题解 P4000 【斐波那契数列】

EMT__Mashiro

2018-12-13 22:22:15

Solution

2020.4.21:补充了一些注释。

更好的阅读体验:PISANO PERIOD

这道题并没有什么花里胡哨的条件,就是很简单的计算F(n)\ mod\ p

但是这题的n达到了10^{30000000}级别,很显然不能直接用矩阵快速幂做。

因此我们要引入一个概念:斐波那契循环节。

显而易见的是,斐波那契数列在模一个数时会出现循环,而这个周期的长度就称为斐波那契循环节。

所以我们需要先求出斐波那契循环节m,然后用矩阵快速幂计算F(n\ mod\ m)\ mod\ p就行了。

下面将会介绍如何计算斐波那契循环节。

参考自一篇全英文的paperThe Period of the Fibonacci Sequence Modulo j

Tips:如果不想看证明过程,可以直接跳到第四部分。

1.定义

斐波那契数列

\forall n\ge 1,F_{n+1}=F_n+F_{n-1}\bigwedge F_0=0,F_1=1,F_2=1

\phi=\frac{1+\sqrt5}{2},\overline{\phi}=\frac{1-\sqrt5}{2},易知有\phi^2=\phi+1\overline{\phi}^2=\overline{\phi}+1,实际上这就是斐波那契数列的特征方程x^2=x+1的两实数根。

由此我们可以推出斐波那契数列的通项公式

F_n=\frac{1}{\sqrt5}(\phi^n-\overline{\phi}^n)

(推的方法很多种,可以上百度自己看,这里因为不是重点不做赘述)

斐波那契循环节

p意义下的斐波那契数列F_n(mod\ p)的循环节m是使得F_m\equiv0(mod\ p)\bigwedge F_{m+1}\equiv1(mod\ p)的最小正整数m

易知\forall m| k,F_k\equiv0(mod\ p),F_{k+1}\equiv1(mod\ p)

2.第一部分证明

我们需要先证明一些引理。

这一部分的引理和推论都比较简单,可以直接作为结论运用。

引理1

p为素数,n为非负整数,若a\equiv1(mod\ p),则a^{p^n}\equiv1(mod\ p^{n+1})

证:

不妨设a=rp+1

运用二项式定理,a^p\equiv(rp+1)^p\equiv1+\sum\limits_{i=1}^p\left(_i^p\right)(rp)^i\equiv1(mod\ p^2)

然后数归即可证。

推论1

p为素数,k为正整数,mF_n(mod\ p)的循环节,有\phi^{mp^{k-1}}\equiv\overline{\phi}^{mp^{k-1}}\equiv1(mod\ p^k)

证:

\because F_m\equiv0(mod\ p) \therefore\phi^m\equiv\overline{\phi}^m(mod\ p)

我们知道F_m=F_{m+1}-F_1=\frac{\phi(\phi^m-1)-\overline{\phi}(\overline{\phi}^m-1)}{\sqrt5}

\phi^m替换\overline{\phi}^mF_m\equiv\frac{(\phi^m-1)(\phi-\overline{\phi})}{\sqrt5}\equiv(\phi^m-1)F_1\equiv\phi^m-1\equiv0(mod\ p)

\therefore\phi^m\equiv\overline{\phi}^m\equiv1(mod\ p)

运用引理1\phi^{mp^{k-1}}\equiv\overline{\phi}^{mp^{k-1}}\equiv1(mod\ p^k)

引理2

p5以外的素数,有(\frac{5}{p})=1\Leftrightarrow p\equiv\pm1(mod\ 5),(\frac{5}{p})=-1\Leftrightarrow p\equiv\pm2(mod\ 5)

(这个符号是勒让德符号,含义请百度,此处不作赘述)

证:

运用二次互反律,(\frac5p)(\frac p5)=(-1)^{(\frac{5-1}2)(\frac{p-1}2)}=((-1)^{\frac{p-1}2})^2=1

运用勒让德符号的定义式,(\frac5p)=(\frac p5)\equiv p^2(mod\ 5)

然后把14代进去算就可以证明了。

3.第二部分证明

现在进入中心环节的证明。

这一部分的定理与斐波那契循环节有着更强的联系,实际上将求斐波那契循环节一点点分解然后解决。

定理1

P=\prod\limits_{i=1}^{s}p_i^{k_i}m_iF_n(mod\ p_i^{k_i})的循环节,MF_n(mod\ P)的循环节,则M=lcm(m_1,\cdots,m_s)

证:

