e-olymp 273. Возведение в степень

Задача

По трем натуральным числам [latex]a[/latex], [latex]b[/latex] и [latex]m[/latex] вычислить значение [latex]a^b\mod m[/latex].

Входные данные

Три натуральных числа [latex]a[/latex], [latex]b[/latex], [latex]m[/latex] [latex]\left(1 \leqslant a, m \leqslant 10^9, 2 \leqslant b \leqslant 10^7\right)[/latex].

Выходные данные

Вывести [latex]a^b\mod m[/latex].

Тесты

# ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1 1 2 100 1
2 100 2 1000000 10000
3 2 3 50 8
4 9 2 1 0
5 9 2 25 6

Код с циклом

Код с ветвлением

Решение

Для решения этой задачи я воспользовался функцией бинарного возведения в степень binpow () (рекурсивной для программы с ветвлением и нерекурсивной для программы с циклом). Это приём, позволяющий возводить любое число в [latex]n[/latex]-ую степень за [latex]O(\log n)[/latex] умножений. В этой функции при возведении я дополнительно применял операцию деление с остатком к результату res и возводимому числу a для того, чтобы получить решение.

Запустить код с циклом (ideone) можно здесь
Запустить код с ветвлением (ideone) можно здесь
Задача на E-olymp

e-olymp 480. Возведение в степень — 2

Задача

Для заданных $A$, $B$ и $M$ вычислить $A^B \mod M$.

Входные данные

Во входном файле даны три натуральных числа $A$, $B$, $M$ $(1 ≤ A, \, B ≤ 10^{18}, \, 2 ≤ M ≤ 2 \cdot 10^9)$, записанные в одной строке через пробел.

Выходные данные

В выходной файл выведите одно число, равное $A^B \mod M$.

Тесты

Входные данные Выходные данные
$531$ $348$ $1645$ $911$
$1784353$ $453345$ $463973$ $214457$
$39252362$ $345673$ $786536$ $302328$
$68790234$ $679643$ $789057$ $281232$
$324$ $8564$ $45074547$ $32984424$

Код программы

Решение задачи

По свойствам операций со сравнениями по модулю:
$$C \equiv C \mod K \pmod K$$
$$CD \equiv (C \mod K) \cdot (D \mod K) \pmod K$$
$$C \equiv D \pmod K \Rightarrow C^n \equiv D^n \pmod K$$
Отсюда выводим рекуррентную формулу бинарного возведения в степень по модулю:
$$
A^B \mod M =
\begin{cases}
1 \text{ при } B = 0\\
\left ( \left (A \mod M \right ) \left ( (A \mod M)^{B-1} \mod M \right )\right )\mod M \\ \text{ при } B \equiv 1 \pmod 2\\
\left ( \left (A \mod M \right)^2 \right)^{\frac{B}{2}} \mod M \text{ при } B \equiv 0 \pmod 2 \wedge B \neq 0
\end{cases}
$$

Ссылки

Условие задачи на e-olymp
Решение на e-olymp
Код решения на Ideone

А719б

Условие

Симметричные квадратные матрицы [latex]A[/latex] и [latex]B[/latex] порядка [latex]n[/latex] заданы последовательностями из [latex]\frac{n(n+1)}{2}[/latex] чисел аналогично правым треугольным матрицам. Получить в аналогичном виде матрицу [latex]A^{2}-B^{2}[/latex].


Решение

Безусловно, по входным данным можно восстановить матрицы, тривиальным образом их перемножить и вывести результат в заданном виде. Как пример плохого стиля программирования: наивный алгоритм приводит к почти двукратному перерасходу потребляемой памяти и существенно уступает в производительности. Существует другое решение, прийти к которому можно путем последовательного приспособления стандартных матричных операций к формату входных данных.

Наибольшую сложность, как вычислительную, так и идейную, представляет умножение матриц, в данном случае — возведение в квадрат. Нижеприведенная последовательность шагов позволит перемножать симметричные матрицы, используя их линейное представление в формате исходных данных.


Замечание 1

Подпространство симметричных матриц незамкнуто относительно умножения: произведением двух симметричных матриц может быть несимметричная матрица.

