多项式求逆元详解+模板 【洛谷P4238】多项式求逆

概述

多项式求逆元是一个非常重要的知识点，许多多项式操作都需要用到该算法，包括多项式取模，除法，开跟，求ln，求exp，快速幂。用快速傅里叶变换和倍增法可以在$O(n log n)$的时间复杂度下求出一个$n$次多项式的逆元。

 

前置技能

快速数论变换（NTT），求一个数$x$在模$p$意义下的乘法逆元。

 

多项式的逆元

给定一个多项式$A(x)$，其次数为$deg_A$，若存在一个多项式$B(x)$，使其满足$deg_B≤deg_A$，且$A(x) imes B(x) equiv 1 (mod x^n)$，则$B(x)$即为$A(x)$在模$x^n$意义下的的乘法逆元。

 

求多项式的逆元

我们不妨假设，$n=2^k,k∈N$。

若$n=1$，则$A(x) imes B(x) equiv a_0 imes b_0 equiv 1 (mod x^1)$。其中$a_0$，$b_0$表示多项式$A$和多项式$B$的常数项。

若需要求出$b_0$，直接用费马小定理求出$a_0$的乘法逆元即可。

当$n>1$时：

我们假设在模$x^{frac{n}{2}}$的意义下$A(x)$的逆元$B'(x)$我们已经求得。

依据定义，则有

$A(x)B'(x)equiv 1 (mod x^{frac{n}{2}})$          $(1)$

对$(1)$式进行移项得

$A(x)B'(x)-1equiv 0 (mod x^{frac{n}{2}})$          $(2)$

然后对$(2)$式等号两边平方，得

$A^2(x)B'^2(x)-2A(x)B'(x)+1equiv 0(mod x^{n})$          $(3)$

将常数项移动到等式右侧，得

$A^2(x)B'^2(x)-2A(x)B'(x)equiv -1(mod x^{n})$          $(4)$

将等式两边去相反数，得

$2A(x)B'(x)-A^2(x)B'^2(x)equiv 1(mod x^{n})$          $(5)$

下面考虑回我们需要求的多项式$B(x)$，依据定义，其满足

$A(x)B(x)equiv 1(mod x^{n})          $(6)$

将$(5)-(6)$并移项，得

$A(x)B(x)equiv 2A(x)B'(x)-A^2(x)B'^2(x)(mod x^{n})$          $(7)$

等式两边约去$A(x)$，得

$B(x)equiv 2B'(x)-A(x)B'^2(x)(mod x^{n})$          $(8)$

 

 

显然，我们可以用上述式子求出$B(x)$。

这一步的计算我们可以使用$NTT$，时间复杂度为$O(n log n)$。

我们可以通过递归的方法，求解出$B(x)$。

时间复杂度$T(n)=T(dfrac{n}{2})+O(n log n)=O(n log n)$。

 

洛谷上有一道题目就叫做多项式求逆元（点这里），可以先做下那一题。

模板如下：

 

#include<bits/stdc++.h>
#define M (1<<19)
#define L long long
#define MOD 998244353
#define G 3
using namespace std;

L pow_mod(L x,L k){
    L ans=1;
    while(k){
        if(k&1) ans=ans*x%MOD;
        x=x*x%MOD; k>>=1;
    }
    return ans;
}

void change(L a[],int n){
    for(int i=0,j=0;i<n-1;i++){
        if(i<j) swap(a[i],a[j]);
        int k=n>>1;
        while(j>=k) j-=k,k>>=1;
        j+=k;
    }
}
void NTT(L a[],int n,int on){
    change(a,n);
    for(int h=2;h<=n;h<<=1){
        L wn=pow_mod(G,(MOD-1)/h);
        for(int j=0;j<n;j+=h){
            L w=1;
            for(int k=j;k<j+(h>>1);k++){
                L u=a[k],t=w*a[k+(h>>1)]%MOD;
                a[k]=(u+t)%MOD;
                a[k+(h>>1)]=(u-t+MOD)%MOD;
                w=w*wn%MOD;
            }
        }
    }
    if(on==-1){
        L inv=pow_mod(n,MOD-2);
        for(int i=0;i<n;i++) a[i]=a[i]*inv%MOD;
        reverse(a+1,a+n);
    }
}

void getinv(L a[],L b[],int n){
    if(n==1){b[0]=pow_mod(a[0],MOD-2); return;}
    static L c[M],d[M];
    memset(c,0,n<<4); memset(d,0,n<<4);
    getinv(a,c,n>>1);
    for(int i=0;i<n;i++) d[i]=a[i];
    NTT(d,n<<1,1); NTT(c,n<<1,1);
    for(int i=0;i<(n<<1);i++) b[i]=(2*c[i]-d[i]*c[i]%MOD*c[i]%MOD+MOD)%MOD;
    NTT(b,n<<1,-1);
    for(int i=0;i<n;i++) b[n+i]=0;
}
L a[M]={0},b[M]={0};
int main(){
    int n,N; scanf("%d",&n);
    for(int i=0;i<=n;i++) scanf("%lld",a+i);
    for(N=1;N<=n;N<<=1);
    getinv(a,b,N);
    for(int i=0;i<=n;i++) printf("%lld ",b[i]);
}