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CPP_Basics_Algorithm
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CPP_Basics_Algorithm/代码模板/数学知识.md

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算法模板整理
2023-04-03 16:59:32 +08:00
##### 试除法判定质数 —— 模板题 AcWing 866. 试除法判定质数
```cpp
bool is_prime(int x)
{
if (x < 2) return false;
for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
if (x % i == 0)
return false;
return true;
}
```
--------------
##### 试除法分解质因数 —— 模板题 AcWing 867. 分解质因数
```cpp
void divide(int x)
{
for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
if (x % i == 0)
{
int s = 0;
while (x % i == 0) x /= i, s ++ ;
cout << i << ' ' << s << endl;
}
if (x > 1) cout << x << ' ' << 1 << endl;
cout << endl;
}
```
---------------
##### 朴素筛法求素数 —— 模板题 AcWing 868. 筛质数
```cpp
int primes[N], cnt; // primes[]存储所有素数
bool st[N]; // st[x]存储x是否被筛掉
void get_primes(int n)
{
for (int i = 2; i <= n; i ++ )
{
if (st[i]) continue;
primes[cnt ++ ] = i;
for (int j = i + i; j <= n; j += i)
st[j] = true;
}
}
```
---------------
##### 线性筛法求素数 —— 模板题 AcWing 868. 筛质数
```cpp
int primes[N], cnt; // primes[]存储所有素数
bool st[N]; // st[x]存储x是否被筛掉
void get_primes(int n)
{
for (int i = 2; i <= n; i ++ )
{
if (!st[i]) primes[cnt ++ ] = i;
for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
{
st[primes[j] * i] = true;
if (i % primes[j] == 0) break;
}
}
}
```
---------------
##### 试除法求所有约数 —— 模板题 AcWing 869. 试除法求约数
```cpp
vector<int> get_divisors(int x)
{
vector<int> res;
for (int i = 1; i <= x / i; i ++ )
if (x % i == 0)
{
res.push_back(i);
if (i != x / i) res.push_back(x / i);
}
sort(res.begin(), res.end());
return res;
}
```
-----
##### 约数个数和约数之和 —— 模板题 AcWing 870. 约数个数, AcWing 871. 约数之和
如果 N = $p_1^{c_1}$ * $p_2^{c_2}$ * ... *$p_k^{c_k}$
约数个数：$(c_1 + 1) * (c_2 + 1) * ... * (c_k + 1)$
约数之和： ($p_1^0$ + $p_1^1$ + ... +$ p_1^{c_1}$) * ... * ($p_k^0$ + $p_k^1$ + ... + $p_k^{c_k}$)
--------
##### 欧几里得算法 —— 模板题 AcWing 872. 最大公约数
```cpp
int gcd(int a, int b)
{
return b ? gcd(b, a % b) : a;
}
```
----------
##### 求欧拉函数 —— 模板题 AcWing 873. 欧拉函数
```cpp
int phi(int x)
{
int res = x;
for (int i = 2; i <= x / i; i ++ )
if (x % i == 0)
{
res = res / i * (i - 1);
while (x % i == 0) x /= i;
}
if (x > 1) res = res / x * (x - 1);
return res;
}
```
----------
##### 筛法求欧拉函数 —— 模板题 AcWing 874. 筛法求欧拉函数
```cpp
int primes[N], cnt; // primes[]存储所有素数
int euler[N]; // 存储每个数的欧拉函数
bool st[N]; // st[x]存储x是否被筛掉
void get_eulers(int n)
{
euler[1] = 1;
for (int i = 2; i <= n; i ++ )
{
if (!st[i])
{
primes[cnt ++ ] = i;
euler[i] = i - 1;
}
for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
{
int t = primes[j] * i;
st[t] = true;
if (i % primes[j] == 0)
{
euler[t] = euler[i] * primes[j];
break;
}
euler[t] = euler[i] * (primes[j] - 1);
}
}
}
```
----
##### 快速幂 —— 模板题 AcWing 875. 快速幂
求 $m^k$ mod p，时间复杂度 O($logk$)。
