MTT：任意模数NTT

Posted 2022-06-09 guoshaoyang

MTT：任意模数NTT

概述

有时我们用FFT处理的数据很大，而模数可以分解为\(a\cdot 2^k+1\)的形式。次数用FFT精度不够，用NTT又找不到足够大的模数，于是MTT就应运而生了。

MTT没有模数的限制，比NTT更加自由，应用广泛，可以用于任意模数或很大的数。

MTT

MTT是基于NTT的，其思想很简单，就是做多次NTT，每次使用不同的素数，然后使用CRT合并解，在合并的过程中模最终模数，或是对于无模数的情况使用高精度。

做NTT的次数取决于最大可能答案的大小，所用的所有素数之积必须大于答案

实现

此处以取三个素数为例
我们可以做三次NTT，相邻次之间改变素数，但这样常数太大，于是我们常常选择封装（适合于模数不太多的情况）。
我们定义一个结构体node，有三个成员a,b,c，分别代表三个模数下的值，同时，我们定义模数的结构体与之一一对应。

struct node
    LL a,b,c;
    node()
        a=b=c=0;
    
    node(LL x)
        a=b=c=x;
    
    node(LL x,LL y,LL z)
        a=x;
        b=y;
        c=z;
    
MOD=node(167772161,469762049,998244353),BASE=node(3),INV=node(116878283,426037461,929031873);

我们还要定义关于此结构体的运算，其中成员之间互不影响，只和操作对象里对应的成员产生运算

inline node operator+(node x,node y)
    return node(x.a+y.a,x.b+y.b,x.c+y.c);

inline node operator-(node x,node y)
    return node(x.a-y.a,x.b-y.b,x.c-y.c);

inline node operator*(node x,node y)
    return node(x.a*y.a%MOD.a,x.b*y.b%MOD.b,x.c*y.c%MOD.c);

inline node operator%(node x,node y)
    return node(x.a%y.a,x.b%y.b,x.c%y.c);

inline node operator/(node x,node y)
    return node(x.a/y.a,x.b/y.b,x.c/y.c);

inline node operator-(node x,LL y)
    return node(x.a-y,x.b-y,x.c-y);

inline node operator*(node x,LL y)
    return node(x.a*y,x.b*y,x.c*y);

inline node operator/(node x,LL y)
    return node(x.a/y,x.b/y,x.c/y);

inline node operator%(node x,LL y)
    return node(x.a%y,x.b%y,x.c%y);

然后套用NTT的板子，最后用CRT合并。

假设这一位的答案是\(x\)，三个模数分别为\(A,B,C\)，那么：
\[\beginalignedx\equiv x_1\pmodA \\ x\equiv x_2\pmodB \\ x\equiv x_3\pmodC\endaligned\]
先把前两个合并：
\[\beginalignedx_1+k_1A=x_2+k_2B\\x_1+k_1A\equiv x_2\pmodB\\k_1\equiv \fracx_2-x_1A\pmodB\endaligned\]
于是求出了\(k_1\)，也就求出了\(x\equiv x_1+k_1A\pmodAB\)，记\(x_4=x_1+k_1A\)

\[\beginalignedx_4+k_4AB=x_3+k_3C\\x_4+k_4AB\equiv x_3\pmodC\\k_4\equiv \dfracx_3-x_4AB\pmodC\endaligned\]
因为\(x<ABC\)，所以
\[x=x_4+k_4AB\]

LL CRT(node x)
    LL mod1=MOD.a,mod2=MOD.b,mod3=MOD.c,mod_1_2=mod1*mod2;
    LL inv_1=inv(mod1,mod2),inv_2=inv(mod1*mod2%mod3,mod3);
    LL A=x.a,B=x.b,C=x.c;
    LL x4=(B-A+mod2)%mod2*inv_1%mod2*mod1+A;
    return ((C-x4%mod3+mod3)%mod3*inv_2%mod3*(mod_1_2%Last_Mod)+Last_Mod+x4)%Last_Mod;

于是我们就能写出完整代码了。

// luogu-judger-enable-o2
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long LL;
const int INF=1e9+7,MAXN=3e6+10/*Min:2^20+10*/;
void exgcd(LL a,LL b,LL &x,LL &y)
    if(!b)
        x=1;
        y=0;
        return;
    
    exgcd(b,a%b,y,x);
    y-=a/b*x;

inline LL inv(LL x,LL p)
    LL a,b;
    exgcd(x,p,a,b);
    return (a%p+p)%p;

struct node
    LL a,b,c;
    node()
        a=b=c=0;
    
    node(LL x)
        a=b=c=x;
    
    node(LL x,LL y,LL z)
        a=x;
        b=y;
        c=z;
    