\because F_M\equiv0(mod\ P) \therefore F_M\equiv0(mod\ p_i^{k_i}) \therefore\forall i\le s,m_i|M \therefore M=lcm(m_1,\cdots,m_s)

定理2

p为素数,mF_n(mod\ p)的循环节,MF_n(mod\ p^k)的循环节,则M| mp^{k-1}

证:

推论1我们有\phi^{mp^{k-1}}\equiv\overline{\phi}^{mp^{k-1}}\equiv1(mod\ p^k)

\therefore F_{mp^{k-1}}\equiv\frac{\phi^{mp^{k-1}}-\overline\phi^{mp^{k-1}}}{\sqrt5}\equiv0(mod\ p^k) \therefore F_{mp^{k-1}+1}\equiv\frac{\phi^{mp^{k-1}+1}-\overline\phi^{mp^{k-1}+1}}{\sqrt5}\equiv\frac{\phi-\overline{\phi}}{\sqrt5}\equiv1(mod\ p^k)

F_{mp^{k-1}}\equiv0(mod\ p^k)F_{mp^{k-1}+1}\equiv1(mod\ p^k)

\therefore M|mp^{k-1}

定理3

p为素数,mF_n(mod\ p)的循环节,若p\equiv\pm1(mod\ 5),则m| p-1

证:

引理25p的二次剩余,所以可以直接开方(\sqrt5在模p的数域\mathbb{F_p}中)。

运用费马小定理,\phi^{p-1}\equiv\overline{\phi}^{p-1}\equiv 1(mod\ p)

\therefore F_{p-1}\equiv\frac{\phi^{p-1}-\overline\phi^{p-1}}{\sqrt5}\equiv0(mod\ p),F_p\equiv\frac{\phi^p-\overline\phi^p}{\sqrt5}\equiv\frac{\phi-\overline{\phi}}{\sqrt5}\equiv1(mod\ p)

F_{p-1}\equiv0(mod\ p)F_p\equiv1(mod\ p)

\therefore m|p-1

定理4

p为素数,mF_n(mod\ p)的循环节,若p\equiv\pm2(mod\ 5)m|2p+2\bigwedge 2\nmid\frac{2p+2}{m}

证:

引理25不是是p的二次剩余,因此不可以直接开方(\sqrt5在不在模p的数域\mathbb{F_p}中)。

所以我们定义一个扩展数域\mathbb{F_p}(\sqrt5)=\{a+b\sqrt5|a,b\in\mathbb{F_p}\}

这里可以理解为类似于从实数域扩展到复数域,然后我们可以证明它满足域的特征。

(这个证明就真没必要纠结了)

利用二项式定理,我们有(a+b)^p\equiv a^p+b^p(mod\ p)

\therefore\phi^p\equiv(\frac12+\frac{\sqrt5}{2})^p\equiv(\frac12)^p+(\frac{\sqrt5}2)^p\equiv(\frac12)^p(1+\sqrt5^p)\equiv\frac12(1+5^\frac{p-1}2\sqrt5)\equiv\frac12(1-\sqrt5)\equiv\overline{\phi}

同理\overline{\phi}^p=\phi

因此我们有

F_{p}\equiv\frac{\phi^p-\overline\phi^p}{\sqrt5}\equiv\frac{\overline\phi-\phi}{\sqrt5}\equiv p-1(mod\ p) F_{p+1}\equiv\frac{\phi^{p+1}-\overline\phi^{p+1}}{\sqrt5}\equiv\frac{\overline\phi\phi-\phi\overline\phi}{\sqrt5}\equiv0(mod\ p) F_{p+2}\equiv F_p+F_{p+1}\equiv p-1(mod\ p) \therefore m\nmid p+1

又有

F_{2p+1}\equiv\frac{\phi^{2p+1}-\overline\phi^{2p+1}}{\sqrt5}\equiv\frac{\overline\phi^2\phi-\phi^2\overline\phi}{\sqrt5}\equiv\frac{\phi\overline\phi(\overline\phi-\phi)}{\sqrt5}\equiv1(mod\ p) F_{2p+2}\equiv\frac{\phi^{2p+2}-\overline\phi^{2p+2}}{\sqrt5}\equiv\frac{\overline\phi^2\phi^2-\phi^2\overline\phi^2}{\sqrt5}\equiv0(mod\ p) F_{2p+3}\equiv F_{2p+1}+F_{2p+2}\equiv1(mod\ p) \therefore m| 2p+2