Пример

[latex] \left(\begin{array}{ccc} 1 & 1 & 3 \\ 1 & 4 & 5 \\ 3 & 5 & 0\end{array} \right) \cdot \left( \begin{array}{ccc} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 3 \\ 0 & 3 & 2 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{ccc} 4 & 13 & 9 \\ 4 & 31 & 22 \\ 12 & 20 & 15 \end{array} \right)[/latex]


Замечание 2

Степень симметрической матрицы также является симметрической матрицей. Доказательство основано на представлении матрицы как представления линейного оператора и на свойствах эрмитовых операторов.


Во всех дальнейших выкладках подразумевается, что матрица представлена линейным массивом из [latex]\frac{n(n+1)}{2}[/latex] элементов.

Для начала, заметим, что элемент [latex]c_{i,j}[/latex] матрицы [latex]C=A^{2}[/latex], равен скалярному произведению (как векторов в стандартном базисе) [latex]i[/latex]-ой строки матрицы [latex]A[/latex] на [latex]j[/latex]-ую её строку (в силу того, что в симметричной матрице [latex]j[/latex]-ая строка совпадает с [latex]j[/latex]-м столбцом). Следовательно, для возведения в степень симметричной матрицы необходимо и достаточно реализовать операцию скалярного перемножения двух её строк.

Тогда следует понять, как по данному представлению матрицы получить её [latex]i[/latex]-ую строку. Для удобства, выпишем имеющиеся элементы в виде полной матрицы. Заметим, что первым элементом [latex]i[/latex]-ой строки будет [latex]i[/latex]-ый элемент первой строки, и обобщим это наблюдение. Обозначим позицию текущего интересующего нас элемента [latex]i[/latex]-ой строки как [latex]j[/latex]. Если [latex]j < i[/latex], то следует выбрать [latex]i[/latex]-ый элемент [latex]j[/latex]-ой строки, иначе следует выбрать все элементы [latex]j[/latex]-ой строки, лежащие правее данного. Графически можно интерпретировать алгоритм таким образом: начиная с [latex]i[/latex]-го элемента первой строки, спускаться вертикально вниз по матрице до тех пор, пока не будет достигнута [latex]i[/latex]-ая строка, далее — двигаться вправо до конца строки. Наглядность алгоритма позволяет легко воплотить его программно.
Следует только пронаблюдать, как изменяются расстояния между элементами, лежащими один под другим, при движении вниз по строкам матрицы, что позволит легко перенести алгоритм на линейное представление верхней треугольной матрицы. Предлагаем читателю самому проделать это несложное, но наглядное упражнение, для лучшего понимания алгоритма.

Теперь можно перейти непосредственно к реализации.


Тесты

[latex]n[/latex] [latex]A[/latex] [latex]B[/latex] [latex]A^{2}-B^{2}[/latex]
2 1 2 5 7 4 8 -60 -48 -51
4 1 7 3 -2 3 1 9 2 8 11 4 5 11 -3 4 -7 22 1 4 0 -108 116 -8 -79 -434 -10 75 -109 290 -239

Реализация

ideone: http://ideone.com/Dyte8l


Тесты

Детали реализации

Задачи раздела носят обучающий характер, так что при реализации были произведены определенные обобщения, что делает решение более универсальным.

  • Формулировка задачи не оговаривает тип элементов матрицы, так что класс [latex]symmetric\_matrix[/latex] является шаблоном, пригодным для типов данных, поддерживающих операции сложения, вычитания и умножения (соответствующие операторы определены внутри класса).
  • Алгоритм бинарного возведения матрицы в степень полезен при решении более широкого круга задач, в связи с чем также реализован. При необходимости, программа легко обобщается на большие степени матрицы.
  • Предусмотрены три типа конструкторов: конструктор по умолчанию и два параметрических конструктора, один из которых позволяет заполнить матрицу некоторым наперед заданным значением.
  • Для удобства работы с заданным представлением данных, добавлен синтаксический сахар: перегружен оператор [latex][][/latex], осуществляющий доступ к заданному элементу матрицы в линейном её представлении.