```cpp
int qmi(int m, int k, int p)
{
int res = 1 % p, t = m;
while (k)
{
if (k&1) res = res * t % p;
t = t * t % p;
k >>= 1;
}
return res;
}
```
----
##### 扩展欧几里得算法 —— 模板题 AcWing 877. 扩展欧几里得算法
```cpp
// 求x, y，使得ax + by = gcd(a, b)
int exgcd(int a, int b, int &x, int &y)
{
if (!b)
{
x = 1; y = 0;
return a;
}
int d = exgcd(b, a % b, y, x);
y -= (a/b) * x;
return d;
}
```
---
##### 高斯消元 —— 模板题 AcWing 883. 高斯消元解线性方程组
```cpp
// a[N][N]是增广矩阵
int gauss()
{
int c, r;
for (c = 0, r = 0; c < n; c ++ )
{
int t = r;
for (int i = r; i < n; i ++ ) // 找到绝对值最大的行
if (fabs(a[i][c]) > fabs(a[t][c]))
t = i;
if (fabs(a[t][c]) < eps) continue;
for (int i = c; i <= n; i ++ ) swap(a[t][i], a[r][i]); // 将绝对值最大的行换到最顶端
for (int i = n; i >= c; i -- ) a[r][i] /= a[r][c]; // 将当前行的首位变成1
for (int i = r + 1; i < n; i ++ ) // 用当前行将下面所有的列消成0
if (fabs(a[i][c]) > eps)
for (int j = n; j >= c; j -- )
a[i][j] -= a[r][j] * a[i][c];
r ++ ;
}
if (r < n)
{
for (int i = r; i < n; i ++ )
if (fabs(a[i][n]) > eps)
return 2; // 无解
return 1; // 有无穷多组解
}
for (int i = n - 1; i >= 0; i -- )
for (int j = i + 1; j < n; j ++ )
a[i][n] -= a[i][j] * a[j][n];
return 0; // 有唯一解
}
```
---
##### 递推法求组合数 —— 模板题 AcWing 885. 求组合数 I
```cpp
// c[a][b] 表示从a个苹果中选b个的方案数
for (int i = 0; i < N; i ++ )
for (int j = 0; j <= i; j ++ )
if (!j) c[i][j] = 1;
else c[i][j] = (c[i - 1][j] + c[i - 1][j - 1]) % mod;
```
---
##### 通过预处理逆元的方式求组合数 —— 模板题 AcWing 886. 求组合数 II
首先预处理出所有阶乘取模的余数fact[N]，以及所有阶乘取模的逆元infact[N]
如果取模的数是质数，可以用费马小定理求逆元
```cpp
int qmi(int a, int k, int p) // 快速幂模板
{
int res = 1;
while (k)
{
if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
a = (LL)a * a % p;
k >>= 1;
}
return res;
}
// 预处理阶乘的余数和阶乘逆元的余数
fact[0] = infact[0] = 1;
for (int i = 1; i < N; i ++ )
{
fact[i] = (LL)fact[i - 1] * i % mod;
infact[i] = (LL)infact[i - 1] * qmi(i, mod - 2, mod) % mod;
}
```
---
##### Lucas定理 —— 模板题 AcWing 887. 求组合数 III
$若p是质数，则对于任意整数 1 <= m <= n，有：$
​ C(n, m) = C(n % p, m % p) * C(n / p, m / p) (mod p)
```cpp
int qmi(int a, int k, int p) // 快速幂模板
{
int res = 1 % p;
while (k)
{
if (k & 1) res = (LL)res * a % p;
a = (LL)a * a % p;
k >>= 1;
}
return res;
}
int C(int a, int b, int p) // 通过定理求组合数C(a, b)
{
if (a < b) return 0;
LL x = 1, y = 1; // x是分子，y是分母
for (int i = a, j = 1; j <= b; i --, j ++ )
{
x = (LL)x * i % p;
y = (LL) y * j % p;
}
return x * (LL)qmi(y, p - 2, p) % p;
}
int lucas(LL a, LL b, int p)
{
if (a < p && b < p) return C(a, b, p);
return (LL)C(a % p, b % p, p) * lucas(a / p, b / p, p) % p;
}
```
---
##### 分解质因数法求组合数 —— 模板题 AcWing 888. 求组合数 IV
当我们需要求出组合数的真实值，而非对某个数的余数时，分解质因数的方式比较好用：
1. 筛法求出范围内的所有质数
2. $通过 C(a, b) = a! / b! / (a - b)! 这个公式求出每个质因子的次数。$
$n! 中p的次数是 n / p + n / p^2+ n / p^3 + ...$
3. 用高精度乘法将所有质因子相乘
```cpp
int primes[N], cnt; // 存储所有质数
int sum[N]; // 存储每个质数的次数
bool st[N]; // 存储每个数是否已被筛掉
