数论、组合数学、具体数学
数论和组合数学知识

• 进阶:/
• 6、全排列 next_permutation 康托展开STL 常见算法
• 7、回溯
• 2、C++ 输入输出(包括流、文件) • 8、DFS、BFS、hash表
• 3、C++常用泛型:list vector stack map • 9、数学上的有:辗转相除(两行
•
9、数学:线段交点、多角形面积公式 等
排列组合
排列组合
公式
二项式定理
a的n次幂,超范围处理
较小的数可以直接相乘求出幂指数,一旦指数超出范围,则溢出 处理方式1:在程序运行中对p取余(p常取一个质数),结果为a^n取余。 处理方法2:当指数过大时,方法1不能解决,使用分治法
例题:素数计算超范围
例题:最大买不到的数目
出现连续4次(a次)能买到,之后的就都可以 买到,最大不能买到的数字就是这之前的数
比酒量
利用浮点数近似相等
通分,转为整数运算
保留分数形式, 不进行运算!
有理数是整数和分数的集合。 有理数:整数或有限小数或无限循环小数; 无理数:无限不循环小数 任何一个有理数,都可以表示成 分数 形式
整数的基本性质
• 素数、和数、整除、余数、最大公约数、最
小公倍数
• 互质的两个数的最大公约数是1,两个数如果
数论和组合数学知识
高华玲 主讲 2018.12.3
穷举法(暴力破解)
穷举法(暴力破解)
穷举法(暴力破解)
浮点数不能直接使用==来判断。 因为计算机中是二进制表示,有可能是无限循环小数,导致 不能精确相等。
乘以10,避免小数
注意:啤酒2.3,饮料1.9,啤酒比饮料的少,求啤酒的数量。 答案有两组,应该取11,30这一组,啤酒的数量为11.
组合数学简介

映射的个数
n元集上的幂等映射的个数 n元集上的部分映射的个数
n
C
k n
k
n
k
k 1
n
Cnk nk (1 n)n
k 0
例题
• 问题一:对三角形的三个顶点u,v,w染以红、蓝两 种颜色,求不同的染色方案数。
• 问题二:求集合{u,v,w}到集合{r,b}的映射的数目。
例题
• 问题1:求n元集合上有多少个不同的自反关系?
组合数学 Combinatorics
教材
课程安排
• 组合数学简介 • 排列组合公式 • 母函数 • 递推关系 • 容斥原理 • 抽屉原理 • Polya计数
组合数学简介
• 组合数学也称为组合分析或组合学,按研究的对象 归于离散数学家族。
• 早在中国古代的洛书、河图中就有组合数学的思想。 • 组合数学的历史渊源扎根于数学娱乐和游戏中。 • 现代组合数学在纯粹和应用科学上都有重要的价值。 • 组合数学与抽象代数、拓扑学、数学基础、图论、
• 主要内容:把有限集合的元素按一定的规则进行安排。 • 这种安排被考究地称为组态(Configuration)。
解决的问题
• 组态的存在性 • 组态的枚举、分类和计数 • 组态的构造 • 组态的优化
幻方
• 幻方是最古老最流行的一个数学游戏之一。 • 在中世纪时期曾存在与幻方相关的玄想,人们将
幻方佩戴身上辟邪。 • 本杰明·富兰克林就是一个幻方迷,他的论文中包
有m1种不同的方法,在第二类办法中有m2种不同的方法,…,在ห้องสมุดไป่ตู้n类 办法中有mn种不同的方法,那么完成这件事共有N=m1+m2+m3+…+mn种不 同方法。
组合数学与数论1

第一部分:组合数学第一章计数的基本原则一.组合数学的历史和内容1.历史:组合数学最早起源于中世纪的印度,在漫长的历史中,一直发展缓慢。
随着上一世纪计算机的出现,组合数学开始快速地发展。
近几年,由于计算机安全领域受到重视以及组合数学在计算机安全领域的应用,组合数学受到越来越多的重视。
2.内容:组合数学主要包括以下几个内容:(1)组合分析(也称为组合计数理论)(2)组合优化(包括线性规划,整数规划等)(3)组合设计(包括区组设计等)(4)组合算法(例如:搜索算法,DFS算法与分支定界法,动态规划等)*图论本是组合数学这个家族的一个主要成员,但它已成长壮大,独立成一门学科。
