题目链接

洛谷:https://www.luogu.org/problemnew/show/P4464

Solution

这题是真的毒....数论大杂烩,窝断断续续写了两天。

众所周知:

\[{\rm lcm}(x,y)=\frac{xy}{\gcd(x,y)}
\]

带进去,顺便枚举\(\gcd\)值套\(mobius\)反演公式然后换一下求和符号:

\[\begin{align}
ans=&n^y\sum_{d|n}d^{x-y}\sum_{i=1}^{n}i^y[\gcd(i,n)=1]\\
=&n^y\sum_{d|n}d^x\sum_{i=1}^{n/d}i^y[\gcd(id,n)=1]\\
=&n^y\sum_{d|n}d^x\sum_{i=1}^{n/d}i^y\sum_{t|i,t|\frac{n}{d}}\mu(t)\\
=&n^y\sum_{d|n}d^x\sum_{t|\frac{n}{d}}\mu(t)t^y\sum_{i=1}^{n/dt}i^y\\
\end{align}
\]

众所周知,自然数\(k\)次幂和可以表示为一个\(k+1\)次多项式,设多项式系数为\(s\),即:

\[\sum_{i=1}^{n}i^y=\sum_{i=0}^{y+1}s_in^i
\]

那么带进去顺便把\(s_i\)丢最前面:

\[\begin{align}
ans=&n^y\sum_{d|n}d^x\sum_{t|\frac{n}{d}}\mu(t)t^y\sum_{i=1}^{y+1}s_i(\frac{n}{dt})^i\\
=&n^y\sum_{i=1}^{y+1}s_i\sum_{d|n}d^{x}\sum_{t|\frac{n}{d}}\mu(t)t^{y}(\frac{n}{dt})^i\\
\end{align}
\]

可以注意到后面是一个狄利克雷卷积的形式,设:

\[f_i(n)=\sum_{d|n}d^{x}\sum_{t|\frac{n}{d}}\mu(t)t^{y}(\frac{n}{dt})^i\\
a(n)=d^n,b(n)=\mu(n)n^y,c_i(n)=n^i
\]

显然:

\[f_i=a*b*c_i
\]

也就是说\(f_i\)是一个积性函数,我们只需要关系\(f(p^w)\)的值就好了,然后用\(\rm pollard\ rho\)分解\(n\),暴力算就好了。

显然根据\(\mu\)函数的性质,\(f_i\)的定义式中枚举的\(t\)只有等于\(1\ or \ p\)的时候才有贡献,我们分类讨论:

  • \(t=1\):

    \[f(n)=n^i\sum_{d|n}d^{x-i}\\
    f(p^w)=p^{wi}\sum_{j=0}^{w}p^{j(x-i)}
    \]

  • \(t=p\):

    \[f(n)=-n^i\sum_{d|n}d^{x-i}p^{y-i}\\f(p^w)=-p^{wi+y-i}\sum_{j=0}^{w-1}p^{j(x-i)}
    \]