MOD=node(167772161,469762049,998244353),BASE=node(3),INV=node(116878283,426037461,929031873);
inline node operator+(node x,node y)
    return node(x.a+y.a,x.b+y.b,x.c+y.c);

inline node operator-(node x,node y)
    return node(x.a-y.a,x.b-y.b,x.c-y.c);

inline node operator*(node x,node y)
    return node(x.a*y.a%MOD.a,x.b*y.b%MOD.b,x.c*y.c%MOD.c);

inline node operator%(node x,node y)
    return node(x.a%y.a,x.b%y.b,x.c%y.c);

inline node operator/(node x,node y)
    return node(x.a/y.a,x.b/y.b,x.c/y.c);

inline node operator-(node x,LL y)
    return node(x.a-y,x.b-y,x.c-y);

inline node operator*(node x,LL y)
    return node(x.a*y,x.b*y,x.c*y);

inline node operator/(node x,LL y)
    return node(x.a/y,x.b/y,x.c/y);

inline node operator%(node x,LL y)
    return node(x.a%y,x.b%y,x.c%y);

LL Last_Mod;
LL CRT(node x)
    LL mod1=MOD.a,mod2=MOD.b,mod3=MOD.c,mod_1_2=mod1*mod2;
    LL inv_1=inv(mod1,mod2),inv_2=inv(mod1*mod2%mod3,mod3);
    LL A=x.a,B=x.b,C=x.c;
    LL x4=(B-A+mod2)%mod2*inv_1%mod2*mod1+A;
    return ((C-x4%mod3+mod3)%mod3*inv_2%mod3*(mod_1_2%Last_Mod)+Last_Mod+x4)%Last_Mod;

inline LL fpm_(LL base,LL p,LL mod)
    LL ret=1;
    while(p)
        if(p&1)
            ret=ret*base%mod;
        base=base*base%mod;
        p>>=1;
    
    return ret%mod;

inline node fpm(LL base,node p)
    return node(fpm_(base,p.a,MOD.a),fpm_(base,p.b,MOD.b),fpm_(base,p.c,MOD.c));

int N,M,lim=1,lg,rev[MAXN];
node Wn[MAXN];
inline void NTT(node *a,int type)
    for(int i=0;i<lim;i++)
        if(i<rev[i])
            swap(a[i],a[rev[i]]);
    for(int mid=1;mid<lim;mid<<=1)
        int len=mid<<1/*n*/;
        node Wn=fpm(3,(MOD-1)/(LL)len);
        for(int j=0;j<lim;j+=len)
            node w=node(1);
            for(int k=0;k<mid;k++)
                node x=a[j+k],y=w*a[j+k+mid]%MOD;
                a[j+k]=(x+y)%MOD;
                a[j+k+mid]=(x-y+MOD)%MOD;
                w=w*Wn%MOD;
            
        
    
    if(type==-1)
        reverse(a+1,a+lim);
        node lim_inv=node(inv(lim,MOD.a),inv(lim,MOD.b),inv(lim,MOD.c)); 
        for(int i=0;i<lim;i++)
            a[i]=a[i]*lim_inv;
    

node a[MAXN],b[MAXN];
int main()
    scanf("%d%d%lld",&N,&M,&Last_Mod);
    for(int i=0;i<=N;i++)
        LL ii;
        scanf("%lld",&ii);
        a[i]=node(ii%Last_Mod)%MOD;
    
    for(int i=0;i<=M;i++)
        LL ii;
        scanf("%lld",&ii);
        b[i]=node(ii%Last_Mod)%MOD;
    
    while(lim<=N+M)
        lim<<=1;
        lg++;
    
    for(int i=0;i<lim;i++)
        rev[i]=(rev[i>>1]>>1)|((i&1)<<(lg-1));
    Wn[0]=node(1);
    for(int i=1;i<lim;i++)
        Wn[i]=Wn[i-1]*INV;
    NTT(a,1);
    NTT(b,1);
    for(int i=0;i<lim;i++)
        a[i]=a[i]*b[i]%MOD;
    NTT(a,-1);
    for(int i=0;i<=N+M;i++)
        printf("%lld ",CRT(a[i]));
    return 0;

例题

模板题：P4245?【模板】任意模数NTT

模板题：【模板】多项式求逆（加强版）