Luogu P3951 小凯的疑惑

题目描述

小凯手中有两种面值的金币,两种面值均为正整数且彼此互素。每种金币小凯都有 无数个。在不找零的情况下,仅凭这两种金币,有些物品他是无法准确支付的。现在小 凯想知道在无法准确支付的物品中,最贵的价值是多少金币?注意:输入数据保证存在 小凯无法准确支付的商品。

输入输出格式

输入格式:

两个正整数 aa 和 bb,它们之间用一个空格隔开,表示小凯中金币的面值。

输出格式:

一个正整数 NN,表示不找零的情况下,小凯用手中的金币不能准确支付的最贵的物品的价值。

输入输出样例

输入样例#1: 复制

3 7

输出样例#1: 复制

11

说明

【输入输出样例 1 说明】

小凯手中有面值为33和77的金币无数个,在不找零的前提下无法准确支付价值为1, 2,4,5,8,111,2,4,5,8,11 的物品,其中最贵的物品价值为 1111,比1111 贵的物品都能买到,比如:

12 = 3 \times 4 + 7 \times 012=3×4+7×0

13 = 3 \times 2 + 7 \times 113=3×2+7×1

14 = 3 \times 0 + 7 \times 214=3×0+7×2

15 = 3 \times 5 + 7 \times 015=3×5+7×0

【数据范围与约定】

对于 30\%30%的数据: 1 \le a,b \le 501≤a,b≤50。

对于 60\%60%的数据: 1 \le a,b \le 10^41≤a,b≤104。

对于100\%100%的数据:1 \le a,b \le 10^91≤a,b≤109。

feel:打表找规律

假设两种钱的面额为aa和bb,且\gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1。

假设两种钱每种最少要拿一次(也就是不能不拿),那么不能凑成的最大钱数k=a\times bk=a×b(注意是最大钱数,我刚才打错了),由于可以不拿,那么就把多拿的两张钱减去,也就是ans=k-a-b=a\times b-a-bans=k−a−b=a×b−a−b,其实这里大家都应该比较透彻,但是这个为什么k=a\times bk=a×b我在下面证明一下。

现在我们需要证明ax+by=k(x,y>0)ax+by=k(x,y>0)无解。

我们利用反证法,设k=a\times bk=a×b,假设ax+by=k(x,y>0)ax+by=k(x,y>0)有解。

那么根据欧几里得算法,ax+by=sax+by=s(ss是任意整数)有解的条件是\gcd(a,b)|sgcd(a,b)∣s。而这里\gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1,满足条件。

我们假设找到了ax+by=1ax+by=1的一个解为(x_0,y_0)(x0​,y0​),那么就有ax_0+by_0=1ax0​+by0​=1。因为a,b\ge1a,b≥1,直觉告诉我们x_0\le0x0​≤0或者y_0\le0y0​≤0,这个不用我证明了吧。

等式两边同时乘以kk,得到akx_0+bky_0=kakx0​+bky0​=k,即k=ax+byk=ax+by的一个解为(kx_0,ky_0)(kx0​,ky0​),根据通解公式,通解为\begin{aligned}\left(kx_0+\frac {bt} {\gcd(a,b)},ky_0-\frac {at} {\gcd(a,b)}\right)\end{aligned}(t\in \rm Z)(kx0​+gcd(a,b)bt​,ky0​−gcd(a,b)at​)​(t∈Z)。因为gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1,所以通解为(kx_0+bt,ky_0-at)(kx0​+bt,ky0​−at)。因为k=a\times b>0k=a×b>0,而x_0\le 0x0​≤0或y_0\le0y0​≤0,所以x\le0x≤0或y\le0y≤0。当我们改变tt的值时,把通解转化一下(b(ax_0+t),a(by_0-t))(b(ax0​+t),a(by0​−t))观察这个式子,我们会发现其中一定有一个会\le0≤0的。我们继续转化,令X=ax_0+tX=ax0​+t,令Y=by_0-tY=by0​−t,则X+Y=1X+Y=1。因为他们都是整数,所以X\le0X≤0或Y\le0Y≤0的。而a,b>0,x=aX,y=bYa,b>0,x=aX,y=bY,所以x\le0x≤0或y\le0y≤0,即ax+by=k(x,y>0)ax+by=k(x,y>0)无解。

