e-olymp 2814. Быстрое возведение в степень.

Задача

Очень часто возникает задача эффективного вычисления xn по данным $x$ и $n$, где $n$ — положительное целое число.

Предположим, например, что необходимо вычислить $x^{16}$. Можно просто начать с $x$ и 15 раз умножить его на $x$. Но тот же ответ можно получить всего за четыре умножения, если несколько раз возвести в квадрат получающийся результат, последовательно вычисляя $x^{2}$, $x^{4}$, $x^{8}$, $x^{16}$.

Эта же идея, в целом, применима к любому значению $n$ следующим образом. Запишем $n$ в виде числа в двоичной системе счисления (убирая нули слева). Затем заменим каждую «1» парой символов SX, а каждый «0» — символом S и вычеркнем крайнюю слева пару символов SX. Результат представляет собой правило вычисления $x^{n}$, в котором «S» трактуется как операция возведения в квадрат, а «X» — как операция умножения на $x$. Например, $n = 23$ имеет двоичное представление $10111$. Таким образом, мы формируем последовательность SXSSXSXSX, из которой удаляем начальную пару SX для получения окончательного правила SSXSXSX. Это правило гласит, что необходимо «возвести в квадрат, возвести в квадрат, умножить на $x$, возвести в квадрат, умножить на $x$, возвести в квадрат и умножить на $x$», т.е. последовательно вычислить значения $x^{2}$, $x^{4}$, $x^{5}$, $x^{10}$, $x^{11}$, $x^{22}$, $x^{23}$.

Вам нужно для заданного n сформулировать соответствующее правило быстрого возведения числа $x$ в степень $x^{n}$

Входные данные

Одно натуральное число $n$, не превышающее $2 \cdot 10^{9}$.

Выходные данные

Выведите строку для правила возведения числа $x$ в степень $n$ для получения $x^{n}$.

Тесты

# Входные данные Выходные данные
1 23 SSXSXSX
2 1
3 16 SSSS
4 1000000 SXSXSXSSXSSSSSXSSSXSSSSSS
5 2018 SXSXSXSXSXSSSSXS

Решение

Создаём две строки $s$ и $s1$ для двоичного представления числа $n$ и для правила нахождения числа $n$ соответственно. Далее мы проверяем $n$ на чётность, добавляя к строке $s$

  • $0$ при чётном $n$
  • $1$ при нечётном $n$

и делим $n$ на $2$. Продолжаем это пока $n \neq 0$. Таким образом мы получили двоичный код, записанный в обратном порядке от двоичного кода числа $n$. После мы присваиваем цифрам «0» и «1» соответственно «S» и «SX» справа налево (в порядке двоичного кода числа $n$). В конце, удаляем первые символы «SX» с помощью метода erase(), таким образом получая ответ

Условие задачи можно найти на e-olymp
Код решения — ideone

e-olymp 165. Симметрия

Задача

Предприимчивая и умелая рукодельница решила подзаработать изготовлением «фенечек» из бисера. Любительница симметрии в искусстве, она использовала в своих орнаментах бусинки разных цветов (будем обозначать цвет целым положительным числом) по следующим правилам:

1) при длине ряда рисунка равной [latex]1[/latex] использовала бусинку первого цвета;

2) при длине ряда рисунка равной [latex]3[/latex] использовала бусинки двух цветов: [latex]1 2 1[/latex];

3) при необходимости добавления в рисунок еще одного цвета строился ряд: [latex]1 2 1 3 1 2 1[/latex] и так всякий раз в зависимости от числа используемых цветов, например, при использовании четырех цветов: [latex]1 2 1 3 1 2 1 4 1 2 1 3 1 2 1[/latex].

Напишите программу, которая помогла бы автоматизировать подбор цвета бусинки в ряду по её порядковому номеру.

Входные данные

В первой строке целое число [latex]k[/latex] [latex] (1 ≤ k ≤ 10^9) [/latex] – номер бусинки, цвет которой нужно определить, в ряду рисунка. Нумерация бусинок в ряду начинается с единицы.

Выходные данные

В первой строке одно целое число – номер цвета заданной бусинки.

 

Тесты

# ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1 [latex]10[/latex] [latex]2[/latex]
2 [latex]116[/latex] [latex]3[/latex]
3 [latex]1[/latex] [latex]1[/latex]
4 [latex]454[/latex] [latex]2[/latex]
5 [latex]12301230[/latex] [latex]2[/latex]

 

Код программы

 

Решение задачи

Рассматривая ряды с большим количеством цветов можно заметить закономерность: каждый чётный элемент равен единице, каждый последующий новый цвет будет на месте [latex]n·2[/latex]. Отсюда следует соответствие [latex]n[/latex] и [latex]2^{n-1}[/latex]. Формула для нахождения среднего элемента — [latex]\log_{2}n[/latex]. Программа будет искать средний элемент всегда, пока не найдёт нужный нам. Для чисел, из которых целый логарифм извлечь нельзя, найдем ближайший к нему и от числа отнимем [latex]2[/latex] в степени [latex]\log_{2}n[/latex]. К полученному ответу добавляем единицу, из-за приведённой ранее формулы [latex]2^{n-1}[/latex], и получаем правильный ответ.

