斐波那契公约数

时间 2019-11-08 标签公约数

题目描述

对于Febonacci数列，求第n项和第m项的最大公约数是多少？(n,m<=1e9>)。对于最后的结果只要输出最后的8位数字就能够了。ios

思路

首先注意到的是数据量巨大(1e9)，数组开不下；即便使用Febonacci递推公式也会超时。不过好在Febonacci数列是有通项公式的。由于，解特征方程 $X^{2}=X+1$ 获得解 $X=(1 \pm \sqrt{5})/2$ ，再代入 $F[n]=aX_{1}^{n} + bX_{2}^{n}$ ，就能够解的最终的通项公式是 $F[n] = \frac{1}{\sqrt{5}} × [(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^n-(\frac{1-\sqrt{5}}{2})^n]$ 。数组

求两个数的最大公约数能够用 展转相除法ui

typedef long long LL;
LL gcd(LL a, LL b) {
    return (b ? gcd(b, a % b) : a); 
}
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不过这里的数字会很是巨大，而且 $\sqrt{5}$ 也不是一个整数，用快速幂的时候对double作%运算彷佛会报错……spa

题解

正解用到了 矩阵加速 和 一个Febonacci的结论。矩阵加速并非必须的，可是能减小很多计算量。先看看矩阵加速的巧妙之处：code

矩阵加速

若是已知：，那么要求，只须要乘一个矩阵：ip

\left [
\begin{matrix}
1 & 1 \\
1 & 0 \\
\end{matrix}
\right ]

其实这里已经能看出用矩阵的方式表达Febonacci数列的递推关系。若是初始化矩阵为，那么通项公式为：ci

(F[n], F[n-1])^T = \left [
\begin{matrix}
1 & 1 \\
1 & 0 \\
\end{matrix}
\right ]^{n-2} (F[2], F[1])^T (n \ge 2)

这样作就能使用 矩阵快速幂 减少复杂度到 O(logn) 算得 F[n]。get

再看一下这道题的 关键之处string

一个Febonacci的结论

先看结论：it

这个结论彷佛很好记，可是不是很直接，Febonacci数列的第n项和第m项的最大公约数竟然正好等于第项的值？

详细的推导过程是这样的：

若是
那么, , ... ,
因此有
这样，,
其中是的倍数，所以上式转为
能够经过递推证实:
所以，即

这样求解的目标就化简为求第项了。

代码

#include <cstring>
#include <iostream>
#define MOD 100000000

using namespace std;
typedef long long LL;

LL gcd(LL a, LL b) {
    return (b ? gcd(b, a%b) : a);
}

struct Mat {
    LL mat[2][2];
    int h, w;
    Mat(int _h=2, int _w=2) {
        h = _h, w = _w;
        memset(mat, 0, sizeof(mat));
    }
};

Mat Multiply(const Mat &a, const Mat &b) {
    Mat ret(a.h, b.w);
    for (int i = 0; i < a.h; ++i)
    for (int j = 0; j < b.w; ++j)
    for (int k = 0; k < a.w; ++k) {
        LL tmp = a.mat[i][k] * b.mat[k][j] % MOD;
        ret.mat[i][j] = (ret.mat[i][j] + tmp) % MOD;
    }
    return ret;
}

int main() {
    LL n, m;
    cin >> n >> m;
    LL gcd_nm = gcd(n, m);
    if (gcd_nm <= 2) cout << 1 << endl;
    else {
        Mat raw(2, 1);
        raw.mat[0][0] = raw.mat[1][0] = 1;
        Mat f(2, 2);
        f.mat[0][0] = f.mat[0][1] = f.mat[1][0] = 1;
        gcd_nm -= 2;
        while (gcd_nm) {
            if (gcd_nm & 1)
                raw = Multiply(f, raw);
            f = Multiply(f, f);
            gcd_nm >>= 1;
        }
        cout << raw.mat[0][0] << endl;
    }
    return 0;
}
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