证毕。


为了严谨,我们还需要证明ax+by=k+r(x,y>0,rax+by=k+r(x,y>0,r是正整数))有解。和上面思路差不多,为了严谨,我重新写一遍思路吧。

现在我们需要证明ax+by=k+r(x,y>0,rax+by=k+r(x,y>0,r是正整数))有解。

那么根据欧几里得算法,ax+by=sax+by=s(ss是任意整数)有解的条件是\gcd(a,b)|sgcd(a,b)∣s。而这里\gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1,满足条件。

我们假设找到了ax+by=1ax+by=1的一个解为(x_0,y_0)(x0​,y0​),那么就有ax_0+by_0=1ax0​+by0​=1。因为a,b\ge1a,b≥1,直觉告诉我们x_0\le0x0​≤0或者y_0\le0y0​≤0,这个不用我证明了吧。

等式两边同时乘以k+rk+r,得到a(k+r)x_0+b(k+r)y_0=k+ra(k+r)x0​+b(k+r)y0​=k+r,即k+r=ax+byk+r=ax+by的一个解为(kx_0+rx_0,ky_0+ry_0)(kx0​+rx0​,ky0​+ry0​),根据通解公式,通解为\begin{aligned}\left(kx_0+rx_0+\frac {bt} {\gcd(a,b)},ky_0+ry_0-\frac {at} {\gcd(a,b)}\right)\end{aligned}(t\in \rm Z)(kx0​+rx0​+gcd(a,b)bt​,ky0​+ry0​−gcd(a,b)at​)​(t∈Z)。因为gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1,所以通解为(kx_0+rx_0+bt,ky_0+ry_0-at)(kx0​+rx0​+bt,ky0​+ry0​−at)即(abx_0+rx_0+bt,aby_0+ry_0-at)(abx0​+rx0​+bt,aby0​+ry0​−at)。现在我们需要证明他们俩都大于0有解。

我们还是转化一下,通解转化为\begin{aligned}\left({b\left(ax_0+\frac{rx_0}b+t\right),a\left(by_0+\frac{ry_0}a-t\right)}\right)\end{aligned}(b(ax0​+brx0​​+t),a(by0​+ary0​​−t))​,注意这里的除法是实数除法。那么现在需要证明\begin{aligned}ax_0+\frac{rx_0}b+t\end{aligned}ax0​+brx0​​+t​和\begin{aligned}by_0+\frac{ry_0}a-t\end{aligned}by0​+ary0​​−t​都大于0。令X=\begin{aligned}ax_0+\frac{rx_0}b+t\end{aligned}X=ax0​+brx0​​+t​,Y=\begin{aligned}by_0+\frac{ry_0}a-t\end{aligned}Y=by0​+ary0​​−t​,则\begin{aligned}X+Y=ax_0+by_0+\frac{rx_0}b+\frac{ry_0}a=1+r\frac{ax_0+by_0}{ab}=1+\frac r {ab}>1\end{aligned}X+Y=ax0​+by0​+brx0​​+ary0​​=1+rabax0​+by0​​=1+abr​>1​。注意到这个式子中XX和YY一定可以构造出XX和YY都大于0的解。

为什么呢?这个其实很好想,你可以把\begin{aligned}ax_0+\frac{rx_0}{b}\end{aligned}ax0​+brx0​​​和\begin{aligned}by_0+\frac{ry_0}{a}\end{aligned}by0​+ary0​​​想象成任意两个和大于1的实数,你每次可以做的操作是把他们其中一个加1另一个-1,那么他们一定可以同时为正。如何证明?我们建立一个坐标系uOvuOv(实在没字母可用了),然后建立参数方程\begin{aligned}u=ax_0+\frac{rx_0}{b}+t\end{aligned}u=ax0​+brx0​​+t​,\begin{aligned}v=by_0+\frac{ry_0}{a}-t\end{aligned}v=by0​+ary0​​−t​,其中tt是参数,t\in\rm Zt∈Z,我们先假设t\in\rm Rt∈R,那么方程就是一条斜率为-1−1的直线,因为u+v>1u+v>1,所以直线在第一象限的长度大于\sqrt22​。因为t\in\rm Zt∈Z,t\in\rm Zt∈Z时候的图像就是在t\in\rm Rt∈R情况上的一系列间距为\sqrt 22​的点,而t\in\rm Rt∈R时候的图像在第一象限内长度大于\sqrt22​,所以t\in\rm Zt∈Z时候的图像在第一象限内存在点。

所以x>0x>0并且y>0y>0的解一定存在。

证毕。(上面就是我抄的Luogu上的题解,多么诚实的我啊

#include<cstdio>
#define ll long long
using namespace std;
int main()
{
	ll a,b;
	scanf("%lld%lld",&a,&b);
	printf("%lld",a*b-a-b);
}

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