又因m\nmid p+1

\therefore 2\nmid\frac{2p+2}{m}

4.结论

当你看到这部分是你可能还是一脸懵逼,觉得自己只是在跟天书般的数学式子作斗争。但是事实上计算斐波那契循环节的方式已经在第三部分完全给出,下面做一下总结。

对于F_n(mod\ P)求其循环节M总共分3步:

step1

定理1,分解质因数P=\prod\limits_{i=1}^s{p_i^{k_i}},求F_n(mod\ p_i^{k_i})的循环节M_i,然后取M=lcm(M_1,\cdots,M_s)

step2

现在我们将问题转化成了求F_n(mod\ p_i^{k_i})的循环节M_i

定理2F_n(mod\ p_i^{k_i})的循环节M_ip_i^{k_i-1}F_n(mod\ p_i)的循环节m_i的积m_ip_i^{k_i-1}的某一因数。

一个个检查因数会很麻烦,直接取这个m_ip_i^{k_i-1}也没有任何问题。因为我们是为了快速计算斐波那契数列的某个值,而m_ip_i^{k_i-1}M_i一个倍数,最后得到的"循环节"\overline M=lcm(m_1p_1^{k_1-1},\cdots,m_sp_s^{k_s-1})也就会相应地变成正确的循环节M的倍数。但是\overline M一定是斐波那契数列循环的周期之一。(类似于三角函数最小正周期与周期的关系)。而且这个值也不会很大(long\ long范围内),对其取模然后跑矩阵快速幂完全没有问题。

step3

对于每个p_i,如果p_i\le5,直接打表:2的最小循环节是3,3的最小循环节是8,5的最小循环节是20。(这个都手算不出来就有大问题了啊)

p_i\equiv\pm1(mod\ 5),则m_ip_i-1的某一因数,理由同上,直接取本身即可。

p_i\equiv\pm2(mod\ 5),则m_i2p+2的某一因数且2\nmid\frac{2p+2}{m},直接取本身亦可。

下面是远古时期写的代码。

// luogu-judger-enable-o2
#include<bits/stdc++.h>
#define LL long long
using namespace std;
const int N=1e4,S=30000001;
char s[S];
LL pi[N],k[N],P;
inline LL gcd(register LL n,register LL m){while(m^=n^=m^=n%=m); return n;}
inline LL lcm(register LL n,register LL m){return n/gcd(n,m)*m;}
struct matrix
{
    LL a[3][3];
    matrix(){memset(a,0,sizeof(a));}
    matrix operator*(matrix x)
    {
        matrix s;
        for(register int i=1;i<=2;i++) for(register int j=1;j<=2;j++) for(register int k=1;k<=2;k++) s.a[i][j]=(s.a[i][j]+a[i][k]*x.a[k][j])%P;
        return s;
    }
    matrix operator^(register LL k)
    {
        matrix s=*this,e;
        e.a[1][1]=e.a[2][2]=1;
    for(;k;k>>=1,s=s*s) if(k&1) e=e*s; 
        return e;
    }
};
inline int power(register LL n)
{
    matrix a,ans;
    a.a[1][1]=a.a[1][2]=a.a[2][1]=1,a.a[2][2]=0;
    ans=a^n;
    return ans.a[1][2];
}
inline LL Get(register LL p)
{
    register int s=sqrt(p),tot=0;
    for(register int i=2;i<=s;++i)
    if(!(p%i))
    {
        pi[++tot]=i,k[tot]=1;
        while(!(p%i)) p/=i,k[tot]*=i;
    }
    for(register int i=1;i<=tot;++i) k[i]/=pi[i];
    if(p!=1) k[++tot]=1,pi[tot]=p;
    for(register int i=1;i<=tot;++i)
    if(pi[i]==2) k[i]*=3;
    else if(pi[i]==3) k[i]*=5;
    else if(pi[i]==5) k[i]*=20;
    else if(pi[i]%5==1||pi[i]%5==4) k[i]*=pi[i]-1;
    else k[i]*=(pi[i]+1)<<1;
    register LL ans=k[1];
    for(register int i=2;i<=tot;++i) ans=lcm(ans,k[i]);
    return ans;
}
int main()
{
    register int len;
    register LL m,n=0;
    scanf("%s%lld",s+1,&P),len=strlen(s+1);
    if(P==1) return cout<<0,0;
    m=Get(P);
    for(register int i=1;i<=len;++i) n=((n<<3)+(n<<1)+(s[i]^48))%m;
    if(!n) return cout<<0,0;
    if(n==1) return cout<<1,0;
    return cout<<power(n),0;    
}