void get_primes(int n) // 线性筛法求素数
{
for (int i = 2; i <= n; i ++ )
{
if (!st[i]) primes[cnt ++ ] = i;
for (int j = 0; primes[j] <= n / i; j ++ )
{
st[primes[j] * i] = true;
if (i % primes[j] == 0) break;
}
}
}
int get(int n, int p) // 求n！中的次数
{
int res = 0;
while (n)
{
res += n / p;
n /= p;
}
return res;
}
vector<int> mul(vector<int> a, int b) // 高精度乘低精度模板
{
vector<int> c;
int t = 0;
for (int i = 0; i < a.size(); i ++ )
{
t += a[i] * b;
c.push_back(t % 10);
t /= 10;
}
while (t)
{
c.push_back(t % 10);
t /= 10;
}
return c;
}
get_primes(a); // 预处理范围内的所有质数
for (int i = 0; i < cnt; i ++ ) // 求每个质因数的次数
{
int p = primes[i];
sum[i] = get(a, p) - get(b, p) - get(a - b, p);
}
vector<int> res;
res.push_back(1);
for (int i = 0; i < cnt; i ++ ) // 用高精度乘法将所有质因子相乘
for (int j = 0; j < sum[i]; j ++ )
res = mul(res, primes[i]);
```
---
##### 卡特兰数 —— 模板题 AcWing 889. 满足条件的01序列
$给定n个0和n个1，它们按照某种顺序排成长度为2n的序列，满足任意前缀中0的个数都不少于1的$
$个数的序列的数量为： Cat(n) = C(2n, n) / (n + 1)$
---
##### NIM游戏 —— 模板题 AcWing 891. Nim游戏
给定N堆物品，第i堆物品有Ai个。两名玩家轮流行动，每次可以任选一堆，取走任意多个物品，可把一堆取光，但不能不取。取走最后一件物品者获胜。两人都采取最优策略，问先手是否必胜。
我们把这种游戏称为NIM博弈。把游戏过程中面临的状态称为局面。整局游戏第一个行动的称为先手，第二个行动的称为后手。若在某一局面下无论采取何种行动，都会输掉游戏，则称该局面必败。
所谓采取最优策略是指，若在某一局面下存在某种行动，使得行动后对面面临必败局面，则优先采取该行动。同时，这样的局面被称为必胜。我们讨论的博弈问题一般都只考虑理想情况，即两人均无失误，都采取最优策略行动时游戏的结果。
NIM博弈不存在平局，只有先手必胜和先手必败两种情况。
定理： NIM博弈先手必胜，当且仅当 A1 ^ A2 ^ … ^ An != 0
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##### 公平组合游戏ICG
若一个游戏满足：
1. 由两名玩家交替行动；
2. 在游戏进程的任意时刻，可以执行的合法行动与轮到哪名玩家无关；
3. 不能行动的玩家判负；
则称该游戏为一个公平组合游戏。
NIM博弈属于公平组合游戏，但城建的棋类游戏，比如围棋，就不是公平组合游戏。因为围棋交战双方分别只能落黑子和白子，胜负判定也比较复杂，不满足条件2和条件3。
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##### 有向图游戏
给定一个有向无环图，图中有一个唯一的起点，在起点上放有一枚棋子。两名玩家交替地把这枚棋子沿有向边进行移动，每次可以移动一步，无法移动者判负。该游戏被称为有向图游戏。
任何一个公平组合游戏都可以转化为有向图游戏。具体方法是，把每个局面看成图中的一个节点，并且从每个局面向沿着合法行动能够到达的下一个局面连有向边。
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##### Mex运算
$设S表示一个非负整数集合。定义mex(S)为求出不属于集合S的最小非负整数的运算，即：$
$mex(S) = min{x}, x属于自然数，且x不属于S$
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##### SG函数
$在有向图游戏中，对于每个节点x，设从x出发共有k条有向边，分别到达节点y_1, y_2, …, y_k，定$
$义SG(x)为x的后继节点y_1, y_2, …, y_k 的SG函数值构成的集合再执行mex(S)运算的结果，即：$
$SG(x) = mex({SG(y_1), SG(y_2), …, SG(y_k)})$
特别地，整个有向图游戏G的SG函数值被定义为有向图游戏起点s的SG函数值，即SG(G) = SG(s)。
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##### 有向图游戏的和 —— 模板题 AcWing 893. 集合-Nim游戏
$设G_1, G_2, …, G_m 是m个有向图游戏。定义有向图游戏G，它的行动规则是任选某个有向图游戏$
$G_i，并在G_i上行动一步。G被称为有向图游戏G_1, G_2, …, G_m的和。$
$有向图游戏的和的SG函数值等于它包含的各个子游戏SG函数值的异或和，即：$
SG(G) = SG($G_1$) ^ SG($G_2$) ^ … ^ SG($G_m$)
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##### 定理
$有向图游戏的某个局面必胜，当且仅当该局面对应节点的SG函数值大于0。$
$有向图游戏的某个局面必败，当且仅当该局面对应节点的SG函数值等于0。$
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> 作者：yxc
>
> 链接：https://www.acwing.com/blog/content/406/
>
> 来源：AcWing
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