这里可以用等比数列求和,当然暴力枚举复杂度也是对的,本题复杂度瓶颈在质因数分解上,但是这题卡pollard rho常就很不友好。

那个自然数幂和的系数可以用伯努利数求,具体上百度,伯努利数直接大力预处理就好了。

然后就做完了,复杂度\(O(T\sqrt[4]{n}+Ty\log n+y^2)\)。

// #pragma GCC optimize(3)
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std; template<typename T> void read(T &x) {
x=0;T f=1;char ch=getchar();
for(;!isdigit(ch);ch=getchar()) if(ch=='-') f=-f;
for(;isdigit(ch);ch=getchar()) x=x*10+ch-'0';x*=f;
} void print(int x) {
if(x<0) putchar('-'),x=-x;
if(!x) return ;print(x/10),putchar(x%10+48);
}
void write(int x) {if(!x) putchar('0');else print(x);putchar('\n');} #define lf double
#define ll long long #define pii pair<int,int >
#define vec vector<int > #define pb push_back
#define mp make_pair
#define fr first
#define sc second #define FOR(i,l,r) for(int i=l,i##_r=r;i<=i##_r;i++) const int maxn = 4e3+10;
const int N = 3e3+10;
const int inf = 1e9;
const lf eps = 1e-8; ll r[maxn],cnt; namespace Pollard_rho {
const int pri[] = {0,2,3,5,7,11,13,23,31}; ll gcd(ll a,ll b) {return !b?a:gcd(b,a%b);} ll mul(ll x,ll y,ll p) {
ll t=(long double)x*y/p;
ll res=x*y-t*p;res%=p;if(res<0) res+=p;
return res;
} ll qpow(ll a,ll x,ll p) {
ll res=1;
for(;x;x>>=1,a=mul(a,a,p)) if(x&1) res=mul(res,a,p);
return res;
} bool MR(ll n) {
if(n<2) return 1;
ll e=(n-1)>>__builtin_ctz(n-1);
for(int i=1;i<=8;i++) {
if(pri[i]>=n) break;
for(ll d=e,lst=qpow(pri[i],d,n),now;d!=n-1;d<<=1,lst=now) {
now=mul(lst,lst,n);
if(lst!=1&&lst!=n-1&&now==1) return 0;
}if(qpow(pri[i],n-1,n)!=1) return 0;
}return 1;
} ll calc(ll n,ll v) {
ll a=rand()%n,b=a,g=1;
while(g==1) {
a=(mul(a,a,n)+v)%n;
b=(mul(b,b,n)+v)%n;
b=(mul(b,b,n)+v)%n;
g=gcd(abs(a-b),n);
}return g;
} void PR(ll n) {
if(MR(n)) return n<2?0:r[++cnt]=n,void();
ll d=n;
while(d==n) d=calc(n,1ull*rand()*rand()*rand()*rand()%(n-1)+1);
PR(d),PR(n/d);
} void divide(ll n) {
for(int i=1;i<=8;i++) while(n%pri[i]==0) n/=pri[i],r[++cnt]=pri[i];
PR(n);
}
} const int mod = 1e9+7; int fac[maxn],ifac[maxn],inv[maxn],b[maxn]; int add(int x,int y) {return x+y>=mod?x+y-mod:x+y;}
int del(int x,int y) {return x-y<0?x-y+mod:x-y;}
int mul(int x,int y) {return 1ll*x*y-1ll*x*y/mod*mod;} int c(int x,int y) {return mul(fac[x],mul(ifac[y],ifac[x-y]));} int qpow(int a,int x) {
int res=1,f=0;if(x<0) x=-x,f=1;
for(;x;x>>=1,a=mul(a,a)) if(x&1) res=mul(res,a);
return f?qpow(res,mod-2):res;
} namespace Bernoulli {
void sieve() {
fac[0]=ifac[0]=inv[0]=inv[1]=1;
for(int i=1;i<maxn;i++) fac[i]=mul(fac[i-1],i);
for(int i=2;i<maxn;i++) inv[i]=mul(mod-mod/i,inv[mod%i]);
for(int i=1;i<maxn;i++) ifac[i]=mul(ifac[i-1],inv[i]);
} void get_B() {
b[0]=1;
for(int i=1;i<N;i++) {
for(int j=0;j<i;j++) b[i]=add(b[i],mul(b[j],c(i+1,j)));
b[i]=del(0,mul(b[i],inv[i+1]));
}b[1]++;
}
} int x,y,s[maxn],tot;ll n;
struct data {ll p;int x;}a[maxn]; int calc(int p,int w,int i) {
int res=0;
for(int j=0;j<=w;j++) res=add(res,qpow(p,j*(x-i)+w*i));
for(int j=0;j<=w-1;j++) res=del(res,qpow(p,j*(x-i)+w*i-i+y));
return res;
} void solve() {
read(n),read(x),read(y);cnt=0;s[0]=0;tot=0;
if(!n) return puts("0"),void();
for(int i=0;i<=y;i++) s[y+1-i]=mul(inv[y+1],mul(b[i],c(y+1,i)));
Pollard_rho :: divide(n);
sort(r+1,r+cnt+1);
for(int i=1;i<=cnt;i++)
if(r[i]!=r[i-1]) a[++tot].p=r[i],a[tot].x=1;
else a[tot].x++;
int ans=0;
for(int i=0;i<=y+1;i++) {
int res=s[i];
for(int j=1;j<=tot;j++) {
int p=a[j].p%mod,w=a[j].x;
res=mul(res,calc(p,w,i));
}ans=add(ans,res);
}ans=mul(ans,qpow(n%mod,y));
write(ans);
for(int i=0;i<=cnt+5;i++) a[i].p=a[i].x=r[i]=0;
for(int i=0;i<=y+1+5;i++) s[i]=0;
} int main() {
srand(19280817);
Bernoulli :: sieve(),Bernoulli :: get_B();
int t;read(t);while(t--) solve();
return 0;
}

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