Ссылки

• Задача на e-olymp.

• Решение на сайте ideone.

А701б

Условие

Даны квадратная матрица [latex]A[/latex] порядка [latex]n[/latex] и  вектор [latex]b[/latex] c [latex]n[/latex] элементами. Получить вектор [latex]{ A }^{ 2 }b[/latex]

Тесты

n A b Результат
 3 1 1 11 1 1

1 1 1

5 5 5 45  45 45
5 1 0 0 0 00 2 0 0 0

0 0 3 0 0

0 0 0 4 0

0 0 0 0 5

 8  1 8 1 8 8  4  72  16 200
2 1 00 1  2 2  2 2

Алгоритм

Считываем матрицу. Возводим ее в квадрат ( перемножение матрицы осуществляется при помощи циклов). Считываем вектор. Умножаем матрицу на вектор. Выводим ответ.

Фактически, умножение матриц пишется по определению. Сумма произведений элементов строки на элементы столбцов.

Ссылка на ideone.com

А706 Алгоритм быстрого возведения в степень

Степень Входная матрица Результирующая матрица
2
0 1
2 3
2 3
6 11
3
0 1
2 3
6 11
22 39

Пусть даны квадратная матрица [latex]A[/latex] порядка [latex]m[/latex] и натуральное число [latex]n[/latex]; требуется найти [latex]A^{n}[/latex]. Алгоритм, основанный на непосредственной применении формулы [latex]A^{n} = A*A*A…*A [/latex]([latex]n[/latex] сомножителей), слишком разорителен. Например, [latex]A^{4}[/latex] экономичнее вычислять как [latex]A^{2^{2}}[/latex]. Идея одного достаточно экономичного алгоритма вычисления [latex]A^{n}[/latex] заключается в следующем: если  [latex]n = 2k[/latex], то [latex]A^{n} = (A^{2})^{k}[/latex]; если же [latex]n = 2k + 1[/latex], то [latex]A^{n} = (A^{2})^{k} * A[/latex]. Степень с показателем [latex]k[/latex] вычисляется с учетом этих же соображений. Итак, надо разделить [latex]n[/latex] на [latex]2[/latex] с остатком:[latex] n = 2k + l [/latex] [latex](0\le l\le 1[/latex]), потом это же проделать с [latex]k[/latex] и т.д. Эти действия приводят, как известно, к построению двоичной записи [latex]n[/latex]. Алгоритм, основанный на этой идее, состоит в том, что последовательно вычисляются [latex]A^{a_{0}}, A^{a_{1}*a_{0}}, …,A^{a_{l}*…*a_{0}}, a_{l}*…*a_{0}[/latex] — двоичная запись числа [latex]n[/latex]. Для этого вычисляется, цифра за цифрой, двоичная запись [latex]n[/latex] и, параллельно, степень за степенью,[latex]A^{(2^{0})}, A^{(2^{1})}, …[/latex] — каждая следующая степень получается из предыдущей возведением в квадрат. Подсчитывается произведение тех из вычисленных степеней, для которых соответствующая цифра двоичного представления равна 1. Например, запись [latex]9[/latex] в двоичной системе есть [latex]1001[/latex][latex](9 = 1*8 + 0*4 + 0*2 + 1)[/latex]; для вычисления [latex]A^{9}[/latex] достаточно найти [latex]A^{2},A^{4},A^{8},[/latex]([latex]3[/latex] умножения), а затем определить [latex]A*A^{8},[/latex] ([latex]1[/latex] умножение).

Преимущество этого алгоритма в сравнении с простейшим состоит в том, что простейший алгоритм требует числа умножений, растущего как линейная функция от [latex]n[/latex], а здесь число умножений грубо говоря, пропорционально количеству цифр числа [latex]n[/latex] или двоичному логарифму [latex]n[/latex]. Это преимущество весьма ощутимо при работе с матрицами (из-за трудоемкости каждого умножения), хотя, разумеется, этот алгоритм может быть использован и для вычисления степени любого числа.

Написать программу, реализующую предположенный алгоритм.

Суть алгоритма была описана в задании. Реализация была через свою структуру данных, такую как матрица. В ней мы определили умножение и присваивание, для удобства. Есть несколько конструкторов, но нужен по сути только самый первый, остальные для разыгравшейся фантазии. Инициализация при создании матрицы обязательна, поскольку может выдавать неправильный ответ в связи с забытым  в памяти мусором. Как перемножать матрицы можно узнать здесь. Нам понадобятся три матрицы, исходная, временная и матрица для ответа. Само двоичное представление удобно хранить в строке, поскольку идя по ней и находя [latex]1[/latex] мы можем домножить на  временную  матрицу матрицу ответ.

 

link.