3. 本课程介绍的主要内容:组合计数理论二.加法原则与乘法原则1. 加法原则:设事件A有m种产生方式,事件B有n种产生方式,则“事件A 或事件B”有m+n种产生方式。
例子:大于0而小于10的偶数有4个,即:{2,4,6,8},大于0而小于10的奇数有5个,即:{1,3,5,7,9}。
则大于0而小于10的整数有:4+5=9个,即:{1,2,3,4,5,6,7,8,9}。
*如果A1,A2,⋯,A n是互不相交的有穷集,那么|A1∪A2∪⋯∪A n|=|A1|+|A2|+⋯+|A n|2.乘法原则:若事件A有m种产生方式,事件B有n种产生方式,则“事件A 与事件B”有mn种产生方式。
例1:设一个符号由两个字符组成,第一个字符有a,b,c,d,e五种方式,第二个字符有1,2,3三种方式。
则根据乘法原则,该符号具有5×3= 15种方式,即a1,b1,c1,d1,e1;a2,b2,c2,d2,e2;a3,b3,c3,d3,e3.例2:从A到B有3条不同的道路,从B到C有2条不同的道路,从A经B到C共有n=3×2=6条不同的道路。
例3:求比10000小的正整数中含有数字1的数的个数。
解:先求所有4位数中不含有数字1的个数,即求由{0,2,3,4,5,6,7,8,9} 9个数字组成的4位数的个数。
数论基础知识

数论基础知识数论是数学的一个分支,主要研究整数的性质和整数之间的相互关系。
数论的基础知识包括但不限于以下几个方面:1. 整数和自然数整数包括正整数、负整数和零,而自然数通常指的是从1开始的正整数。
在数论中,整数的性质和它们之间的运算是研究的重点。
2. 素数和合数素数是指只能被1和它本身整除的大于1的自然数,例如2、3、5、7等。
合数则是除了1和它本身之外,还能被其他自然数整除的数。
例如,4是合数因为它可以被2整除。
3. 因数和倍数一个数的因数是可以整除它的数,而倍数则是这个数的整数倍。
例如,6的因数有1、2、3和6,而6的倍数包括6、12、18等。
4. 最大公约数和最小公倍数两个或多个整数的最大公约数(GCD)是它们共有的最大的因数。
最小公倍数(LCM)是能被这些数整除的最小的正整数。
例如,8和12的最大公约数是4,最小公倍数是24。
5. 算术基本定理算术基本定理指出,每个大于1的自然数都可以唯一地分解为素数的乘积,不考虑因数的顺序。
例如,60可以分解为2^2 * 3 * 5。
6. 同余和模运算同余是指两个整数在除以某个数后余数相同。
模运算是数论中的一个重要概念,它涉及到整数除法的余数。
例如,5和10在模3的意义下是同余的,因为5除以3余2,10除以3也余2。
7. 二次剩余和勒让德符号二次剩余是指在模p(p为素数)的意义下,某个数的平方根存在的情况。
勒让德符号是一个用于判断一个数是否是某个素数模的二次剩余的符号。
8. 费马小定理费马小定理是数论中的一个基本定理,它指出如果p是一个素数,那么对于任何整数a,a^p - a是p的倍数。
特别地,当a不是p的倍数时,a^(p-1) ≡ 1 (mod p)。
9. 欧几里得算法欧几里得算法是一种用于计算两个整数最大公约数的算法。
它基于这样的事实:两个整数的最大公约数与它们的差的最大公约数相同。
10. 丢番图方程丢番图方程是一类特殊的多项式方程,它们通常涉及到整数解。
组合数学

1
组合数学是一个古老而又年轻的数学分支。
传说,大禹在4000多年前就观察到神龟 背上的幻方…... 幻方可以看作是 一个3阶方阵,其元 素是1到9的正整数, 每行、每列以及两条 对角线的和都是15。
4
9
2
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2
