hdu4767 Bell——求第n项贝尔数
题意
设第 $n$ 个Bell数为 $B_n$,求 $B_n \ mod \ 95041567$.($1 \leq n \leq 2^{31}$)
分析
贝尔数的概念和性质,维基百科上有,这里用到两点。
- 若 $p$ 是任意素数,有 $B_{p+n} = B_n + B_{n+1}(mod \ p)$
 - 每个贝尔数都是相应第二类斯特林数之和,即 $B_n = \sum_{k=1}^nS(n, k)$
 
贝尔数的这个递推式只适合质数,我们可以将模数拆成质数,然后用CRT合并。
$95041567 = 31 \times 37 \times 41 \times 43 \times 47$,所以预处理前50个,
对于 $n > 50$,使用递推式,递推式可转成矩阵乘法,如下:
$$\begin{bmatrix} 0 & 0 & \cdots  & 1\\ 
1 & 1 & \cdots & 0\\  \vdots & \vdots &\ddots   & \vdots\\  0 & \cdots & 1 & 1 \end{bmatrix} \times 
\begin{bmatrix} B_n\\  B_{n+1}\\  \vdots\\  B_{n+p-1} \end{bmatrix} = 
\begin{bmatrix} B_{n+p-1}\\  B_{n+p}\\  \vdots \\  B_{n+2p-2} \end{bmatrix}$$
即 $B_{n+p-1} = A B_n$
设 $t = n / (p-1), k = n \% (p-1)$,
如果利用 $B_n = A^tB_k$,需要多预处理一倍,但计算时只需求第一个元素;
若利用 $B_{(p-1)t} = A^t B_0$,只需预处理前 $p-1$ 个,但是计算时需要算出第 $k$ 个。
反正两者时间也几乎一样。
时间复杂度为 $O(5\cdot p^3 log{\frac{n}{p}})$
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std; typedef long long ll;
const int maxn =;
const int mod =; int m[] = {,,,,};
int Sti[*maxn][*maxn], bell[][*maxn]; //第二类司特林数、贝尔数
void Stirling2()
{
Sti[][] =;
for(int i =;i <=*maxn;i++)
for(int j =;j <= i;j++)
Sti[i][j] = (Sti[i-][j-] + 1LL * j * Sti[i-][j]) % mod;
} void init()
{
Stirling2();
for(int i =;i <;i++)
{
bell[i][] =;
for(int j =;j <=*m[i];j++)
{
bell[i][j] =; //不知道为什么默认不是0
for(int k =;k <= j;k++)
bell[i][j] = (bell[i][j] + Sti[j][k]) % m[i];
//printf("%d\t%d\n",j,bell[i][j]);
}
}
} struct matrix
{
int r, c;
int mat[maxn][maxn];
matrix(){
memset(mat,, sizeof(mat));
}
}; matrix mul(matrix A, matrix B, int p) //矩阵相乘
{
matrix ret;
ret.r = A.r; ret.c = B.c;
for(int i =;i < A.r;i++)
for(int k =;k < A.c;k++)
for(int j =;j < B.c;j++)
{
ret.mat[i][j] = (ret.mat[i][j] + 1LL * A.mat[i][k] * B.mat[k][j]) % p;
}
return ret;
} matrix mpow(matrix A, int n, int p)
{
matrix ret;
ret.r = A.r; ret.c = A.c;
for(int i =;i < ret.r;i++) ret.mat[i][i] =;
while(n)
{
if(n &) ret = mul(ret, A, p);
A = mul(A, A, p);
n >>=;
}
return ret;
} int solve(int n, int p, int k) //计算Bn % p
{
matrix A;
A.r = A. c = p;
A.mat[][p-] =;
for(int i =;i < p;i++)
A.mat[i][i-] = A.mat[i][i] =; matrix tmp = mpow(A, n/(p-), p); int ret =;
for(int i =;i < p;i++)
ret = (ret + tmp.mat[][i] * bell[k][(n%(p-))+i]) % p;
return ret;} //ax + by = d,且|x|+|y|最小,其中d=gcd(a,b)
//即使a, b在int范围内,x和y也有可能超过int范围
void exgcd(ll a, ll b, ll &d, ll &x, ll &y)
{
if (!b){ d = a; x =; y =;}
else{ exgcd(b, a % b, d, y, x); y -= x * (a / b);}
} //n个方程:x=a[i](mod m[i])
ll china(int n, int* a, int* m)
