题意:
给出m,P,求$\sum\limits_{i=1}^{P-1}if(i)$,其中$f(i)=\sum\limits_{x=1}^{P-1}\sum\limits_{y=1}^{m}[(x+y)^i=(x^i)(\mod P)]$
$1\leq m\leq P-1\leq 10^9+6$
题解:
神仙数学题。。。
由于$P$是奇质数,所以肯定存在原根$g$,那么肯定唯一存在$a$,$b$满足$1\leq a,b\leq P-1$使得$x=g^a$,$y=g^b$,所以有:
$(x+y)^i≡x^i(\mod P)$
$(g^{a}+g^{b})^i≡g^{ai}(\mod P)$
$(1+g^{b-a})^i≡1(\mod P)$
由于$1+g^{b-a}\geq 2$,所以必定存在唯一的$k$满足$1\leq k\leq P-1$使得$g^k≡1+g^{b-a}(\mod P)$;
显然$g^{ki}≡1(\mod P)$,所以$ki≡0(\mod P-1)$;
那么$k=a\times\frac{P-1}{gcd(P-1,i)}$,其中$a=1,2,3,...,gcd(P-1,i)-1$;
所以满足条件的$k$有$gcd(P-1,i)-1$个,固定$y$,则有$x≡y(g^{k}-1)^{-1}(\mod P)$;
易知若$y(g^{k_1}-1)^{-1}≡y(g^{k_2}-1)^{-1}(\mod P)$,则$g^{k_1}≡g^{k_2}(\mod P)$,即$k_1=k_2$;
所以对于确定的$y$,$x$会有$gcd(P-1,i)-1$种不同取值。
至此式子化为$f(i)=m(gcd(P-1,i))$
然后大力推一波式子:
$\sum\limits_{i=1}^{P-1}if(i)=m\sum\limits_{i=1}^{P-1}i((gcd(P-1),i)-1)=m\sum\limits_{i=1}^{P-1}i(gcd(P-1),i)-m\frac{P\times(P-1)}{2}$
把前半部分拿出来:
$m\sum\limits_{i=1}^{P-1}i(gcd(P-1),i)$
$=\sum\limits_{d|(p-1)}d\sum\limits_{d|i,1\leq i\leq P-1}i[gcd(P-1,i)=d]$
$=\sum\limits_{d|(p-1)}d^2\sum\limits_{i=1}^{\frac{P-1}{d}}i[gcd(\frac{P-1}{d},i)=1]$
$=\sum\limits_{d|(p-1)}d^2\frac{\frac{P-1}{d}\varphi(\frac{P-1}{d})+[\frac{P-1}{d}=1]}{2}$(引理)
这样复杂度就是$O(\sqrt{n})$的,可以直接做。
引理:$\sum\limits_{i=1}^{n}i[gcd(i,n)=1]=\frac{1}{2}\sum\limits_{i=1}^{n}(i+(n-i))[gcd(i,n)=1]=\frac{1}{2}n\sum\limits_{i=1}^{n}[gcd(i,n)=1]$
$=\frac{n\varphi(n)+[n=1]}{2}$
证明:若$gcd(i,n)=1$,那么$gcd(n-i,n)=1$。
代码:
1 #include<algorithm> 2 #include<iostream> 3 #include<cstring> 4 #include<cstdio> 5 #include<cmath> 6 #define eps 1e-4 7 #define mod 1000000007 8 #define S(n) (ll)(n*(n+1)/2) 9 using namespace std; 10 typedef long long ll; 11 ll phi(int x){ 12 ll ret=x; 13 for(ll i=2;i*i<=x;i++){ 14 if(!(x%i)){ 15 ret=ret/i*(i-1); 16 while(!(x%i))x/=i; 17 } 18 } 19 if(x>1)ret=ret/x*(x-1); 20 return ret; 21 } 22 ll f(ll x,ll d){ 23 return d*d%mod*((x*phi(x)+(x==1))/2)%mod; 24 } 25 ll calc(ll x){ 26 ll ret=0; 27 for(ll i=1;i*i<=x;i++){ 28 if(!(x%i)){ 29 ret=(ret+f(x/i,i))%mod; 30 if(i*i!=x)ret=(ret+f(i,x/i))%mod; 31 } 32 } 33 ret=(ret-x*(x+1)/2%mod+mod)%mod; 34 return ret; 35 } 36 ll m,p; 37 int main(){ 38 scanf("%lld%lld",&m,&p); 39 printf("%lld",calc(p-1)*m%mod); 40 return 0; 41 }