贾宪 北宋数学家(约11世纪) 著有《黄 帝九章细草》、《算法斅古集》斅 音“笑 (“古算法导引”)都已失传。 杨辉著《详解九章算法》(1261年)中 曾引贾宪的“开方作法本源”图(即指数为 正整数的二项式展开系数表,现称“杨辉三 角形”)和“增乘开方法”(求高次幂的正 根法)。 前者比帕斯卡三角形早600年,后者比霍 纳(William Geoge Horner,1786—1837)的 方法(1819年)早770年。
若此例改成底色和条纹都用红、蓝、橙 、黄四种颜色的话,则,方案数就不是4 4 = 16, 而只有 4 3 = 12 种。 在乘法法则中要注意事件 A 和 事件 B 的 相互独立性。
17
加法和乘法法则的综合运用
例1:我国曾经推行的02式汽车的牌照的式样 如下:999.999、999.XXX、XXX.999,那么 共有多少个不同的车牌号码?(其中9代表该 位为数字,X表示该位为大写字母) 例2:计算机系统的每个用户有一个6-8个字 符构成的登录密码,其中每个字符是一个大 写字母或数字,且每个密码必须至少包含一 个数字,有多少个可能的密码?
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定理:如果把n+1个或更多的物体被放入到n
个盒子里,则至少有一个盒子包含了
两个或更多的物体。
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2. 推广的鸽巢原理 鸽巢原理指出当物体比盒子多时,一定 至少有两个物体在同一个盒子里。
小学奥数可以分为计算、计数、数论、几何、

小学奥数可以分为计算、计数、数论、几何、应用题、行程、组合七大板块,其中必须掌握的三十六个知识点,内容从和差倍问题、年龄问题到循环小数,包含了小学奥数七个模块的知识。
以下是小学奥数知识清单:2、年龄问题的三个基本特征:①两个人的年龄差是不变的;②两个人的年龄是同时增加或者同时减少的;③两个人的年龄的倍数是发生变化的;3、归一问题基本特点:问题中有一个不变的量,一般是那个“单一量”,题目一般用“照这样的速度”……等词语来表示。
关键问题:根据题目中的条件确定并求出单一量;5、鸡兔同笼问题基本概念:鸡兔同笼问题又称为置换问题、假设问题,就是把假设错的那部分置换出来;基本思路:①假设,即假设某种现象存在(甲和乙一样或者乙和甲一样):②假设后,发生了和题目条件不同的差,找出这个差是多少;③每个事物造成的差是固定的,从而找出出现这个差的原因;④再根据这两个差作适当的调整,消去出现的差。
基本公式:①把所有鸡假设成兔子:鸡数=(兔脚数×总头数-总脚数)÷(兔脚数-鸡脚数)②把所有兔子假设成鸡:兔数=(总脚数一鸡脚数×总头数)÷(兔脚数一鸡脚数)关键问题:找出总量的差与单位量的差。
6、盈亏问题基本概念:一定量的对象,按照某种标准分组,产生一种结果:按照另一种标准分组,又产生一种结果,由于分组的标准不同,造成结果的差异,由它们的关系求对象分组的组数或对象的总量.基本思路:先将两种分配方案进行比较,分析由于标准的差异造成结果的变化,根据这个关系求出参加分配的总份数,然后根据题意求出对象的总量.基本题型:①一次有余数,另一次不足;基本公式:总份数=(余数+不足数)÷两次每份数的差②当两次都有余数;基本公式:总份数=(较大余数一较小余数)÷两次每份数的差③当两次都不足;基本公式:总份数=(较大不足数一较小不足数)÷两次每份数的差基本特点:对象总量和总的组数是不变的。
计算机专业应该掌握的理论知识

首先,应该意识到数学修养的重要性。
作为一个优秀的程序员,一定的数学修养是十分重要也是必要的。
数学是自然科学的基础,计算机科学实际上是数学的一个分支。
计算机理论其实是很多数学知识的融合,软件工程需要图论,密码学需要数论,软件测试需要组合数学,计算机程序的编制更需要很多的数学知识,如集合论、排队论、离散数学、统计学,当然还有微积分。