{
ll M =, d, y, x =;
for (int i =; i < n; i++) M *= m[i];
for (int i =; i < n; i++)
{
ll w = M / m[i];
exgcd(m[i], w, d, d, y); //d共用了
x = (x + y * w * a[i]) % M; //x相当于sum
}
return (x + M) % M;
} int n;
int res[]; int main()
{
init(); int T;
scanf("%d", &T);
while(T--)
{
scanf("%d", &n);
for(int i =;i <;i++) res[i] = solve(n, m[i], i); // for(int i = 0;i < 5;i++) printf("%d ", res[i]);
// printf("\n");
int ans = china(, res, m);
printf("%d\n", ans);
}
return;
}
第二种种写法:
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std; typedef long long ll;
const int maxn = ;
const int mod = ; int m[] = {, , , , };
int Sti[maxn][maxn], bell[][maxn]; //第二类司特林数、贝尔数 void Stirling2()
{
Sti[][] = ;
for(int i = ;i <= maxn;i++)
for(int j = ;j <= i;j++)
Sti[i][j] = (Sti[i-][j-] + 1LL * j * Sti[i-][j]) % mod;
} void init()
{
Stirling2();
for(int i = ;i < ;i++)
{
bell[i][] = ;
for(int j = ;j <= m[i];j++)
{
bell[i][j] = ;
for(int k = ;k <= j;k++)
bell[i][j] = (bell[i][j] + Sti[j][k]) % m[i];
//printf("%d\t%d\n",j,bell[i][j]);
}
}
} struct matrix
{
int r, c;
int mat[maxn][maxn];
matrix(){
memset(mat, , sizeof(mat));
}
}; matrix mul(matrix A, matrix B, int p) //矩阵相乘
{
matrix ret;
ret.r = A.r; ret.c = B.c;
for(int i = ;i < A.r;i++)
for(int k = ;k < A.c;k++)
for(int j = ;j < B.c;j++)
{
ret.mat[i][j] = (ret.mat[i][j] + 1LL * A.mat[i][k] * B.mat[k][j]) % p;
}
return ret;
} matrix mpow(matrix A, int n, int p)
{
matrix ret;
ret.r = A.r; ret.c = A.c;
for(int i = ;i < ret.r;i++) ret.mat[i][i] = ;
while(n)
{
if(n & ) ret = mul(ret, A, p);
A = mul(A, A, p);
n >>= ;
}
return ret;
} int solve(int n, int p, int k) //计算Bn % p
{
matrix A;
A.r = A. c = p;
A.mat[][p-] = ;
for(int i = ;i < p;i++)
A.mat[i][i-] = A.mat[i][i] = ; matrix tmp = mpow(A, n/(p-), p); // int ret = 0;
// for(int i = 0;i < p;i++)
// ret = (ret + A.mat[0][i] * bell[k][i]) % p; int ans[p];
for(int i = ;i < p;i++)
{
ans[i] = ;
for(int j = ;j < p;j++)
ans[i] = (ans[i] + 1LL * bell[k][j] * tmp.mat[i][j]) % p;
} return ans[n % (p-)];
} //ax + by = d,且|x|+|y|最小,其中d=gcd(a,b)
//即使a, b在int范围内,x和y也有可能超过int范围
void exgcd(ll a, ll b, ll &d, ll &x, ll &y)
{
if (!b){ d = a; x = ; y = ;}
else{ exgcd(b, a % b, d, y, x); y -= x * (a / b);}
} //n个方程:x=a[i](mod m[i])
ll china(int n, int* a, int* m)
{
ll M = , d, y, x = ;
for (int i = ; i < n; i++) M *= m[i];
for (int i = ; i < n; i++)
{
ll w = M / m[i];
exgcd(m[i], w, d, d, y); //d共用了
x = (x + y * w * a[i]) % M; //x相当于sum
}
return (x + M) % M;
} int n;
