问题:求a^b % m,即a的b次方对m取余的结果。
只要学过C语言的循环就可以写出最简单的朴素版本:
朴素版
时间复杂度O(b),空间复杂度达到了惊人的O(a^b)的指数级。
考虑问题规模:a <(10 ^ 9), b <(10 ^ 6),m <(10 ^ 9)。
问题出现了:这样的算法在求a的b次幂的时候就极其容易溢出,即便用long long也是如此。
我们有取模运算的运算法则:
(a * b) % p = (a % p * b % p) % p
在这里不加证明的使用。
所以在这个前提下,我们可以在求a的b次幂的同时,每次对m进行%操作,这样可以使得ans不会越界。
根据思想可以写出以下代码:
改进版
时间复杂度O(b),空间复杂度为的O(max(a,m)),此时溢出的问题是得到了解决。
但如果考虑问题规模:a <(10 ^ 9), b <(10 ^ 18),m <(10 ^ 9),这样显然又无法满足需要了。
快速幂
这时候引入快速幂,它基于二分的思想,所以也称为二分幂。
不难注意到这样的事实:求a^b的过程中,b只有两种情况:奇数或偶数。
若b为偶数,则a^b = a^(b/2) * a^(b/2)。
若b为奇数,则a^b = a * a ^ (b-1)。且从下一次开始,b必然为偶数的情况。
基于以上思想就可以成功把求幂过程的复杂度降为(logb)。这样就可以满足原规模的数据了。
根据思想写出以下递归版本代码:
递归版:
我们也可以进一步写出迭代版本的代码(From算法笔记):
迭代版:
两组测试
1:10000 ^ 500000000 mod 71
朴素版已由于溢出导致结果错误,而优化版虽然能得出正确答案,但耗时相当长,快速幂的两种实现几乎没有任何耗时。
2:1003 ^ 9223372036854775807 mod 71
快速幂/二分幂的思想还是非常有用的,同时作为简单的算法也值得了解。
递归/迭代的写法在效率上差距不明显,可以采用自己习惯的写法。