组合数学——容斥原理及其应用

容斥原理是计数中常用的一种方法。在讨论容斥原理的过程中，要用到以下集合论的基本性质。

德摩根(De Morgan)定理

若A和B是集合U的子集，则

组合数学——容斥原理及其应用

例题

HDU4059 The Boss on Mars

题意：给一个数n(n=10^8)，求X1^4+X2^4+..Xk^4的和模1,000,000,007，其中1<=Xi<n，且Xi与n互素。

解：

四次方求和公式为：n*(n+1)*(2*n+1)*(3*n*n+3*n-1)/30

将n分解素因子为p1^e1*p2^e2*..*pk^ek，设集合Ai为pi的整数倍的数的集合。则答案为U-|A1UA2U...UAk|。

求|A1UA2U...UAk|即可用容斥原理求解。

注意先求30在模1,000,000,007下的逆元。

时间复杂度分析：

n为10^8，素因子分解最多有10个左右，容斥原理求解计算次数大约为2^10，复杂度已经很低了。

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <cmath>
using namespace std;
const int Max = 10005;
const int MOD = 1000000007;
int prime[Max],num=0;
bool isPrime[Max]={0};
int x,y,rev;
vector<int> factors;

void getPrime(int Max)
{
    int i,j;
    int t;
    for(i = 2; i < Max; i++)
    {
        if(!isPrime[i])
        {
            prime[num++] = i;
            for(j = 2; (t=i*j) < Max; j++)
                isPrime[t] = 1;
        }
    }
}

void extend_Euclid(int a, int b)
{
    if(b==0)
    {
        x = 1;
        y = 0;
        return;
    }
    extend_Euclid(b, a%b);
    int t = x;
    x = y;
    y = t - a/b*y;
}

void init()
{
    extend_Euclid(30,MOD);
    rev = (x%MOD+MOD)%MOD;
    getPrime(Max);
}

void decompose(int n)
{
    int t = (int)sqrt(n*1.0);
    for(int i = 0; i<num && prime[i]<=t; i++)
    {
        if(n%prime[i]==0)
        {
            factors.push_back(prime[i]);
            while(n%prime[i]==0)
                n = n/prime[i];
        }
    }
    if(n>1)
        factors.push_back(n);
}

__int64 getSum(__int64 n)
{
    __int64 result = n;
    result = result*(n+1)%MOD;
    result = result*(2*n+1)%MOD;
    result = result*(((n*n%MOD*3+3*n%MOD-1)%MOD+MOD)%MOD)%MOD;
    result = result*rev%MOD;
    return result;
}

__int64 getPow(__int64 n)
{
    return (n*n)%MOD*n%MOD*n%MOD;
}

__int64 in_out_principle(int start, __int64 n)
{
    int i;
    __int64 result = 0;
    for(i = start; i < factors.size(); i++)
    {
        int tmpt = factors[i];
        result = (result + getSum(n/tmpt)*getPow(tmpt)%MOD)%MOD;
        result = ((result - in_out_principle(i+1, n/tmpt)*getPow(tmpt)%MOD) + MOD)%MOD;
    }
    return result;
}

int main()
{
    int t;
    init();
    int n;
    scanf("%d",&t);
    while(t--)
    {
        scanf("%d",&n);
        factors.clear();
        decompose(n);
        printf("%I64d\n",((getSum(n)-in_out_principle(0,n))%MOD+MOD)%MOD);
    }
    return 0;
}

组合数学——容斥原理及其应用

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