度为 O ( ( log ⁡ 2 a ) 3 ) O((\log_{2}a)^3) O((log2a)3)

可输出负数,和库函数一样:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int gcd(int a, int b)
{     return b ? gcd(b, a % b) : a; 
}
int main()
{cout << gcd(15, 81) << "\n";    // 输出  3cout << gcd(0, 44) << "\n";     // 输出  44cout << gcd(0, 0) << "\n";      // 输出  0cout << gcd(-6, -15) << "\n";   // 输出  -3cout << gcd(-17,289) << "\n";   // 输出  -17cout << gcd(17,-289) << "\n";   // 输出  17return 0;
}
// 或者使用如下编码方式:
// int GCD(int a,int b)
// {
//     if(b==0)
//         return a;
//     return GCD(b,a%b);
// }
LCM

最小公倍数 LCM (the Least Common Multiple) 。
a 和 b 的最小公倍数 lcm(a,b),从算术基本定理推理得到。
算术基本定理:任何大于 1 的正整数 n 都可以唯一分解为有限个素数的乘积:
n = p 1 c 1 p 2 c 2 p 3 c 3 … p m c m n=p_{1}^{c_{1}}p_{2}^{c_{2}}p_{3}^{c_{3}}\dots p_{m}^{c_{m}} n=p1c1p2c2p3c3pmcm​,其中 c i c_{i} ci 都是正整数, p i p_{i} pi​ 都是素数且从小到大。

推导 LCM:
设: a = p 1 c 1 p 2 c 2 p 3 c 3 … p m c m a=p_{1}^{c_{1}}p_{2}^{c_{2}}p_{3}^{c_{3}}\dots p_{m}^{c_{m}} a=p1c1p2c2p3c3pmcm​​, b = p 1 f 1 p 2 f 2 p 3 f 3 … p m f m b=p_{1}^{f_{1}}p_{2}^{f_{2}}p_{3}^{f_{3}}\dots p_{m}^{f_{m}} b=p1f1p2f2p3f3pmfm

那么: g c d ( a , b ) = p 1 m i n ( c 1 , f 1 ) p 2 m i n ( c 2 , f 2 ) p 3 m i n ( c 3 , f 3 ) … p m m i n ( c m , f m ) gcd(a,b)=p_{1}^{min(c_{1},f_{1})}p_{2}^{min(c_{2},f_{2})}p_{3}^{min(c_{3},f_{3})}\dots p_{m}^{min(c_{m},f_{m})} gcd(a,b)=p1min(c1,f1)p2min(c2,f2)p3min(c3,f3)pmmin(cm,fm)

l c m ( a , b ) = p 1 m a x ( c 1 , f 1 ) p 2 m a x ( c 2 , f 2 ) p 3 m a x ( c 3 , f 3 ) … p m m a x ( c m , f m ) lcm(a,b)=p_{1}^{max(c_{1},f_{1})}p_{2}^{max(c_{2},f_{2})}p_{3}^{max(c_{3},f_{3})}\dots p_{m}^{max(c_{m},f_{m})} lcm(a,b)=p1max(c1,f1)p2max(c2,f2)p3max(c3,f3)pmmax(cm,fm)

推出: g c d ( a , b ) ∗ l c m ( a , b ) = a ∗ b gcd(a,b)*lcm(a,b) = a*b gcd(a,b)lcm(a,b)=ab
即:
l c m ( a , b ) = a ∗ b / g c d ( a , b ) = a / g c d ( a , b ) ∗ b lcm(a,b)=a∗b/gcd(a,b)=a/gcd(a,b)∗b lcm(a,b)=ab/gcd(a,b)=a/gcd(a,b)b

lcm()手写代码
//c or c++
int lcm(int a, int b)
{    //需要的时候把int改成long longreturn a / gcd(a, b) * b;  //先做除法再做乘法,防止先做乘法溢出
}
核桃的数量 2013 年第四届省赛 lanqiaoOJ 题号 210

【题目描述】
小张是软件项目经理,他带领 3 个开发组。工期紧,今天都在加班呢。为鼓舞士气,小张打算给每个组发一袋核桃(据传言能补脑)。他的要求是:

  1. 各组的核桃数量必须相同
  2. 各组内必须能平分核桃(当然是不能打碎的)
  3. 尽量提供满足 1, 2 条件的最小数量(节约闹革命嘛)
    【输入格式】
    输入三个正整数 a, b, c,表示每个组正在加班的人数,用空格分开
    (a,b,c< 30)
    【输出格式】
    输出一个正整数,表示每袋核桃的数量。
题目解析

简单题,答案就是三个数字的最小公倍数。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int lcm(int a, int b)
{ return a / __gcd(a, b) * b;
}
int main()
{int a, b, c;    cin >> a >> b >> c;int k = lcm(a,b);cout << lcm(k,c) << endl;return 0;
}

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