计算机科学一个最大的特征是信息与知识更新速度很快,随着数学知识与计算机理论的进一步结合,数据挖掘、模式识别、神经网络等分支科学得到了迅速发展,控制论、模糊数学、耗散理论、分形科学都促进了计算机软件理论、信息管理技术的发展。
严格的说,一个数学基础不扎实的程序不能算一个合格的程序员,很多介绍计算机算法的书籍本身也就是数学知识的应用与计算机实现手册。
第一部是《算法导论》,英文名称:Introduction to Algorithms,作者:Thomas H. Cormen ,Ch arles E. Leiserson ,Ronald L. Rivest ,Clifford Stein。
本书的主要作者来自麻省理工大学计算机,作者之一Ronald L.Rivest 由于其在公开秘钥密码算法RSA上的贡献获得了图灵奖。
这本书目前是算法的标准教材,美国许多名校的计算机系都使用它,国内有些院校也将本书作为算法课程的教材。
另外许多专业人员也经常引用它。
本书基本包含了所有的经典算法,程序全部由伪代码实现,这更增添了本书的通用性,使得利用各种程序设计语言进行程序开发的程序员都可以作为参考。
语言方面通俗,很适合作为算法教材和自学算法之用。
另一部是很多人都应该知道的Donald.E.Knuth所著《计算机程序设计艺术》,英文名称:The Art of Computer Programming。
Donald.E.Knuth人生最辉煌的时刻在斯坦福大学计算机系渡过,美国计算机协会图灵奖的获得者,是本领域内当之无愧的泰斗。
高等代数中的组合数学 基本概念与方法

高等代数中的组合数学基本概念与方法高等代数中的组合数学:基本概念与方法组合数学是数学的一个重要分支,它主要研究的是离散结构的数学对象。
在高等代数中,组合数学的基本概念和方法被广泛应用于解决各种复杂的问题。
本文将介绍高等代数中组合数学的基本概念和方法,并探讨其在实际问题中的应用。
一、组合数学的基本概念1. 排列与组合在组合数学中,排列和组合是两个基本的概念。
排列是指从一组对象中选取若干个对象进行排序的方式,而组合是指从一组对象中选取若干个对象,不考虑排序的方式。
2. 阶乘与二项式系数阶乘是指自然数相乘的结果,例如n的阶乘(n!)表示从1到n的所有自然数相乘的结果。
二项式系数是组合数学中的一个重要概念,表示从n个元素中选取k个元素的组合数,记作C(n,k)或者nCk。
二、基本方法与技巧1. 计数原理计数原理是组合数学中最基本的方法之一,它包括加法原理、乘法原理和减法原理。
通过运用计数原理,可以对复杂的问题进行分析和解决。
2. 递推关系式在组合数学中,递推关系式是一个常用的方法,通过推导递推关系式,可以将复杂的组合问题转化为简单的递推计算过程。
3. 生成函数生成函数是组合数学中的一种重要工具,可以将组合问题转化为代数问题。
通过生成函数,可以求解各种组合数的性质和关系。
4. 容斥原理容斥原理是组合数学中用于处理包含关系的方法之一。
通过运用容斥原理,可以解决一些包含排列和组合问题的复杂情况。
5. 逆序排列与有限差分逆序排列和有限差分是组合数学中的两个重要方法,可以用于求解排列和组合问题中的一些性质和关系。
三、应用案例分析1. 组合数学在密码学中的应用通过组合数学的方法,可以破解密码中的一些加密算法,提高密码的安全性。
2. 组合数学在网络传输中的应用通过组合数学的方法,可以优化网络传输中数据的传输效率,提高网络传输的稳定性和可靠性。
3. 组合数学在图论中的应用组合数学在图论中有广泛的应用,通过组合数学的方法,可以分析和解决图的连通性、最短路径等问题。
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30
N1nL|n(L)*(xL)^(n/L)
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31
2888
一条项链,n个珠子,m种颜色,给定k对颜色不能相邻,循环同构,求方 案数?
