快速幂算法

该函数 qpow 实现了快速幂算法(Fast Exponentiation) ,用于高效计算幂运算 x n x^n xnmod MOD的结果(其中 MOD 是一个全局常量)。以下是详细说明:

功能:

计算 xn 次幂,并对全局常量取模,即返回 x n x^n xnmod MOD的值。

算法原理:

  1. 二进制分解指数 n : 将指数 n 视为二进制形式(例如 n =13 的二进制为 110 1 2 = 8 + 4 + 1 1101_2=8+4+1 11012=8+4+1),则:

    x n = x 2 k 1 + 2 k 2 + ⋯ = x 2 k 1 × x 2 k 2 × ⋯ x^n=x^{2^{k_1}+2^{k_2}+⋯}=x^{2^{k_1}} \times x^{2^{k_2}} \times \cdots xn=x2k1+2k2+⋯=x2k1×x2k2×⋯

  2. 平方迭代 : 通过循环反复平方 x (即 x ← x 2 x^2 x2 mod  MOD),生成的 x 1 , x 2 , x 4 , x 8 , . . . x^1,x^2,x^4,x^8,... x1,x2,x4,x8,...的序列。

  3. 按位累积结果 : 遍历 n 的二进制位。若某位为1,则将当前的 x 累积到结果 res 中。

代码解析:

c++ 复制代码
long long qpow(long long x, int n) {
    long long res = 1;          // 初始化结果为 1
    while (n) {                 // 当指数 n 未处理完时循环
        if (n & 1) {            // 检查 n 的最低位是否为 1
            res = res * x % MOD; // 若为 1,累积当前 x 到结果(取模)
        }
        x = x * x % MOD;        // 平方迭代:x = x^2 mod MOD
        n >>= 1;                // 右移一位(等价于 n /= 2)
    }
    return res;                 // 返回最终结果
}

示例:

以 x=2,n=13,MOD=1000 为例:

  1. 初始化res = 1, x = 2, n = 13 (二进制 1101).
  2. 循环步骤
    • 迭代 1:n & 1 = 1res = 1 * 2 % 1000 = 2 x = 2^2 % 1000 = 4, n = 6 (二进制 110).
    • 迭代 2:n & 1 = 0 → 不更新 res x = 4^2 % 1000 = 16, n = 3 (二进制 11).
    • 迭代 3:n & 1 = 1res = 2 * 16 % 1000 = 32 x = 16^2 % 1000 = 256, n = 1 (二进制 1).
    • 迭代 4:n & 1 = 1res = 32 * 256 % 1000 = 8192 % 1000 = 192 x = 256^2 % 1000 = 65536 % 1000 = 536, n = 0.
  3. 返回结果res = 192(即 2 13 m o d    1000 = 8192 m o d    1000 = 192 2^{13} mod  1000 = 8192 mod  1000=192 213mod  1000=8192mod  1000=192)。

关键点:

  • 时间复杂度O (logn ),远优于朴素循环 O (n)。
  • 模运算优化:每一步乘法和平方后立即取模,避免溢出。
  • 适用场景:大数幂运算(如密码学、组合数学中常见的模幂计算)。
  • 注意事项
    • 假设 MOD 是全局定义的常量。
    • 指数 n 必须为非负整数(负数会导致死循环)。
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