int res[]; int main()
{
init(); int T;
scanf("%d", &T);
while(T--)
{
scanf("%d", &n);
for(int i = ;i < ;i++) res[i] = solve(n, m[i], i); // for(int i = 0;i < 5;i++) printf("%d ", res[i]);
// printf("\n"); int ans = china(, res, m);
printf("%d\n", ans);
}
return ;
}
另外一种方法是利用公式:
$$B_{p^m+n} = mB_n + B_{n+1}$$
于是,我们求 $Bell(n)(mod \ p)$ 时,先把 $n$ 写成 $p$ 进制,即
$$n = a_kp^k +...+a_1p+a_0$$
先预处理 $i < p, \ bell[i] = Bell(i)(mod \ p)$,对于大于 $p$ 的用公式。
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std; typedef long long ll;
const int maxn = ;
const int mod = ; int m[] = {, , , , };
int Sti[maxn][maxn], bell[][maxn]; //第二类司特林数、贝尔数 void Stirling2()
{
Sti[][] = ;
for(int i = ;i < maxn;i++)
for(int j = ;j <= i;j++)
Sti[i][j] = (Sti[i-][j-] + 1LL * j * Sti[i-][j]) % mod;
} void init()
{
Stirling2();
for(int i = ;i < ;i++)
{
bell[i][] = ;
for(int j = ;j < maxn;j++)
{
bell[i][j] = ; //不知道为什么默认不是0
for(int k = ;k <= j;k++)
bell[i][j] = (bell[i][j] + Sti[j][k]) % m[i];
//printf("%d\t%d\n",j,bell[i][j]);
}
}
} int solve(int n, int p, int k) //计算Bn % p
{
int a[maxn], B[maxn], d[maxn];
for(int i = ;i <= p;i++) B[i] = bell[k][i]; int cnt = ;
while(n)
{
a[cnt++] = n % p;
n /= p;
} for(int i = ;i < cnt;i++)
for(int j = ;j <= a[i];j++)
{
for(int k = ;k < p;k++)
d[k] = (B[k+] + i*B[k]) % p;
d[p] = (d[] + d[]) % p;
for(int k = ;k <= p;k++) B[k] = d[k];
}
//printf("after\n");
return d[a[]];
} //ax + by = d,且|x|+|y|最小,其中d=gcd(a,b)
//即使a, b在int范围内,x和y也有可能超过int范围
void exgcd(ll a, ll b, ll &d, ll &x, ll &y)
{
if (!b){ d = a; x = ; y = ;}
else{ exgcd(b, a % b, d, y, x); y -= x * (a / b);}
} //n个方程:x=a[i](mod m[i])
ll china(int n, int* a, int* m)
{
ll M = , d, y, x = ;
for (int i = ; i < n; i++) M *= m[i];
for (int i = ; i < n; i++)
{
ll w = M / m[i];
exgcd(m[i], w, d, d, y); //d共用了
x = (x + y * w * a[i]) % M; //x相当于sum
}
return (x + M) % M;
} int n;
int res[]; int main()
{
init(); int T;
scanf("%d", &T);
while(T--)
{
scanf("%d", &n);
if(n < maxn)
{
for(int i = ;i < ;i++) res[i] = bell[i][n];
}
else
{
for(int i = ;i < ;i++) res[i] = solve(n,m[i], i);
} // for(int i = 0;i < 5;i++) printf("%d ", res[i]);
// printf("\n"); int ans = china(, res, m);
printf("%d\n", ans);
}
return ;
}
这种方法的复杂度大约为 $O(p^2)$,比前面的方法快了不少。
%%%Acdreamers,链接
参考链接:
1. https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E8%B4%9D%E5%B0%94%E6%95%B0
2. https://www.cnblogs.com/yuyixingkong/p/4489189.html
3.https://www.cnblogs.com/Chierush/p/3344661.html
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