加减乘除的取模运算

某些题目,由于要计算的答案非常大(超出64位整数的范围),会要求把答案对 $10^9 + 7$取模。如果在计算中途没有处理得当的话,会出现WA(错误)或则TLE(超时)。

例如计算多项乘积时,如果没有中途及时取模,乘法结果会溢出(例如C/C++),从而得到非预期的答案
。对于 Python 来说,虽然没有溢出,但是大整数(big integer)之间的运算不是 $O(1)$,可能会导致LTE。

加法和乘法的取模

一般涉及到取模($\bmod$)的题目,会用到如下两个恒等式
$$ \begin{align} (a+b) \bmod m &= ((a \bmod m) + (b \bmod m)) \bmod m \\ (a \cdot b) \bmod m &= ((a \bmod m) \cdot (b \bmod m)) \bmod m \\ \end{align} $$

证明:根据带余除法,${\forall} a \in \mathbb{z}$,都可以表示为$a = qm + r\ (m \neq 0)$,其中整数$q$为$a$除以$m$的商(quotient),整数$r$为$a$除以$m$的余数(remainder),即$r = a \bmod m$。

设$a = q_1 m + r_1$,$b = q_2 m + r_2$。
第一个恒等式:
$$ \begin{align} (a+b) \bmod m &= (q_1 m + r_1 +q_2 m + r_2) \bmod m \\ &=((q_1 + q_2)m + r_1 + r_2) \bmod m \\ &=(r_1 + r_2) \bmod m \end{align} $$
又因为$r_1 = a \bmod m$,$r_2 = b \bmod m$有:
$$ (a+b) \bmod m = ((a \bmod m) + (b \bmod m)) \bmod m $$

第二个恒等式:
$$ \begin{align} (a\cdot b) \bmod m &= ((q_1 m + r_1)(q_2 m + r_2)) \bmod m \\ &= (q_1 q_2 m^2 + (q_1 r_2 + q_2 r_1)m + r_1 r_2) \bmod m \\ &=(r_1 r_2) \bmod m \end{align} $$

同样有:
$$ (a\cdot b) \bmod m =((a \bmod m)\cdot (a \bmod m)) \bmod m $$

根据这两个恒等式,我们可以在计算过程中(例如循环中),对加法和乘法的结果取模,而不是在计算最终结果后再取模。

注意:如果涉及到幂运算,不能随意取模。如果指数为整数,可以用快速幂。

如果计算过程中有减法,可能会产生负数,处理不当也会导致 WA。如何正确处理这种情况呢?

同余

首先引入同余(congruence modulo) 的概念。
两个整数$a$,$b$,若它们除以正整数$m$所得的余数相等,则称$a$,$b$对于模$m$同余,记作:
$$ a \equiv b \pmod m $$

例如$42 \equiv 12 \pmod {10}$,因为$42$和$12$都可以被$10$整除,余数都是$2$。

负数的取模

对于负数,我们可以将其转化为对应的非负数再取模。例如,$-17 \bmod 10$可以转化为$((-17 \bmod 10) +10) \bmod 10 = (-7 +10) \bmod 10$,结果是$3$。
也就是说,如果我们发现 $(x \bmod m) < 0$,可以加上一个$m$,得到非负数。

为避免判断$x\bmod m < 0$,可以写成
$$ (x \bmod m + m) \bmod m $$

这样无论$x$是否为负数,运算结果都会落在区间$[0,m−1]$中。

除法的取模

如果要计算$\frac{24}{8} \bmod 5$,如果像加法或乘法处理,写成$\frac{24 \bmod 5}{8 \bmod 5} \bmod 5 = \frac{4}{3}$,明显不是正确答案$3$。先有结论:

如果$p$是一个质数,$a$是$b$的倍数且$b$和$p$互质,那么有
$$ \frac{a}{b} \bmod p = (a \cdot b^{p-2}) \bmod p $$

如果实际题目中推导出了包含除法的求余式,可以用上式转换成乘法,并用快速幂计算$b^{p-2} \bmod p$。

证明:

  • 引理1: 当$p$是质数且$1 \leq i \leq p-1$时,有
    $$ \mathrm{C}_p^i \equiv 0 \pmod p $$

其中
$$ \mathrm{C}_p^i = \frac{p!}{i!(p-i)!} $$
证明:当$p$是质数且$1 \leq i \leq p-1$时,$\frac{p!}{i!(p-i)!}$分母一定不含$p$,由于分子中包含$p$且$\mathrm{C}_p^i$为整数,所以$\mathrm{C}_p^i$一定能被$p$整除,即$\mathrm{C}_p^i \equiv 0 \pmod p$。

  • 引理2: 根据二项式定理,有
    $$ (x+y)^p = \sum_{k=0}^{p}{\mathrm{C}_p^k x^{p-k} y^k} = \sum_{k=0}^{p}{\mathrm{C}_p^k x^k y^{p-k}} $$

当$p$为质数,且$x, y \in \mathbb{z}$时,除去$k=0$和$k=p$两项,根据引理1,其余项与$0$关于$p$同余。即
$$ \sum_{k=1}^{p-1}{\mathrm{C}_p^k x^{p-k} y^k} \equiv 0 \pmod p $$
拆分
$$ \begin{align} (x+y)^p &= \mathrm{C}_p^0 x^p y^0 + \sum_{k=1}^{p-1}{\mathrm{C}_p^k x^{n-k} y^k} + \mathrm{C}_p^p x^0 y^p \\ &=x^p + y^p + \sum_{k=1}^{p-1}{\mathrm{C}_p^k x^{n-k} y^k} \end{align} $$

于是当$p$为质数,且$x, y \in \mathbb{z}$时,有:
$$ (x+y)^p \equiv x^p + y^p \pmod p $$

根据费马小定律,对任意整数$a$和任意质数$p$,有:
$$ a^p \equiv a \pmod p $$
证明:当$a = 0$时,$0^p \equiv 0 \pmod p$成立;
已知引理2,通过归纳法,我们可以得到:
$$ (x_1+ … +x_n)^p \equiv x_1^p + … + x_n^p \pmod p $$

如果将$a$展开为$a$个$1$相加,$a=1+…+1$,代入上式有:
$$ a^p \equiv (1+ … +1)^p \equiv 1^p + … + 1^p \equiv a \pmod p $$

根据数学归纳法,原命题对于 $a\ge 0$ 成立。对于$a < 0$的情况同理,证明完毕。

如果$a$不是$p$的倍数,费马小定理也可以写成更加常用的一种形式:
$$ a^{p-1} \equiv 1 \pmod p $$
如果$a$是$p$的倍数,显然有:$a^{p-1} \equiv 0 \pmod p$。

在$a$不是$p$的倍数的前提下,两边同时乘以$\frac{b}{a}$,有
$$ b \cdot a^{p-2} \equiv \frac{b}{a} \pmod p $$

即
$$ \frac{b}{a} \bmod p = (b \cdot a^{p-2}) \bmod p $$

总结

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// 如果取模到 [0, MOD-1] 中,无论正负
(a % MOD + MOD) % MOD

// 多个数相乘,要步步取模,防止溢出
(a * b * c) % MOD = a * b % MOD * c % MOD

// 除(MOD 是质数且 b 不是 MOD 的倍数)
(a / b) % MOD = a * qpow(b, MOD-2, MOD) % MOD // qpow 是快速幂