关于雷劈数的一些研究

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2024-09-14 09:23:00

Tech. & Eng.

upd on 2024/9/15: 拿 py 写了一下,又短又快,cpp 再见!!!

一、雷劈数的定义

背景:有个数学家走在路上看见一个 3025 的路牌被劈成 30 和 25 了,他发现 (30+25)^2=3025,因此称这种数为雷劈数。

比较小的雷劈数有 81=(8+1)^2,100=(10+0)^2

雷劈数的定义大概为:将数 N 的十进制表示从某处分成两半 abb 可以包含前导 0,但不能为空),那么 (a+b)^2=N

二、雷劈数的求法

因为 b 可以包含前导 0,所以考虑直接枚举 b 的位数 n。这个时候十进制拼接就可以表示为 10^na+b

于是我们的方程变成了这样:(a+b)^2=10^na+b

展开移项:a^2+2ab+b^2-10^na-b=0

a^2+(2b-10^n)a+b^2-b=0

这是一个关于 a 的二次方程,想要有整数解必须满足判别式 \Delta=(2b-10^n)^2-4(b^2-b) 为完全平方数,设为 c^2

因此 4b^2-4\cdot10^nb+10^{2n}-4b^2+4b=c^2,即 4(10^n-1)b=10^{2n}-c^2

首先显然 $10^{2n}$ 是 $4$ 的倍数,因此 $c$ 只要是偶数就可以满足 $4$ 的条件,我们之后再带上这个偶数的条件。现在去掉 $4$ 之后,我们就需要找出 $c^2\equiv10^{2n}\equiv1\pmod{10^n-1}$,因为 $10^n\equiv 1\pmod{10^n-1}$。 首先 $P=10^n-1$ 显然不是一个质数,我们先考虑将其质因数分解为 $\prod\limits_i p_i^{a_i}$。如果我们对于所有的 $p_i^{a_i}$ 求出它们的合法解,那么将所有的可能组合全都用 exCRT 合并起来就可以获得 $P$ 的所有合法解。 现在问题变成求 $c^2\equiv 1\pmod{p_i^{a_i}}$。注意这不是一般的二次剩余问题,因为我们寻找的数的平方是 $1$。 显然的,这种情况下 $c$ 只能为 $1$ 或 $p_i^{a_i}-1$,把 $1$ 移到 $c^2$ 处然后因式分解即可证明。 于是我们求出了所有合法的 $c$。如果遇到了奇数跳过即可。 对于每一个 $c$,其有唯一对应的两组对偶解:$b=\dfrac{10^{2n}-c^2}{4(10^n-1)},a=\dfrac{10^n\pm c}2-b$。 容易发现满足上面条件的 $c$ 所对应的 $a$ 和 $b$ 一定合法。 于是整个问题就解决了,回顾一遍整体的流程: 1. 枚举 $b$ 的位数 $n$; 2. 将 $P=10^n-1$ 分解为 $\prod\limits_{i=1}^k p_i^{a_i}$; 3. 对于每一个 $p_i^{a_i}$ 的两种选法,将它们任意组合,形成 $2^k$ 种不同的解,每一种都用 exCRT 合并得到对应的 $c$; 4. 在合法的 $c$ 中加上 $P+1$,然后枚举所有的 $c$ 判断是否是偶数; 5. 对前几步得到的每一个偶数 $c$ 都还原出对应的两组 $a,b$; 6. 最后将得到的所有 $(a+b)^2$ 从小到大排序。 ~~实现有点困难,因为我带着高精度写的所以写了 17KB,目前 15 秒能算出 $10^{50}$ 以内所有雷劈数。代码就不给了(~~ upd: 拿 python 重写了一下,只有不到 2kb 而且 0.5 秒能算 $10^{60}$,我回去加一下优化的高精度库应该还能加速,[Code](https://www.luogu.com.cn/paste/ab8ral7k) 实际上现在瓶颈在于质因数分解,在目前能够快速分解的范围内(对应到输入就是 65 位左右)基本都能一秒跑完了,所以可能也就这样了吧。其它的加速就又回归到了质因数分解而这并不是我想研究的部分,如果有人会更快速的分解 $10^n-1$ 也可以在此基础上进行优化。 特别鸣谢: 1. [liqingyang](https://www.luogu.com.cn/user/272088),~~刷视频的时候~~看到了这个问题; 2. [Grammar__hbw](https://www.luogu.com.cn/user/856004),把倍数关系转化为了剩余问题; 3. [zhouyuhang](https://www.luogu.com.cn/user/314991),提出了剩余问题的大体解决方案; 4. [OEIS A102766](https://oeis.org/A102766),验证了程序的较小项的正确性; 5. ~~我自己,写+调了一晚上的史山;~~ ~~另外求一个跑的比较快的高精度库,现在我用的这个太慢了。。~~