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P2508 [HAOI2008]圓上的整點(diǎn) 題解

2022-10-03 10:44 作者:fdsji  | 我要投稿

一個奇怪的思路:

為了實現(xiàn)對?r 的降冪,我們令 r%5E2%20%3D%20N。那么我們的問題就轉(zhuǎn)化成了求圓 x%5E2%20%2B%20y%5E2%20%3D%20N%0A?上的整點(diǎn)的個數(shù)。 ?

根據(jù)坐標(biāo)系,我們可以將問題轉(zhuǎn)化為有多少個有序整數(shù)對 (a%2C%20b),滿足 a%5E2%20%2B%20b%5E2%20%3D%20N。 ?

眾所周知,二維平面是一個很詭異的東西。因此,我們將其轉(zhuǎn)化為復(fù)平面。

若復(fù)數(shù) a%20%2B%20bi%0A?中的 a%2C%20b%0A?均為整數(shù),則此復(fù)數(shù)被稱為高斯整數(shù)。


注意到 a%5E2%20%2B%20b%5E2%20%3D%20N?與 (a%20%2B%20bi)(a%20-%20bi)%20%3D%20N?等價(因式分解)。因此,我們可以將這個問題再次轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的一個問題:存在多少個復(fù)數(shù) z%0A?使得其本身與其共軛復(fù)數(shù) %5Cbar%7Bz%7D?的乘積等于 N


那么一個整數(shù) N?如何在復(fù)數(shù)域內(nèi)分解呢? ?

我們都知道,根據(jù)唯一分解定理(算數(shù)基本定理)有,任意一個整數(shù) N?在整數(shù)范圍內(nèi)有唯一的分解式。顯然的,若我們將其中兩個因子乘上 i?和?-i,那么等式依然成立。 ?

那么同理,在高斯整數(shù)范圍內(nèi),一個整數(shù) N?可以表示成若干個復(fù)數(shù)因子的乘積。而其中的每個因子都在高斯整數(shù)上不能再分。這些因子,我們就可以將其叫做高斯素數(shù)。

比如:5%20%3D%20(2%20%2B%20i)(2%20-%20i),而 (2%20%2B%20i)?和 (2%20-%20i)?都不能再分了,那么這兩個復(fù)數(shù)就都是高斯素數(shù)。


類似地,若我們想要在高斯整數(shù)范圍內(nèi)分解一個整數(shù) N,我們就可以考慮先將 N?分解為若干個整數(shù)的乘積,再將其中的非高斯素數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分解。


那我們?nèi)绾闻袛嘟o定的數(shù) ?是不是一個高斯素數(shù)呢? ?

這時候費(fèi)馬跳出來,喊了一句:費(fèi)馬平方和定理! ?

奇素數(shù) p?可以被表示成兩個整數(shù)的平方和,當(dāng)且僅當(dāng) p?可以被表示成 4k%20%2B%201?的形式。并且,在不考慮順序的情況下,這個分解是唯一的。


因此:

  • 4k%20%2B%201?型的素數(shù)可以被恰好分解為一對共軛復(fù)數(shù)的乘積

  • 4k%20%2B%203?型的素數(shù)是高斯素數(shù)

  • 2?可以被分解為 (1%2Bi)(1-i),因其分解成的兩向量之間的夾角是 90?度,我們單獨(dú)考慮它


我們記 p?為 4k%20%2B%201?型的素數(shù),而 q?為 4k%20%2B%203?型的素數(shù)。則,

N%20%3D%202%5En%20%5Cprod_%7Bp_i%20%3D%204k%20%2B%201%7D%20p_i%5E%7Bk_i%7D%20%5Cprod_%7Bq_i%20%3D%204k%20%2B%203%7D%20q_i%5E%7Bm_i%7D

顯然的,每個 p_i?都可以被分解成一對高斯素數(shù)。 ?

繼續(xù)轉(zhuǎn)化:現(xiàn)在我們可以將原問題轉(zhuǎn)化為:求出將?N 表示為若干對共軛復(fù)數(shù)的乘積的方案數(shù)。


先來考慮?p_i 的貢獻(xiàn)。 ?

對于任何一個 p_i,都可以被分解為?z%5Cbar%7Bz%7D?的乘積。對此,我們可以將 z_i?分配給 N?的第一個因子,%5Cbar%7Bz%7D?分配給 N?的第二個因子。不計順序,所以有 2?種分配方式。 ?

進(jìn)一步考慮,我們可以發(fā)現(xiàn),p_i%5E%7Bk_i%7D?一共有 k_i%20%2B%201?種分配方式,因為我們可以給第一個因子分配 0%2C%201%2C%20%5Ccdots%2C%20k_i?個 z_i


接著考慮 q_i?的貢獻(xiàn)。 ?

這個貢獻(xiàn)等價于將 q_i%5E%7Bm_i%7D?分成共軛的兩因子的方案數(shù)。若 2%20%5Cmid%20m_i,則給每個因子都分配 %5Cfrac%7Bm_i%7D%7B2%7D?個 z_i。若兩共軛的因子相等且虛部為 0,則貢獻(xiàn)為 1。否則,為 0。同理地,若只要存在一個 m_i?為奇數(shù),則答案為 0。


最后考慮 2?的貢獻(xiàn)。 ?

原來答案要乘 4。當(dāng)為?2 時,可以發(fā)現(xiàn):

(-i)(1%2Bi)%3D(1-i)

i(1-i)%3D(1%2Bi)

又因為歸納法可知,2%5Em?會影響到原來的計數(shù)。因此,我們發(fā)現(xiàn),我們根本就不用考慮 2?的貢獻(xiàn)。


考慮原題,由于 r%5E2%20%3D%20N,所以:

r%20%3D%202%5En%20%5Cprod_%7Bp_i%20%3D%204k%20%2B%201%7D%20p_i%5E%7Bk_i%7D%20%5Cprod_%7Bq_i%20%3D%204k%20%2B%203%7D%20q_i%5E%7Bm_i%7D


綜上,答案為:

4%20%5Ctimes%20%5Cprod_%7Bp_i%20%3D%204k%20%2B%201%7D%20(2k_i%20%2B%201)


最后,分解質(zhì)因數(shù),并求解。時間復(fù)雜度 O(%5Csqrt%7BN%7D)。


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