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    历届试题 矩阵翻硬币  
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    问题描述
      小明先把硬币摆成了一个 n 行 m 列的矩阵。

      随后,小明对每一个硬币分别进行一次 Q 操作。

      对第x行第y列的硬币进行 Q 操作的定义:将所有第 i*x 行,第 j*y 列的硬币进行翻转。

      其中i和j为任意使操作可行的正整数,行号和列号都是从1开始。

      当小明对所有硬币都进行了一次 Q 操作后,他发现了一个奇迹——所有硬币均为正面朝上。

      小明想知道最开始有多少枚硬币是反面朝上的。于是,他向他的好朋友小M寻求帮助。

      聪明的小M告诉小明,只需要对所有硬币再进行一次Q操作,即可恢复到最开始的状态。然而小明很懒,不愿意照做。于是小明希望你给出他更好的方法。帮他计算出答案。
    输入格式
      输入数据包含一行,两个正整数 n m,含义见题目描述。
    输出格式
      输出一个正整数,表示最开始有多少枚硬币是反面朝上的。
    样例输入
    2 3
    样例输出
    1
    数据规模和约定
      对于10%的数据,n、m <= 10^3;
      对于20%的数据,n、m <= 10^7;
      对于40%的数据,n、m <= 10^15;
      对于10%的数据,n、m <= 10^1000(10的1000次方)。
     
    题目解析:  

      1、从题目得知,如果一个硬币被翻转了奇数次后为正面朝上,那么它原始的状态一定是反面朝上。因此,我们需要统计所有翻转了奇数次硬币的个数。

      2、题目中的 “ 对第x行第y列的硬币进行 Q 操作的定义:将所有第 i*x 行,第 j*y 列的硬币进行翻转 ”。我们可以试着逆向思索,对于一个横坐标为X的硬币而言,我们翻转哪些硬币会影响到它而使它翻转呢?由此我们可以得出,当翻转的硬币的横坐标为X的约数时,会影响到它的翻转。比如,X=9,那么翻转横坐标为 1、3、9的时候会影响到它的翻转。纵坐标情况同理。

        对于一个硬币,我们必须考虑到它的横坐标和纵坐标。假如,此硬币的横坐标翻转了5次,纵坐标翻转了6次,那么它总的翻转次数为 5 * 6 = 30 次。因此我们得到一个公式:总翻转次数 (count) = 横坐标翻转次数 (count_x) * 纵坐标翻转次数 (count_y)。我们一开始就指出,我们需要找到翻转了奇数次的硬币,因此,横坐标翻转次数和纵坐标翻转次数均为奇数时,总翻转次数才为奇数次。

      3、接下来我们需要考虑,哪些数有奇数个约数呢?答案是完全平方数。它为 1,4,9,16,25,36...... 即n的2次方,n为从1开始的正整数。

        从题目中得知,此时是一个 n * m 的矩阵,行号和列号都是从1开始。因此我们需要解决 1 到 n 之间完全平方数个数的问题。方法是求出sqrt(n),然后对它取整,即 1 - n 之间总共有 (int)(sqrt(n)) 个完全平方数。因此,反面朝上硬币的个数为横纵坐标完全平方数个数相乘,即 (int)((sqrt(n)) * (sqrt(m))) 。

      4、由于此题的数据是超大规模的。因此,我们需要解决大数开方、大数相乘和大数比较等问题。

        通常使用 String 来接受键盘输入大数,因为它的长度比较容易控制。而使用 java.math.BigInteger 包中的 BigInteger 类来存储大数据。它的原则是,只要计算机有足够的的内存,它就能存储多长位数的数。

       大数开方: 牛顿逼近法。

            如果一个数的位数为偶数,那么这个数的方根就有 n/2 位,如果一个数的位数为奇数,这个数的方根就有 n/2 + 1 位。

            比如 num=1000 ,那么它的位数为 4 ,即方根就有 2 位。我们从方根的最高位进行枚举。

              先枚举出它的十位:

                10 * 10 = 100 < 1000

                20 * 20 = 400 < 1000

                30 * 30 = 900 < 1000

                40 * 40 = 1600 > 1000

              则这个根的十位为 3 。

              再枚举它的个位:

                31 * 31 = 961 < 1000

                32 * 32 = 1024 > 1000

              则这个根的个位为 1 。即这个方根为 31 。

       大数相乘:调用 java.math.* 包中的 multiply 方法。比如 bigNum1.multiply(bigNum2)

