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Indeterminate Equation

#质因子分解 #数学 #二分 #分治

题目描述

Given positive integers n, k, find the number of positive integer solutions to the indeterminate equation $a^k-b^k=n$

输入格式

The first line of input is an integer T $(1\le T\le 20)$ indicating the number of queries. The following T lines,
each contain two integers n, k indicating a single query. It is guaranteed that$1\le n\le 10^{18}$, $3\le k\le 64$.

输出格式

For each query, output a single line contains a single integer, indicating the answer

样例 #1

样例输入 #1

3
7 3
15 4
31 5

样例输出 #1

1
1
1

解法

解题思路

首先对于$a^k-b^k$，我能够提出一个$(a-b)$，例如当$k=3$时，我们可以得到
$$a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)$$

由于$n\le 1e18$，所以我们可以通过大数质因子$pollard-rho$分解出所有$n$的质因子，然后跑$dfs$搜索出所有的因子，因为在$1e18$以内，因子个数不超过$1e5$个。

那么我们就可以枚举$n$的因子作为$a-b$的值，二分出满足条件的$b$即可。

注意$a^k-b^k$极有可能爆$\_\_int128$，因此我们需要提前找出一个$a^k-b^k\le n$的上界。

由于当$k=3$时，上界可以到达接近$5e8$，我们特判一下这个情况即可。

代码

using pii = std::pair<int, int>;

const int N = 2e5 + 10;

int mul(int a, int b, int m)
{
    int r = a * b - m * (int)(1.L / m * a * b);
    return r - m * (r >= m) + m * (r < 0);
}
int mypow(int a, int b, int m)
{
    int res = 1 % m;
    for (; b; b >>= 1, a = mul(a, a, m))
    {
        if (b & 1)
        {
            res = mul(res, a, m);
        }
    }
    return res;
}
int B[] = { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 };
int ctz(unsigned int n) {
    if (n == 0) return 32; // 处理边界情况
    int count = 0;
    while ((n & 1) == 0) {
        n >>= 1;
        count++;
    }
    return count;
}

bool MR(int n)
{
    if (n <= 1)
        return 0;
    for (int p : B)
    {
        if (n == p)
            return 1;
        if (n % p == 0)
            return 0;
    }
    int m = (n - 1) >> ctz(n - 1);
    for (int p : B)
    {
        int t = m, a = mypow(p, m, n);
        while (t != n - 1 && a != 1 && a != n - 1)
        {
            a = mul(a, a, n);
            t *= 2;
        }
        if (a != n - 1 && t % 2 == 0)
            return 0;
    }
    return 1;
}

int PR(int n)
{
    for (int p : B)
    {
        if (n % p == 0)
            return p;
    }
    auto f = [&](int x) -> int
        { x = mul(x, x, n) + 1; return x >= n ? x - n : x; };
    int x = 0, y = 0, tot = 0, p = 1, q, g;
    for (int i = 0; (i & 255) || (g = std::gcd(p, n)) == 1; i++, x = f(x), y = f(f(y)))
    {
        if (x == y)
        {
            x = tot++;
            y = f(x);
        }
        q = mul(p, std::abs(x - y), n);
        if (q)
            p = q;
    }
    return g;
}

std::vector<int> fac(int n) {
#define pb emplace_back
    if (n == 1)
        return {};
    if (MR(n))
        return { n };
    int d = PR(n);
    auto v1 = fac(d), v2 = fac(n / d);
    auto i1 = v1.begin(), i2 = v2.begin();
    std::vector<int> ans;
    while (i1 != v1.end() || i2 != v2.end())
    {
        if (i1 == v1.end())
        {
            ans.pb(*i2++);
        }
        else if (i2 == v2.end())
        {
            ans.pb(*i1++);
        }
        else
        {
            if (*i1 < *i2)
            {
                ans.pb(*i1++);
            }
            else
            {
                ans.pb(*i2++);
            }
        }
    }
    return ans;
}

__int128_t quick(__int128_t x, int n)
{
    __int128_t res = 1;
    while (n)
    {
        if (n & 1)
            res = (res * x);
        x = x * x;
        n >>= 1;
    }
    return res;
}

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, __int128_t n) {
    std::string s;
    while (n) {
        s = s + std::to_string((int)n % 10);
        n /= 10;
    }
    std::reverse(s.begin(), s.end());
    return os << s;
}

std::vector<int> getfac(int n) {
    std::vector<int> pos = fac(n);

    std::map<int, int> cnt;
    for (auto i : pos) cnt[i]++;
    std::vector<pii> tmp;
    for (auto& [x, y] : cnt) tmp.push_back({ x, y });
    int len = tmp.size();
    std::set<int> st;
    auto dfs = [&](auto&& self, int mul, int dep) ->void {
        if (n % mul == 0)
            st.insert(mul);
        if (dep == len)
            return;
        int p = 1;
        for (int i = 0; i <= tmp[dep].second; i++) {
            if (i != 0)
                p *= tmp[dep].first;
            self(self, mul * p, dep + 1);
        }
        };
    dfs(dfs, 1, 0);

    std::vector<int>res;
    for (auto& x : st) res.emplace_back(x);
    return  res;
}

void solve()
{
    int n, k;
    std::cin >> n >> k;
   
    int limit = 0,res = 0;

    if (k == 3) {
        limit = 5e8;
    }

    for (int i = 1; i <= 1e6; i++) {
        if (quick(i, k) - quick(i - 1, k) > n) {
            limit = i;
            break;
        }
    }

    auto factor = getfac(n);

    for (auto x : factor) {
        int l = 1, r = limit ,ans = 0;
        while (l <= r) {
            int mid = l + r >> 1;
            __int128_t a = mid + x, b = mid;
            
            int ok = 0;
            a = quick(a, k), b = quick(b, k);
            if (a - b == n) {
                ans = mid;
                break;
            }
            else if (a - b > n) r = mid - 1;
            
            
						

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