前言

数学符号约定

  1. \(a,b,p\):表示任意自然数。
  2. \(F_x\):表示广义斐波那契数列的第 \(x\) 项。
  3. \(f_x\):表示普通斐波那契数列的第 \(x\) 项.

如非特殊说明,将会按照上述约定书写符号。

题目分析

首先引入一条定理:

普通斐波那契数列在模 \(m\) 意义下纯循环,且循环节为 \(O(m)\)。

证明可以去看 wlzhouzhuan 的博客,碍于篇幅限制不多赘述。

然后我们定义 \(F_0 = a,\, F_1 = b\),则显然我们有:\(F_p = af_{p-1} + bf_{p}\),证明平凡,如果想不出来可以手玩一下试试。

此时,我们的目标是对于 \(a,b\) 求出 \(p\) 使其满足下式:

\[af_{p-1} + bf_p \equiv 0 \pmod {m}
\]

移项,得:

\[af_{p-1} \equiv -bf_p \pmod m
\]

此时,我们不妨令 \(t = -b\),则我们有:

\[af_{p-1} \equiv tf_p \pmod m
\]

观察上式,发现如果我们能将 \(f_{p-1}\) 和 \(t\) 分别移项,然后预处理 \(\dfrac {f_p}{f_{p-1}}\) 问题就十分的简单了,但是因为 \(m\) 不为质数(即两者不一定互质),故我们不能这么做。

然而,俗话说的好,没有条件就让我们创造条件,先考虑对原式化简,设 \(d = \gcd(a,t,m)\),则原式变为:

\[\frac{a}{d} f_{p-1} \equiv \frac{t}{d} f_p \pmod {\frac{m}{d}}
\]

如果我们想让 \(\dfrac td\) 在 \(\dfrac md\) 的情况具有逆元,则需要保证 \(\dfrac td \perp \dfrac md\),但是此时显然不一定成立,于是我们设 \(d' = \gcd(\dfrac td, \dfrac md)\),现在考虑同余式左侧应该如何除以 \(d'\)。思考 \(d'\) 此时是 \(\dfrac td\) 和 \(\dfrac md\) 的公共因子,因为 \(d\) 已经是 \(a,t,m\) 的最大公因数了,则此时 \(\dfrac ad,\dfrac td,\dfrac md\) 之间已经不存在公共因子了,若 \(d' \not \perp a\),则说明 \(\dfrac ad,\dfrac td,\dfrac md\) 之间还存在公共因子 \(d'\),与条件相悖,故 \(d' \perp a\)。

因为同余式左侧一定是 \(d'\) 的倍数(否则无法构成同余关系),故得证 \(d' \mid f_{p-1}\),换言之,就是 \(d'\) 一定会整除在 \(f_{p-1}\) 身上。于是式子变为:

\[\begin{aligned}
\frac{a}{d} \frac{f_{p-1}}{d'} \equiv \frac{t}{dd'} f_p \pmod {\frac{m}{dd'}}\\
\frac{a}{d} \left( \frac{t}{dd'}\right) ^ {-1} \frac {f_{p-1}}{d'} \equiv f_p \pmod {\frac{m}{dd'}}
\end{aligned}
\]

好,现在我们再考虑能否将 \(\dfrac {f_{p-1}}{d'}\) 移项过去,要移项则必须保证 \(\dfrac{f_{p-1}}{d'} \perp \dfrac{m}{dd'}\),因为斐波那契数列具有性质 \(f_{p-1} \perp f_{p}\),并且我们又要必须保证右侧应当为 \(\gcd(\dfrac{f_{p-1}}{d'},\dfrac{m}{dd'})\) 的倍数,自然此时 \(\gcd(\dfrac{f_{p-1}}{d'},\dfrac{m}{dd'}) = 1\),故存在逆元,可以进行移项。

于是我们可以预处理三元组 \(\left( d,d',\dfrac{f_p}{\dfrac{f_{p-1}}{d'}} \bmod {\dfrac{m}{dd'}} \right)\),并用一个 map 来维护它。但是复杂度就直接飙升到令人无法接受的 \(O((\sum_{d \mid m}\sum_{d' \mid d} 1 )\log m)\)。于是我们考虑探究其中的性质。

我们回过头来看原先所写的 \(d' \mid f_{p-1}\),发现如果分两步枚举 \(d'\) 是非常笨的,因为我们还有 \(d' \mid \dfrac md\),我们又有 \(\gcd(\dfrac{f_{p-1}}{d'},\dfrac{m}{dd'}) = 1\),于是显然我们此时的 \(d'\) 只能等于 \(\gcd(f_{p-1},\dfrac md)\),故只需要枚举 \(d\) 和 \(p\) 就可以得到全部的三元组,此时的时间复杂度是 \(O(\sigma (m) \log m)\) 的,因为渐近意义下 \(\sigma(m)\) 是等价于 \(m \log \log m\) 的(具体证明参见 chenxia25 - P7325,所以枚举部分的复杂度是 \(O(m\log\log m \log m)\) 的,总时间复杂度为 \(O((m\log\log m+n)\log m)\)

注意:

  • 若 \(f_{p-1}\) 和 \(f_p\) 等于 \(0\) 的时候我们的同余式就爆炸了,于是我们需要把这个特判掉。

代码实现

下面给出了关键部分的代码实现。

n=read();
m=read();
f[1] = 1;
for(int d = 1;d<m;++d){
if(m%d==0){
for(int p=2;p;++p){
f[p] = (f[p-2] + f[p-1]) % (m/d);
if(f[p-1] == 0 && f[p] == 1)
break;
if(!f[p-1] || !f[p])
continue;
int dd = __gcd(f[p-1],m/d);
int val = 1 * f[p] * inv(f[p-1]/dd,m/dd/d) % (m/dd/d);
if(!hashtable[make_tuple(d,dd,val)])
hashtable[make_tuple(d,dd,val)] = p;
}
}
}
for(int i=1;i<=n;i++){
a=read();
b=read();
if(a==0){
printf("0\n");
continue;
}
if(b==0){
printf("1\n");
continue;
}
b=(m-b)%m;
int d = __gcd(a,__gcd(b,m));
int dd = __gcd(b/d, m/d);
int val = 1ll * a / d * inv(b/d/dd,m/d/dd) % (m/d/dd);
int data = hashtable[make_tuple(d,dd,val)];
if(!data)
printf("-1\n");
else
printf("%lld\n",data);
}

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