h
32
h
3
The iterative method
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4
Recursive method
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5
Miller Rabbin
• BASIS: That is ,
a^p mod p = a a^(p-1) mod p = 1
TOOLS: power_product
h
6
Cycle detection
Rho
How to calculate :
数论、组合数学、具体数学
李寅
h
1
Euclidean algorithm
• Gcd( a , b ) = gcd( b*(a/b)+(a%b) , b)
•
= gcd( b , a%b )
•
=…
h
2
Extended Euclidean algorithm
The iterative method The recursive method
λ divides ν, xν + μ = xμ, the start of the first
repetition.
• Finally, from xμ it is trivial to find the length of the shortest repeating cycle, xμ + λ = xμ.
You task is to calculate the number of terms in the Farey sequence Fn.
h
22
加减法原理
• 在空间中给出了n个点。这些点任三点不共 线,并且每两个点之间都有一条线相连, 每一条线不是红的就是黑的。在这些点和 线组成的三角形中,如果一个三角形的三 条边的颜色都相同,那么我们就称这个三 角形为单色三角形。现给出所有涂红色的 线,试求出单色三角形的数目。
h
16
Euler Function
h
17
• (1)
• (2)
• (3) ( p ^ n ) (p 1 )* p ^ (n 1 )
• (4) (m ,m ') (m )* (m ')
• (5) ( m ,k ) 1 ,k ^( m ) 1 ( m o d m )
h
18
pku2480
n
f (n) gcd(i,N) i1
• Solution:
f(n) d*(n/d) d|n
d
T r y t o p r o v e : f( m * m ') f( m ) * f( m ')
h
19
h
20
Euler递推式
• 若(N%a==0 && (N/a)%a==0) 则有:
(n)(n/a)*a
• 若(N%a==0 && (N/a)%a!=0) 则有:
observation that (as in the birthday
paradox) two numbers x and y are congruent modulo p with probability
0.5 after
numbers have been
randomly chosen. If p is a factor of
• Thus, we need only check for repeated values of this special form to find a period ν of a repetition that is a multiple of λ. Once ν is found, we may retrace the sequence from its start to find the first repetition of length ν; since
h
23
• (1)C(n,3) • (2) 1 n ri*(n1ri)
2 i1
h
24
Generating function
h
25
3045
h
26
Group Theory
1 35 26 34 45 21 6 = ( 136) ( 25) ( 4)
h
27
Burnside lemma
h
28
• Rotate i • Number of cycles : gcd(n,i) • Length of cycles: n/gcd(n,i)
Bi - Calculate
h
29
Think it in another way
Li = n/gcd(n,i) L: gcd(n,i) = n/L = a
gcd(aL,i)=a Let i=at, because n>i, aL>at , so L>t
gcd(aL,at)=a gcd(L,t)=1
h
14
• POJ 1811
Practice
h
15
modular_linear_equation
• ax mod n = b • ax = ny + b • ax – ny =b • d = gcd(a, n) • If( b % d !=0 ) :: no solution • else solve ax0 – ny0 = d • X = (x0 * b/d + n) % n
HASH?
h
7
Floyd's cycle-finding algorithm
h
8
• The key insight in the algorithm is that, whenever
i > 0 is a multiple of λ that is greater than μ, xi = x2i (and conversely).
h
9
h
10
Brent's algorithm
• X1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14
h
11
h
12
Pollard Rho – factorize bigint
• The rho algorithm is based on Floyd's cycle-finding algorithm and on the
n, the integer we are aiming to
factor, then
•
since p divides both h
and n. 13
Note that this algorithm will return failure for all prime n, but it can also fail for composite n. In that case, use a different f(x) and try again
(n ) (n/a )*(a 1 )
h
21
• The Farey Sequence Fn for any integer n with n >= 2 is the set of irreducible rational numbers a/b with 0 < a < b <= n and gcd(a,b) = 1 arranged in increasing order. The first few are F2 = {1/2} F3 = {1/3, 1/2, 2/3} F4 = {1/4, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4} F5 = {1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5}