超级次方

标签: 数学 分治

难度: Medium

你的任务是计算 ab 对 1337 取模,a 是一个正整数,b 是一个非常大的正整数且会以数组形式给出。

 

示例 1:

输入:a = 2, b = [3]
输出:8

示例 2:

输入:a = 2, b = [1,0]
输出:1024

示例 3:

输入:a = 1, b = [4,3,3,8,5,2]
输出:1

示例 4:

输入:a = 2147483647, b = [2,0,0]
输出:1198

 

提示:

  • 1 <= a <= 231 - 1
  • 1 <= b.length <= 2000
  • 0 <= b[i] <= 9
  • b 不含前导 0

Submission

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class Solution:
    def superPow(self, a: int, b: List[int]) -> int:
        MOD = 1337
        ans = 1
        for e in b:
            ans = pow(ans, 10, MOD) * pow(a, e, MOD) % MOD
        return ans


Explain

这个题解利用了模运算的性质来简化计算。具体来说,它从 b 数组的最低位开始,依次计算 a 的 b[i] 次方,然后再乘以之前的结果的 10 次方,最后对 1337 取模。这样可以避免直接计算 a 的巨大次方,而是将其拆解为多个较小的计算。

时间复杂度: O(n)

空间复杂度: O(1)

```python
class Solution:
    def superPow(self, a: int, b: List[int]) -> int:
        MOD = 1337
        ans = 1
        for e in b:
            # 将之前的结果提升到 10 次方,然后乘以 a 的 e 次方,最后取模
            ans = pow(ans, 10, MOD) * pow(a, e, MOD) % MOD
        return ans
```

Explore

在算法中,对 1337 取模是用来保证计算过程中的数值不会变得过大,从而避免整数溢出。由于模运算的性质((a * b) % c = [(a % c) * (b % c)] % c),这样做也有助于简化问题,使得每一步的计算都保持在一个可管理的数值范围内。此外,因为最终结果需要模 1337,所以在每一步操作中提前取模可以减少计算量并加快速度。

Python 的 `pow` 函数内置了模运算的功能,即 `pow(base, exp, mod)` 直接计算 (base^exp) % mod。这个函数使用的是快速幂算法,它可以在 O(log exp) 的时间复杂度内完成计算。通过在每次计算中即时使用模运算,`pow` 函数确保结果永远不会超过模数,从而防止大数的溢出问题。

尽管 b 数组非常长,并且 a 的值可能接近 int 的上限,使用 `pow` 函数和及时的模运算确保了计算过程中的数值始终受到控制。因为每一步计算都进行了模运算,所以即使 a 的初始值很大,其对最终结果的影响也被限制在 0 到 1336 之间。因此,该算法对于极端的输入依然稳定有效。

在 MOD 为 1337 的情况下,通过实际计算可以发现,`pow(ans, 10, MOD)` 的结果确实存在周期性。例如,如果连续计算 ans 的 10 次幂并取模,结果将在一定次数后开始重复。这种周期性(如果能预先计算出来)可以用来优化算法,通过存储已经计算过的结果来避免重复计算。然而,这需要额外的空间来存储这些周期结果,并且预计算这些周期也需要时间,因此是否采用这种方式需要根据具体情况权衡。