[Gym101138G][容斥原理]LCM-er

题意描述

给定(n,a,b,x)四个数字，需要计数满足如下条件序列的个数(答案对(10^9+7)取模)，条件如下。

[{a le A_1 le A_2 le A_3 le A_4 le cdots le A_n le b }\ 1 le nle 100,1le a,b,x le 10^9, ale b \ ]

以及需要满足 (lcm(A_1,A_2,A_3,cdots ,A_n))可以被(x)整除, 即

[{lcm(A_1,A_2,A_3,cdots ,A_n) | x} ]

解法解析

根据正难则反的原则，我们可以考虑计数那些(lcm)不可以整除的序列。

仔细推断后发现，若将数(x)质因数分解为(p_1^{k_1}p_2^{k_2}cdots p_m^{k_m})。

那么当且仅当将某序列的(lcm)质因数分解后，存在某个质数的幂小于(x)质因数分解后(若没有对应质数就将幂视为(0))对应质数的幂，此序列不合法。

[egin{aligned} x &= p_1^{k_1}p_2^{k_2}cdots p_m^{k_m} \ lcm &= p_1^{t_1}p_2^{t_2}cdots p_m^{t_m} \ end{aligned} \ 需要满足 k_i le t_i (1le ile m) ]

注意到没有出现在(x)中的质数幂对答案无影响，所以我们只考虑(x)分解出来的质数幂。

现在我们枚举(lcm)中不合法的位置，由于至少有一个位置不合法不好计算，我们利用容斥原理转而计算出单个位置不合法，两个位置不合法...m个位置不合法的方案数，即:

(q_i代表第i个位置合法的情况, S代表所有位置的集合{1,2,3,cdots,m},F代表满足指定情况下的方案数)

[egin{aligned} Fleft(igcap_{i=1}^m q_i ight) &= {All - Fleft(igcup_{i=1}^moverline{q_i} ight)} \ Fleft(igcup_{i=1}^moverline{q_i} ight) &= {F(overline{q_1})+F(overline{q_2})+cdots+F(overline{q_m})} \ &{-sum_{1le ilt jle m}F(overline{q_i}capoverline{q_j})} \ &{+sum_{1le ilt jlt kle m}F(overline{q_i}capoverline{q_j}capoverline{q_j})} \ &cdots \ &{+sum_{tsubseteq S}(-1)^{|t|}Fleft( igcap_{iin t}overline{q_i} ight)} end{aligned} ]

现在我们需要关注的就是对于一个位置集合，如何计算 (Fleft( igcap_{iin t}overline{q_i} ight))。

容易发现若(lcm)在这些位置不满足，则构成序列的每一个数都不是选定位置质数幂的倍数，也就是所我们首先要筛选出([a,b])范围内有多少数字不是选定位置处质数幂的倍数即可。

联想在小于(n)的数中筛选不是(2,3,5)倍数的数字，我们再次利用容斥即可。

[G(q_i)代表[a,b]区间内不为对应i位置质数幂倍数的数字数\ {Gleft( igcap_{iin t}overline{q_i} ight) =(b-a+1)+sum_{jsubseteq t}(-1)^{|j|}left( Biglfloor frac{b}{prod_{xin j}p_x^{k_x}}Big floor - Biglfloor frac{a-1}{prod_{xin j}p_x^{k_x}}Big floor ight)} ]

将筛出的数字看作一个集合，大小为(k)，现在可以从中任意选取(n)个数，每个数选取次数不限，求最后构成序列的有序方案数；即计算该多重集的(n)组合，可构成的方案数为(inom{n+k-1}{n})（挡板法）。

[{Fleft( igcap_{iin t}overline{q_i} ight) = inom{Gleft( igcap_{iin t}overline{q_i} ight)+n-1}{n}} ]

整个过程需要两个容斥，做一次枚举子集即可，考虑到构成(x)的质数幂不超过(9)个，复杂度(O(n2^{omega(n)}+3^{omega(n)}))。

PS:代码写得异常奇怪，就想试试不开数组只用vector

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

const int MOD = 1e9 + 7;
const int BIT = 11;
const int N = 105;
vector<int> inv(N, 1);

void init_inverse() {
    for (int i = 2; i < inv.size(); i++) {
        inv[i] = 1LL * (MOD - MOD / i) * inv[MOD % i] % MOD;
    }
}

void resolve(int x, vector<int>& factors) {
    for (int i = 2; i * i <= x; i++) {
        if (x % i == 0) {
            factors.push_back(i);
            x /= i;
            while (x % i == 0) {
                *factors.rbegin() *= i;
                x /= i;
            }
        }
    }
    if (x > 1) factors.push_back(x);
}

int calc(int x, int l, int r) {
    return r / x - (l - 1) / x;
}

int comb(int n, int m) {
    if (m > n || m < 0) return 0;
    int ret = 1;
    for (int i = 1; i <= m; i++) {
        ret = 1LL * ret * inv[i] % MOD;
        ret = 1LL * ret * (n - i + 1) % MOD;
    }
    return ret;
}

int main() {
    init_inverse();

    int n, a, b, x;
    vector<int> factors;

    cin >> n >> a >> b >> x;
    resolve(x, factors);

    vector<int> lcm(1 << factors.size(), 1);
    vector<int> weight(1 << factors.size(), 0);
    vector<int> cnt(1 << factors.size(), 0);

    for (int i = 0, j = 1; j < weight.size(); i++, j = j + j) {
        weight[j] = i;
    }
    for (int i = 1; i < lcm.size(); i++) {
        lcm[i] = lcm[i - (i & -i)] * factors[weight[i & -i]];
        cnt[i] = cnt[i - (i & -i)] + 1;
    }

    int ans = 0;
    for (int i = 0; i < lcm.size(); i++) {
        int temp = b - a + 1;
        for (int j = i; j; j = i & (j - 1)) {
            if (cnt[j] & 1) {
                temp = (temp - calc(lcm[j], a, b) + MOD) % MOD;
            } else {
                temp = (temp + calc(lcm[j], a, b)) % MOD;
            }
        }
        if (cnt[i] & 1) {
            ans = (ans - comb(temp + n - 1, n) + MOD) % MOD;
        } else {
            ans = (ans + comb(temp + n - 1, n)) % MOD;
        }
    }
    cout << ans << endl;
    
    return 0;
}