             在 c 语言或者 c++ 语言中没有 BigInteger 类,因此我们在考虑大数相乘的时候,需要解决移位和进位的问题。比如,在运算12 * 34 时,我们在演草纸上怎样进行计算的呢? 首先 2 * 4 = 8 没有进位,因此结果值的个位为 8 ,接下来 1 * 4 = 4 、 2 * 3 = 6 , 4 + 6 = 10 ,有进位,进 1 后结果值的十位为 0 ,然后 1 * 3 = 3 ,再加上刚才的进位 1 ,所以结果值的百位为 4 ,即最后的值为 408 。这是我们正常的计算方法,但我们需要考虑这种简单粗暴的方法怎样在计算机中实现。因此,我们这时想到将数放在数组中是一个很好的方法。比如,我们将 12 和 34 分别放在char型数组a和数组b中,结果放在数组 c 中。所以计算过程如下:

               a: { 1 , 2 }    b:{ 3 , 4}

               a[1] * b[1] = 2 * 4 = 8

               a[0] * b[1] = 1 * 4 = 4

               a[1] * b[0] = 2 * 3 = 6

               a[0] * b[0] = 1 * 3 = 3

               c:{ 3 , 10 , 8 }  →  { 4 , 0  , 8 }

            但是此时我们发现在数组中进行进位时是一件十分麻烦的事,因为若数非常大的时候,比如最后的结果出现了 { 9 , 12 , ... , 8},加入此数是一个 1000 0000 位的数,我们发现当最高位需要进位的时候,需要将这所有存储单位中的数右移一位,也就是需要移动 1000 0000 次,所以解决此问题的最好办法是将数在数组中逆序存储,当最高位需要进位的时候,只需要在最高位后再申请一个存储单元即可,也就是一定一次就可以了。比如计算 56 * 78 时,

               a: { 6, 5 }    b:{8 , 7}

               a[0] * b[0] = 6 * 8 = 48

               a[1] * b[0] = 5 * 8 = 40

               a[0] * b[1] = 6 * 7 = 42

               a[1] * b[1] = 5 * 7 = 35

               c:{ 48 , 82 , 35 }  →  { 8 , 86  , 35 }  →  { 8 , 6  , 43 }  →  { 8 , 6  , 3 , 4 }

            即 56 * 78 = 4368 。从移位和进位问题中我们就可以推敲出其规律来。所以,在解决大数相乘的时候,我们可以利用此方法来实现。

           

       大数比较: 调用 java.math.* 包中的 compareTo 方法,随第一个参数小于,等于或大于第二个参数返回负整数、零或正整数。比如 "2".compareTo ("3")

    示例代码:

     1 import java.io.BufferedReader;
     2 import java.io.IOException;
     3 import java.io.InputStreamReader;
     4 import java.math.BigInteger;
     5 import java.util.Arrays;
     6 
     7 public class Main {
     8     public static void main(String[] args) throws IOException {
     9         BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
    10         String[] str = br.readLine().split(" ");
    11         String n =     str[0];
    12         String m =     str[1];
    13         BigInteger answer = (bigSqrt(n)).multiply(bigSqrt(m));   //sqrt(n) * sqrt(m)  1-n之间的完全平方数的个数 * 1-m之间完全平方数的个数
    14         System.out.println(answer);
    15     }
    16     //  求1 - num 之间完全平方数的个数
    17     private static BigInteger bigSqrt(String num) {
    18         int length = num.length();     //被开方数的位数
    19         int sqrt_len = 0;            //开方数的位数
    20         if(length % 2 == 0){
    21             sqrt_len = length / 2;
    22         }else{
    23             sqrt_len = length / 2 + 1;
    24         }
    25         BigInteger beSqrtNum = new BigInteger(num);
    26         char[] ch = new char[sqrt_len];            //记录开方数,开房数在数组中逆序存放
    27         Arrays.fill(ch, '0');                      //将ch数组初始化为'0'
    28         for(int i = 0; i < sqrt_len; i++){         //从开房数的最高位开始计算,使 每一位都转化为 开方数的平方且不大于被开方数
    29             for(char j = '1'; j <= '9'; j++ ){
    30                 ch[i] = j;
    31                 String s = String.valueOf(ch);
    32                 BigInteger sqrtNum = new BigInteger(s);
    33                 BigInteger squareNum = sqrtNum.multiply(sqrtNum);
    34                 if(squareNum.compareTo(beSqrtNum) == 1){     //大数比较问题
    35                     ch[i] -= 1;
    36                     break;
    37                 }
    38             }
    39         }
    40         return new BigInteger(String.valueOf(ch));
    41     }
    42 }

                                                       

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